ch1 嵌入式系统概述

1.3嵌入式系统的体系结构
板级支持包（Board Support Package， BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系 统实现可移植性所采用的一种方案，是 硬件抽象层的一种实现。 BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底 层硬件平台之间的相关性，使嵌入式操 作系统能够通用于BSP所支持的硬件平台， 从而实现嵌入式操作系统的可移植性和 跨平台性，以及通用性、复用性。
主要内容
• • • • • 1.1 什么是嵌入式系统 1.2 嵌入式系统的特点 1.3 嵌入式系统的体系结构 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用
1.4 嵌入式系统的分类
1.4.1 按嵌入式微处理器的位数分类 嵌入式系统可分为4位、8位、16位、32位 和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入 式系统已经获得了大量应用，32位嵌入 式系统正成为主流发展趋势，而一些高 度复杂和要求高速处理的嵌入式系统已 经开始使用64位嵌入式微处理器。
1.1 什么是嵌入式系统
• 板级：各种类型的带CPU的主板及 OEM产品
1.1 什么是嵌入式系统
• 系统级：各种类型的工控器、PC104模 块
1.1 什么是嵌入式系统
• 嵌入式系统一般定义：
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。
• 一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体， 它包括硬件和软件两部分。
1.1 什么是嵌入式系统
• 从技术角度说，嵌入式系统是将应用程序、操 作系统和计算机硬件集成在一起的系统。
• 从系统角度说，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。 • 从广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件 系统都可称为嵌入式系统。
•C/C++ •Java •其他十几种 编程员可以控制全部编辑行为 集成开发环境控制编译行为 集成开发环境控制链接行为 操作系统控制可执行文件存储 操作系统控制可执行文件下载 用户操纵
•VxWorks •WinCE •Linux •VRTX 其他100多种
•C/C++ •J2ME •汇编语言 编程员可以控制全部编辑行为 编程员可以控制全部编译行为 编程员可以控制全部链接行为 编程员可以控制映像的存储 编程员可以控制映像下载行为 用户操纵、事件驱动
1.2 嵌入式系统的特点
• 5.系统精简和高实时性操作系统 一是许多嵌入式系统应用具有实时性要求， 嵌入式任务往往是时间关键性约束的， 必须在某个时间范围内完成。 二是由于嵌入式系统比通用PC系统资源少 得多，要求嵌入式操作系统核心部分的 体积必须尽可能地小。 三是为了适应各种应用需求的变化，嵌入 式操作系统还应该具有可裁减性、可伸 缩性和易移植性的特点。
• 硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系 统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的 服务。 • 硬件抽象层一般应包含相关硬件的初始化、 数据的输入/输出操作、硬件设备的配置操 作等功能。
1.3嵌入式系统的体系结构
• 硬件抽象层接口的特点： 硬件抽象层具有与硬件的密切相关性； 硬件抽象层具有与操作系统的无关性； 接口定义的功能应包含硬件或系统所需 硬件支持的所有功能； 具有定义简单明了，太多接口函数会增 加软件模拟的复杂性； 具有可测性的接口设计有利于系统的软 硬件测试和集成。
1.3 嵌入式系统的体系结构
嵌入式实时应用 应用程序与 操作系统的接口
嵌入式实时操作系统 操作系统与 HAL的接口 HAL与硬件 的接口
硬件抽象层HAL 硬件平台
嵌入式系统的体系结构
1.3 嵌入式系统的体系结构
