1嵌入式系统简介
第1章嵌入式系统概述
1.4 STM32系列微控制器简介
STM32F103 “增强型”系列 •在32位的FLASH MCU中性能最强 •整体信号处理方面一定程度上胜过DSP解决方案 •出众的控制和连通性 •非常适合低电压/低功耗的应用场合
STM32F101 “基本型”系列 •16位处理器的价格却拥有32位的性能 •STM32系列中的入门级产品 •非常适合低电压/低功耗的应用场合
用来分。
机。
• 通用处理器、标准总线和外设。 • 软件和硬件相对独立。
• 面向应用的嵌入式微处理器，总 线和外部接口多集成在处理器内 部。
• 软件与硬件是紧密集成在一起的 。
• 开发平台和运行平台都是通用计算 • 采用交叉开发方式，开发平台一
机
般是通用计算机，运行 平台是嵌
入式系统。
二次开发性
• 应用程序可重新编制
*仅限144脚的封装
CORTEXM3 CPU
72 MHz
JTANGes/tSeWd vDecetbug 1IxTSCystrtilc TDiMmeAr 3 to 11* Channels
6x 16-bit PWM
Synchronized UpACtoT1i6mEerxt.
ITs 32/49/80* I/Os
总体来说，M3与M4最显著的差别在于，M4具有可选的单精度（IEEE-754）浮点单元 （FPU）。
嵌入式系统简介
绪论
• 嵌入式系 统已广泛用于 信息家电、移 动通信、手持 信息设备以及 工业控制等领 域。
2020/11/25
绪论
主要难题：
如何针对某个特定的要求， 设计出功耗低、精度高、实时性 好、抗干扰能力强、价格低的实 时嵌入式系统，并使其成功的运 转以满足用户的需求。
2020/11/25
2020/11/25
§1.1.3 嵌入式系统工业的特点和要求
一、嵌入式系统是不可垄断的高度分散的工业
从某种意义上说，通用计算机行业的技术是垄断 的。当代的通用计算机工业被认为是由Wintel（ Microsoft和Intel 90年代初建立的联盟）垄断 的工业。
嵌入式系统则是一个分散的工业，充满了竞争、 机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系 统能够垄断市场。
2020/11/25
3.系统软件（OS）的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不
相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每 个任务及时执行的关键。这种任务调度只能由 优化编写的系统软件来完成。
2020/11/25
4.嵌入式系统软件一般需要RTOS开发平台 虽然嵌入式系统的应用程序可以没有OS,直 接在“裸机”上运行，但是为了合理的调度多 任 务、利用系统资源系统函数以及和专家库函数 接口，用户必须自行选配RTOS开发平台，这样 才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少 开发时间，保障软件质量。
嵌入式系统的原理和应用
嵌入式系统的原理和应用
嵌入式系统是一种计算机系统，它通常是用于控制、监视、数据采集等特定目的的。与个人计算机和服务器等通用计算机系统不同，嵌入式系统的硬件和软件被特别设计和优化，以适应其特定用途的要求。本文将介绍嵌入式系统的工作原理和应用领域。
一、嵌入式系统的工作原理
嵌入式系统通常由处理器、存储器、输入输出接口电路、外设模块等组成。其核心是处理器，嵌入式系统所用的处理器性能越来越强大，从较老的8位、16位微控制器到现在的ARM Cortex-A 系列、RISC-V等高性能嵌入式处理器。
嵌入式系统可分为硬件和软件两个方面。嵌入式硬件和通用计算机硬件类似，都由处理器、存储器、I/O模块等部件组成。相比通用计算机硬件，嵌入式系统硬件的主要特征是小巧、低功耗，通常单板上能整合处理器、存储器、外设模块以及工业标准I/O接口。
嵌入式软件通常是裁剪优化过的，因为嵌入式系统的存储器容量有限，CPU速度也低于PC等通用计算机，所以软件需要更少的计算成本。通常情况下，嵌入式软件是为相应硬件设计的，并通过编程语言(如C/C++)来进行编写。嵌入式系统的软件基本上由一个实时操作系统（RTOS）和应用程序组成，RTOS通常是实时
性高、稳定性好的嵌入式系统操作系统，常见的RTOS产品有
uC/OS、FreeRTOS等。
嵌入式系统使用可升级的固件，这种固件是在嵌入式系统启动时加载到处理器的固定内存区域。由于它是硬件的一部分，因此它对CPU运行的速度、可靠性和稳定性都有重要影响。固件可以像软件一样升级，因此在需要升级时，制造商可以通过远程升级(OTA)来即时更新固件软件。
嵌入式系统简介嵌入式系统的组成嵌入式系统开发流程
• 但是，大多数嵌入式系统不使用虚存技术，对内存 的访问是直接的，使用物理地址；而且，大多数嵌 入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程共享 同一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为 它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储 器。
