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1、嵌入式系统基础嵌入式系统基础 第第1章嵌入式系统基章嵌入式系统基础础嵌入式系统基础嵌入式系统基础 内内 容容1.1 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念1.2 嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的发展历程1.3 ARM微处理器微处理器1.4 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.5 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域1.6 嵌入式系统的未来发展趋势嵌入式系统的未来发展趋势嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.1 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为嵌入式系统是以应用为中心、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、基础、软件硬件可裁剪、适应
2、应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。算机系统。从应用的角度看：嵌入式系统是从应用的角度看：嵌入式系统是“控制、监视控制、监视或者辅助控制机器和设备运行的系统或者辅助控制机器和设备运行的系统”。从技术的角度看：可以认为凡是带有微处理器从技术的角度看：可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。v微控制器微控制器(MCU)v数字信号处理器数字信号处理器(DSP)v嵌入式微处理器嵌入式微处理器(MPU)嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点(1)1专用
3、性专用性v嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用，它必嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。也正是这个原因，必须结合实际系统需求进行势。也正是这个原因，必须结合实际系统需求进行合理的裁减。合理的裁减。2嵌入性嵌入性v也就是说系统和被控制的对象是紧密连接的，一般也就是说系统和被控制的对象是紧密连接的，一般不需要人为干预，从这点上讲，也就对嵌入式系统不需要人为干预，从这点上讲，也就对嵌入式系统的环境适应性、稳定性、可靠性等提出了一些要求，的环境适应性、稳定性、可靠性等提出了一些要求，在进行软件和硬件设
4、计时必须考虑这些要求。在进行软件和硬件设计时必须考虑这些要求。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点(2)3智能性智能性v嵌入式系统需要有一个中央处理器单元（嵌入式系统需要有一个中央处理器单元（CPU），），来实现对来实现对对象的智能控制。对象的智能控制。v嵌入式系统首先是计算机系统，其次是专用的计算机系统，嵌入式系统首先是计算机系统，其次是专用的计算机系统，这种系统有别于通用的个人电脑（这种系统有别于通用的个人电脑（PC），），最后由于其专用的最后由于其专用的特点决定了其软硬件必须能够进行定制，必须能够进行裁减。特点决定了其软硬件必须能够进行定制，必须能够进行裁减。v
5、单片机也是属于嵌入式系统的范畴。但是由于历史的原因，单片机也是属于嵌入式系统的范畴。但是由于历史的原因，单片机和嵌入式系统被许多人区分开来对待，嵌入式系统更单片机和嵌入式系统被许多人区分开来对待，嵌入式系统更多地被理解为使用多地被理解为使用ARM等等32位嵌入式微处理器的计算机系统。位嵌入式微处理器的计算机系统。v单片机系统一般采用单任务程序或简单的多任务内核，如单片机系统一般采用单任务程序或简单的多任务内核，如uC/OS-II操作系统，一般应用于一些小型应用系统中；而操作系统，一般应用于一些小型应用系统中；而ARM嵌入式系统还能很轻松的运行嵌入式系统还能很轻松的运行Linux、Windows
6、 CE、VxWorks等复杂的操作系统，比较适合于设计大型应用系统。等复杂的操作系统，比较适合于设计大型应用系统。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.2 嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的发展历程1. 无操作系统的嵌入式算法阶段无操作系统的嵌入式算法阶段2. 简单监控式的实时操作系统阶段简单监控式的实时操作系统阶段3. 通用的嵌入式实时操作系统阶段通用的嵌入式实时操作系统阶段4. 以以Internet为标志的嵌入式系统为标志的嵌入式系统嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.3 ARM微处理器微处理器ARM（Advanced RISC Machines），），既可以既可以认为是一个公司的名字，也可以认为