1.3.1 硬件平台 嵌入式系统的硬件平台以嵌入式处理器为 核心，由存储器、 I/O单元电路、通信模 块、外部设备等必要的辅助接口组成的。 不同的应用通常有不同的硬件环境，硬件 平台的多样性是嵌入式系统的一个主要 特点。
1.3 嵌入式系统的体系结构
• 早期嵌入式系统包含三个部分：
自底向上为： 硬件平台 嵌入式实时操作系统（RTOS） 嵌入式实时应用程序
1.3 嵌入式系统的体系结构
嵌入式实时应用
应用程序与 操作系统的接口
嵌入式实时操作系统 操作系统与 硬件的接口
硬件平台
早期嵌入式系统的体系结构
1.3 嵌入式系统的体系结构
• 经过不断的发展，原先嵌入式系统的三层 结构逐步演化成为一种四层结构： 新增加的中间层次位于操作系统和硬件之 间，通过特定的上层接口与操作系统进 行交互，向操作系统提供底层的硬件信 息；并根据操作系统的要求完成对硬件 的直接操作。 这个中间层次叫做硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL)
嵌入式系统设计与实例开发
第一讲 引言
嵌入式教学实验系统UP-NETARM2410
参考资料
1. 嵌入式系统设计大学教程.刘艺(著).北京：人民邮电出 版社，2008.11 2. 王田苗 主编. 嵌入式系统设计及实例开发——ARM与 μC/OS-Ⅱ（第二版）. 北京：清华大学出版社，2003.9 3．（美）Jean brosse, 邵贝贝译. μC/OS-Ⅱ——源 码公开的实时嵌入式操作系统. 北京：中国电力出版社， 2001.8
1.1 什么是嵌入式系统
• 电气工程师协会（IEEE）的定义：
嵌入式系统是用来控制、监视或辅助 设备、机器或工厂操作的装置。
• 我国微机学会的定义：
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。
1.1 什么是嵌入式系统
• 片级：各种以单片机、DSP、微处理器为 核心的产品
主要内容
• • • • • 1.1 什么是嵌入式系统 1.2 嵌入式系统的特点 1.3 嵌入式系统的体系结构 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用
1.1 什么是嵌入式系统
• “ 嵌入式系统”全称应为“嵌入式计算 机系统” • “嵌入”是指将一物“置于”另一物中 • “嵌入式系统”可以理解为“一个称为 其他产品构成成分的、为特殊目的的而 个性化的计算机软、硬件的组合”
• 实时频谱图
1.2 嵌入式系统的特点
• 6.具有固化在非易失性存储器中的代码
为了系统的初始化，几乎所有系统都要在 非易失性存储器中存放部分代码（启动 代码）。为了提高执行速度和系统可靠 性，常常把所有代码（或其压缩代码） 固化存放在存储器芯片或处理器的内部 存储器件中。
1.2 嵌入式系统的特点
1.3嵌入式系统的体系结构
• BSP是相对于操作系统而言的，不同的操 作系统对应于不同定义形式的BSP。 • BSP实现的功能主要有两个方面： 系统启动时，完成对硬件的初始化; 为驱动程序提供访问硬件的手段。
1.3嵌入式系统的体系结构
1.3.3 实时操作系统 实时多任务操作系统（Real Time multitasking Operation System，RTOS）简称 实时操作系统，主要用来完成嵌入式实 时应用的任务调度和控制等核心功能。 实时操作系统可根据实际应用环境的要求 对内核进行裁剪和重新配置，根据不同 的应用，其组成有所不同。
编程语言
编辑 编译 链接 存储 下载 运行
嵌入式系统与单片机
比较内容 硬件资源 单片机 结构相对固定 嵌入式系统 结构因需求的不同而有很大的不同
操作系统
早期没有操作系统，后期也只 支持小型简单的。而且单片机 人员很少有“软件”的概念
一定有操作系统，而且操作系统有特殊 性（实时性操作系统）。
编程语言
1.2 嵌入式系统的特点
• 3.运行环境差异大
嵌入式系统使用范围极为广泛，其 运行环境差异很大。
1.2 嵌入式系统的特点
• 4.可靠性要求高
嵌入式系统不能像通用PC机一样， “死机”时通过手动重启计算机予 以容忍。嵌入式系统往往要长期在 无人值守的环境下运行，甚至是常 年运行，因此对可靠性的要求特别 高。
1.4 嵌入式系统的分类
1.4.2 按软件实时性需求分类 嵌入式系统可分为： 非实时系统（如PDA）; 软实时系统（如消费类产品）; 硬实时系统（如工业实时控制系统）。
