1.嵌入式系统概论
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第1章嵌入式系统概述
第1章 嵌入式系统概述嵌入式系统是一种特殊的计算机系统。
本章分析讨论嵌入式系统的基本特性，重点分析它与通用计算机系统的区别，介绍基于FPGA的“高端”嵌入式系统的概念和开发流程，这也是本书的重点。
1.1 引言1.1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统（或嵌入式计算机系统）可以简单地定义为一个计算机系统，其设计是用于完成一个或多个特定任务。
这一计算机系统不是一个最终产品，而是在一个庞大系统中的专用嵌入部分，这个庞大系统通常还包括其他电子和机械部分。
相对而言，一个通用计算机系统，例如一台PC（个人计算机），是一种通用的计算平台，其本身就是一种最终产品。
它被设计为灵活的，并且能够支持终端用户的各种需求。
各种应用程序就是基于通用计算机系统的可用资源而开发的。
因为一个嵌入式系统专用于特定任务，所以其设计可以优化以降低成本。
一个好的设计应该包含刚好够用的硬件资源，以满足应用所需的功能。
另一方面，通用计算机系统需要支持各种各样的需求，所以一个应用程序可以使用大量的硬件资源。
从这一点来看，嵌入式系统可以看成一种有严格资源约束的计算机系统。
术语“嵌入式系统”和“通用计算机系统”没有严格的界定，因为大部分系统都有一些可扩展性和可编程性的元素。
例如，手机可以看成是嵌入式系统，因为它主要用于无线通信。
然而高端手机也能下载其他应用程序，如简单的视频游戏，这却是通用计算机系统的特性。
在本书中，通用计算机系统被称为“台式系统”，因为台式计算机是最常用的通用计算机系统。
1.1.2 示例系统嵌入式系统在很多应用中被广泛使用，每个应用都有其特殊的要求。
本节通过以下三个例子阐述嵌入式应用的基本特性。
z微波炉z数码相机z车辆电子稳定控制系统微波炉微波炉利用其内部的磁控管产生的微波辐射来烹调或者加热食物。
微波炉通常有一个面板，用于选择烹调时间和功率，还有一个LCD或LED显示屏，用于显示微波炉工作状态和时间。
微波炉内有一个嵌入式计算机，用于处理面板的输入、跟踪计时、产生显示符和控制磁控管单元。
嵌入式系统概论
嵌入式系统概论嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备中，以完成特定的功能或任务。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，如家电、汽车、医疗设备、通信设备等。
本文将介绍嵌入式系统的基本概念、特点、应用领域以及发展趋势。
一、嵌入式系统的基本概念嵌入式系统是由硬件和软件组成的一种特殊计算机系统。
与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下几个特点：1. 特定功能：嵌入式系统被设计用于执行特定的功能或任务，例如控制家电设备、驾驶汽车、监测环境等。
2. 实时性：嵌入式系统通常需要实时响应外部事件，确保系统能够及时做出反应。
3. 资源受限：由于嵌入式系统通常运行在资源受限的环境中，如处理能力、存储容量、能耗等都有限制。
4. 可靠性：嵌入式系统对系统的可靠性要求很高，一旦出现故障可能会对用户的生命财产安全造成影响。
二、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，以下列举几个典型的应用领域：1. 汽车领域：现代汽车中的嵌入式系统包括发动机控制单元(ECU)、车载娱乐系统、安全系统等，它们协同工作以提供稳定、安全的驾驶体验。
2. 家电领域：智能家居中的嵌入式系统能够实现家电设备的远程控制、能耗监测以及与其他设备的联动等功能。
3. 医疗设备领域：医疗设备中的嵌入式系统用于监测病人的生命体征、控制手术设备等，对病人的诊断和治疗起到重要作用。
4. 工业控制领域：嵌入式系统在工业自动化领域中广泛应用，用于控制生产线、监测设备状态、优化生产过程等。
三、嵌入式系统的发展趋势随着科技的不断进步，嵌入式系统也在不断发展。
以下是几个嵌入式系统的发展趋势：1. 物联网：随着物联网的兴起，越来越多的设备将与互联网连接，嵌入式系统将扮演连接设备与互联网的桥梁，实现设备之间的通信与协同工作。
2. 人工智能：人工智能技术的发展将为嵌入式系统带来更多的智能化能力，使其能够识别、理解和响应更复杂的指令或环境变化。
3. 虚拟化技术：虚拟化技术可以将多个嵌入式系统虚拟化为一个物理平台，提高系统的资源利用率和灵活性。
第一章嵌入式系统概述
第一章嵌入式系统概述
3
学习的方法
勤学苦练（多看书，多练习） 网络是最好的帮手 别人的指导和帮助
第一章嵌入式系统概述
4
考核方式和评分标准
考核方式：平时成绩为主 评分标准：百分制
第一章嵌入式系统概述
5
该门课主要内容
1.嵌入式系统概论 2.ARM嵌入式微处理器 3.基于ARM的嵌入式系统外围硬件设计 4.嵌入式系统软件体系结构 5.嵌入式linux系统开发 6. 前沿技术
第一章嵌入式系统概述
6
第一章 嵌入式系统概论
重点 1.掌握嵌入式系统基本概念. 2.嵌入式系统结构(软件,硬件) 3.嵌入式系统特点.
