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1、嵌入式系统原理、设计与应用主讲：曾炼成11 嵌入式系统概述课程介绍v课时分配：理论：20学时实验：20学时v理论：学习了解嵌入式系统的基本概念、方法和知识v实验：ARM嵌入式系统开发设计实践实验室地址：第六教学楼2楼东头v学习的基础：C语言、微机原理或单片机语言、微机原理或单片机v实验实验+期末期末70%，平时，平时30%21 嵌入式系统概述课程内容内容学时第一章 嵌入式系统概述2第二章 嵌入式系统开发过程1第三章 嵌入式处理器2第四章 嵌入式系统的存储器1第五章 嵌入式系统的I/O模块 4第六章 嵌入式软件系统4第七章 嵌入式操作系统2第八章 嵌入式软件组件431 嵌入式系统概述IEEE定义
2、定义v根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。1.1 1.1 嵌入式系统概念嵌入式系统概念41 嵌入式系统概述一般定义一般定义v“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”v把基于处理
3、器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分成两大部分：通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统也称为嵌入式计算机，因此嵌入式系统被定义为非通用计算机系统。这个定义是从计算机的分类方面进行的。1.1 1.1 嵌入式系统概念嵌入式系统概念51 嵌入式系统概述v嵌入式系统定义要素专用计算机系统(非PC智能电子设备)以应用为中心以计算机技术为基础软件硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求v知识集成应用系统（CSEA）技术密集资金密集高度分散不可垄断面向应用不断创新1.1 1.1 嵌入式系统概念嵌入式系统概念61 嵌入式系统概述嵌入式系统的发展1.计算机技术的发展2.
4、微处理器的问世之后普通的微处理器构成嵌入式系统vMotorola, intel, zilog3.80年代：处理器内核集成了外设接口A/D，定时器，I/O，存储器等1.2 1.2 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展71 嵌入式系统概述嵌入式系统的发展（续）1.第一代，4位1971年，intel 4004嵌入式处理器70年代末，8位，intel8048,motorola6800内核2.第二代，8位CMOS工艺80年代，intel51系列，motorola68HC05系列3.第三代，产品线丰富集成度提高，丰富的外设集成纯单片式，可扩展式两种产品并行发展4.第四代低功耗技术(3.3v,2.7v,1.8v
5、)，flash技术，高性能(32位）应用：信用卡、玩具、航天、机器人、家用电器等，无处不在1.2 1.2 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展81 嵌入式系统概述嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征v（1）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。1.3 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点91 嵌入式系统概述v（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对
6、系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。1.3 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点101 嵌入式系统概述v（）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。v（）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。1.3 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点111 嵌入式系统概述v（5）嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多
7、任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。1.3 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点121 嵌入式系统概述v（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执
8、行机，开发时需要交替结合进行。1.3 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点131 嵌入式系统概述嵌入式系统的共性1.嵌入式处理器具有的共性嵌入式处理器由通用处理器内核加上外部设备、存储器组成2.嵌入式软件开发人员需要关心硬件的细节3.软件开发在内核层编程/外层编程4.嵌入式系统的开发人员，特别是系统/产品的设计师，必须掌握硬件和软件的综合知识，进行硬件系统的软件系统的综合设计。5.嵌入式系统的软件开发人员需要掌握多种嵌入式操作系统的用法6.操作系统、编程语言和开发工具的多样性7.根据应用选软件平台和硬件平台8.嵌入式系统的开发往往需要行业人员和计算机专业人员协作完成1.3 1.3 嵌入式系
9、统的特点嵌入式系统的特点141 嵌入式系统概述v嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件v嵌入式软件系统实时操作系统（RTOS）板级支持包（BSP）设备驱动（Device Driver）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）v嵌入式系统的开发工具硬件开发工具：仿真器、示波器等软件开发工具：编译、连接、定位软件，通常使用C语言； 调试软件嵌入式系统的组成1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成151 嵌入式系统概述嵌入式处理器1.对实时多任务有很强的支持能力 。2.具有功能很强的存储区保护功能。 3.可扩展、系列化的处理器
10、结构。能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器，例如ARM7 TDMI内核的处理器通过扩充外部接口，形成网络控制器、多媒体应用、移动电话应用等 4.通常，嵌入式微处理器功耗很低。5.高集成度，具有丰富的I/O功能和种类。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成161 嵌入式系统概述嵌入式处理器v嵌入式处理器的发展趋势经济性（成本）微型化（封装、功耗）智能化（功能、速度）v嵌入式处理器的分类和现状微控制器（MCU）微处理器（MPU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）可编程片上系统（SOPC）1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成171 嵌入式系统概
