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1、嵌入式系统设计嵌入式系统设计王行甫王行甫0551_63607858中国科学技术大学计算机学院课程目的课程目的u理理论与与实践相践相结合。合。u以嵌入式系以嵌入式系统基基础及嵌入式及嵌入式处理器及其理器及其体系体系结构构为重点，以重点，以应用用为目的，全面目的，全面介介绍嵌入式系嵌入式系统的的设计。u使大家既能使大家既能对嵌入式系嵌入式系统及开及开发有一个有一个全景的把握，又能深入理解嵌入式全景的把握，又能深入理解嵌入式实时操作系操作系统。课程特点课程特点u利用利用PC机就可以自己机就可以自己动手搭建嵌入式系手搭建嵌入式系统的开的开发平台，熟悉平台，熟悉应用开用开发，更方便地，更方便地学学习和理
2、解嵌入式系和理解嵌入式系统的基的基础知知识：u从从纯软件到硬件到硬/软件件结合合u从从“纸”上上谈兵（兵（编程序）到程序）到“板板”上上谈兵兵u从从“懂懂”怎么做到怎么做到“会会”做做u从从讲/听到听到讲/听听/做做实验系统的内容实验系统的内容目标平台目标平台开发工具开发工具嵌入式操作系统嵌入式操作系统实验项目实验项目PCPC虚拟机虚拟机ARM9ARM9开发板开发板ADSADS集成开发环境集成开发环境LinuxLinux课程成绩评定课程成绩评定u课程成程成绩平平时成成绩实验成成绩期末考期末考试成成绩u平平时成成绩20分，其中作分，其中作业10分，出勤分，出勤10分分u实验成成绩20分，平分，平
3、时10分，分，实验报告告10分分u期末考期末考试：闭卷考卷考试60分，第十四周左右分，第十四周左右目录目录第第1章章 嵌入式系嵌入式系统概述概述第第2章章 ARM微微处理器概述与理器概述与编程模型程模型第第3章章 ARM9指令系指令系统第第4章章 嵌入式程序嵌入式程序设计基基础第第5章章 嵌入式内部可嵌入式内部可编程模程模块第第6章章 嵌入式接口技嵌入式接口技术应用用第第7章章 软件开件开发环境境第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述u嵌入式系嵌入式系统定定义 u嵌入式系嵌入式系统的的发展概述展概述 u嵌入式系嵌入式系统的硬件和的硬件和软件特征件特征 u嵌入式系嵌入式系统的分的分类 u嵌入式
4、系嵌入式系统的的应用用 1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义u计算机算机发展的三大展的三大阶段段u第一第一阶段：始于五十年代的由段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型机。等公司率先研制的大型机。u第二第二阶段段：始于七十年代的个人始于七十年代的个人计算机。算机。u第三第三阶段段：计算机正算机正迈入下一个充入下一个充满机遇的机遇的阶段段“后后PC时代代”或或“无无处不在的不在的计算机算机”阶段。段。1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义u无无处不在的不在的计算机算机u施施乐公司公司Palo Alto研究中心主任研究中心主任Mark Weiser认
5、为：“从从长远来看，来看，PC机和机和计算机工作站将衰落，因算机工作站将衰落，因为计算机算机变得无得无处不在：例如在不在：例如在墙里、在手腕上、在手写里、在手腕上、在手写电脑中中(象手写象手写纸一一样)等等，随用随取、伸手可及等等，随用随取、伸手可及”。u全世界的全世界的计算机科学家正在形成一种共算机科学家正在形成一种共识: 计算机不会成算机不会成为科幻科幻电影中的那种影中的那种贪婪的怪物婪的怪物, 而是将而是将变得小巧玲得小巧玲珑, 无无处不在不在. 他他们藏身在任何地方藏身在任何地方, 又消失在所又消失在所有地方有地方, 功能功能强大大, 确有无影无踪确有无影无踪. 人人们将将这种思想命名
6、种思想命名为: “无所不在的无所不在的计算机算机”。 嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在彼此互连彼此互连1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义u什么是嵌入式系什么是嵌入式系统 嵌入式系嵌入式系统（Embedded Systems）是指：）是指：“嵌入到嵌入到对象象体系中的、用于体系中的、用于执行独立功能的行独立功能的专用用计算机系算机系统”。定。定义为以以应用用为中心，以中心，以微微电子技子技术、控制技控制技术、计算机技算机技术和和通通讯技技术为基基础，强调硬件硬件软件的件的协同性与整合性，同性与整合性，软件硬件可剪裁的，适件硬件可剪裁的，适应应用系用系统对功能、可靠性、成本、功能、可靠性、成
