嵌入式系统 第一讲
《嵌入式系统》课件_第1章 嵌入式系统概述
应用系统
计算机系统
Copyright 2012 杨词慧. All rights reserved.
1.1 嵌入式系统的基本概念
2) 嵌入式系统的特点
专用、软硬件可剪裁配置。
低功耗、高可靠性、高稳定性。
软件代码矮小精悍。
代码可固化。
实时性。 弱交互性。
有大量的应用程序接口API
1.2 嵌入式系统的发展历史
4) 以Internet为标志的嵌入式系统
嵌入式设备与Internet的结合
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1.3 嵌入式系统的体系结构
1) 体系结构
应用层 操作系统层 中间层
文件系统
应用程序
图形系统 任务管理 网络系统
嵌入式操作系统 硬件抽象层、板级支持包和设备驱动 D/A ROM 嵌入式处理器 人机交互接口 FLASH SDRAM A/D I/O
硬件层
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1.3 嵌入式系统的体系结构
2) 硬件层
嵌入式处理器：ARM、DSP、FPGA 存储器系统：ROM、FLASH、SDRAM 中断控制器、DMAC、定时器/计数器、 UART、USB控制器、LCD控制器等 I/O接口：USB、I2C、SPI、CAN等
1.2 嵌入式系统的发展历史
1) 以单芯片为核心的可编程控制器形成的
系统（续）
将有操作系统的支持 系统结构和功能相对单一，处理效率较低， 存储容量较小
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嵌入式教学PPT-第1 章 嵌入式系统概述PPT文档共45页
微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA、MCS - 251 、MCS – 96/196/296 、C166/167 、 MC68HC05/11/12/16 、68300和数目众多的ARM芯片等。目前MCU约 占嵌入式系统70%的市场份额。
嵌入式系统概述
1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统
1.3 嵌入式操作系统
·概述
计算机系统由硬件和软件组成，在发展初
期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序
来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算
机系统的硬件、软件资源也越来越丰富，监控
嵌入式系统概述
1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统
·嵌入式系统控制示例—— 汽车控制系统
·嵌入式系统控制示例—— 汽车控制系统系统通常是很简单的具有很 长产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经 历了巨大的变革：
1.产品市场窗口现在预计翻番的周期甚至达到6～9个月； 2.全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间； 3.互联网现在是一种需求而不是一种辅助性的手段，包 括采用有线技术和刚刚显露头角的无线技术； 4.基于电子的产品更复杂化； 5.互联嵌入式系统能够产生新的依赖网络基础设施的应 用； 6.微处理器的处理功能按摩尔定律（Moore’s Law）预 计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管个数每 18个月翻一倍。
嵌入式教学PPT-第1 章 嵌入式系统概 述
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
嵌入式课程第1讲嵌入式系统综述ppt课件
课程设置的必要性
▪ 应用需求日益复杂 ▪ 微处理器技术长足发展 ▪ 社会对嵌入式技术人才的需求
据统计2002年16/32位嵌入式处理 器的销售额已接近70亿美元 ▪ 嵌入式软件技术成为核心
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嵌入式处理器快速成长
$70亿
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课程目的
了解嵌入式系统的概念和体系结构
掌握嵌入式系统的软硬件开发方法
代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000
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嵌入式SOC
System On Chip,片上系统/系统芯片 将很多功能模块集成到单个芯片上 ➢ 各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，
用VHDL等语言描述 ➢ 除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一
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课程安排（5）
3. 嵌入式Linux设备驱动实验 － 基本的编程实现 － 数码管驱动与按键驱动的结构分析及使用方法
4. 串口通讯与短信收发系统综合实验 － 基于Qt的嵌入式GUI程序设计 － 串口通讯程序设计 － 短信收发程序设计 － 程序编译下载与运行
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评分标准
课堂表现与出勤率：20％ 实验表现：50％ 实验报告：30％
MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器 内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS
64 5Kc
应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由
器、激光打印机
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典型的嵌入式微处理器－PowerPC
PowerPC架构特点：可伸缩性好，方便灵活
既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核， 应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到 PC，从消费类电子到通信设备
嵌入式系统基础教程第01讲第1章绪论
嵌入式系统是“用于控制、监视或 者辅助设备、机器和车间运行的装 置。”
英文原文为：devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.
顾名思义： 包含（安装）在电子装置（应用对象）内 部的计算机系统称为嵌入式系统。
基本描述： 专门用途的计算机系统 常常用于控制 广泛存在 包含硬件和软件
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嵌入式系统的释义
全称
嵌入式计算机 嵌入式计算机系统
简称
嵌入式系统
相关术语
嵌入式设备 嵌入式技术 有时还进一步简称为嵌入式
构、ARM嵌入式程序设计、uCOS-II操作系统、 设备驱动、 uCLinux操作系统。借用为宜。
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参考资料
Real-time Embedded Software Systems OSEK/VDX Operating System. Version 2.2.2.
