1、2018/9/3,2010.12,陈 赜,ARM嵌入式技术原理与应用, 13135699803,2018/9/3,要求深刻以下的基本概念： 嵌入式系统 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类要求了解： 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的现状和发展趋势目前常用的几种嵌入式操作系统,2018/9/3,1.1 嵌入式系统,嵌入式技术的快速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为
2、后PC时代的主宰。,2018/9/3,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 嵌入式系统概念,2018/9/3,嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求,嵌入式系统的特点:由三要素引出,三要素：嵌入、专用、计算机,专用性：软、硬件按对
3、象要求裁减,计算机：实现对象的智能化功能,简单地讲:,就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。,2018/9/3,嵌入式系统发展的最高形式片上系统（SOC）,广义地说:,即以应用为中心、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、功耗严格要求的专用计算机系统 。,一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。,2018/9/3,嵌入式系统的特性：）只执行特定功能；）以微控制器、外围器件为中心，系统构成可大可小；）有严格的时序性和稳定性要求；）自动操作循环，等待中断控制；）程序被烧写在存储芯片中。,2018/9/3,嵌入式系统的发展：,第一阶段 以单芯
4、片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。主要用于专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。,2018/9/3,系统的主要特点是： 结构和功能相对单一效率较低存储容量较小几乎没有用户接口由于这种嵌入式系统使用简单、价格便宜，所以，过去在工业领域中应用较为普遍；但是，它们已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和后PC时代新兴的信息家电等领域的应用要求。,2018/9/3,第二阶段以嵌入式中央处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。系统的主要特点是：CPU种类繁多通用性较弱系统开销小操作系统只具有低度的
5、兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不够友好。主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运行。,2018/9/3,第三阶段以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。系统的主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上操作系统内核精小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程序简单、并且嵌入式应用软件丰富。在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。,2018/9/3,第四阶段以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采
6、用支持网络功能的嵌入式系统，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今后的发展趋势。,2018/9/3,随着现代社会与经济的快速发展，嵌入式技术在当今应用也越来越广泛，其主要原因是由现代社会与经济发展的大环境决定的：第一是Intelnet网的普及第二是GPS广泛应用第三是电信网的普及第四是无线网络的应用，如Zigbee技术等这些都为嵌入式设备在智能化、数字化、信息网络化上提供了强力保证。,2018/9/3,1.1.2 嵌入式系统的分类,按表现形式分（硬件范畴） ：, 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）,按实时性要求分（软件范畴） ：, 非实时系统（PDA）, 模块级嵌入（系统中的某个核心模块）
7、, 系统级嵌入, 硬实时系统（工业和军工系统）, 软实时系统（消费类产品）,2018/9/3,嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界大约有1000多种嵌入式处理器，流行的体系结构有30多个系列。如MCS-51、PIC、AVR、ARM、DSP等，其中MCS-51占了多半，生产厂家20多个，350多种衍生产品，仅Philips就有近百种。处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，寻址空间从64KB到4GB。,1.1.3 嵌入式处理器介绍,2018/9/3,嵌入式微处理器发展趋势, 微型化（封装、功耗）, 智能化（功能、速度）, 经济性（成本）,嵌入式微处理器主要分类如下：,20
8、18/9/3, 微控制器（MCU） （MicroController Unit）, 微处理器（MPU）(Embedded MicroProcessor Unit), 数字信号处理器（DSP）( Digital Signal Processor), 混合处理器和片上系统（SOC）(System On Chip), 可编程片上系统（SOPC）(System On Programmable Chip),2018/9/3,1）微控制器（MCU）：, 嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种 位的处理器,目前在嵌入式设备中仍然有着 极其广泛的应用。, 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线 逻辑
9、、定时/计数器、I/O、串行口、EEPROM 等 各种必要功能和外设。,2018/9/3,特点： 一个系列的微控制器具有多种衍生产品 单片化、体积大大减小、功耗和成本降低、可靠性提高 目前嵌入式工业的主流、约占嵌入式系统70%的份额 多是8位和16位处理器 流行的嵌入式微控制器： 通用系列:MCS-51,MCS-96/196/296 半通用系列:支持I2C,CAN BUS及众多专用MCU和兼容系列,2018/9/3, MCU处理能力非常有限,MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。,2018/9/3,单片
10、机属于嵌入式系统，故嵌入式系统的历史已经有几十年。单片机与嵌入式系统有区别，只有嵌入式系统的部分结构和部分功能：1）单片机数据处理能力有限、处理速度有限，不能够用于所有的嵌入式系统2）单片机不使用操作系统3）单片机无网络功能,2018/9/3, 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)是由通用计算机中的CPU演变而来的，8038680387, 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。,2）微处理器（MPU）,2018/9/3,特点： 功能和微处理器基本一样，是具