嵌入式实时操作系统特点
2．任务调度
• 任务的调度有三种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度 和时间片轮转调度。
• 不可抢占式调度：一个任务一旦获得CPU就独占CPU运 行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；
• 可抢占式调度：基于任务优先级，当前正在运行的任务可 以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；
6.嵌入式系统需要开发工具和环境 ：
由于其本身不具备自主开发能力，即使设 计完成以后，用户通常也是不能对其中的 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。
这些工具和环境一般是基于通用计算机上 的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合 信号示波器等。开发时往往有主机和目标 机的概念，主机用于程序的开发，目标机 作为最后的执行机，开发时需要交替结合 进行。
嵌入式实时操作系统特点
1．微内核结构
• 一般来说，操作系统内核只提供基本的功能，如建立和 管理进程、管理设备等。但是，一些桌面操作系统，如 Windows等，将许多功能引入内核，操作系统的内核 变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起 来很麻烦。
嵌入式系统概述
嵌入式系统概述
嵌入式系统是一种专门设计用于控制某个特定任务的计算机系统。它通常以微处理器为核心，集成了软件和硬件组件，用于实时控制、监测和交互。由于嵌入式系统直接嵌入在所控制的设备中，因此它们的体积小、功耗低，并且具有高度的可靠性和实时性。本文将从嵌入式系统的定义、应用领域以及未来发展的趋势等几个方面对嵌入式系统进行概述和介绍。
1. 嵌入式系统的定义
嵌入式系统是一种被嵌入在目标设备中的计算机系统，其目的是实现特定任务或控制设备的功能。与传统计算机系统相比，嵌入式系统往往具有更小的体积、更低的功耗和更高的可靠性。它们用于各种领域，包括消费电子、医疗设备、汽车、航空航天和工业控制等。
2. 嵌入式系统的应用领域
嵌入式系统广泛应用于各个领域，以下是几个典型的应用领域：
2.1 消费电子
嵌入式系统在消费电子产品中发挥着重要作用，如智能手机、平板电脑和智能家居设备等。这些设备需要处理复杂的任务，如多媒体播放、图形处理和无线通信等。
2.2 医疗设备
医疗设备中的嵌入式系统用于监测和控制患者的生命体征，并协助医生进行诊断和治疗。这些设备对实时性和可靠性的要求非常高，如心电图仪、血压仪和呼吸机等。
2.3 汽车
现代汽车中的嵌入式系统功不可没，它们控制着车辆的引擎、安全系统和娱乐系统等。嵌入式系统在实时监测车辆性能、提升安全性能和提供导航服务等方面发挥着重要作用。
2.4 航空航天
航空航天领域依赖于高度可靠的嵌入式系统来驱动和控制飞机、卫星和导弹等。这些系统必须具有高度的安全性和实时性，以确保飞行器的稳定性和准确性。
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；
嵌入式系统的例子(一)
嵌入式系统的例子(一)
嵌入式系统
什么是嵌入式系统
嵌入式系统（Embedded System）是集成了计算机硬件和软件，专门用来控制特定功能的计算机系统。它通常被嵌入到一些特定的物理
设备或系统中，不像常见的通用计算机系统那样具备多样化的功能。
嵌入式系统在现代科技中起着重要的作用，应用广泛，包括但不限于：- 汽车 - 手机 - 家电 - 医疗设备 - 无人机 - 工业控制设备等。
嵌入式系统的重要性
嵌入式系统之所以如此重要，主要有以下几个原因：
1. 特定功能
由于嵌入式系统被设计用来控制特定功能，它们可以通过集成硬
件和软件满足特定需求。例如，汽车中的嵌入式系统可以控制车辆的
引擎、导航系统和娱乐系统等。这种特定功能使得嵌入式系统能够在
各种复杂的设备中发挥作用。
2. 节省成本和空间
相比于传统的计算机系统，嵌入式系统通常更简化、更紧凑。它
们通常集成在设备中的电路板上，不需要额外的外部连接。这样可以
节省空间，并减少设备的成本。此外，嵌入式系统大多数时候不需要
高速处理器和大容量存储器，这也降低了成本。
3. 实时性要求
很多嵌入式系统需要实时响应，以满足特定应用的需求。例如，
在工业自动化中，嵌入式系统需要及时地接收和处理传感器数据，从
而控制设备的运行。这种实时性要求使得嵌入式系统能够在高压力、
高并发的环境下稳定运行。
嵌入式系统的例子
嵌入式系统有非常多的应用场景，下面列举几个常见的例子：
1. 智能手机
智能手机是目前最常见的嵌入式系统之一。它们集成了处理器、
操作系统、存储器、传感器和通信模块等组件，可以实现通话、上网、拍照和娱乐等功能。智能手机的嵌入式系统需要满足性能稳定、省电
嵌入式系统的定义、分类与特点
1.1.1 嵌入式系统的定义、分类与特点
1．嵌入式系统的定义