7、本、体体积、功耗和、功耗和应用用环境有等境有等严格要求的格要求的专用用计算机系算机系统。1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系嵌入式系统的嵌入式的嵌入式本本质就是将一个就是将一个计算机算机嵌入到一个嵌入到一个对象体系象体系中去。中去。1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义u最最简单的的嵌嵌入入式式系系统仅有有执行行单一一功功能能的的控控制制能能力力，在在唯唯一一的的 ROM中中仅有有实现单一一功功能能的的控控制制程程序序，无无微微型型操操作作系系统。复复杂的的嵌嵌入入式式系系统，例例如如个个人人数数字字助助理理（PDA）、手持手持电脑（HPC）等，具有与）等，具有与 PC几乎一几乎一样的
8、功能。的功能。u实质上上与与PC的的区区别仅仅是是将将微微型型操操作作系系统与与应用用软件件嵌嵌入入在在 ROM、RAM或或FLASH存存储器器中中，而而不不是是存存贮于于磁磁盘等等载体中。体中。u很很多多复复杂的的嵌嵌入入式式系系统又又是是由由若若干干个个小小型型嵌嵌入入式式系系统组成成的。的。马达控制器车灯u嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统汽车控制系统尾灯控制尾灯控制系统系统后车门控后车门控制系统制系统前车门控前车门控制系统制系统座椅控制座椅控制系统系统发动器控发动器控制系统制系统所有的控所有的控制系统都制系统都是一个完是一个完整的嵌入整的嵌入式系统式系统1.1 嵌入式系统定义嵌入
9、式系统定义u从广从广义上上讲，凡是，凡是带有微有微处理器的理器的专用硬件系用硬件系统都可以称都可以称为嵌入式系嵌入式系统，如各，如各类单片机和片机和DSP系系统。这些系些系统在完在完成成较为单一的一的专业功能功能时具有具有简洁高效的特点。但他高效的特点。但他们的的软件的能力有限。件的能力有限。u因此，推荐使用嵌入式微因此，推荐使用嵌入式微处理器构成独立系理器构成独立系统，具有自己，具有自己的操作系的操作系统，具有特定功能，用于特定，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系合的嵌入式系统。所以，一个嵌入式系所以，一个嵌入式系统就是一个就是一个硬件硬件和和软件件的集合体，它的集合体，它包括硬件和包括硬
10、件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器、控理器、控制器、数字信号制器、数字信号处理器（理器（DSP）、存）、存储及外及外设器件、器件、输入入输出（出（I/O）由于）由于应用用领域不同，域不同，应用程序千差万用程序千差万别。1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义u按照上述嵌入式系按照上述嵌入式系统的定的定义，只要，只要满足定足定义中三要素的中三要素的计算机系算机系统，都可称，都可称为嵌入式系嵌入式系统。u嵌入式系嵌入式系统按形按形态可分可分为u设备级（工控机）（工控机）u板板级（单板、模板、模块）u芯片芯片级（MCU、SoC） 因此，有些人把嵌入式因此，有些人把嵌入式
11、处理器当作嵌入式系理器当作嵌入式系统，但由于，但由于嵌入式系嵌入式系统是一个嵌入式是一个嵌入式计算机系算机系统，因此，因此，只有将嵌入只有将嵌入式式处理器构成一个理器构成一个计算机系算机系统，并作，并作为嵌入式嵌入式应用用时，这样的的计算机系算机系统才可称作嵌入式系才可称作嵌入式系统。1.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点u嵌入式系嵌入式系统特特别强调“量身定做量身定做”的原的原则，开，开发人人员往往往往需要需要针对某一种特殊用途开某一种特殊用途开发出一个截然不同的嵌入式系出一个截然不同的嵌入式系统来，所以我来，所以我们很很难不不经过“大量大量”修改而直接将一个嵌修改而直接将一个嵌入式系
12、入式系统全套用到其他的嵌入式全套用到其他的嵌入式产品上去。品上去。u“嵌入性嵌入性”、“专用性用性”与与“计算机系算机系统”是嵌入式系是嵌入式系统的三个基本要素。的三个基本要素。对象系象系统则是指嵌入式系是指嵌入式系统所嵌入的宿所嵌入的宿主系主系统。嵌入式系。嵌入式系统的特点是由三个基本要素衍生出来的。的特点是由三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系不同的嵌入式系统其特点会有所差异。其特点会有所差异。1.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点u与与“嵌入性嵌入性”的相关特点：的相关特点：由于是嵌入到由于是嵌入到对象系象系统中，必中，必须满足足对象系象系统的的环境要求，如物理境要求，如物理环境