7、是对一类认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。字。1991年年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，基于片设计技术的授权。目前，基于ARM 技术的技术的微处理器应用约占据了微处理器应用约占据了32位位RISC微处理器微处理器70以上的市场份额。以上的市场份额。ARM公司是专门从事基于公司是专门从事基于RISC技术芯片设计技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公接从事芯
8、片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。司生产各具特色的芯片。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 ARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域1、工业控制领域、工业控制领域2、无线通信领域：目前已有超过、无线通信领域：目前已有超过85%的无线的无线通信设备采用了通信设备采用了ARM技术。技术。3、网络应用：采用、网络应用：采用ARM技术的技术的ADSL芯片；芯片；语音及视频处理。语音及视频处理。4、消费类电子产品：、消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。广泛采用。5、成像和安全产品
9、：现在流行的数码相机和、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用打印机中绝大部分采用ARM了技术。手机中的了技术。手机中的32位位SIM智能卡也采用了智能卡也采用了ARM技术。技术。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.4 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1、VxWorks2、Nucleus3、Windows CE4、嵌入式嵌入式Linux5、uC/OS-II嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式操作系统VxWorks美国美国 Wind River System 公司（简称风河公司）公司（简称风河公司）推出的一个实时操作系统。推出的一个实时操作系统。广泛应用在通信、军事、航
10、空、航天等高精尖广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。军事演习、弹道制导、飞机导航等。包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。基于基于VxWorks操作系统的应用程序可以在不同操作系统的应用程序可以在不同CPU平台上轻松移植。平台上轻松移植。Tornado是为开发是为开发VxWorks应用系统提供的集应用系统提供的集成开发环境。成开发环境。嵌入式系统基础嵌入式
11、系统基础 嵌入式操作系统嵌入式操作系统Nucleus美国美国ATI公司公司（Accelerated Technology Inc）于于1990年推出的实时多任务操作系年推出的实时多任务操作系统。统。包括内核包括内核（Nucleus PLUS）、）、网络网络（Nucleus NET）、）、图形库（图形库（Nucleus GRAFIX）、）、文件系统（文件系统（Nucleus FILE）和和USB堆栈（堆栈（Nucleus USB）等等模块。模块。Nucleus提供注释严格的提供注释严格的C源级代码给每源级代码给每一个用户。一个用户。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式操作系统Win
12、dows CE(1)微软公司于微软公司于1996年推出的一个年推出的一个32位、多线程、位、多线程、多任务的嵌入式操作系统多任务的嵌入式操作系统采用独立于通常的程序设计语言并且和采用独立于通常的程序设计语言并且和Windows兼容的兼容的API的方式，保障了的方式，保障了Windows CE的组件化和的组件化和ROM化，充分适应有限的存储化，充分适应有限的存储空间和各种不同芯片的要求。空间和各种不同芯片的要求。是是Windows界面在嵌入式处理器中的实现，提界面在嵌入式处理器中的实现，提供友好的人机交互界面和强大的二次开发功能。供友好的人机交互界面和强大的二次开发功能。包括：内核（包括：内核（
13、Kernel）模块、对象存储模块、对象存储（Object Store）模块、模块、GWES（用户、应用用户、应用程序和操作系统之间的图形用户界面）模块和程序和操作系统之间的图形用户界面）模块和通信（通信（Communication）模块。模块。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式操作系统Windows CE(2)拥有完善的软件支持开发工具，包括：拥有完善的软件支持开发工具，包括：Windows CE Platform Builder(简称简称PB)、和和Embedded Visual Tools。桌上型桌上型Windows家族上开发的程序（包括家族上开发的程序（包括Microso