第一章嵌入式系统概述
7
本章主要内容
1. 无所不在的嵌入式系统 2. 嵌入式系统定义 3. 嵌入式系统特点 4. 嵌入式系统发展历史 5. 嵌入式系统分类 6. 嵌入式系统基本结构 7. 嵌入式系统设计要求 8. 嵌入式系统应用开发
1
嵌入式系统
田金琴 tjqding◎ 北方民族大学计算机学院
2010年3月
第一章嵌入式系统概述
2
这门课主要目的
1.了解另外一个计算机应用领域的相关知识。
2.学习了解嵌入式基本概念、开发过程,方法.
3.获得一点嵌入式开发设计感性知识。
4.引起部分同学对这一个方向的学习兴趣。
5.大多数同学获得学分
第一章嵌入式系统概述
9
嵌入式系统应用领域主要产品
家用市场
机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、 网络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等
通信市场
电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（L3D），数据交换设备， 移动电话等
第1章嵌入式系统概述
嵌入式操作系统（Embedded Operation System， EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与 工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、 硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它 必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来 达到系统所要求的功能。 入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索、更 新等功能，一般不提供保护、加密等安全机制。它以系 统调用和命令方式提供文件的各种操作，主要有设置、 修改对文件和目录的存取权限。提供建立、修改、改变 和删除目录等服务。提供创建、打开、读写、关闭和撤 销文件等服务。
BSP具有以下两个特点 硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有 应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接 口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件 的方法 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件 层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件 接口形式
软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用 户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络 系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软 件的基础和开发平台
嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体 系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度， 或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前 全世界嵌入式微处理器已经超过1 000多种，体系 结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、 MIPS、PowerPC、X86、SH等。但与全球PC市场 不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场， 仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微 处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用 而决定的
第章嵌入式系统概述
术的快速融合 使用者的需求 信息服务应用生活化
22
未来嵌入式系统的发展趋势
23
嵌入式系统概述
➢ 1.嵌入式系统 ➢ 2. 嵌入式系统组成 ➢ 3.嵌入式处理器 ➢ 4.嵌入式操作系统
24
1.2 嵌入式系统的组成
微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统、应用程序以及开发环 境(软件分3层：HW/FM/AP ，HW硬件驱动或接口操作； FM中间层；AP应用层）
10
嵌入式系统应用领域－信息家电
信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领 域。
只有按钮、开关的电器显然已经不能满足 人们的日常需求。
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。
11
嵌入式系统应用领域－消费类电子
12
消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心
●从技术的角度定义：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。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复 杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的 计算机系统。
20
•嵌入式系统的历史
单片机模式和计算机模式
计算机学科
电子商务
消费电子
信息家电 智能玩具 通信设备 移动存贮
网络 9
工业控制 、工业设备
过去在工业过程控制、数字机床、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８位单片机。
随着技术发展，目前许多设备除了进行实 时控制，还须将设备状态，传感器的信息 等在显示屏上实时显示。 需要性能更高的控制系统。
4
现实中的嵌入式系统
5
22
未来嵌入式系统的发展趋势
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嵌入式系统概述
➢ 1.嵌入式系统 ➢ 2. 嵌入式系统组成 ➢ 3.嵌入式处理器 ➢ 4.嵌入式操作系统
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1.2 嵌入式系统的组成
微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统、应用程序以及开发环 境(软件分3层：HW/FM/AP ，HW硬件驱动或接口操作； FM中间层；AP应用层）
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嵌入式系统应用领域－信息家电
信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领 域。
只有按钮、开关的电器显然已经不能满足 人们的日常需求。
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。
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嵌入式系统应用领域－消费类电子
12
消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心
