嵌入式控制系统ppt课件

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1、嵌入式控制系统嵌入式控制系统学时：学时：45，112周，第周，第13周闭卷考试周闭卷考试实验课：实验课：18学时，穿插在本课程间进行学时，穿插在本课程间进行教材：教材：张石，张石，ARMARM嵌入式系统教程，机械工业出版社，嵌入式系统教程，机械工业出版社，20082008年年9 9月，月，“十一五十一五”规划教材规划教材n金敏，嵌入式系统金敏，嵌入式系统组成、原理、与设计编程，人民组成、原理、与设计编程，人民邮电出版社，邮电出版社，2006年年n傅曦，傅曦，WindowsCE嵌入式开发入门嵌入式开发入门基于基于Xscale架构，架构，人民邮电出版社，人民邮电出版社，2006年年n刘尚军，刘尚军

2、，ARM嵌入式技术原理与应用嵌入式技术原理与应用基于基于XScale处处理器及理器及WxWorks操作系统，北京航空航天大学出版社，操作系统，北京航空航天大学出版社，2007年年n相关技术文档相关技术文档其它中文参考书(1)其它中文参考书(2)相关的网站英文网站：英文网站： 嵌入式嵌入式预备知识u模拟电子技术和数字电子技术模拟电子技术和数字电子技术uEDAu微控制器微控制器(MCU)原理与接口技术原理与接口技术u计算机组成原理（计算机系统结构）计算机组成原理（计算机系统结构）u操作系统操作系统u编译原理编译原理u数字信号处理数字信号处理u通信原理通信原理u计算机网络计算机网络学习方法u 听课听

3、课u 看参考设计看参考设计u 读示例代码读示例代码u 尝试制作评估板尝试制作评估板u 参加产品设计参加产品设计u 请教、讨论、交流请教、讨论、交流u 由浅入深，系统深入由浅入深，系统深入第一部分第一部分 引论引论n第第1 1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述第第1 1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 n1.1 1.1 嵌入式系统的发展及应用嵌入式系统的发展及应用 n1.2 1.2 嵌入式系统的定义、组成与特点嵌入式系统的定义、组成与特点 n1.3 1.3 嵌入式系统的种类嵌入式系统的种类 n1.4 1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇n1.5 1.5 本章小结本章小结习题

4、习题 1.1 嵌入式系统的发展及应用嵌入式系统的发展及应用 n 计算机系统的分类计算机系统的分类 n 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况n 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史1.1.1 计算机系统的分类计算机系统的分类1 1传统计算机分类（见下图）传统计算机分类（见下图） n 通常通常，按照计算机按照计算机系统系统的的体系体系结构、运算速度、结构、运算速度、结构规模、适用领域结构规模、适用领域，可将其分为可将其分为超级计算机超级计算机、大型、大型机、中型机、小机、中型机、小型型机和微型计算机机和微型计算机，并以此来组织学并以此来组织学科和产业分工科和产业分工n 这种分类沿袭了大约这种分

5、类沿袭了大约 40 40 年。年。 1.1.1 计算机系统的分类计算机系统的分类随着计算机技术的发展随着计算机技术的发展进程，不同的历史时期，进程，不同的历史时期，计算机类别划分不同。计算机类别划分不同。 微型计算机微型计算机 小小型型机机 中型机中型机 大型机大型机 超级计算机超级计算机 图图1-1 1-1 传统计算机传统计算机系统系统分类金字塔分类金字塔 Q Q：现在的计算机分类中：现在的计算机分类中的运算速度都是多少？。的运算速度都是多少？。1.1.1 计算机系统的分类计算机系统的分类2以应用为中心的分类以应用为中心的分类 n 近十年近十年来来，随着计算机技术的迅速发展随着计算机技术的迅

6、速发展，实际实际情况情况发生发生了根本了根本性性的变化。的变化。 例如例如，20世纪世纪60年代末期定义的微型计算机年代末期定义的微型计算机 个人计算机个人计算机 (Personal Computer)n 占据了全球计算机工业中占据了全球计算机工业中 90的市场份额的市场份额n 计算能力和处理速度也超过了当年的大、中型计算能力和处理速度也超过了当年的大、中型计算机计算机1.1.1 计算机系统的分类计算机系统的分类n 随随着着计计算算机机技技术术和和产产品品对对其其它它行行业业的的渗渗透透，以以应用为中心应用为中心进行分类的方法变得进行分类的方法变得更更切合实际切合实际n 按按计计算算机机的的应

7、应用用可可分分类类为为嵌嵌入入式式计计算算系系统统（或称为嵌入式系统）（或称为嵌入式系统）和和通通用用计算机计算机系统系统。n 通用计算机通用计算机系统系统:具有计算机的标准形态具有计算机的标准形态，可可以装配不同的应用软件以装配不同的应用软件，以雷同面目出现并应用以雷同面目出现并应用在社会的各个方面在社会的各个方面.其典型产品为其典型产品为 PCn 嵌入式嵌入式(计算计算)系统系统:以嵌入的形式隐藏在各种以嵌入的形式隐藏在各种装置、产品和系统中装置、产品和系统中.例如例如:一个手持的一个手持的MP3,一个一个PC104的微型工业控制计算机的微型工业控制计算机1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌

