嵌入式课件

第1章 嵌入式系统设计基础
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嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分： 硬件。图1.1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心； 存储器（ROM、RAM）用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出设备完成 与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来 实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）。该系统用来管理应 用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要 求。
第1章 嵌入式系统设计基础
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可以看出，虽然各种书籍对嵌入式系统的定义稍有差异，但是基本的思想和理解 是相同的。我们可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须与具体应用相结合才会 具有生命力。正因为与具体应用的紧密结合，嵌入式系统才具有很强的专用性。 嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术，以及各个行业的具 体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、学科交叉和不断创新的知识集成系统。 由于嵌入式系统必须根据应用需要对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统对 功能、可靠性、成本、体积和功耗的要求。 因此，嵌入式系统的开发难度比较大，技术门槛较高。比较好的开发模式是：首 先建立相对通用的硬件和软件基础，然后针对具体的应用做最少量的软硬件改动。 由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、 具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
第1章 嵌入式系统设计基础
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嵌入式系统的应用
MIT的David Clark首次提出的“后PC时代”（post-PC era）一词，指出个 人计算机提供的只是在这个过渡时期的解决方案，而非最佳的方式，最终发展的 应用将不会停留在桌面上的个人计算机，而是从桌面上蔓延下来，进入用户的日 常生活中。从技术层面来讲，将来的嵌入式系统应用将向软硬件系统集成、SOC 设计、应用程序，以及内容服务这几个方面发展。 系统：嵌入式操作系统 除了老牌嵌入式操作系统厂商VxWORKs、QNX、Nucleus等之外，新兴的主 要竞争产品有Palm OS、Windows CE、Linux等。其中Embedded Linux操作系 统因为免费授权的特性，已经被很多国际型厂商采用。 集成式芯片：SOC “系统单芯片”（System-On -Chip，SOC）研究的领域包括创新系统设计、 系统平台建立，以及相关硅知识产权（Silicon Intellectual Property，SIP）的设 计、验证与集成等。 应用软件 嵌入式软件一般可以分为客户端的应用软件和服务器端的集成软件。服务器 端的软件较为单一，客户端由于应用领域广泛，开发出的软件也是多种多样的。 服务 由于嵌入式产品的便携性，以及消费类电子产品输入输出的多媒体化，再加 上嵌入式产品与网络的紧密结合，嵌入式产品相关的增值服务变得更加重要。
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嵌入式系统的特点
作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下几个重要 特征： 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设 计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻 要求。 实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直接 运行，但是为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实时 操作系统开发平台。 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中。 专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完成 以后，用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进 行开发。
第1章 嵌入式系统设计基础 10
嵌入式系统起源于微型计算机时代，然而，由于微型计算机的体积、价位、 可靠性都无法满足嵌入式应用的要求。因此，嵌入式系统必须走独立发展道路， 即单芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的 单片机时代。 在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“Σ模式”与“创新模式”。 “Σ模式”本质上是通用计算机直接单芯片化的模式，它将通用计算机系 统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机； “创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的、满足嵌入式应用要求 的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。 Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入 式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在探索MCS-48的基础上，进行全面完善 的嵌入式系统，它定位在具有可伸缩性并且低成本的产品控制单元，至今仍被广 泛地使用。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。
处理器 复 位 及 振 荡 电 路 电 中 制 并 路 用 系 定时器 行 专 统 ROM RAM
输入/输出设备
及
图1.1 嵌入式系统的硬件组成