嵌入式系统的定义1：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。
嵌入式系统的定义2：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。
嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统的应用不同，嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。
在理解嵌入式系统的定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA 等。
2．嵌入式系统的分类
按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SOC）。
有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。
嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。
嵌入式系统
第一部分嵌入式系统简介
1嵌入式系统简介一般定义
以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）
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。（系统角度）
术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。
广义定义：任何一个非计算机的计算系统
嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级
系统级：各种类型的工控机、PC104模块
板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品
片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品
2特点：
功耗限制：嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。
低成本：包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。
多速率：系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。
环境相关性：嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。
系统内核小：由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核与传统的操作系统相比要小得多。比如ENEA公司的OSE实时OS，内核只有5K，而Windows 的内核则要大得多。
一 什么是嵌入式系统
一什么是嵌入式系统
嵌入式系统一般指非PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC 中BIOS 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。
嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。
嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/ 微处理器、存储器及外设器件和I/O 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM 、EEPROM 或闪存(Flash Memory) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
二嵌入式处理器
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备4 个特点：(1) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；(2) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；(3) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；(4) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mW 甚至μ W 级。
简述嵌入式系统常用的定义
嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定功能和任务的计算机系统。它通常被嵌入到其他设备或系统中，以控制、监测或操作设备的各个方面。以下是对嵌入式系统常用定义的简述：
1.硬件定义：嵌入式系统是由硬件组成的计算机系统，包括处理器、存储器、输入/输出
接口和各种传感器等。硬件通常是针对特定应用程序进行优化和定制。
2.实时性要求：嵌入式系统通常需要满足实时性要求，即在特定时间限制内完成任务响应。
它们必须能够及时地获取输入数据、处理并产生相应的输出结果。