8、入式系统的应用概况 n在应用数量上在应用数量上n嵌入式嵌入式系统系统远远远远超超过了通用计算机过了通用计算机系统系统n例如，例如，一台通用计算机一台通用计算机系统系统的外部设备的外部设备软软驱驱、显显示示卡卡、显显示示器器、网网卡卡、调调制制解解调调器器、声声卡卡、打打印印机机、扫扫描描仪仪、数数字字相相机机、USB 集集线线器器等等均是由嵌入式处理器控制的。均是由嵌入式处理器控制的。 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n在应用领域方面在应用领域方面n嵌入式系统嵌入式系统的应用领域非常广泛的应用领域非常广泛n包包括括工工业业制制造造、过过程程控控制制、通通信信、仪仪器器、仪

9、仪表表、汽汽车车、船船舶舶、航航空空、航航天天、军军事事装装备备、消消费费类类产产品等领域品等领域 嵌入式系统无处不在嵌入式系统无处不在1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 嵌入式嵌入式系统系统的典型的典型实例实例 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 消费产品消费产品 (Consumer Product) n 常见消费类产品如：常见消费类产品如：n手机、手机、PDA/PPC/HPC、数码相机数码相机/摄像机摄像机n洗衣机洗衣机、微波炉微波炉、数字电视机顶盒、数字电视机顶盒等等n 智能消费类产品如：智能消费类产品如：n坐姿测试椅、带味觉的匙子坐姿测试椅、带味

10、觉的匙子 MITn仿生运动鞋仿生运动鞋 Adidasn情绪类装饰品情绪类装饰品 NYU1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-2 常见消费类产品常见消费类产品1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-3 智能消费类产品智能消费类产品 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n工业工业控制控制 (Industry Control) n 对对生生产产过过程程和和工工业业设设备备等等各各种种动动作作流流程程的的控控制制，这这种种控控制制是是在在对对被被控控对对象象和和环环境境进进行行不不断断观观测测的的基础上做出及时的、恰当的反应基础上做出及时

11、的、恰当的反应。n 在在控控制制过过程程中中，计计算算机机扮扮演演着着中中心心的的角角色色。它它通通过过传传感感器器从从外外部部接接收收有有关关过过程程的的信信息息，对对这这些些信信息息进进行行加加工工处处理理，然然后后对对执执行行机机构构发发出出控控制制指指令。令。1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-4 工程机械智能控制器工程机械智能控制器 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-5 汽车电子产品汽车电子产品（VOLVO S80汽车汽车, 18个嵌入式控制模块个嵌入式控制模块+CAN总线网络）总线网络）1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统

12、的应用概况 n 通通信信设设备备 (Telecommunication) 例如：例如：n 程控交换机程控交换机n 路由器路由器n 桥接器桥接器n 集线器集线器n Modem 等等图图1-6 通信设备通信设备 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 智能仪器智能仪器 (Intelligent Instrument) 例如：例如： n 数字数字示波器示波器n 医疗仪器等医疗仪器等 图图1-7 穿刺肿瘤医疗仪器穿刺肿瘤医疗仪器 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 机器人机器人 (Robot) 图图1-8 智能玩具机器人智能玩具机器人 1.1.2 嵌入式系统的应

13、用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-9 基于基于Win CE的移动机器人平台的移动机器人平台 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-10 基于基于RTLinux的仿人机器人的仿人机器人 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-11 1997年年4月在火星表面登陆的火星探测器（基于月在火星表面登陆的火星探测器（基于VxWorks）1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-12 2004年年 “勇气号勇气号”再次登陆火星再次登陆火星 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 计算机外设计算机外设 (Computer

14、peripheral) 例如：例如： n 打印机打印机n 终端终端n 磁盘驱动器磁盘驱动器等等 图图1-13 计算机外设计算机外设 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 军事电子设备和现代武器军事电子设备和现代武器 例如：例如： n 雷达雷达n 电子对抗电子对抗：无线信号的干扰与反干扰：无线信号的干扰与反干扰n 坦克坦克n 战机战机n 战舰等战舰等 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-14 阿富汗战争中的军事电子设备阿富汗战争中的军事电子设备 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-15 军用机器人军用机器人（2002年年11

15、月月28日，以色列一举投票点发生枪击事件，造成至少日，以色列一举投票点发生枪击事件，造成至少7人死亡、数人死亡、数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体）十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体） 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-16 高性能武器平台高性能武器平台 1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 图图1-17 高性能武器高性能武器1.1.2 嵌入式系统的应用概况嵌入式系统的应用概况 n 太空科学太空科学 例如：例如：n 卫星跟踪卫星跟踪 n 太空舱管理系统太空舱管理系统 n 航空电子设备航空电子设备图图1-18 太空