11、有32位以上的处理器,具有较高的性能。 具有体积小、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点，有的可提供工业级应用。 流行的嵌入式微处理器: ARM/Strong (ARM公司) PowerPC 、68000 (MOTOROLA公司) MIPS(MIPS公司),2018/9/3,3）数字信号处理器（DSP）, DSP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、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。,2018/9/3, DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码
12、使用汇编。,应用领域： 数字滤波 频谱分析 FFT 流行的嵌入式DSP： TMS320C2000系列（TI） MCS-296（Intel）,2018/9/3, SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。, SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。,4）混合处理器和片上系统（SOC）,2018/9/3,特点： 结构简洁 体积小、功耗低 可靠性高 设计生产效率高流行的SOC： Smart XA （Philips）,2018/9/3
13、,5）可编程片上系统（SOPC）,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：,首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；,其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,2018/9/3,特点： 采用超深亚微米工艺技术 使用一个以上的嵌入式处理器/DSP 设计方式灵活 可裁减、可扩充、可升级 软硬件在系统可编程的功能。,2018/9/3,粗略划分： 嵌入式处理器 外围设备 嵌入式操作系统(可选) 嵌入式应用软件,稍细划分： 嵌入式处理器 外围设备 驱动程
14、序 嵌入式操作系统 应用接口 嵌入式应用软件,1.1.4 嵌入式系统组成,2018/9/3,2018/9/3,2018/9/3,1.1.5 嵌入式系统开发 1.嵌入式系统的设计要求嵌入式系统设计开发不同于桌面系统，它不仅受制于功能而且还受制于具体的应用环境，所以嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求：1）接口方便、操作容易2）稳定可靠、维护简便3）功耗管理、降低成本 4）功能实用、便于升级5）并发处理、及时响应,2018/9/3,2. 嵌入式系统的特点,主要有五个方面的特点： 1) 嵌入式系统是面向具体应用的产品嵌入式系统可以是面向某一个领域、某一行业、某一个用户的具体产品，不具有通用性，不能独立
15、发展。对功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等有严格要求。嵌入式系统软件、硬件（处理器、系统等）生命周期都比较长，有继承性。 2) 嵌入式软件特征具有实时性，高质量、高可靠，程序固化。,2018/9/3,3)需要软硬件开发工具和系统软件硬件工具：计算机、开发板、信号发生器、示波器等软件工具：编辑、编译、调试软件等系统软件：OS、数据库等 4) 需要应用专家参与开发嵌入式系统一般不是一个独立的应用产品，是某种产品的一部分，所有需要相应方面的应用专家参与。 5) 嵌入式系统分散而不可垄断通用计算机行业被微软和因特尔垄断（软件和硬件）嵌入式系统领域的芯片、操作系统、软件，充满了竞争、发展和机遇，
16、呈现一种百花齐放的景象。,2018/9/3,3. 嵌入式系统开发特点需要软硬件综合开发，二者密切相关。 任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体 一旦嵌入式产品研发完成，软件就固化在硬件环境中，嵌入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的，是专用的。嵌入式系统的这一特点，决定了嵌入式应用开发方法不同于传统的软件工程方法。,2018/9/3,4.嵌入式系统设计过程 嵌入式系统设计的一般过程如下：,1）系统需求分析 确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。 系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。 功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号，操作方式等； 非
17、功能性需求包括系统性能，成本，功耗，体积，重量等因素。,2018/9/3,2）体系结构设计描述系统如何实现所述的功能和非功能需求,包括：对硬件，软件和执行装置的功能划分系统的软件，硬件选型一个好的体系结构是设计成功与否的关键。,2018/9/3,3）硬件/软件设计基于体系结构，对系统的软件和硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。一般嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上：采用采用面向对象技术软件组件技术模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。,2018/9/3,4）系统集成把系统的软件，硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。,2018/9
18、/3,5）系统测试对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。针对系统的不同的复杂程度，目前有一些常用的系统设计方法，如： 瀑布设计方法自顶向下设计的方法自下向上的设计方法螺旋设计方法逐步细化设计方法和并行设计方法 根据设计对象复杂程度的不同，可以灵活的选择不同的系统设计方法。,2018/9/3,5. 嵌入式系统软件的开发模式需要使用交叉编译器，进行交叉开发。 交叉编译器(Cross-compiler)：是一种运行在通用计算机上的、但是能够生成在另一种处理器上运行的目标代码的编译器。 交叉开发：在一台通用计 算机上进行软件的编辑、 编译，然后下载到嵌入式 系统中运行调试。,
19、2018/9/3,1.2 嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统作为一个热门领域，涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算机软件和硬件等多项技术领域的应用。到目前为止，中国嵌入式系统的主要客户分布在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。嵌入式系统的主要应用领域如下图所示。,2018/9/3,2018/9/3,1）工控设备工业设备是机电产品中最大一类。过去在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制外，还须将设备的运行状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。,2018/9/3,2）信
