1、嵌入式系统基础,初步了解嵌入式系统,什么是嵌入式系统？ 嵌入式系统的发展简史 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的基本组成 嵌入式处理器 嵌入式系统发展趋势 嵌入式系统的相关研究领域,1.1 什么是嵌入式系统？,顾名思义： 包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。 基本描述： 专门用途的计算机系统 常常用于控制 广泛存在 包含硬件和软件,嵌入式系统的释义,全称 嵌入式计算机 嵌入式计算机系统 简称 嵌入式系统 相关术语 嵌入式设备 嵌入式技术 有时还进一步简称为嵌入式,嵌入式系统的定义（1）,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“
2、用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。” 英文原文为：devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.,嵌入式系统的定义（2）,国内高校流行的定义： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。,嵌入式系统的应用领域,嵌入式 系
3、统,1.3 嵌入式系统的特点,专门用于特定任务 嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。 技术融合 集计算机，通信及其它高新技术于一体。 有实时约束 一般采用实时操作系统 有功耗约束,软件没有系统和应用的区别，软件固化。 系统内核小 软硬件可裁剪 高可靠性 资源比PC少得多 嵌入式系统需要专用的开发工具 非垄断市场,软件硬件基本要素,硬件 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,软件 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）,1.4 嵌入式
4、系统的分类,有多种对嵌入式系统的分类方法，以下是部分分类方法： 按用途分类：军用/民用 按载体分类：宇航/车载 按通信性质分类：无线/有线 按网络性质分类：联网/单机 按环境分类：普通/恶劣 按功耗分类：低功耗/普通功耗 主要分类方法 按硬件软件性质,1.4.1 按照技术复杂度分类,根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类： 无操作系统控制的嵌入式系统 NOSES，Non-OS control Embedded System； 小型操作系统控制的嵌入式系统 SOSES，Small OS control Embedded System； 大型操作系统控制的嵌入式系统 LOSES，Large
5、OS control Embedded System。,1.4.2 按照用途分类,按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类： 工业用 军用 民用,1.5 嵌入式系统基本组成,嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、外围电路和外部设备三大部分所组成。 嵌入式处理器包括：嵌入式微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）。 外围电路包括：各式存储器（RAM、ROM、FLASH），时钟电路，各种I/O接口电路，调试接口（JTAG、BDM等）。 外部设备包括：存储卡（CF、SD卡）、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。,嵌入式操作系统学用特点一览表,下面列出主要的嵌入式操作系统属性，供大家学习时
6、参考。,1.5.1 实时性能分类,依据操作系统的实时性能类型划分，有以下几种类型。参看下图：,1.5.2 按照电路板分类,中国计算机协会微机专业委员会对嵌入式系统给出以下分类： 单硅片嵌入式系统 Single-Silicon Embedded System 单板嵌入式系统 Single-Board Embedded System 多板嵌入式系统 Multi-Board Embedded System,嵌入式系统与单片机区别,从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。但是，它们都是专用的计算机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。 现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运
7、行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。 低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板 高端嵌入式系统： SoC,1.6 嵌入式处理器分类,嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，嵌入式处理器有多种功能。 按照处理器功能分类，主要如下五种： 通用型嵌入式微处理器（简称：MPU） 微控制器（MCU） 数字信号处理器（DSP） 混合处理器和片上系统（SOC） 嵌入式双核或者多核处理器,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，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，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电
8、路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。,目前主要的嵌入式处理器类型有ARM 、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC、68000系列等。,微控制器,又称单片机，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。 单片机芯片内部集成Flash、RAM、总线逻辑、定时器/计数器、WatchDog、I/O，串行口、脉宽调制输出、A/D，D/A等各种必要
9、的功能模块和外围部件。 代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。,DSP处理器,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、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理系统经过单片化
10、、电磁兼容（EMC）改造以及增加片上外设，成为DSP处理器；二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器。 DSP处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSP21XX系列和Motorola公司的DSP56000系列。,片上系统,SoC就是System on Chip，SoC是一种基于IP（Intellectual Property）核嵌入式系统设计技术。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，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，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接