13、（小型）、境（小型）、电气气/环境（可靠）、成本（价廉）等要求。境（可靠）、成本（价廉）等要求。u与与“专用性用性”的相关特点：的相关特点：软、硬件的裁剪性；、硬件的裁剪性；满足足对象象要求的最小要求的最小软、硬件配置等。、硬件配置等。u与与“计算机系算机系统”的相关特点：的相关特点：嵌入式系嵌入式系统必必须是能是能满足足对象系象系统控制要求的控制要求的计算机系算机系统。与上两个特点相呼。与上两个特点相呼应，这样的的计算机必算机必须配置有与配置有与对象系象系统相适相适应的接口的接口电路。路。1.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 与通用的与通用的计算机系算机系统化相比，嵌入式系化相比，嵌
14、入式系统具有以下具有以下显著特著特点。点。 u系系统内核小内核小 u专用性用性强 u运行运行环境差异大境差异大u可靠性要求高可靠性要求高 u系系统精精简和高和高实时性操作系性操作系统 u具有固化在非易失性存具有固化在非易失性存储器中的代器中的代码 u嵌入式系嵌入式系统开开发工作和工作和环境境 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述 u1.2.1 嵌入式系嵌入式系统的的历史与史与发展展1始于微型机始于微型机时代的嵌入式系代的嵌入式系统（1）单片机开片机开创了嵌入式系了嵌入式系统独立独立发展之路展之路（2）单片机的技片机的技术发展史展史单片机片机诞生于生于20世世纪70年代末，年代末，经
15、历了了SCM、MCU、SoC三大三大阶段。段。 2. 现代代计算机技算机技术的两大分支的两大分支 u通用通用计算机系算机系统 u嵌入式嵌入式计算机系算机系统 1.2.2 嵌入式系统的功能嵌入式系统的功能1.提供提供强大的网大的网络服服务l针对外部外部联网要求，嵌入网要求，嵌入设备必必须配有通信接口，相配有通信接口，相应需需要要TCP/IP协议簇簇软件支持；件支持；l由于家用由于家用电器相互关器相互关联（如防盗（如防盗报警、灯光能源控制、影警、灯光能源控制、影视设备和信息和信息终端交端交换信息等）及信息等）及实验现场仪器的器的协调工工作等要求，新一代嵌入式作等要求，新一代嵌入式设备还需具需具备I
16、EEE1394、USB、CAN、Bluetooth或或IrDA通信接口。通信接口。l同同时也需要提供相也需要提供相应的通信的通信组网网协议软件和物理件和物理层驱动软件。件。 1.2.2 嵌入式系统的功能嵌入式系统的功能2.小型化、低成本、低功耗小型化、低成本、低功耗 为满足足这种特性，要求嵌入式种特性，要求嵌入式产品品设计者相者相应降低降低处理理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相就相应提高提高了了对嵌入式嵌入式软件件设计技技术要求，如要求，如选用最佳的用最佳的编程模型和程模型和不断改不断改进算法，采用算法，采用Java编程模式，程模式，优化化编译
17、器性能等。器性能等。 因此，既需要因此，既需要软件人件人员具有丰富的开具有丰富的开发经验，更需要，更需要发展先展先进的嵌入式的嵌入式软件技件技术，如，如Java、Web和和WAP等。等。1.2.2 嵌入式系统的功能嵌入式系统的功能3.人性化的人机界面人性化的人机界面亿万用万用户之所以之所以乐于接受嵌入式于接受嵌入式设备，其重要因素之，其重要因素之一是它一是它们与使用者之与使用者之间的的亲和力。它具有自然的人机交互和力。它具有自然的人机交互界面，如司机操界面，如司机操纵高度自高度自动化的汽化的汽车主要主要还是通是通过习惯的的方向方向盘、脚踏板和操、脚踏板和操纵杆。人杆。人们与信息与信息终端交互要
18、求以端交互要求以GUI屏幕屏幕为中心的多媒体界面。手写文字中心的多媒体界面。手写文字输入、入、语音音拨号号上网、收上网、收发电子子邮件及彩色件及彩色图形、形、图像已取得初步成效。像已取得初步成效。目前一些先目前一些先进的的PDA在在显示屏幕上已示屏幕上已实现汉字写入、字写入、短消息短消息语音音发布，但离掌式布，但离掌式语言同声翻言同声翻译还有很大距离。有很大距离。1.2.2 嵌入式系统的功能嵌入式系统的功能4.完善的开完善的开发平台平台 随着随着Internet技技术的成熟、的成熟、带宽的提高，的提高，ICP和和ASP在在网上提供的信息内容日网上提供的信息内容日趋丰富、丰富、应用用项目多种多目