16、科学太空科学 课程课件邮箱课程课件邮箱 邮箱：邮箱：ustb_密码：密码：ustbd06 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史 近近30多年的发展历史多年的发展历史 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史1二十世纪七十年代二十世纪七十年代 n 1971年年11月，月，Intel 公司成功的地将算术运算器和公司成功的地将算术运算器和控制器集成在一起，推出了世界上第一片微处理器控制器集成在一起，推出了世界上第一片微处理器 Intel 4004，这是嵌入式应用发展最重要的里程碑。这是嵌入式应用发展最重要的里程碑。n 其其后后，各各厂厂家家相相继继推推出出了了许许多多8位位或或1

17、6位位的的微微处处理理器器，包包括括 Intel 的的 8080/8085、 8086，Motorola 的的6800、68000，Zilog的的Z80、Z8000。1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史n 单板计算机单板计算机:系列化、模块化系列化、模块化n 流行的单板流行的单板机：如机：如Intel的的 iSBC 系列、系列、 Zilog 公公司的司的 MCB 等。等。n单板计算机单板计算机使使人们不必从选择芯片开始来设计人们不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机一台专用的嵌入式计算机，只要根据自己的需要只要根据自己的需要选择各种不同的功能模块选择各种不同的功能模块，包括

18、，包括适合自己应用的适合自己应用的CPU 板、存储器板和各式板、存储器板和各式I/O 插件板构成专用的插件板构成专用的嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统，并嵌入到自己的系统设备中并嵌入到自己的系统设备中，就可以组建一台就可以组建一台专用计算机系统。专用计算机系统。n 这一时期嵌入式软件大多数使用汇编语言或者宏语这一时期嵌入式软件大多数使用汇编语言或者宏语言来编写。言来编写。 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史2二十世纪八十年代二十世纪八十年代 n 80年代初，出现了年代初，出现了单片机单片机nIntel进一步完善了进一步完善了8048，在它的基础上研制成功，在它的基础上研制成功了了

19、8051单片机单片机n单片机单片机的产生得益于的产生得益于微电子工艺水平的提高微电子工艺水平的提高， 它它将将嵌入式应用所需要的微处理器、嵌入式应用所需要的微处理器、 I/O 接口、接口、 A/D 、 D/A 转换器、串行接口以及转换器、串行接口以及 RAM 、 ROM 等都等都通通集成到一个超大规模集成通通集成到一个超大规模集成 电路电路 (VLSI) 中中， 制制造出面向造出面向I/O设计的微控制器设计的微控制器n其后发展的其后发展的 DSP 产品更快地提升了嵌入式系统的产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平技术水平。 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史n 1981年年Read

20、y System发展了世界上第发展了世界上第1个商业嵌入个商业嵌入式实时内核（式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与互斥、中特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。断支持、内存管理等功能。n 随后，出现了如随后，出现了如Integrated SystemIncorporation (ISI)的的pSOSystem、WindRiver的的VxWorks、QNX公公司的司的QNX、Palm Computing公司的公司的PalmOS、Microsoft公司的公司的WinCE、嵌入式嵌入式Linu

21、x、 C/OS、Nucleux、以及国内的以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作等嵌入式操作系统。系统。 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史3二十世纪九十年代至今二十世纪九十年代至今 在分布控制、柔性制造、数字通信和数字家电等在分布控制、柔性制造、数字通信和数字家电等巨大商业需求的推动下巨大商业需求的推动下，嵌入式嵌入式系统系统进一步发展进一步发展n 在硬件方面在硬件方面，尤其是芯片方面的三个特点尤其是芯片方面的三个特点n面向实时信号处理算法的面向实时信号处理算法的 DSP 向高速、高精度、低功向高速、高精度、低功耗方向发展耗方向发展，例如例如Texas 推出的第三代推

22、出的第三代 DSP 单片单片机机TMS320C30Tn32 位微控制器已成为市场主流位微控制器已成为市场主流，并向高速、智能化的方并向高速、智能化的方向发展向发展n嵌入式嵌入式 CPU 的主频越来越高的主频越来越高， 同时在对多媒体的支持同时在对多媒体的支持方面发展迅速方面发展迅速， 例如例如Intel基于基于Xscale微架结构是嵌入式微架结构是嵌入式 CPU 中支持多媒体的典范。中支持多媒体的典范。 1.1.3 嵌入式系统的发展史嵌入式系统的发展史n在在软软件件方方面面, 嵌嵌入入式式操操作作系系统统出出现现了了进进一一步步的的分分化化，诞诞生生了了一一些些嵌嵌入入式式操操作作系系统统家家

23、族族。例例如如，Wind River公公司司推推出出的的Wind River Platform for XXX，Microsoft公公司司的的 Windows Embedded 产产品品家家族族（包包括括Windows CE系系 列列 、 Windows Embedded系系 列列 和和 Server Application Kit三三类类产产品品）等等就就是是分分别别针针对对不不同同领领域域、不同应用的操作系统而构成的嵌入式操作系统家族。不同应用的操作系统而构成的嵌入式操作系统家族。n 跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备上。例如式设

24、备上。例如 KVM 、J2ME、Java Card等。等。 1.2 嵌入式系统的定义、组成与特点嵌入式系统的定义、组成与特点 n 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 n 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构 n 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 1IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义国际电气和电子工程师协会）的定义【定义定义1-1】嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操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。作机器和设备的装置。（Devices used to control，monitor，or assis