3.特定应用领域：嵌入式系统被广泛应用于各个领域，如自动化控制、医疗设备、交通运
输、消费类电子产品等。每个应用领域都有其特定的需求和挑战，因此嵌入式系统需要根据不同的应用场景进行定制。
4.能效和资源受限：嵌入式系统通常具有资源受限的特点，比如较小的存储空间、功耗限
制等。设计和开发嵌入式系统需要在保证功能性的同时，考虑资源利用率和能效优化。
5.通信和互联：嵌入式系统通常需要与其他设备或系统进行通信和互联。例如，它们可以
通过无线通信、以太网、总线协议等与外部设备交换数据。
总而言之，嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定任务的计算机系统，具有实时性要求、应用领域特定、资源受限和通信互联等特点。这些系统广泛应用于各个领域，为许多现代技术和设备的自动化和智能化提供关键支持。
嵌入式系统设计与开发实验
嵌入式系统设计与开发实验
一、嵌入式系统简介
1.嵌入式系统的定义
2.嵌入式系统的特点
3.嵌入式系统的应用领域
4.嵌入式系统的发展趋势
二、嵌入式系统设计与开发流程
1.需求分析
2.硬件选型与设计
3.软件设计与开发
4.系统集成与测试
5.产品发布与维护
三、嵌入式系统硬件基础
1.微控制器（MCU）
2.处理器（CPU）
3.存储器（ROM、RAM、Flash）
4.输入/输出接口（I/O）
5.外围设备（定时器、中断控制器、ADC、DAC等）
四、嵌入式系统软件基础
1.嵌入式操作系统（实时操作系统、非实时操作系统）
2.嵌入式软件开发工具与语言（C/C++、汇编语言）
3.嵌入式软件设计原则与方法
4.嵌入式软件调试与优化
5.实验环境搭建
6.硬件电路设计与搭建
7.软件编程与调试
8.实验项目实施与评价
9.实验报告撰写
六、常见嵌入式系统设计与开发实验项目
1.温度控制器设计
2.智能家居系统设计
3.机器人控制系统设计
4.无线通信系统设计
5.嵌入式Web服务器设计
七、实验技能要求
1.熟练使用嵌入式系统设计工具与软件
2.掌握常用微控制器与处理器编程方法
3.具备一定的电路设计与调试能力
4.具备良好的问题解决与团队协作能力
八、注意事项
1.实验安全操作规程
2.实验设备管理与维护
3.实验报告规范与要求
4.知识产权与道德规范
九、拓展与提高
1.嵌入式系统相关竞赛与活动
2.嵌入式系统技术发展趋势
3.国内外知名嵌入式系统企业与产品
4.继续深造与职业规划
习题及方法：
1.习题：嵌入式系统的定义是什么？
解题方法：回顾课本中关于嵌入式系统的定义，提取关键信息。
嵌入式系统的概念、特点、组成与应用场合
嵌入式系统的概念、特点、组成与应用场合
一、嵌入式系统的概念
嵌入式系统是一种以特定功能为目的，嵌入在具有其他功能的系统中的计算机系统。它是由软件和硬件组成的，并提供特定的功能。嵌入式系统通常具有较小的体积、较低的功耗、高可靠性和实时性。
二、嵌入式系统的特点
1. 实时性：嵌入式系统能够在规定的时间内完成任务，具有高实时性要求。
2. 可靠性：嵌入式系统必须具有高可靠性，以保证系统在各种环境下运行正常。
3. 高效性：嵌入式系统的硬件和软件一般都是专门为实现特定功能而设计的，能够在有限的资源下实现高效率的工作。
4. 稳定性：嵌入式系统要求具有稳定的运行环境，不受外界干扰。
5. 硬件与软件结合：嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，两者相互结合，形成一个整体。
三、嵌入式系统的组成
1. 微处理器/微控制器：是嵌入式系统的核心，负责控制和处理系统的各种任务。
2. 存储器：包括闪存、RAM、ROM等，用于存储程序代码和数据。
3. 输入/输出设备：包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，用于人机交互。
4. 通信接口：通信接口是嵌入式系统与其他设备通信的接口，包括串口、并口、USB、以太网等。
5. 电源系统：提供系统所需的电能，包括直流电源、充电电路、电池等。
四、嵌入式系统的应用场合
1. 工业自动化：用于控制生产线和机器人等自动化设备。
2. 汽车电子：用于汽车电子控制单元（ECU）等系统中，包括发动机管理、车身控制、安全系统等。
3. 医疗设备：用于病人监护、诊断和治疗等方面。
4. 家庭电器：如电视、洗衣机、冰箱、电烤箱、热水器等。
第1章 嵌入式系统概述
1.2 嵌入式系统发展趋势
1.提供强大的网络服务 小型化,低成本, 2.小型化,低成本,低功耗 3.人性化的人机界面 4.完善的开发平台
wk.baidu.com
1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征
图1-1 嵌入式系统组成示意图
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, 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. 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. 台具有多样性的特点.