19、多种多样，像移，像移动电话、固定、固定电话及及电冰箱、微波炉等嵌入式冰箱、微波炉等嵌入式电子子设备的的功能不再功能不再单一，一，电气气结构也更构也更为复复杂。为了了满足足应用功能的升用功能的升级，设计者一方面采用更者一方面采用更强大的大的嵌入式嵌入式处理器，如理器，如32位、位、64位位RISC芯片或数字信号芯片或数字信号处理器理器（DSP）增）增强处理能力；同理能力；同时还采用采用实时多任多任务编程技程技术和交叉开和交叉开发工具技工具技术来控制功能复来控制功能复杂性，性，简化化应用程序用程序设计、保障、保障软件件质量和量和缩短开短开发周期。周期。1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统的
20、硬件和软件特征u嵌入式系嵌入式系统是将嵌入了是将嵌入了软件的件的计算机硬件作算机硬件作为其最重要部其最重要部分的系分的系统，它是一种，它是一种专门用于某个用于某个应用或生用或生产的特殊的特殊产品品的的计算机系算机系统。由于其。由于其软件通常嵌入在件通常嵌入在ROM(只只读存存储器器)中，因此，不像中，因此，不像计算机那算机那样需要需要辅助存助存储器，早期嵌入式器，早期嵌入式系系统自低向上包含自低向上包含3个部分。如个部分。如图1-1所示。所示。u嵌入式系嵌入式系统的的组成部分是成部分是嵌入式系嵌入式系统硬件平台硬件平台、嵌入式操嵌入式操作系作系统（RTOS）和和嵌入式系嵌入式系统应用用。 1.
21、3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统的硬件和软件特征应用程序与应用程序与操作系统的接口操作系统的接口 操作系统与操作系统与 硬件的接口硬件的接口 嵌入式系统应用嵌入式系统应用 嵌入式嵌入式 实时操作系统实时操作系统嵌入式系统嵌入式系统硬件平台硬件平台1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统的硬件和软件特征 经过不断地不断地发展，嵌入式系展，嵌入式系统原有的原有的3层结构逐步演化构逐步演化成成为4层结构。构。这个新增加的中个新增加的中间层称称为硬件抽象硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL），有），有时也称也称为板板级支持包支持包（Board Suppo
22、rt Package，BSP）。）。这个新增个新增加的中加的中间层次位于操作系次位于操作系统和硬件之和硬件之间，包含了操作系，包含了操作系统中与硬件相关的大部分功能。中与硬件相关的大部分功能。它能它能够通通过特定的上特定的上层接口与操作系接口与操作系统进行交互，向行交互，向操作系操作系统提供底提供底层硬件信息，并根据操作系硬件信息，并根据操作系统的要求完成的要求完成对硬件的直接操作。硬件的直接操作。1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统的硬件和软件特征由于引入了一个中由于引入了一个中间层，屏蔽了底，屏蔽了底层硬件的多硬件的多样性，性，操作系操作系统不再面不再面对具体的硬件具体的硬件环境，
23、而是面境，而是面对由由这个中个中间层次所代表的、次所代表的、逻辑上的硬件上的硬件环境，因此，把中境，因此，把中间层次叫次叫做做硬件抽象硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）。）。图1-2显示了引用示了引用HAL以后的嵌入式系以后的嵌入式系统。HAL的引的引入大大推入大大推动了嵌入式了嵌入式实时系系统的通用化，从而的通用化，从而为嵌入式系嵌入式系统的广泛的广泛应用提供了可能。用提供了可能。 1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征嵌入式系统的硬件和软件特征应用程序与操应用程序与操作系统的接口作系统的接口操作系统与操作系统与HAL的接口的接口HAL与硬件与硬件的接口
24、的接口嵌入式系统嵌入式系统硬件平台硬件平台硬件抽象层硬件抽象层嵌入式系统应用嵌入式系统应用嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统1.3.1 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台嵌入式系嵌入式系统硬件平台是以硬件平台是以嵌入式嵌入式处理器理器为核心，由核心，由存存储器器、I/O单元元电路路、通信模通信模块、外部外部设备等必要的等必要的辅助助接口接口组成的，如成的，如图1-3所示。所示。 USBLCD触摸屏触摸屏键盘键盘其他其他外外 设设电源模块电源模块时钟时钟复位复位外围电路外围电路微处理器微处理器MPUFlashROMRAM1.3.2 硬件抽象层硬件抽象层硬件抽象硬件抽象层通通过硬件抽象硬件抽象