25、t the operation of equipment，machinery or plants）。）。 此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和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。硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。 1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 2微机学会的定义微机学会的定义 【定义定义1-2】嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级、片级。机系统，可分为系统级、板级、片级。 n系统级：各种类型的工控机系统级：各种类型的工控机n板级：板级： 各种类型的带各种类型的带

26、CPU的主板、的主板、PC104n片级：片级： 各种以单片机、各种以单片机、DSP、微处理器为微处理器为 核心的产品核心的产品1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 3一般定义一般定义 【定义定义1-3】嵌入式系统（嵌入式系统（Embedded System）是以应是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功用为中心、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能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。系统。1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 定义给出了嵌入式系统包含的四要素：定义给出了嵌入式系统包含的四要素： (

27、1) 以应用为中心以应用为中心 嵌入的目的是为了提高产品的功能和性能、降低成本嵌入的目的是为了提高产品的功能和性能、降低成本和体积等和体积等 ，独立于应用而自行发展则会失去市场，独立于应用而自行发展则会失去市场(2) 以计算机技术为基础以计算机技术为基础 这两个要素对从事嵌入式技术的人员提出了较高要求这两个要素对从事嵌入式技术的人员提出了较高要求n一方面应具备扎实的计算机科学与工程专业的知识一方面应具备扎实的计算机科学与工程专业的知识n同时还需要掌握相关应用行业的领域知识同时还需要掌握相关应用行业的领域知识 嵌入式技术的开发人员应该是跨专业综合性人才嵌入式技术的开发人员应该是跨专业综合性人才1

28、.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 (3) 软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪 需要针对用户的具体需求进行高效率的设计需要针对用户的具体需求进行高效率的设计 n 需要选择嵌入式处理器的种类型号，对其芯片的配需要选择嵌入式处理器的种类型号，对其芯片的配置进行裁减或扩展，实现理想的资源组合和较低的成置进行裁减或扩展，实现理想的资源组合和较低的成本本 n 嵌入式软件的各组件或模块设计需量体裁衣，去除嵌入式软件的各组件或模块设计需量体裁衣，去除冗余，力求在有限的硬件资源环境下实现更高的性能冗余，力求在有限的硬件资源环境下实现更高的性能 (4) 对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格对功能、可靠性、

29、成本、体积、功耗要求严格 这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 4定义的进一步理解定义的进一步理解n 术语术语“嵌入式嵌入式”反映了嵌入式系统通常是更大系统中反映了嵌入式系统通常是更大系统中的一个完整的部分的一个完整的部分 n 更大系统称为更大系统称为“嵌入的系统嵌入的系统”n“嵌入的系统嵌入的系统”中可以共存多个中可以共存多个嵌入式系统嵌入式系统1.2.2 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构 1嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 图中图中:对于简单的嵌入式应用而言，嵌入式操作系统为可选项对于简单的

30、嵌入式应用而言，嵌入式操作系统为可选项 图图1-19 嵌入式系统组成嵌入式系统组成 1.2.2 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构2嵌入式系统的体系结构框架嵌入式系统的体系结构框架 对于简单的嵌入式应用而言，嵌入式操作系统为可选项对于简单的嵌入式应用而言，嵌入式操作系统为可选项 图图1-20 嵌入式系统体系结构框架嵌入式系统体系结构框架 1.2.2 嵌入式系统的组成与体系结构嵌入式系统的组成与体系结构3. 嵌入式系统举例嵌入式系统举例 PDA与与PC的组成配置比较的组成配置比较 表表1-1 PDA与与PC的组成配置比较的组成配置比较(硬件硬件) 比较项比较项PDAPCCPUM

31、IPS、StrongARM、Drago、nBall等等几十几百几十几百MHzX86（如（如Pentium系列系列）等等几百几百MHz几几GHz存储器存储器RAM、ROM/Flash、CF卡卡/ MMC卡卡/SD卡卡/固态软盘卡等几几百固态软盘卡等几几百MBRAM、 ROM、硬盘等、硬盘等几十几百几十几百GB输入设备输入设备触控笔、数字键盘等触控笔、数字键盘等鼠标、标准键盘鼠标、标准键盘显示设备显示设备LCD、触摸式、触摸式LCD等等320*240像素等像素等CRT、LCD等等15/17/英寸，英寸，1024*768等像素等像素电源电源电池电池市电市电表表1-1 PDA与与PC的组成配置比较的组

32、成配置比较(软件软件) 比较项比较项PDAPC引导代码引导代码BootLoader引导程序引导程序针对不同的目标硬件需要进行移针对不同的目标硬件需要进行移植植BIOS引导程序引导程序无需移植无需移植驱动程序驱动程序每个设备的驱动程序需要针对具每个设备的驱动程序需要针对具体目标硬件进行开发移植体目标硬件进行开发移植操作系统提供大多数设备操作系统提供大多数设备驱动程序驱动程序无需移植无需移植操作系统操作系统Vxworks、Windows CE、Embedded Linux、等、等针对具体目标硬件进行开发移植针对具体目标硬件进行开发移植Windows98/2000/XP等等无需移植无需移植开发环境开