●从技术的角度定义：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。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复 杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的 计算机系统。
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•嵌入式系统的历史
单片机模式和计算机模式
计算机学科
电子商务
消费电子
信息家电 智能玩具 通信设备 移动存贮
网络 9
工业控制 、工业设备
过去在工业过程控制、数字机床、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８位单片机。
随着技术发展，目前许多设备除了进行实 时控制，还须将设备状态，传感器的信息 等在显示屏上实时显示。 需要性能更高的控制系统。
4
现实中的嵌入式系统
5
嵌入式系统概述
第一章嵌入式系统概述1.嵌入式系统的概念从技术的角度概念：以应用为中心、以运算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、靠得住性、本钱、体积、功耗严格要求的专用运算机系统。
从系统的角度概念：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一路的运算机系统。
术语嵌入式反映了这些系统一般是更大系统中的一个完整的部份，称为嵌入的系统。
嵌入的系统中能够共存多个嵌入式系统。
2.嵌入式处置器的分类①嵌入式微处置器；②嵌入式微控制器；③嵌入式DSP处置器；④嵌入式片上系统（SOC）3.嵌入式操作系统的大体概念及特点一般实时操作系统应用于实时处置系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，而且提供了开发、调试、运用一致的环境。
嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发进程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。
嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K 内)、可固化利用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点4.实时操作系统的大体概念及特点总的来讲实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时刻范围内作出响应。
它强调的是实时性、靠得住性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。
从实时系统的应用特点来看实时操作系统能够分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统IEEE 的实时UNIX分委会以为实时操作系统应具有以下的几点:异步的事件响应；切换时刻和中断延迟时刻肯定；优先级中断和调度；抢占式调度；内存锁定；持续文件；同步；5.操作系统的内核有哪两种，各自的特点①非占先式内核：非占先式内核要求每一个任务自我舍弃CPU 的所有权。
非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。
异步事件仍是由中断服务来处置。
中断服务能够使一个高优先级的任务由挂起状态变成就绪状态。
第1-1 嵌入式系统概述
区别
重庆工商大学
嵌入式系统专用于特定应用，PC机是特定应用。 使用多种类型的处理器和处理器体系结构。 关注成本。 大多有功耗约束。 经常在极端环境下运行。 系统资源比PC机少得多。 需要专业工具和方法进行开发设计。 嵌入式系统数量远远超过PC数量。
无处不在的嵌入式系统
ARM
ARM——一种技术体系的名字
重庆工商大学
迄今为止，ARM公司定义了7种主要ARM指令集体系结 构
随着版本的升级，指令集有了巨大的改进，其版本 号分别为V1～V7。 各版本中还有一些变种，这些变种定义了指令集中 不同的功能。对于相同的ARM体系结构，基于它们的 应用软件是兼容的。
定义四
重庆工商大学
狭义概念：指埋藏在宿主设备 中的专用微处理器系统，使用 者不可见。
例： 单片机系统、手机
定义五
重庆工商大学
广义概念：作为某种技术过 程的一核心处理环节，能直 接与宿主机环境接口或交互 的计算机系统。
例： 导弹控制系统
区别
嵌入式系统和一般PC有什么区别？
重庆工商大学
实时计算模式
重庆工商大学
实时系统性能指标
重庆工商大学
实时系统重要特点
重庆工商大学
实时系统分类
重庆工商大学
实时系统分类
重庆工商大学
实时
重庆工商大学
嵌入式系统和实时系统之关系
重庆工商大学
嵌入式系统和实时系统之关系
重庆工商大学
嵌入式系统基本设计要求
重庆工商大学
思考题
重庆工商大学
思考题
CPU
典型嵌入式系统硬件组成
重庆工商大学
硬件三大组成部分
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通 信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和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、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和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、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
第1章 嵌入式系统概述1
1.4.5 ARM10E处理器系列
ARM10E系列处理器采用了新的节能模式， 提供了64位的Load/Store体系，支持包括向量 操作的满足IEEE 754的浮点运算协处理器，系 统集成更加方便，拥有完整的硬件和软件开发 工具。ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E 和ARM1026EJ-S三种类型。
1．嵌入式系统硬件平台
嵌入式系统硬件平台是整个嵌入式操作系 统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通 常有不同的硬件环境。在嵌入式系统中硬件平 台具有多样性的特点。
（1）嵌入式RISC微处理器 （2）嵌入式CISC微处理器
表1-1
RISC和CISC之间主要的区别
RISC 一个周期执行一条指令，通 过简单指令的组合实现复杂 操作；指令长度固定 流水线每周期前进一步 更多通用寄存器 独立的Load和Store指令完成 数据在寄存器和外部存储器 之间的传输 CISC 指令长度不固定，执行需要多 个周期 指令的执行需要调用微代码的 一个微程序 用于特定目的的专用寄存器 处理器能够直接处理存储器中 的数据
Cortex-M3改进了代码密度，减少了中断 延时并有更低的功耗。Cortex-M3中实现了最 新的Thumb-2指令集。MPCore提供了Cache的 一致性，每个支持1～4个ARM11核，这种设计 为现代消费类产品对性能和功耗的需求进行了 很好的平衡。
1.4.10 各种处理器系列之间的比较
表1-3 ARM系列处理器属性比较
ARM9/9E系列
向量浮点运算（Vector Floating Point）系列
ARM系列
ARM10E系列
包含类型
ARM1020E ARM1022E ARM1026EJ-S
ARM11系列
第1章 嵌入式系统概论
嵌入式系统的出现和兴起
出现：20世纪60年代以晶体管、磁芯存储 为基础的计算机开始用于航空等军用领域。
第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公