25、层接口向操作系接口向操作系统以及以及应用用程序提供程序提供对硬件硬件进行抽象后的服行抽象后的服务。当操作系当操作系统或或应用程序用程序试用硬件抽象用硬件抽象层API进行行设计时，只要硬件抽象，只要硬件抽象层API能能够在下在下层硬件平台上硬件平台上实现，那，那么操作系么操作系统和和应用程序的代用程序的代码就可以移植。就可以移植。1.3.2 硬件抽象层硬件抽象层板板级支持包支持包（Board Support Package，BSP）是）是现有有的大多数商用嵌入式操作系的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象方案，是硬件抽象层的一种的一种实现。BSP隔
26、离了所支持的嵌入式操作系隔离了所支持的嵌入式操作系统与底与底层硬件平台硬件平台之之间的相关性，是嵌入式操作系的相关性，是嵌入式操作系统能能够通用与通用与BPS所支持所支持的硬件平台，从而的硬件平台，从而实现嵌入式操作系嵌入式操作系统的可移植性和跨平的可移植性和跨平台性，以及嵌入式操作系台性，以及嵌入式操作系统的通用性、复用性。的通用性、复用性。1.3.2 硬件抽象层硬件抽象层BSP是相是相对于操作系于操作系统而言的，不同的操作系而言的，不同的操作系统对应于不同定于不同定义形形势的的BSP。例如，例如，对应同一个同一个CPU来来说，要，要实现同同样的功能，的功能，VxWorks的的BSP和和Li
27、nux的的BSP的写法和接口定的写法和接口定义却完全不却完全不同。同。因此，因此，BSP一定要按照具体操作系一定要按照具体操作系统BSP的定的定义形式形式来写（来写（BSP的的编程程过程大多数是在某一个成型的程大多数是在某一个成型的BSP模板模板上上进行修改），行修改），这样才能与上才能与上层操作系操作系统保持正确的接口，保持正确的接口，良好地支持上良好地支持上层操作系操作系统。 1.3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系嵌入式操作系统的主要特点如下的主要特点如下 :u体体积小小 u实时性性 u特殊的开特殊的开发调试环境境1.3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统驱动程序、驱动程序、H
28、AL/BSP驱动层驱动层应用程序接口（应用程序接口（API）数据库数据库模块模块网络模块网络模块图形驱动图形驱动OS核核内存管理内存管理文件管理文件管理OS层层应用层应用层基本模块基本模块扩展模块扩展模块进程调度进程调度应用程序应用程序文件系统文件系统/图形用户接口图形用户接口硬件层硬件层1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类根据不同的根据不同的标准，嵌入式系准，嵌入式系统有不同的分有不同的分类方法。方法。 1.按嵌入式微按嵌入式微处理器的位数分理器的位数分类 u4位位u8位位u16位位u32位位u64位位.其中，其中，4位、位、8位、位、16位嵌入式系位嵌入式系统已已经获得了大量得了大量应
29、用，用，32位嵌入式系位嵌入式系统正成正成为主流主流发展展趋势。而一些高度而一些高度负责和要求高速和要求高速处理的嵌入式系理的嵌入式系统已已经开开始使用始使用64位嵌入式微位嵌入式微处理器。理器。1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类2.按按软件件实时性需求分性需求分类u非非实时系系统（如（如PDA）u软实时系系统（如消（如消费类产品）品）u硬硬实时系系统（如工（如工业实时控制系控制系统）3.按嵌入式系按嵌入式系统的复的复杂程度分程度分类u小型嵌入式系小型嵌入式系统u中型嵌入式系中型嵌入式系统u复复杂嵌入式系嵌入式系统 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用u工工业过程控制程控制 u网网络
30、通信通信设备 u消消费电子子产品品 u航空航天航空航天设备 u军事事电子子设备和和现代武器代武器 习题习题11.嵌入式系嵌入式系统的概念是什么？的概念是什么？2.嵌入式系嵌入式系统的特点是什么？的特点是什么？3.请叙述嵌入式系叙述嵌入式系统的的发展展过程。程。4.嵌入式系嵌入式系统的功能是什么？的功能是什么？5.嵌入式系嵌入式系统的硬件平台由哪些部分的硬件平台由哪些部分组成？成？6.硬件抽象硬件抽象层接口的定接口的定义和代和代码设计有哪些特点？有哪些特点？7.嵌入式操作系嵌入式操作系统的主要特点是什么？的主要特点是什么？8.请叙述嵌入式系叙述嵌入式系统的分的分类。9.举例例说明嵌入式的明嵌入式的应用用领域。域。