33、发环境交叉开发环境交叉开发环境在本机进行开发调试在本机进行开发调试1.2.3 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征 相对通用计算机系统而言相对通用计算机系统而言 (1) 专用性专用性 n 采用专用的嵌入式处理器采用专用的嵌入式处理器嵌入式处理器与通用型的最大不同嵌入式处理器与通用型的最大不同就是嵌入式就是嵌入式处理器处理器大大多工作在为特定用户群设计的系统中多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用能够把通用处理器处理器中中许多由板许多由板卡完成卡完成的任务集成在芯片内部的任务集成在芯片内部，从而有利于

34、嵌从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强移动能力大大增强，与网络与网络的的耦合耦合也越来越紧密也越来越紧密，同时有利于降低成本，同时有利于降低成本。1.2.3 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征 n 功能算法的专用性功能算法的专用性n 嵌入式系统是面向具体用户和具体应用的，因此嵌入式系统是面向具体用户和具体应用的，因此它总是被设计成为完成某一特定任务它总是被设计成为完成某一特定任务n 一旦设计完成一旦设计完成一般一般不再改变不再改变，因此嵌入式系统产因此嵌入式系统产品一旦进入市场品一旦进入市场，具有较长的生命周期具有较长的生命周期1.2.3 嵌入式系统

35、的基本特征嵌入式系统的基本特征 (2) 小型化与有限资源小型化与有限资源 结构结构紧凑紧凑、坚固可靠坚固可靠，计算资源计算资源（包括处理器的速度（包括处理器的速度和资源、存储容量和速度等）有限和资源、存储容量和速度等）有限 例：例：n 资源约束：较通用操作系统，嵌入式操作系统的内核很资源约束：较通用操作系统，嵌入式操作系统的内核很小（小（VxWorks内核最小为内核最小为8K） n 空间约束与专用性：嵌入式系统的软件（包括操作系统空间约束与专用性：嵌入式系统的软件（包括操作系统和应用程序）通常固态化存储在和应用程序）通常固态化存储在ROM、FLASH或或NVRAM中，对该软件的升级是使用专用烧

36、录机或仿真器重写这些中，对该软件的升级是使用专用烧录机或仿真器重写这些程序程序 1.2.3 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征 (3) 系统软硬件设计的协同一体化系统软硬件设计的协同一体化 n 硬件与软件的协同设计（硬件与软件的协同设计（Co-design）硬件与软件的依赖性强硬件与软件的依赖性强，因而一般因而一般硬件和硬件和软件要进行软件要进行协同协同设设计计，量体裁衣、去除冗余量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高力争在同样的硅片面积上实现更高的性能的性能。n 应用软件与操作系统的一体化设计开发应用软件与操作系统的一体化设计开发 n 嵌入式系统是为特定的应用而设计的嵌入式

37、系统是为特定的应用而设计的，嵌入式系统的配置不嵌入式系统的配置不同同，其操作系统和应用软件的配置也其操作系统和应用软件的配置也需同时进行裁减。需同时进行裁减。n 两者是作为一个整体一起编译链接后下载到目标机中运行两者是作为一个整体一起编译链接后下载到目标机中运行（当然，有些嵌入式操作系统支持动态链接应用程序）。（当然，有些嵌入式操作系统支持动态链接应用程序）。 1.2.3 嵌入式系统的基本特征嵌入式系统的基本特征 (4) 软件开发需要交叉开发环境软件开发需要交叉开发环境 受到系统资源受到系统资源开销的限制开销的限制，采用采用交叉开发环境交叉开发环境：n 由由宿主机宿主机（Host）和）和目标机

38、目标机（Target）组成，组成，宿主机宿主机作为作为开发平台开发平台，目标机目标机作为的执行机，作为的执行机，宿主机可以是与宿主机可以是与目标机相同或不相同的机型目标机相同或不相同的机型n 该环境下该环境下应配备完整的实时软件开发的工具应配备完整的实时软件开发的工具，如高级如高级语言语言编译器编译器、在线调试器和在线仿真器等。、在线调试器和在线仿真器等。 n 嵌入式实时软件开发过程较为复杂。嵌入式实时软件开发过程较为复杂。 1.3 嵌入式系统的种类嵌入式系统的种类 n 按实时性能分类按实时性能分类n 按软件结构分类按软件结构分类 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类按是否具有实时性能分为

39、按是否具有实时性能分为嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统嵌入式实时系统嵌入式实时系统1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类(1) 嵌入式非实时系统嵌入式非实时系统 n 嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于计算处理的嵌入式非实时系统的正确性仅仅依赖于计算处理的逻辑结果，与结果产生的时间无关逻辑结果，与结果产生的时间无关n 这类系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不这类系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合，如掌上电脑、电子词典等高的场合，如掌上电脑、电子词典等 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类(2) 嵌入式实时系统嵌入式实时系统 n 嵌入式实时系统是能够对外部事件在限定时间内做

