第一章嵌入式硬件系统概述介绍

“看得见”的计算机。 按其体系结构、运算速度和结构规 模等因素分为大、中、小型机 和微机。
通用处理器、标准总线和外设。 软件和硬件相对独立。
组成
开发方式
开发平台和运行平台都是通用计算 机
二次开发性
发展目标
应用程序可重新编制
变为功能电脑，普遍进入社会
一般不能再编程
变为专用电脑，实现“普及计算” （Pervasive Computing）。
处理器和处理器体系结构类型多
– 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构， 而且主要掌握在少数大公司手里。 – 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器 体系结构。 – 在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应 用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造 已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢 模式。 – 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微 处理器体系结构可以选择。
3 嵌入式硬件系统的组成
• 嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为 核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存 储器、输入/输出接口和设备组成。嵌入式 系统的软件是由初始化代码及驱动、嵌入 式操作系统和应用程序等软件有机地结合 在一起形成系统特定的一体化软件。
3 嵌入式硬件系统的组成
• 嵌入式微处理器
– 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，其基础 是通用的微处理器，但是具有体积小、重量轻、 成本低、功耗低、工作温度宽、抗电磁干扰、 可靠性强等特点，在集成度、体系结构、指令 集、性能、功耗管理和成本等方面都有适应嵌 入式系统应用的特性。
1 嵌入式系统的应用领域
• 在消费电子领域：
– 随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化 方向发展； – 高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视； – 数码相机将代替传统的胶片相机； – 固定电话今后会被IP电话所替代； – 各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）将 通过家庭通信、控制中心与Internet连接，实现远程控 制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。 – 转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教 育等。
• 嵌入式系统存储器
– 嵌入式系统的存储器包括主存和外存（又称为辅存）。 – 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直 接访问的存储空间即主存中，系统上电后在主存中的 代码直接运行。主存储器的特点是速度快，一般采用 ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储 器件。 – 目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外存是 处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息， 相对主存而言具有速度慢、价格低、容量大的特点。 在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存， 电子盘的主要种类有DOC（Disk On Chip）、 NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、SD（Secure Digital）卡等。
1 嵌入式系统的应用领域
嵌入式计算机系统的应用示例－汽车电子控制系统
主要内容
• • • • • • 1 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统的特点 3 嵌入式硬件系统的组成 4 嵌入式微处理器概述 5 主流的嵌入式微处理器 6 嵌入式系统的发展趋势
2 嵌入式系统的特点
• 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 • 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系 结构的支持 • 嵌入式系统通常极其关注成本 • 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 • 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理 器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入 式操作系统 • 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法
开发需要专门工具和特殊方法
– 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，
产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改， 必须有一套专门的开发环境。
– 该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、
调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交 叉开发环境如图所示。
主要内容
• • • • • • 1 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统的特点 3 嵌入式硬件系统的组成 4 嵌入式微处理器概述 5 主流的嵌入式微处理器 6 嵌入式系统的发展趋势
1 嵌入式系统的应用领域
• 在通信领域：
– 大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换机、路由器、 IP交换机、传输设备等； – 据预测，由于互联的需要，特别是宽带网络的发展， 将会出现各种网络设备如：ADSL Modem/Router等， 其数将远远高于传统的网络设备； – 它们基于32位的嵌入式系统、价格低廉，将为企业、 家庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。 – 就宽带上网的网络设备ADSL Router而言，国外现在每 月需要600K的数量。
1 嵌入式系统的应用领域
• 在工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等领域：
– 随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求 的不断增长，需要对设备进行智能化、数字化改造， 为嵌入式系统提供了很大的市场； – 就汽车电子系统而言，目前的大多数高档轿车每辆拥 有约50个嵌入式微处理器。如BMW 7系列轿车，则平 均安装有63个嵌入式微处理器； – 据预测，21世纪初美国接入Internet的汽车将有一亿辆。 IC Insights报道2001年车载计算系统的市场规模是30 亿美元，而2004年达到46亿美元，这些系统将成为所 有新型轿车的标准设备。
– 一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于
优先级的可抢占的调度算法。
– 高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离
开发需要专门工具和特殊方法
– 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行
设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段： • 产品定义 • 软件与硬件设计与实现 • 软件与硬件集成 • 产品测试与发布 • 维护与升级
分类 比较项目 CISC 大量的混杂型指令集，有简单 快速的指令，也有复杂的 多周期指令，符合HLL （high level language） RISC
指令集
简单的单周期指令，在汇编指 令方面有相应的CISC微代 码指令
控制单元
微码 复杂的寻址模式，支持内存到 内存寻址
寄存器较少 减少代码尺寸，增加指令的执 行周期数 硬件完成
形式多样、面向特定应用
– 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高 效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计 算机则是一个通用的计算平台。 – 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特 点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的 任务集成在芯片内部。
– 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的 一体化程序。
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
3 嵌入式硬件系统的组成
• 嵌入式系统输入/输出接口及设备
– 嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设备 已经集成在嵌入式微处理器中，输入/输出接口 主要有中断控制器、DMA、串行和并行接口等， 设备主要有定时器（Timers）、计数器 （counters）、看门狗（watchdog timers）、 RTC、UARTs、PWM（Pulse width modulator）、AD/DA、显示器、键盘和网络等。
3 嵌入式硬件系统的组成
• 总线是CPU与存储器和设备通信的机制，是计 算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的 公共通道。
片内总线或内部总线：连接CPU内部各主 要功能部件，以构成SoC
总 线 分 类
片外总线：SoC与存储器（RAM和ROM） 和I/O接口之间进行信息交换的通道
数据总线Dbus
地址总线Abus
实时性和可靠性的要求
– 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统
– 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一 般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速 启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分 为硬实时和软实时。
– 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能， 特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而 言，其可靠性设计尤其重要。 – 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制， 比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启 动机制。
1 嵌入式系统的应用领域
• 嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、 国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化 等领域。据欧盟统计：
– 2003年全球大概有80亿片嵌入式微处理器，到2010年， 预计会达到160亿片，地球上的人平均拥有3个嵌入式 微处理器 – 在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研 制成本的50%；对于汽车工业，汽车电子在整车价值 中的比例逐年提高，将从1997年的20%提升到2010年 的33-40%； – 消费电子数量越来越大，据预测，到2010年，仅数字 家庭在美国的销售额us
3 嵌入式硬件系统的组成
• 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处 理器中，从微处理器的角度来看，总线可 分为片外总线和片内总线
– 片外总线：PCI、ISA、AMBA的APB等 – 片内总线：AMBA的AHB和ASB、 AVALON、 OCP、WISHBONE等
3 嵌入式硬件系统的组成
适应多种处理器、可剪裁、轻量型、 实时可靠、可固化的嵌入式操作系统
– 由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一
样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。
– 大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的
嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配 置。