11、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。 嵌入式片上系统设计的关键是IP核的设计。IP核分为硬核、软核和固核，是嵌入式技术的重要支持技术。,典型的嵌入式处理器,1ARM处理器 2MIPS处理器 3PowerPC处理器 4MC68K/Coldfire处理器 5x86处理器,ARM处理器,ARM（Advanced RISC Machines）公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。,ARM处理器有3大特点： 小体积、低功耗、低成本而高性能； 16/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。,ARM处理器分ARM7、ARM
12、9、ARM9E、ARM10、ARM11、Cortex和SecurCore系列。,MIPS处理器,MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。,MIPS的定位很广。在高端市场它有64位的20Kc系列，在低端市场有SmartMIPS。MIPS技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在通用方面，MIPS R系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的
13、用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。,PowerPC体系结构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。基于PowerPC架构的处理器有IBM 公司开发的PowerPC 405 GP，它是一个集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。,PowerPC处理器,Apple机以前使用的就是Mot
14、orola 68000(68K)，比Intel公司的8088还要早。但现在，Apple、Motorola公司已放弃68K而专注于ARM了。,MC68K/Coldfire处理器,x86系列处理器是最常用的，它起源于Intel架构的8080，发展到现在Pentium 4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。486DX是当时和ARM、68K、MIPS、SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于x86的STPC高度集成系统。,x86处理器,通用型嵌入式微处理器,英文全称 General Purpose Embedded Micro Processor 也称为嵌入式微处理单元 Embe
15、dded Micro Processor Unit 缩略语：EMPU，或者MPU,通用型嵌入式微处理器有两种类型,一类是嵌入式系统中使用的通用处理器 x86处理器（从80186、80386到Pentium M）就是这一类处理器的典型代表。 另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器 属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。 使用通用型嵌入式微处理器时都要在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面采取各种措施。,微控制器,又称单片机（SCM，Single Chip Microcomputer
16、） 它将整个计算机系统集成到一块芯片中，体积减小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，电磁辐射更少。它通常以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。有代表性的通用微控制器系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。,数字信号处理器,嵌入式DSP处理器（简称为DSP处理器或者DSP）是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。它是
17、系统结构和指令集做了特殊设计的处理器，使其适合执行DSP算法程序。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC（电磁兼容）改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器；二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器。 DSP处理器可分为两大类：定点DSP和浮点DSP。 嵌入式DSP处理器中比较有代表性的产品是德州仪器公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。,片上系统,把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。 可编程片上系统（System On a Programmable Chip，称为SOPC）。随着
18、百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP 核（知识产权核）和可重构的嵌入式处理器软核的出现，作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点，具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。,嵌入式双核处理器,双核（Dual Core）处理器就是基于单个半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器性能而导致耗电量和发热量越
19、来越大的缺点。,嵌入式多核处理器,嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频处理。这些DSP处理器的主要结构是一个或多个的微控制器（MCU）核外加一个DSP核。 例如，美国AD公司生产的Blackfin系列产品是适用于多格式音频、视频、语音和图像处理的嵌入式DSP处理器系列。采用Blackfin芯片的最终产品可以是便携式媒体播放器(PMP)、VoIP（通过IP传输话音）电话机、网络摄像机（IP Network.Camera）以及移动电视设备等。,Blackfin系列多核处理器,Blackfin系列中的ADSP-BF561处理器是一款双内核的具有对称多处理（SMP）架构的DSP处理器，时钟频率为750
20、MHz，它能够以两种工作方式执行。 下图是第1种工作模式。在该模式下，可以让Core A运行操作系统、网络协议栈和控制任务，让Core B运行信号处理的RISC/DSP任务。,嵌入式系统的开发方法,嵌入式系统的开发方法,软件开发+硬件开发 开发模式：宿主机/目标板 过程： 利用宿主机上的丰富的软硬件资源以及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生成目标代码和课执行文件，通过串口、USB、以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调试器在线监控程序运行，实时分析，最后将程序下载固化到目标机上,嵌入式系统的开发方法,在软件设计上，开发过程基本包括以下几个步骤： 源代码编写：编写源C/C+及汇编程序； 程序编译：通过专用编译器编译程序； 软件仿真调试：在SDK中仿真软件运行情况； 程序下载：通过JTAG、USB、UART方式下载到目标板上； 软硬件测试、调试：通过JTAG等方式联合调试程序； 下载固化：程序无误，下载到产品上生产。,返回章首,