40、嵌入式实时系统是能够对外部事件在限定时间内做出及时响应的嵌入式系统出及时响应的嵌入式系统n 这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，如过程控这类系统在嵌入式系统中占有很大比例，如过程控制、数据采集、通信等领域制、数据采集、通信等领域 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本特征外，还嵌入式实时系统除具有嵌入式系统的基本特征外，还具有以下重要特点：具有以下重要特点： 实时性实时性 可靠性可靠性 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类 实时性实时性衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标：n 确定性（确定性（Deter

41、minism）确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，定的和可重复的，不管当时系统内部状态如何，都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是实时系统最重要的性能指标之一。实时系统最重要的性能指标之一。 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类n响应时间（响应时间（Response Time）n 是系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。是系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。也是最重要

42、的性能指标之一，如果事件不能及时处也是最重要的性能指标之一，如果事件不能及时处理，系统可能就会崩溃。理，系统可能就会崩溃。1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类n对不同的控制过程有不同的响应时间要求：对不同的控制过程有不同的响应时间要求：n 对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应时对于慢变化过程，具有几分钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的间都可以认为是实时的n 对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、对于快速过程，其响应时间可能要求达到毫秒、微秒、纳秒级甚至更短。微秒、纳秒级甚至更短。因此，实时性能不能单纯从绝对的响应时间长短来因此，实时性能不能单纯从绝对的响应时间长短来衡量，应该根

43、据不同的被控对象，在相对意义上进衡量，应该根据不同的被控对象，在相对意义上进行评价。行评价。1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类n生存时间（生存时间（Survival Time）是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的n 吞吐量（吞吐量（Throughput） 是在一段给定时间内，系统可以处理的事件总数是在一段给定时间内，系统可以处理的事件总数 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一般采用如为实现以上实时性能的要求，嵌入式系统一般采用如下方式下方式 ：n 采用高速硬件。如高速处理器、高速采用高速硬件。如

44、高速处理器、高速A/D、D/A等等n 利用嵌入式处理器提供的中断功能利用嵌入式处理器提供的中断功能n 需要嵌入式实时操作系统（需要嵌入式实时操作系统（RTOS）的支持的支持n应用程序可以没有操作系统直接应用程序可以没有操作系统直接在在芯片上芯片上运行；运行；但为了合但为了合理地调度多任务和利用系统资源理地调度多任务和利用系统资源，系统必须采用系统必须采用RTOS开发开发平台平台，这样，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开并减少开发发时间，保证软件时间，保证软件质量质量nRTOS通常具有较小的内核，例如，通常具有较小的内核，例如，VxWorks的微内核最

45、的微内核最小为小为8K。n 应用程序代码量小、执行速度快应用程序代码量小、执行速度快1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类 可靠性可靠性n 硬件平台的可靠性硬件平台的可靠性体现在对硬件平台的体现在对硬件平台的EMC电磁兼容性能、防震性能、电磁兼容性能、防震性能、防水性能的要求。例如：防水性能的要求。例如：n 往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器往往选择工业级甚至军品级嵌入式处理器n 软件软件采用采用固态化存储固态化存储只读只读存储器存储器或电子盘或电子盘而不是磁盘等而不是磁盘等机械类访问机械类访问载体载体FLASH高密度、高效率、高可靠性高密度、高效率、高可靠性减小体积、减小体积、提提高速度

46、高速度、防震性能和使用寿命、防震性能和使用寿命 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类n 软件具有软件具有出错处理和自动复位出错处理和自动复位功能功能n应用程序采用特殊的容错和出错处理措施应用程序采用特殊的容错和出错处理措施n具有故障诊断和修复能力具有故障诊断和修复能力n在运行死机之在运行死机之后后自动恢复先前的运行状态自动恢复先前的运行状态。 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 按软件结构分类为按软件结构分类为n 嵌入式单线程系统嵌入式单线程系统 嵌入式循环轮询系统嵌入式循环轮询系统 有限状态机有限状态机 n 嵌入式事件驱动系统嵌入式事件驱动系统嵌入式前后台系统嵌入式前后台系统 嵌入

47、式多任务系统嵌入式多任务系统 嵌入式多处理器系统嵌入式多处理器系统 1.3.1 按实时性能分类按实时性能分类(1)嵌入式单线程系统嵌入式单线程系统 （Embeded Single-thread System） n 嵌入式单线程系统包括嵌入式单线程系统包括n 循环轮询系统循环轮询系统n 有限状态机有限状态机n 适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，其编程适用场合：常见于小型、简单的嵌入式应用，其编程简单且易于理解，但系统的确定性不能保证简单且易于理解，但系统的确定性不能保证1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类嵌入式循环轮询嵌入式循环轮询(Polling Loop)系统系统 在该系统中，程序

48、依次检查系统的每一个输入条件，在该系统中，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。一旦条件成立就进行相应的处理。1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 软件结构：软件结构：Initialize()While(true)if(condition_1)action_1()；if(condition_2)action_2()；if(condition_n)action_n()；例例: 通讯处理机中多串口处理程序通讯处理机中多串口处理程序1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类有限状态机有限状态机(FSM，Finite State Machine) 状态转换图：状态转换图：图