司为美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制 的多功能数字分析器(Verdan)。
同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。1962
年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个 直接数字控制(DDC)。
关注成本
嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本， 特别是量大的消费类数字化产品，其成本是 产品竞争的关键因素之一。 嵌入式的系统成本包括:
一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本* 产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE 成本/产品总量+每个产品成本
Integrated
WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具 QNX公司:QNX操作系统及工具 商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应
用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化 的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。
嵌入式系统应用走向纵深
第一章 嵌入式系统概论
无处不在的嵌入式系统 嵌入式系统的定义 嵌入式系统的特征 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的基本结构 嵌入式系统的设计要求 嵌入式应用开发
计算机发展的三大阶段
• 第一阶段：始于五十年代的由IBM等公司率 先研制的大型机。
• 第二阶段：始于七十年代的个人计算机。 • 第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇 的阶段—―后PC时代”或“无处不在的计算 机”阶段。
第1章-嵌入式系统概述PPT课件
1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统
2021
1
·概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还 在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己 独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大 的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻 快、更干净、更容易驾驶。
2021
10
·嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中， 将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用 相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然 嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但 为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面一般都做了各种增强。
个入门内核。
2021
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2021
27
嵌入式概论 补充
2021
28
嵌入式系统的定义
嵌入式系统的定义： 以应用为中心，以计算机技术为基础，
且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的 专用计算机系统
2021
29
嵌入式系统的定义
广义的嵌入式系统 凡是带有微处理器的专用系统都可以
2021
16
基本概念—前后台系统
循环中调用相应 的函数完成相应的操 作，这部分可以看成 后台行为，后台也可 以叫做任务级。这种 系统在处理的及时性 上比实际可以做到的 要差
中断服务程序处理异 步事件，这部分可以 看成前台行为，前台 也叫中断级。时间相 关性很强的关键操作 一定是靠中断服务程 序来保证的。
2021
2
·现实中的嵌入式系统
2021
1
·概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还 在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己 独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大 的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻 快、更干净、更容易驾驶。
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·嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中， 将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用 相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然 嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但 为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面一般都做了各种增强。
个入门内核。
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嵌入式概论 补充
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28
嵌入式系统的定义
嵌入式系统的定义： 以应用为中心，以计算机技术为基础，
且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的 专用计算机系统
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嵌入式系统的定义
广义的嵌入式系统 凡是带有微处理器的专用系统都可以
2021
16
基本概念—前后台系统
循环中调用相应 的函数完成相应的操 作，这部分可以看成 后台行为，后台也可 以叫做任务级。这种 系统在处理的及时性 上比实际可以做到的 要差
中断服务程序处理异 步事件，这部分可以 看成前台行为，前台 也叫中断级。时间相 关性很强的关键操作 一定是靠中断服务程 序来保证的。
2021
2
·现实中的嵌入式系统
嵌入式系统概述
通用计算机产业是垄断的。
嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞
争、机遇与创新。
没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断
全部市场即便在体系结构上存在着主流，但各
不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，
少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域
的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个
行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。
12.