11、述嵌入式处理器分类v 数据处理能力8 位v8051 M68HC05 PIC12Cxx AT90xx16 位vAT91xx32 位vAMD186 S3C45xx PowerPC ColdFire1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成181 嵌入式系统概述性能、功能、应用领域1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成191 嵌入式系统概述（1）、嵌入式微控制器（MCU）v嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。v单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D
12、、D/A、Flash RAM、EPROM等各种必要功能和外设。v微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。v微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成201 嵌入式系统概述v由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU
13、和兼容系列。v具有多种衍生产品处理器内核相同，存储器和外设的配置及封装不同，最大限度匹配应用需求。v品种和数量最多占嵌入式系统约70 的市场份额。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成211 嵌入式系统概述（2）、嵌入式数字信号处理器（DSP）vDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。v目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如AD、Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。1.4 1.4 嵌
14、入式系统的组成嵌入式系统的组成221 嵌入式系统概述（3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)vMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，8038680387v与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成231 嵌入式系统概述（4）、嵌入式片上系统(System On Chip)vSoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。v它结合了许多功能区块，将功能做在
15、一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成241 嵌入式系统概述嵌入式操作系统EOS1.更好的硬件适应性，也就是良好的移植性，支持尽量多的硬件平台。2.占有更少的硬件资源，例如占用存储器十几K到几K字节。3.高可靠性。4.提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其他协议，协议栈可裁剪。5.友好高效的GUI。6
16、.有些应用要求EOS具有实时性能。7.可裁剪性，例如设计成微内核结构和模块化结构。1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成251 嵌入式系统概述嵌入式操作系统分类v按实时性分类 具有强实时特点的嵌入式操作系统v如 VxWorks 具有弱实特点的嵌入式操作系统v嵌入式Linuxvl Win CE 没有实时特点的嵌入式操作系统1.4 1.4 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成271 嵌入式系统概述嵌入式系统的种类/形式1.单个嵌入式控制器构成的系统-无需扩展2.嵌入式处理器可扩展的系统3.复杂的嵌入式系统性能复杂程序可靠性4.基于通用计算机的嵌入式系统1.5 1.5 嵌入式系统的种类嵌入式系
17、统的种类281 嵌入式系统概述嵌入式系统与专用集成电路vASICv半定制器件(FPGA, CPLD等）v如何设计用户的定制系统使用ASIC（需要大批量）使用可编程器件（FPGA, CPLD)使用嵌入式微控制器/微处理器v做一个需要的器件，使用OTP型/FLASH型嵌入式微控制器vSOC1.6 1.6 嵌入式处理器嵌入式处理器与专用集成电路与专用集成电路291 嵌入式系统概述嵌入式系统的开发调试方法1.Monitor方式2.JTAG, BDM方式3.基于主机的调试4.ROM仿真器5.在线仿真器在线仿真器6.软件仿真器1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法301 嵌入式系
18、统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法311 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法321 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法331 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法341 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法351 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法361 嵌入式系统概述1.7 1.7 嵌入式系统的嵌入式系统的开发调试方法开发调试方法371 嵌入式
19、系统概述8嵌入式系统的应用v消费类电子产品v控制系统和工业自动化v生物医学系统v现场仪器v手持式电脑v数据通信v网络信息设备v电信v无线通信1.8 1.8 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用381 嵌入式系统概述产品介绍-掌上电脑vCPU:intel PXA255 400MHzvFLASH:64MvSDRAM:64MvBluetouthv影音vCompact Flashv电源管理v红外线接口1.8 1.8 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用391 嵌入式系统概述嵌入式系统的发展趋势v硬件单片机方向复杂单片机系统DSP系统片上系统SOCv软件操作系统嵌入式LINUX的发展和应用v系统发展开发平台完备化系统的网络化性能的提高友好的人机界面基本无法垄断1.9 1.9 嵌入式系统嵌入式系统的发展趋势的发展趋势401 嵌入式系统概述嵌入式系统的开发过程是怎样的？v需求分析、成本分析与研发目标分析v环境与工具选择v确定体系结构v硬件与软件开发v接口交互设计v实际环境调试与可靠性实验v定型设计制造2 2 嵌入式系统的开发过程嵌入式系统的开发过程411 嵌入式系统概述