49、图1-21 有限状态机示意图有限状态机示意图 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 相应程序结构相应程序结构 ：intint f0(char f0(char chch) )，f2(char f2(char chch) )；structstruct intint NextStateNextState；intint (*function)(char (*function)(char chch) )StateTable42=StateTable42=11，f0f0，33，f1f1，33，f0f0，22，f2f2，22，f1f1，00，f1f1，00，f2f2，33，f0f0 ；1.3.2 按软件

50、结构分类按软件结构分类main()char c；int I，state；while(c=getch()!=q）I=xlate(c)； (*StateTablestateI.function)(c)； state=StateTablestateI.NextState； 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类(2) 嵌入式事件驱动系统嵌入式事件驱动系统 （Embeded Event-driven System ） n 是能对外部事件直接响应的系统是能对外部事件直接响应的系统 n 包括包括:n 嵌入式前后台系统嵌入式前后台系统n 嵌入式多任务系统嵌入式多任务系统n 嵌入式多处理器系统嵌入式多处理器

51、系统1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类嵌入式前后台嵌入式前后台(Foreground/Backgroud) 系统系统 n 该系统又称为嵌入式中断驱动系统该系统又称为嵌入式中断驱动系统n 系统组成系统组成n 后台是一个循环轮询系统后台是一个循环轮询系统，一直一直处于处于运行运行状态，状态，通常又称主程序通常又称主程序；n 前台是由一些中断处理过程组成的。前台是由一些中断处理过程组成的。1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类n 运行方式运行方式 见图见图1-22，当有一前台事件当有一前台事件 (外部事件外部事件) 发生时发生时将将引起引起中断中断，暂时暂时中中止止后台运行后台运行，转入，转

52、入进行前台处理进行前台处理，处理完处理完成后又回到后台成后又回到后台继续运行。继续运行。图图1-22 嵌入式前后台系统运行方式嵌入式前后台系统运行方式 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类n 应用举例应用举例n 一个极端情况一个极端情况n后台只是一个简单的循环不做任何事情后台只是一个简单的循环不做任何事情，所有其所有其它它工工作由中断处理程序完成的作由中断处理程序完成的n 大多数情况大多数情况下下 n嵌入式前后台系统中的嵌入式前后台系统中的中断只处理那些需要快速响应中断只处理那些需要快速响应的事件的事件，并且把并且把 I/O 设备的数据放到内存的缓冲区中设备的数据放到内存的缓冲区中，再向后

53、台发信号再向后台发信号，其其它它的工作由后台来完成的工作由后台来完成，如如对这些对这些数据进行处理、存储、显示、打印等数据进行处理、存储、显示、打印等1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 嵌入式多任务（嵌入式多任务（Multitask）系统系统 n 适用场合适用场合 对于一个复杂的嵌入式系统而言，当采用中断处理对于一个复杂的嵌入式系统而言，当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时、准确、程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时、准确、可靠地完成系统功能时，或存在一些相关或不相关的可靠地完成系统功能时，或存在一些相关或不相关的过程需要在一个系统中同时处理时，就需要采用嵌入过程需

54、要在一个系统中同时处理时，就需要采用嵌入式多任务系统。式多任务系统。 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类n 运行机制运行机制 见见图图1-22，系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式，系统由多个任务、中断处理过程和嵌入式操作系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行操作系统组成。每个任务按顺序或优先级执行的，并行性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持完成性、任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持完成 图图1-23 嵌入式前多任务系统示意图嵌入式前多任务系统示意图 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类n 嵌入式多任务系统进一步分类与举例嵌入式多任务系统进一步分类与举例 根据多任

55、务的调度方式分类为根据多任务的调度方式分类为n 嵌入式抢占多任务系统嵌入式抢占多任务系统 n任务间的调度采用优先权抢占方式任务间的调度采用优先权抢占方式n例：例：VxWorks、WindowsCEn 嵌入式分时多任务系统嵌入式分时多任务系统 n任务间的调度采用时间片轮转方式任务间的调度采用时间片轮转方式 n例：例： CLinux 1.3.2 按软件结构分类按软件结构分类 嵌入式多处理器嵌入式多处理器/多核系统多核系统 n 适用场合适用场合 当某些工作用单个处理器来处理难以完成时，就需当某些工作用单个处理器来处理难以完成时，就需要使用多个处理器同时处理要使用多个处理器同时处理n 运行机制运行机制

56、 多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，宏观多个任务可以分别放在不同的处理器上执行，宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。上看是并发的，微观上看也是并发的。 1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 n 预言预言 n 美美国国著著名名未未来来学学家家尼尼葛葛洛洛庞庞帝帝在在1999年年1月月访访华华时时预预言言，“45 年年后后嵌嵌入入式式系系统统将将是是继继PC和和因因特特网网之后最伟大的发明之后最伟大的发明”n 我我国国著著名名嵌嵌入入式式系系统统专专家家沈沈绪绪榜榜院院士士 1998 年年 11 月月在在武武汉汉全全国国第第 11 次次微微机机学学术术交交流流会会上上发