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嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件，以达到系统运行性 能成本的最高比。系统中硬件的设计包括微处理器及存储器电路的设计、网络功 能设计、无线通信设计及接口电路设计，等等；而嵌入式软件则专门负责硬件电 路的驱动、控制处理，以提升硬件产品的价值，是硬件产品不可或缺的重要部分， 它常以固件（Firmware）的形式出现，如控制或驱动程序等。 由于嵌入式系统领域的硬件、软件种类繁多，产品研发需要适应多种不同硬件 与软件的组合。为了克服多样化，现在的研发方式多以平台化设计（PlatformBased Design，PBD）为主。平台化设计的基本思路是，以某一种基础的硬件与软 件参考设计（reference design）为平台，自行加上额外所需要的硬件与软件，以 适应多样化的产品需求，而不必每款产品都从头设计。这种设计方式可以缩短研 发进程，加速产品的上市时间。这样的参考设计平台大多会由微处理器制造公司 提供，例如，Intel、三星、Motorola等厂商提供微处理器的参考设计电路，以及 建议的外围设备布局，包括内存、基本I/O甚至包括LCD控制接口、IDE设备接口 ，等等，并且配合某一款操作系统，例如，Linux、WinCE，以及相应的软件源代 码。将这样的组合包以授权的方式提供给产品开发厂商来开发产品，一般这样的 组合包称为“板级支持包”（Board Support Package，BSP）。 由于嵌入式系统的硬件强调的不是执行速度而是功能稳定，因此硬件设计方面 的技术瓶颈并不高；反而在软件组件方面，强调系统集成及友善的用户界面。随 着网络与无线通信的发展需要，软件组件的发展更加重要。未来的软件开发将逐 渐由现在的简易窗口与低速通信，向高速通信与多样化的用户界面发展。
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嵌入式系统的发展
嵌入式系统的发展与通用计算机技术的发展密不可分，但是又有着自己独立 发展的道路。由于应用目标的不同，使得这两种体系的发展方向有所不同。 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线 速度的无限提升，存储容量的无限扩大。由于嵌入式计算机系统要嵌入到目标体 系中，实现的是对目标的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同 的技术要求与技术发展方向。嵌入式系统的技术发展方向是与目标系统密切相关 的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。 Intel公司于1971年推出有史以来第一个4位微处理器4004，接着德州仪器与 国家半导体公司也随后推出各自的4位微处理器。1974年Intel公司又推出了8位 微处理器芯片8080，随后Zilog公司的Z-80、国家半导体公司的NSC800及Intel公 司的8085等相继问世。 第一个商品化的16位嵌入式系统微处理器是德州仪器公司所推出的9940，因 为它的功能少，而且指令集贫乏，并未引起很大的注意。大家比较熟悉的16位微 处理器产品是Intel公司所开发源自文库8086微处理器及Motorola公司所开发的68000微 处理器。当时IBM所推出的个人计算机即是采用8086作为数据处理及控制核心。 通用微处理器沿着8086/8088、80286、80386、80486、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4的线路发展，主频从十几MHz到现在的3GHz，字长 也从8086的16位发展到了现在AMD64和Pentium D的64位。整体微型计算机的 运算能力和存储能力都实现了海量的增长。
第1章 嵌入式系统设计基础
§1.1 §1.2 §1.3 嵌入式系统简介 嵌入式处理器 嵌入式操作系统
1.1 嵌入式系统简介
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本 身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人 员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入 式系统的含义、特点等，以使读者加深对嵌入式系统的理解。
§1.1.1 嵌入式系统的定义 §1.1.2 嵌入式系统的组成 §1.1.3 嵌入式系统的特点 §1.1.4 嵌入式系统的应用 §1.1.5 嵌入式系统的发展
第1章 嵌入式系统设计基础
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什么是嵌入式系统（Embedded System）？
广义地讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算 机系统。举例来说，个人计算机（PC）不是一种嵌入式系统，因为它是用于通 用目的的系统。而一些电话系统就是采用个人计算机技术建立的嵌入式计算机系 统，最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等；另外还有一些嵌入式系统采用特 殊的微处理器，如传真机、打印机等。 狭义上而言，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可 裁剪，适于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机 系统。一般嵌入式系统的设计过程是：从产品定义开始，接着进行硬件设计，然 后将软件或操作系统移植到硬件上，并且进行应用程序的开发，最后经过测试与 调试后即开始销售或使用。 根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设 备、机器甚至工厂运行的设备”，嵌入式系统应该具备以下4个特性： 执行特定的功能； 以微处理器与外围设备构成核心； 需要严格的时序与稳定性； 全自动操作。
第1章 嵌入式系统设计基础
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由上述可知，嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，整个综合体的设计目的 在于满足某种特殊功能，并应用于各类具体的应用系统中，例如，实验仪器、办公 设备、医疗设备甚至航天设备，等等。 由于对嵌入式系统含义的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也 不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义： “Computer as Components – Principles of Embedded Computing System Design”一书的作者Wayne Wolf认为：“什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定 义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。” “Embedded Microcontrollers”一书的作者Todd D. Morton认为：“嵌入式系统 是一种电子系统，它包含微处理器或者微控制器，但是我们不认为它是计算机—— 计算机隐藏或者嵌入在系统中。” “Embedded Software Primer”一书的作者Davie E. Simon认为：“人们使用嵌 入式系统这个术语，指的是隐藏在任一产品中的计算机系统。” “An Introduction to the Design of Small Scale Embedded System with example from PIC，80C51 and 68HC05/08 Microcontrollers”一书的作者Tim Wilmshurst认为：“嵌入式系统是这样一个系统，它的首要功能并不是计算，而是 受嵌入其中的计算机控制的一个系统。‘嵌入’暗示了它存在于整个系统中，从外 部观察不到，形成了更大整体的一个完整部分。”