ARM940T包含一个更小的数据指令Cache ARM940T包含一个更小的数据指令Cache 包含一个更小的数据指令 和一个MPU MPU( Unit, 和一个MPU(Micro Processor Unit,微处理 ).它是针对不要求运行操作系统的应用而 器).它是针对不要求运行操作系统的应用而 设计的.ARM920T,ARM940T都执行v4T架构指 都执行v4T 设计的.ARM920T,ARM940T都执行v4T架构指 令.
ARM系列 ARM10E系列
包含类型 ARM1020E ARM1022E ARM1026EJ-S ARM1136J-S ARM1136JF-S ARM1156T2(F)-S ARM1176JZ(F)-S ARM11 MPCore SC100 SC110 SC200 SC210 StrongARM XScale Cortex-M3 MBX
嵌入式系统论文(1)
嵌入式系统论文(1)
摘要
嵌入式系统是一种以特定功能为目的、在系统内部固化了处理器、存储器和各
种外设等组成的计算机系统。本文主要介绍嵌入式系统的发展历程、应用领域、架构、软硬件设计以及未来发展趋势等内容。
发展历程
嵌入式系统最早源于20世纪70年代的单片机，随着科技的不断进步，嵌入式系统也得到了长足的发展。20世纪80年代，嵌入式系统开始广泛应用于各个行业，如通信、航空、军事、医疗等领域。90年代初期，嵌入式系统逐渐进入家庭
电器、汽车等领域，并随着智能手机、IoT等技术的出现，嵌入式系统已经深入到
了人们的日常生活中。
应用领域
嵌入式系统的应用领域非常广泛，可以应用于各种机器人、智能家居、智能工厂、医疗设备等领域。在智能家居领域中，嵌入式系统可以通过连接各种传感器和设备，实现对家庭环境的自动控制和调节；在智能制造领域中，嵌入式系统可以协同工业机器，实现智能生产线的自动化控制；在医疗设备领域，嵌入式系统可以配合电子设备，实现医疗监测、诊断和治疗等功能。
架构
嵌入式系统的架构可以分为单核架构和多核架构两种形式。单核架构是指系统
中只有一个CPU核心，各个模块和外设共享该CPU核心资源，因此需要对CPU
核心进行优化和资源分配，使得各个功能模块可以充分利用CPU核心的处理能力；多核架构是指系统中有多个CPU核心，每个核心负责处理不同的任务，可以提高
系统的并发处理能力和整体性能，并减少各个模块和外设之间的干扰和耦合。
软硬件设计
嵌入式系统开发需要涉及到软硬件设计两个方面。硬件设计主要包括电路设计、原理图设计、PCB设计等工作，需要考虑系统整体性能，以及各个外设之间的数
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何谓嵌入式系统
MCU
嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种８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ROM/EPROM、RAM、 总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行 口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、 EEPROM等各种必要功能和外设。
何谓嵌入式系统
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。
何谓嵌入式系统
MPU
嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)
MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变而来的，80386－80387
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） ▲模块级嵌入（系统中的某个核心模块） ▲系统级嵌入
按实时性要求分（软件范畴） ：
▲非实时系统（PDA） ▲软实时系统（消费类产品） ▲硬实时系统（工业和军工系统）
何谓嵌入式系统
嵌入式处理器的分类和现状
微控制器（MCU） 数字信号处理器（DSP） 片上系统（SOC）
嵌入式系统简介
严丽军 E-mail： flying@shnu.edu.cn
Agenda
▪ 嵌入式系统概述 ▪ 嵌入式系统硬件基础 ▪ 嵌入式系统软件基础 ▪ 嵌入式系统开发过程
何谓嵌入式系统
什么是嵌入式系统
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
·专用性：软、硬件按对象要求裁减
·计算机：实现对象的智能化功能
何谓嵌入式系统
广义地说
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。