57、发表表的的计计算算机机的的发发展展与与技技术术一一文文中中，称称未未来来10 年年以以嵌嵌入入式式芯芯片片为为基基础础的的计计算算机机工工业业将将获获得得极极大大的的发发展展 1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 n 从从预言预言看看Microsoft公司成功范例公司成功范例n 在在PC机机时时代代，Microsoft为为推推出出了了图图形形化化用用户户界界面操作系统得以发展壮大。面操作系统得以发展壮大。n 在在因因特特网网时时代代，起起步步稍稍晚晚；直直到到1995年年12月月7日日，比比尔尔 盖盖茨茨宣宣布布：“今今天天是是微微软软公公司司的的Internet日日” ，

58、至此以后，微软奋起直追。，至此以后，微软奋起直追。nIE浏浏览览器器在在短短短短几几年年的的时时间间内内就就抢抢占占了了原原来来属属于于Netscape公司的公司的Navigator在浏览器市场的主导地位在浏览器市场的主导地位n而而后后又又成成功功的的推推出出.NET网网络络编编程程工工具具与与J2EE抗抗衡衡，从而保持了自己在软件界的霸主地位从而保持了自己在软件界的霸主地位 1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 Microsoft公司范例公司范例 进入嵌入式时代，进入嵌入式时代，嵌入式系统与应用会带来哪些机遇？嵌入式系统与应用会带来哪些机遇？如何把握这些机遇？如何把握这些

59、机遇？ 引发思考引发思考1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 n 预言预言的的理解：理解：n 通用计算机行业通用计算机行业 ：n占占整整个个计计算算机机行行业业 90% 的的 PC 产产业业 ，80% 采采用用的的是是 Intel 的的 x86 体体系系结结构构，芯芯片片基基本本上上出自出自Intel、AMD、VIA n在在每每台台计计算算机机几几乎乎必必备备的的操操作作系系统统和和文文字字处处理理程程序序方方面面，Microsoft 凭凭借借操操作作系系统统还还可可以以搭搭配配其其它它应应用用程程序序，其其Windows以以及及Word占占据了据了80%90% Winte

60、l 联盟联盟垄断的工业垄断的工业1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 n 嵌入式系统嵌入式系统领域领域：n高度分散性高度分散性 面面向向不不同同的的行行业业领领域域和和用用户户，不不同同的的应应用用领领域域决决定定了了不不可可能能哪哪一一个个系系列列的的处处理理器器和和操操作作系系统统能能够够垄垄断断全全部部市市场场，因因此此留留给给各各个个行行业业中中小小规规模模、高高技技术术的的公公司司创创新新余地很大余地很大。 n各各个个应应用用领领域域在在不不断断向向前前发发展展构构成成了了推推动动嵌嵌入式工业发展的强大动力入式工业发展的强大动力1.4 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入

61、式系统应用带来的机遇 n新的应用模式新的应用模式和和新的计算体系机构新的计算体系机构未未来来几几年年的的嵌嵌入入式式应应用用与与大大型型网网络络计计算算平平台台互互动动，形形成成新新的的应应用用模模式式和和新新的的计计算算体体系系结结构构，例例如如“Mobile Computing(移移动动计计算算)” “Ubiquitous Computing（泛泛在在计计算算）”、“Pervasive Computing（普普适适计计算算）”，最终最终“Anywhere Computing”结结论论：嵌嵌入入式式应应用用和和软软件件将将成成为为计计算算机机工工业业最最具具活活力力的的部分部分 小作业：到网

62、上查上述术语的具体解释。小作业：到网上查上述术语的具体解释。1.5 本章小结本章小结 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识 n 嵌入式系统的发展历史和应用现状嵌入式系统的发展历史和应用现状 n 嵌入式系统的定义、体系结构、基本特征和常见种类嵌入式系统的定义、体系结构、基本特征和常见种类 n 嵌入式系统中的种类划分及特点嵌入式系统中的种类划分及特点n 嵌入式系统应用带来的机遇嵌入式系统应用带来的机遇 讨论讨论 嵌入式系统与嵌入式控制系统的概念？嵌入式系统与嵌入式控制系统的概念？讨论讨论 嵌入式控制系统？嵌入式控制系统？简言之：简言之：具有控制具有控制功能的嵌功能的嵌入式系统。入式系统。讨论讨论

63、嵌入式控制系统的特点？嵌入式控制系统的特点？n高可靠性（各种电气和气候下的环境适高可靠性（各种电气和气候下的环境适应能力）应能力）- 无故障无故障n实时性实时性 - 及时实现控制及时实现控制n控制、反馈、对象适应性控制、反馈、对象适应性 - 专用功专用功能能习题习题 1.以应用为中心进行分类以应用为中心进行分类，计算机系统可分为哪两种，计算机系统可分为哪两种类型？类型？ 2.给出嵌入式系统的一般定义和基本特征。给出嵌入式系统的一般定义和基本特征。 3.请列举出一个课堂上没有提及的嵌入式系统应用实请列举出一个课堂上没有提及的嵌入式系统应用实例，并进行简要说明。例，并进行简要说明。 4.嵌入式实时系统相对其它嵌入式系统具有哪些不同嵌入式实时系统相对其它嵌入式系统具有哪些不同的特点？的特点？