20、息家电，安防信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。近年来，安防界影响最大的就是嵌入式系统，安防产品进入嵌入化发展阶段。,2018/9/3,3）消费类电子嵌入式系统需求最殷切的是消费电子行业。电信行业传统上就是嵌入式人才的需求大户。 由于3G持续升温，这方面的人才也保持了供不应求的势头。,2018/9/3,4）交通管理、环境监测交通管理:车辆导航流量控制信息监测汽车服务等方面目前GPS（全球定位系统）设备已经从尖端产品进入到了普通百姓的家庭。,2018/9/3,环境监测：水文资料的实时监测防洪体系及水土
21、质量的监测堤坝安全地震监测网实时气象信息网水源和空气污染监测等方面 嵌入式技术的应用越来越广泛。,2018/9/3,5）智能仪器网络分析仪、示波器和医疗仪器等智能仪器设备中也大量用到嵌入式技术。如：医疗电子应用技术及设备医疗影像设备医疗微波治疗与诊断设备医疗监护设备便携式电子医疗设备等,2018/9/3,6）汽车电子专家预测，汽车电子产品占汽车成本的比例将达到50%，全球市场销售额在近一、二年将超过1000亿美元。汽车电子的关键技术包括: 软件技术高性能强实时的嵌入式操作系统汽车电控汽车网络汽车电器的嵌入式软件平台及关键技术。,2018/9/3,7）军事国防武器导弹瞄准、雷达识别和电子对抗设备
22、等军事国防武器的仪器中也大量用到嵌入式技术。,2018/9/3,8）社会发展方面在社会发展方面，嵌入式技术的应用越来越广泛。嵌入式Internet应用如图。,2018/9/3,1.3 嵌入式操作系统简介,1.3.1 嵌入式操作系统操作系统是软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享计算机的各种资源。目的是提供一台功能强大的虚拟机，给用户一个方便、有效、安全的工作环境。,2018/9/3,1）顺序执行系统 系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。,2018/9/3,2）分时操作系统系统内同时可以有多
23、个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX等。,2018/9/3,3）实时操作系统 系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。,2018/9/3,1.3.2 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。 1. 嵌入式系统具有操作系统的最基本的功能： 进程调度（没有虚拟内存的管理） 内存管理、 设备管理、文件管理中断管理 系统功能接口(API调用，如网络功能) 、设备驱动,2018/9/3,2.嵌入式操作系统具有的特点： 系统可裁减、
24、可配置 系统具有实时性 系统稳定、可靠,2018/9/3,3.嵌入式操作系统的分类： (1)从嵌入式系统的应用来分类嵌入式操作系统分为低端设备的嵌入式操作系统和高端设备的嵌入式操作系统。前者主要用于各种工业控制系统、计算机外设、民用消费品的微波炉、洗衣机、冰箱等；比如uC/OS 等。后者主要用于信息化家电、掌上电脑、机顶盒、WAP手机、路由器等设备上；如wince, linux等。,2018/9/3,（2）从实时性来分类嵌入式操作系统分为实时操作系统和非实时操作系统。下面主要讲实时操作系统的概念。,2018/9/3,实时操作系统 实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保
25、证。 对外部事件的响应包括： 事件发生时要识别出来 在给定时间约束内必须输出结果 实时操作系统必须有以下特征： 多任务 有线程优先级 多种中断级别,2018/9/3,实时操作系统又分为： 硬实时系统：对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或致命的错误。 软实时系统：对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃，只是降低系统的吞吐量。,2018/9/3,4.几种主流的嵌入式操作系统 C/OS-II：教学的免费、面向中小型嵌入式系统应用。 Vxworks：美国WindRiver公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特
26、性。 WinCE：它是微软针对个人电脑以外的电脑产品所研发的嵌入式操作系统，而CE则为Customer Embedded的缩写。,2018/9/3,Linux/CLinux：免费、源码开放的操作系统，clinux面向没有MMU的硬件平台。 PalmOS ：Com公司产品，在PDA市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统。,2018/9/3,1.4 嵌入式系统的发展趋势,随着信息技术以及互联网的飞速发展，互联网的普及以及3C（Compute、Consumer、Communication）技术的快速融合、半导体技术的改善、使用者的需求、信息服务应用
27、生活化等方面对嵌入式系统的设计提出了越来越高的要求。,2018/9/3,1.嵌入式应用软件开发和操作系统,随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP（Internet Content Provider，即互联网内容提供商）和ASP（Application Service Provider，即应用服务提供商）在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。,2018/9/3,目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统已进入我国市场，如WindRiver、Microsoft、QNX和Nucleus 等产品，还有我国自主开发
28、的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台。此外，中科院也推出了Hopen嵌入式操作系统。,2018/9/3,2. 技术的渗透性和融合性,2018/9/3,设备的关联性,2018/9/3,个性化服务,2018/9/3,Any Time,Any Where, Any Medium, Any Content,2018/9/3,嵌入式系统设计趋势是： 1）对处理器的要求越来越高。2）软件变得复杂和重要，主要体现在以下几个方面：（1）操作系统：要有较好的图形界面和文件系统以及通信协议。（2）复杂算法：人工智能、安全和多媒体等应用方面的算法，高级编程语言得到应用空间。（3）设计复杂度急剧增加：硬件是目前的2-3倍，软件是目前的10倍。,2018/9/3,3）32位结构体系已经开始成为嵌入式应用的最主流，ARM正在成为多个应用领域的标准CPU。,2018/9/3,随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提升，新的应用环境和产业化需求对嵌入式系统软件提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可靠性、自适应性、构件组件化方向发展；,2018/9/3,支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化；系统软件对无线通信和能源管理的功能支持将日益重要。,2018/9/3,