14、ft Internet Explorer、Windows Media Player、WordPad等）就能在等）就能在Windows CE上上运行。运行。在信息家电、移动计算等实时性要求不高但人在信息家电、移动计算等实时性要求不高但人机交互复杂的应用中被广泛使用。机交互复杂的应用中被广泛使用。其实时性无法与其实时性无法与VxWorks等操作系统相比。等操作系统相比。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式嵌入式操作系统嵌入式Linux(1)开放源代码、软实时、多任务嵌入式操作系统，开放源代码、软实时、多任务嵌入式操作系统，是在标准是在标准Linux的基础上针对嵌入式系统进行的基础上针
15、对嵌入式系统进行内核裁减和优化后形成的。内核裁减和优化后形成的。嵌入式标准嵌入式标准Linux对硬件要求比较高，必须要对硬件要求比较高，必须要求处理器具有内存管理单元（求处理器具有内存管理单元（MMU），），但是，但是，对于没有对于没有MMU的处理器同样可以使用没有的处理器同样可以使用没有MMU支持的支持的Linux，即即uClinux，它是目前在它是目前在ARM7TDMI等没有等没有MMU的处理器中广泛使用的处理器中广泛使用的的Linux解决方案。解决方案。嵌入式标准嵌入式标准Linux本身不关心实时性，对于实本身不关心实时性，对于实时系统，时系统，Linux下可采用下可采用RTLinux和
16、和RTAI等解等解决方案。决方案。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式嵌入式操作系统嵌入式Linux(2)提供强大的文件系统、网络功能、提供强大的文件系统、网络功能、GUI等软件模组支持，且它们都可以裁减，等软件模组支持，且它们都可以裁减，同时它还提供了标准的驱动程序接口和同时它还提供了标准的驱动程序接口和软件开发接口，便于用户编程和程序维软件开发接口，便于用户编程和程序维护。护。具备一整套工具链（具备一整套工具链（GNU GCC），），包括包括编译和调试工具。编译和调试工具。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统嵌入式操作系统uC/OS-II一个简单、高效的可抢占的实时多
17、任务操作系一个简单、高效的可抢占的实时多任务操作系统内核。源代码公开，可从统内核。源代码公开，可从www.ucos-网网站上获得全部源码。站上获得全部源码。提供图形用户界面（提供图形用户界面（uC/GUI）、）、文件系统文件系统（uC/FS）、）、USB堆栈（堆栈（uC/USB）等模块。等模块。内核不支持文件系统，不支持应用程序和驱动内核不支持文件系统，不支持应用程序和驱动程序的加载，因此，在程序的加载，因此，在C/OS-II开发中，内核、开发中，内核、驱动程序和应用程序都是集中编译。驱动程序和应用程序都是集中编译。没有提供统一的开发工具链，没有提供统一的开发工具链，C/OS-II程序的程序的
18、编译应该采用支持所选处理器的编译器。编译应该采用支持所选处理器的编译器。核心代码只有几核心代码只有几K字节，不仅可以移植到字节，不仅可以移植到32位位微处理器中，也可以移植到微处理器中，也可以移植到8051等单片机中。等单片机中。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式操作系统的实时性嵌入式操作系统的实时性实时性，其核心含义在于确定性，而不是单纯实时性，其核心含义在于确定性，而不是单纯的速度快。的速度快。VxWorks是实时性最强、口碑最好、在实时系是实时性最强、口碑最好、在实时系统中应用最多的一个硬实时操作系统。除此之统中应用最多的一个硬实时操作系统。除此之外，外，uC/OS-II、Nucleu
19、s等操作系统也是硬实等操作系统也是硬实时操作系统，时操作系统，Windows CE可实现软实时系统，可实现软实时系统，而标准而标准Linux则不关心实时性，要在则不关心实时性，要在Linux下实下实现实时系统可以采用现实时系统可以采用RTLinux、RTAI等基于等基于Linux的实时系统解决方案。的实时系统解决方案。系统的实时性是一个系统的概念，牵涉到硬件、系统的实时性是一个系统的概念，牵涉到硬件、操作系统以及应用程序等多方面的性能。操作系统以及应用程序等多方面的性能。嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.5 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域、工业控制、工业控制、交通管理、交通管理、信息
20、家电、信息家电、家庭智能管理系统、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务网络及电子商务、环境工程与自然、环境工程与自然、智能玩具和机器人、智能玩具和机器人 8、军事国防领域、军事国防领域嵌入式系统基础嵌入式系统基础 1.6 嵌入式系统的未来发展趋势嵌入式系统的未来发展趋势1、嵌入式开发是一项系统工程，因此要、嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。硬件开发工具和软件包支持。2、网络化、信息化。、网络化、信息化。3、网络互联成为必然趋势。、网络互联成为必然趋势。4、精简系统内核、算法，降低功耗和软、精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。硬件成本。5、提供友好的多媒体人机界面、提供友好的多媒体人机界面