一般专用于特定的任务，而PC是一个通用计算机。
使用多种类型的处理器和处理器体系结构。
及其关注成本
有实时约束
使用实时多任务操作系统
软件故障造成的后果比PC系统更严重
大多有功耗约束
经常在极端的环境下运行
系统资源比PC少的多
通常所有的目标代码存放在ROM中
需要专用工具和方法进行开发设计
嵌入式系统的数量远远超过PC
电子产品到大型通信设备，无所不包。
处理器芯片主要型号是PowerPC 750，它于1997年
研制成功，最高的工作频率可以达到500MHz，采
用先进的铜线技术。该处理器有许多品种，以便适
合各种不同的系统。包括IBM小型机、苹果电脑和
其他系统。
嵌入式的PowerPC 405（主频最高为266MHz）和
PowerPC 440（主频最高为550MHz）处理器内核可
1.4嵌入式系统的应用领域
1.4嵌入式系统的应用领域
1.5嵌入式系统的产品
网络设备:交换机、路由器,MODEM
消费电子:手机、MP3、PDA 、可视电话、
电视机顶盒、数字电视、数码照相机、
数码摄像机、信息家电
办公设备:打印机、传真机、扫描仪
1.嵌入式系统概
嵌入式系统概述
信息工程学院
嵌入式系统简介
嵌入式系统组成与特点； 嵌入式系统组成与特点； 嵌入式系统软/硬件组成； 嵌入式系统软/硬件组成； 嵌入式系统开发流程
1 嵌入式系统的定义
IEEE（国际电气和电子工程师协会） IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义△： 用于控制、 用于控制、监视或者辅助操作机器和设备 的装置 一般定义△： 为中心， 计算机技术为基础 为基础， 以应用为中心，以计算机技术为基础，软 应用为中心 硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、 硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积功耗等严格要求的专用 专用计算机系 成本、体积功耗等严格要求的专用计算机系 统。
对系统中运行的程序不作假设 程序升级、 程序升级、更新等方便
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7) 嵌入式系统与桌面通用系统的区别
嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。 嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。 实时性提出较高的要求
实时系统： 实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服 。（POSIX 1003.b ） 务。（ 嵌入式实时系统可分为： 嵌入式实时系统可分为：
开发：交叉编译、交叉链接 开发：交叉编译、 调试：仿真器、 调试：仿真器、虚拟机 更新： 更新：在线升级等
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7) 嵌入式系统与桌面通用系统的区别
嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术 嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术 综合
系统结构：状态控制器、 系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、 汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 操作系统：设置运行任务、通讯、 编译原理：交叉编译、bootloader加载 编译原理：交叉编译、bootloader加载
信息工程学院
嵌入式系统简介
嵌入式系统组成与特点； 嵌入式系统组成与特点； 嵌入式系统软/硬件组成； 嵌入式系统软/硬件组成； 嵌入式系统开发流程
1 嵌入式系统的定义
IEEE（国际电气和电子工程师协会） IEEE（国际电气和电子工程师协会）定义△： 用于控制、 用于控制、监视或者辅助操作机器和设备 的装置 一般定义△： 为中心， 计算机技术为基础 为基础， 以应用为中心，以计算机技术为基础，软 应用为中心 硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、 硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积功耗等严格要求的专用 专用计算机系 成本、体积功耗等严格要求的专用计算机系 统。
对系统中运行的程序不作假设 程序升级、 程序升级、更新等方便
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7) 嵌入式系统与桌面通用系统的区别
嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。 嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。 实时性提出较高的要求
实时系统： 实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服 。（POSIX 1003.b ） 务。（ 嵌入式实时系统可分为： 嵌入式实时系统可分为：
开发：交叉编译、交叉链接 开发：交叉编译、 调试：仿真器、 调试：仿真器、虚拟机 更新： 更新：在线升级等
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7) 嵌入式系统与桌面通用系统的区别
嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术 嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术 综合