1.3嵌入式系统的体系结构
电源 模块 外围电路 微处理器 时钟 MPU 复位 RAM ROM Flash
外设 USB LCD 触摸屏 键盘 其他
嵌入式系统硬件基本组成
1.3嵌入式系统的体系结构
1.3.2 硬件抽象层 硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer， HAL）是位于操作系统内核与硬件电路 之间的接口层，其目的是将硬件抽象化， 即可以通过程序来控制所有硬件电路 （如CPU、I/O设备、存储器等）的操作。
嵌入式系统与PC机
比较内容 处理器 PC机 •单一x86架构CPU •处理能力越强越好 •一定有硬盘 •内存种类固定 •内存内存空间越大越好 •标准配置只有键盘 嵌入式系统 •多种架构CPU及个性化处理器 •处理能力够用为度 •一般没有硬盘 •内存种类因需而定 •内存空间量体裁衣 •键盘只是一种可能的输入 •还可因需而设很多其它输入
1.3嵌入式系统的体系结构
应用程序 文件系统/图形用户接口 应用层 基本模块 OS层 内存管理 文件管理 应用程序接口(API) 扩展模块 网络模 图形驱动
OS核 进程调度
数据库 模块 驱动程序、HAL/BSP 硬件平台
驱动层
RTOS的体系结构图
1.3嵌入式系统的体系结构
1.3.4 实时应用程序 实时应用程序运行于操作系统之上，利用 操作系统提供的实时机制完成特定功能 的嵌入式应用。 不同的系统需要设计不同的嵌入式实时应 用程序。 应用程序是面向被控对象和用户的，当需 要用户操作时，往往需要提供一个友好 的人机界面。
1.4 嵌入式系统的分类
硬实时系统是指系统对响应时间有严格要 求，如不能满足响应时限、响应不及时 或反应过早，都会引起系统崩溃或致命 错误，甚至导致灾难性的后果。
软实时系统是指系统对响应的时间有一定 要求，如在系统负荷较重的时候，响应 时间不能满足，会导致系统性能退化， 但不会造成太大的危害。
1.4 嵌入式系统的分类
早期完全用汇编语言，后期开 始采用C语言
可以采用C/C++、J2ME、Ada以及汇编
开发过程
开发效率不高，特别是下载
采用真正的交叉开发环境，开发效率高
主要内容
• • • • • 1.1什么是嵌入式系统 1.2嵌入式系统的特点 1.3嵌入式系统的体系结构 1.4嵌入式系统的分类 1.5嵌入式系统的应用
存储器
输入设备
输出设备
•标准配置只有显示器
•显示器只是一种可能的输出 •还可因需而设很多其它输出
•一般配有串口 •还可设有很多其它网络接口
网络接口
•一定配有串口 •一般配有以太网口
嵌入式系统与PC机
比较内容 PC机 嵌入式系统
操作系统
•DOS •Windows系列 •UNIX系列 •Linux系列
1.2 嵌入式系统的特点
• 实时系统
实时系统的正确性依赖于运 行结果的逻辑正确性和运行 结果产生的时间正确性，即 实时系统必须在规定的时间 范围内正确地响应外部物理 过程的变化。
1.2 嵌入式系统的特点
实时定义 • 一个实时操作系统可以在不破坏规定的时 间限制的情况下完成所有任务的执行。 • 任务执行的时间可以根据系统的软硬件的 信息而进行确定性的预测。也就是说，如 果硬件可以做这件工作，那么实时操作系 统的软件将可以确定性的做这件工作。
1.2 嵌入式系统的特点
• 1.系统内核小
由于嵌入式系统一般是应用于小型电 子装置，系统资源相对有限，所以 内核较传统的操作系统要小得多。
1.2 嵌入式系统的特点
• 2.专用性强
嵌入式系统通常是面向特定任务的， 相对于一般通用PC计算平台，嵌入 式系统的个性化很强，其中软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般要 针对硬件进行软件系统的移植。
• 7.嵌入式系统开发工作和环境
由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力， 即使设计完成以后，用户通常也不能对 其中的程序功能进行修改，因此必须有 一套开发工具和环境才能进行开发。
主要内容
• • • • • 1.1 什么是嵌入式系统 1.2 嵌入式系统的特点 1.3 嵌入式系统的体系结构 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用