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 。
嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）
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。
何谓嵌入式系统
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。
成本 ▪ 提供精巧的多媒体人机界面
实时系统的体系结构设计
▪ 实时系统的体系结构必须满足
• 1.高运算速度 • 2.高速的中断处理 • 3.高的I/O吞吐率 • 4.合理的处理器和I/O设备的拓扑连接 • 5.高速可靠的和有时间约束的通信 • 6.体系结构支持的出错处理 • 7.体系结构支持的调度 • 8.体系结构支持的操作系统 • 9.体系结构支持的实时语言特性。 • 10.系统的稳定性和容错也非常重要 • 11.还要考虑到实时的分布式应用。
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。
嵌入式系统和实时系统
▪ 嵌入式系统经常被误解为就是实时性系统。 其实，多数嵌入式系统并不需要实时性
▪ Linux是嵌入式操作系统，并非实时操作系统。 ▪ Vxwork、pSOS等是嵌入式实时操作系统
实时多任务操作系统与分时多任 务操作系统
▪ 分时操作系统，软件的执行在时间上的要求， 并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾 难性的后果。
▪ 实时操作系统，虽然事件可能在无法预知的 时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能 够在严格的时限内作出响应（系统响应时 间），即使是在尖峰负荷下，也应如此，系 统时间响应的超时就意味着致命的失败。另 外，实时操作系统的重要特点是具有系统的 可确定性，即系统能对运行情况的最好和最 坏等的情况能做出精确的估计。
实时操作系统中的重要概念
▪ 系统响应时间(System response time ) 系统发出处理要求到系统给出应答信号的时
间。 ▪ 任务切换时间(Context-switching time)
是任务之间切换而使用的时间。 ▪ 中断延迟(Interrupt latency )
是计算机接收到中断信号到操作系统作出响 应，并转入中断服务程序的时间。
嵌入式系统与普通系统
▪ 在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖 于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的 时间
▪ 对于实时系统来说最重要的要求就是实时 操作系统必须有满足在一个事先定义好的 时间限制中对外部或内部的事件进行响应 和处理的能力
▪ 此外作为实时操作系统还需要有效的中断 处理能力来处理异步事件和高效的I/O能力 来处理有严格时间限制的数据收发应用
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，核心代码使用汇编。
何谓嵌入式系统
SOC
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。
to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or
plants）。
何谓嵌入式系统
简单地讲
就是嵌入到对象体中的专用计算机系统
三要素：嵌入、专用、计算机
嵌入式系统的特点:由三要素引出
·嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求
实时操作系统应具有如下的功能
▪ 任务管理（多任务和基于优先级的任务调度） ▪ 任务间同步和通信（信号量和共享内存等） ▪ 存储器优化管理（含ROM的管理） ▪ 实时时钟服务 ▪ 中断管理服务
嵌入式系统发展趋势
▪ 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具 和操作系统的支持。
▪ 联网成为必然趋势 ▪ 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低
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。
何谓嵌入式系统
SPOC
Fra Baidu bibliotek
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；