系统结构：状态控制器、 系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、 汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 操作系统：设置运行任务、通讯、 编译原理：交叉编译、bootloader加载 编译原理：交叉编译、bootloader加载
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主讲：穆春阳
电气信息工程学院
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1.5 嵌入式系统的分类
嵌入式系统的不同分类标准
按微处理器位数划分
可分为4bit、8bit、16bit、32bit和64bit系统 32bit正逐渐成为各行各业嵌入式应用的主流 ARM占32bit微处理器的75%以上市场份额 64bit微处理器已开始在一些高复杂度、高速的嵌入式系统中应用
主讲：穆春阳
电气信息工程学院
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1.3 嵌入式系统的特征
主要特征总结
技术密集
多门学科技术交叉、融合； 面向特定应用的软硬件综合体，软硬件结合、缺一不可； 嵌入式硬件系统的设计，除了基本的微处理器、存储器以外，越来越 需要FPGA、CPLD技术，以及专用芯片设计技术； 不同对象领域的嵌入式软件难以通用； 嵌入式软硬件资源日益丰富，嵌入式系统的功能日趋复杂。
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1.1 无处不在的嵌入式系统
飞行控制系统
飞控系统——典型的机载嵌入式系统，功能是选择满足约束条件的最佳航道。 约束条件：飞机最大、最小巡航速度、地形地貌、飞行高度、气候条件、燃油 成本等。
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1.1 无处不在的嵌入式系统
信息家电
对“实时”概念的理解
是否满足时间约束：实时不等于快！它是一个相对的概念，确 切定义应该是“及时”
实时系统的定义
POSIX 1003.b定义，“能够在限定的响应时间内提供所需水平 服务的计算机系统”。 Donald Gillies定义，“计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正 确性，也取决于结果产生的时间，如果系统的时间约束条件得不 到满足，将会发生系统出错”。
普适计算
又称普存计算或普及计算，Pervasive Computing或Ubiquitous Computing：强调 和环境融为一体的计算，计算机本身从人们视线里消失 在普适计算的概念下，各种具有计算和连网能力的设备随手可得 计算机的使用者不必一定具有计算机知识的人，可以普及到普通百姓
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成本敏感
产品量大； 成本已成为嵌入式产品竞争的关键因素之.3 嵌入式系统的特征
主要特征总结（续2）
开发困难
交叉开发（见右图）； 芯片厂商的配套工具简陋、效率低下，而专业 工具价格昂贵； 高质量的嵌入式软件开发是相当困难的。
不可垄断
通用计算机行业的“Wintel”垄断局面； 嵌入式应用的行业分散，充满了竞争、机遇与创新； 微处理器、操作系统在体系结构上存在主流，但没有形成垄断； 应用领域不断向前发展，嵌入式系统4个组成部分也在同步发展。
MIT Apollo Guidance Computer
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MIT Apollo User Panel
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1.4 嵌入式系统的发展历程
发展简史（续2）
20世纪70年代初至80年代中期，嵌入式系统进入简单系统阶段
标志：相继出现Intel 4004、4084、8051，Motorola公司68HC05，Zilog公 司的Z80等嵌入式微处理器，系统中无或具有简单操作系统。 典型应用：被广泛应用于家用电器、医疗仪器、仪器仪表、交通运输等领域 ，例如：电算机(日本Busicom 公司基于4004)、微控制器取代旋钮控制的电位 计和可变电容器、1982年出现首枚多媒体应用的DSP芯片等。 特点：微处理器种类繁多、通用性差、价格便宜；系统开销小、效率高等。
iPhone手机
中国版iPad：采用瑞 芯 微 半 导 体 RK2808 芯片，ARM9内核， 优化后主频 600MHz， 支持800X480分辨率。 苹果iPad平板电脑
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1.4 嵌入式系统的发展历程
发展历程总结
微处理器集成度越来越高；RTOS功能越来越强大；嵌入式中间件迅速发展；开发环境 逐渐完善；应用领域覆盖完全。
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1.4 嵌入式系统的发展历程
发展简史（续1）
20世纪60年代初，嵌入式系统开始萌芽
标志：以晶体管、磁芯存储为基础的计算机被 应用于航空、航天、工业控制等领域。 典型应用：美国海军舰载轰炸机用多功能数字 分析仪、导弹发射控制、美国某乙烯厂DDC工业 装置、Apollo Guidance、控制电话的电子式机 械交换机等。 特点：价格昂贵、系统结构简单、功能单一、 处理效率低、存储容量小、用户接口很少。
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1.4 嵌入式系统的发展历程
发展简史（续4）
20世纪90年代末至今，嵌入式系统进入网络化阶段
标志：嵌入式设备的网络化和Internet接入，正在蓬勃发展… … 典型应用：Internet技术与嵌入式应用产品的结合，例如：无线终端、平 板电脑、智能手机、智能家电、智能汽车… … 特点：32bit微处理器占主导地位、嵌入式操作系统从简单走向成熟、与 网络和Internet结合日益紧密等。