July 5th, 2004. Charting Past, Present, Future Research in
嵌入式操作系统
Linux （源代码）
实验项目
8
实验系统的内容
配套8个实验项目，具体是：
开发环境建立实验：1个/平台 实时内核实验：7个
任务的基本管理 优先级反转 优先级继承 信号量：哲学家就餐问题的实现 消息队列 时钟中断 µC/OS-II的内存分配
9
教材及参考资料
嵌入式系统基础教程，俞建新等主编，机械工业出版社. 嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版
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·现实中的嵌入式系统
即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入 式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着 这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。 例如神舟飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹 的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车也有多达几十 个嵌入式系统。
在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必 知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家 电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都有嵌入式系统。 嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工 作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统
嵌入式教学PPT-第1 章 嵌入式系统概 述
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大 减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系 统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 因此称为微控制器。
微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA、MCS - 251 、MCS – 96/196/296 、C166/167 、 MC68HC05/11/12/16 、68300和数目众多的ARM芯片等。目前MCU约 占嵌入式系统70%的市场份额。
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第一讲本次课程重点内容：嵌入式系统综述
第1章嵌入式系统概述
本章回顾了嵌入式系统（Embedded System）发展历史，概述了嵌入式系统的基本概念、应用领域及特点，介绍了嵌入式系统的基本知识。
本章学习以下内容：
－ 嵌入式系统简介
－ 嵌入式系统的构成
－ 嵌入式系统的特点
－ 嵌入式系统的分类
－ 嵌入式系统的应用
－ 嵌入式系统的现状和发展趋势
1.1嵌入式系统简介
1.1.1嵌入式系统的历史
第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、驱动、指示设备相配合的功能。
第二阶段是以嵌入式中央处理器（Embedded Central Processing Unit，ECPU）为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。
第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。
这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务管理、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（Application Programmable Interface，API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。
第四阶段是以基于Internet 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。
进入20世纪90年代后，Internet的应用迅速普及，广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，计算机与通信一体化的趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。
嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。
20世纪70年代单片机的应用使得汽车、家电、工业机器、通信装置等成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更容易使用、更快、更便宜。
嵌入式系统已经成为当今后PC时代的生力军，嵌入式控制系统也将在未来的控制领域扮演重要角色。
1.1.2 嵌入式系统的定义
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、监测仪
器、机器、设备的辅助运行装置”。
这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
国内普遍被认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，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。
1.1.3 嵌入式系统相关概念
1.嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。
2.实时操作系统
实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）是嵌入式系统的核心组成部分。
3.分时系统
所谓分时系统（Time Sharing System）是指多个用户通过终端设备与计算机交互作用来运行自己的作业，并且共享一个计算机系统而互不干扰，就好像每个用户都拥有一台计算机。
4.多任务操作系统
多任务操作系统支持多任务管理和任务间的同步和通信，传统的单片机系统和DOS系统等大都是单任务操作系统，Linux、Windows等操作系统属于多任务操作系统。
1.2 嵌入式系统的构成
嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件包括微处理器、存储器、外部设备和I/O 端口、图形控制器等。
软件部分包括操作系统（一般要求实时多任务操作系统）和应用程序。
有时，设计人员把硬、软件组合在一起，作为一个软件系统来安装。
1.2.1 硬件系统
嵌入式系统的硬件以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器以及输入/输出接口和设备组成。
1. 嵌入式微处理器
每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器体系结构可采用冯·诺依曼结构或哈佛结构；指令系统可采用精简指令集或复杂指令集。
嵌入式微处理器是由通用微处理器发展来的。
与通用微处理器相比，它具有体积小、集成度高、可靠性高等自身特点。
具体包括：
1）实时和多任务处理功能
2）集成度高
3）存储区保护功能
4）低功耗
2. 总线
微处理器需要与一定数量的组件和外围设备连接，为了简化硬件电路和系统结构，常用总线将CPU与各组件和外围设备进行连接。
总线是指一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线，是连接CPU与各组件以及各组件之间的桥梁。
采用总线结构便于组件和设备的扩充，尤其是制定了统一的总线标准后更容易实现不同组件和设备间的互连。
3. 存储器
嵌入式系统的存储器分为三级：高速缓存Cache、主存和外存。
1）高速缓存cache
高速缓冲存储器中存放的是当前使用的最多的程序代码和数据，即主存中部分内容的副
本。
2）主存
主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放运行中的程序及数据。
嵌入式系统的主存可位于处理器内或处理器外。
片内存储器存储容量小、速度快；片外存储器容量大。
3）外存
外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大，可永久保存数据，但存取速度相对主存而言要慢得多。
4. 输入输出接口和设备
嵌入式系统是面向应用的，不同的应用所需的接口和外设不同。
在嵌入式系统中，通常把大多数接口和部分外设集成到嵌入式处理器上，如Timer、RTC、UART、GPIO、USB、A/D、D/A、LCD Controller、DMA控制器和中断控制器等。
1.2.2 软件系统
嵌入式软件包括嵌入式系统软件、支撑软件和应用软件。
嵌入式软件具有以下特点：
1）规模小，开发难度大
2）快速启动，直接运行
3）高实时性和可靠性要求
4）程序一体化
5）嵌入式软件的开发平台和运行平台各不相同
思考题
1 什么是嵌入式系统？
2述嵌入式系统的结构。
3述嵌入式系统的开发流程？。