主要特征总结（续1）
多样性
应用广泛（无处不在）、品种繁多； 由嵌入式系统4个组成部分的多样性决定。
及时响应
嵌入式系统是某种技术过程的核心处理环节，必须满足该技术过程的约束 ，例如时间、可靠、可用等； 软件代码的长度、执行速度需要满足实时性要求； 嵌入式处理的多任务分布和并发的特点，要求系统软件具有高实时性。
主讲：穆春阳
电气信息工程学院
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1.2 嵌入式系统定义
计算机工业的分类
传统分类方法
按计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域分类: 大型、中型、小型和微型计算机
以应用为中心的分类方法变得更为切合实际
按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用，可以将计算机分为嵌 入式计算机和通用计算机
课程名称：嵌入式系统原理与应用
Agenda: 1.1 无处不在的嵌入式系统 1.2 嵌入式系统定义 1.3 嵌入式系统的特征 1.4 嵌入式系统的发展历程 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统基本结构 1.7 嵌入式系统的设计要求 1.8 嵌入式应用开发
主讲：穆春阳
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1.1 无处不在的嵌入式系统
汽车电子产品
汽车电子产品已成为衡量一个国家汽车工业发展水平的重要标志 占整车成本比重逐渐增大（>20%），是汽车技术创新的主要源泉（创新的80%） 车载系统和车控系统
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1.1 无处不在的嵌入式系统
1.1 无处不在的嵌入式系统
嵌入式系统的应用领域
比尔盖茨的预言成为现实，后PC机时代的今天，嵌入式系统已经成为人们生活 中必不可少的组成部分
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1.1 无处不在的嵌入式系统
采样控制系统
自动控制系统是工业领域中最典型的嵌入式系统 控制系统的典型组成：被控对象、控制器（含软件）、传感器、执行器等 基本原理
公认的信息家电（Information Appliance, IA）：一种价格低廉、操作简便、实 用性强、带有部分PC机功能的家电产品，是电脑、电信和电子技术与传统家电相 结合的创新产品。
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1.1 无处不在的嵌入式系统
实时信号处理系统
该类系统必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性；此外，对系统 的体积、功耗、稳定性等也有严格要求。 例如，语音压缩/解压、雷达信号处理（见下图）等。
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课程名称：嵌入式系统原理与应用
Agenda: 1.1 无处不在的嵌入式系统 1.2 嵌入式系统定义 1.3 嵌入式系统的特征 1.4 嵌入式系统的发展历程 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统基本结构 1.7 嵌入式系统的设计要求 1.8 嵌入式应用开发
专用紧凑
用途固定、软硬件够用即可，需要满足应用约束，如体积、功耗、配 置、处理能力、电磁兼容性等； 设计高效、量体裁衣、去除冗余。
安全可靠
系统不出错地连续运行，或出现系统错误可以自我修复； 网络时代，嵌入式设备连网、接入Internet时的安全问题。
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1.3 嵌入式系统的特征
嵌入式系统概念的发展
嵌埋式系统——嵌入式系统的一种体现形式，工业控制、通信 、医疗等设备中使用的专用的、不可见的微处理系统 “嵌入”到一个技术过程中，成为嵌入式计算机。在一些大型系 统中，如导弹控制系统，嵌入式计算机不一定是不可见的
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1.2 嵌入式系统定义
实时系统
主讲：穆春阳
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1.4 嵌入式系统的发展历程
发展简史
1946年2 月14日，世界第一台计算机诞生，人类信息时代到来
宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，为解决美国军方计算 大量军用数据的难题，历时三年研制； 由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，重达 30吨，占地160平方米，耗电174千 瓦，耗资45万美元； 每秒只能运行5千次加法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机（ ENIAC即"埃尼阿克"）。
确定性
保证系统的实时性和可预测性； 系统静态配置：任务的数目、执行时序、所占资源、阻塞、通信延迟等 都是确定的。
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课程名称：嵌入式系统原理与应用
Agenda: 1.1 无处不在的嵌入式系统 1.2 嵌入式系统定义 1.3 嵌入式系统的特征 1.4 嵌入式系统的发展历程 1.5 嵌入式系统的分类 1.6 嵌入式系统基本结构 1.7 嵌入式系统的设计要求 1.8 嵌入式应用开发
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