第一章 嵌入式系统概述1

土星探测
自1997年10月15日发射以来， 经历了7年35亿公里航程的卡西 尼号太空船在2004年7月1日10 时30分进入土星轨道，开始进 行人类有史以来对土星及其31 颗已知卫星最详尽的探测。
嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用。

无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超 过100:1的阶段 无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系 统 在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非 通用计算机
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。
即使远在火星和土星
火星与地球， 这一对在星空 中遥遥相望的 “兄弟”，将 迎来6万年来 “最亲密的接 触”，在2003 年8月27日这 一天，火星距 离地球最近达 到55756622(5 千多万)公里。 勇气号 面对6万年才有一次 的机会，科学家们 积极行动起来—— —从6月开始，先后 有欧洲的“火星快 车”、美国“勇气 号”和“机遇号” 等三颗火星探测器 飞往火星，而日本 一颗本已在太空 “迷失方向”的火 星探测器也在关键 时刻及时“醒”来， 开始了久违的火星 之旅。
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、 芯片的制造已形成巨大的产业。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。
可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软 件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。


其它文献的定义




《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 不严格定义，它是任何一个包含可编程设计计算机的设备，但它本身却 并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。”


开发方式
二次开发性

开发平台和运行平台都是通 用计算机 应用程序可重新编制
采用交叉开发方式，开发 平台一般是通用计算机， 运行 平台是嵌入式系统。 一般不能再编程

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、监视或者辅助操 作 机 器 和 设 备 的 装 置 ” （ 原 文 为 devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
问题：

8位单片机是不是嵌入式系统？
1.1.3嵌入式系统的组成


嵌入式系统一般由嵌 入式硬件和软件组成 硬件以微处理器为核 心集成存储器和系统 专用的输入/输出设 备 软件包括：初始化代 码及驱动、嵌入式操 作系统和应用程序等， 这些软件有机地结合 在一起，形成系统特 定的一体化软件。
嵌入式系统的组成
无处不在的计算机
全世界的计算机科学家正在形成一种共识: 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪 的怪物, 而是将变得小巧玲珑, 无处不在. 他们藏身在任何地方, 又消失在所有地方, 功能强大, 却有无影无踪. 人们将这种思 想命名为: “无所不在的计算机”.
1.1.1嵌入式系统无处不在


各种使用嵌入式技术的电子产品，如： MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、 智能家电、车载电子设备等。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技术 也已经应用于工业控制、数控机床、智 能工具、工业机器人、服务机器人等各 个行业，正在逐渐改变着传统的工业生 产和服务方式。
“小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米， 吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空 人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预 警机和EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。
68000 Z80 8086
1980
1990
1996
1998
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
身边的嵌入式系统
时尚的嵌入式系统
先进的嵌入式系统

嵌入式技术典型应用
可穿可戴的嵌入式系统
Wearable Computing
微若尘粒的嵌入式系统
Smart Dust
彼此互连的嵌入式系统
穿梭太空的嵌入式系统
“哥伦比亚”号，整个系统的起飞 重量达2000吨，高56米。
游弋大海的嵌入式系统
通用计算机与嵌入式系统对比
特征 通用计算机 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。

嵌入式系统 看不见的计算机。 形式多样，应用领域广泛 ，按应用来分。

形式和类型
组成
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。
第1章 嵌入式系统设计基础
第一节 嵌入式系统简介
计算机发展的三大阶段



第一阶段: 始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研 制的大型机. 第二阶段: 始于七十年代的个人计算机. 第三阶段:计算机正迈入下一个充满机 遇的阶段—“后PC时代”或“无处不在 的计算机“阶段。
10 - 200 Mips .2 பைடு நூலகம் .5 100 - 300 mHz 680x0 TriCore CPU32 SI 20 PowerPC C6x 80x86 Lucent 16000 Pentium MIPS 563xx i960 SHARC SPARC MCORE ARM Merced SH 1/2/3 AltiVEC SH-DSP MAP1000 SH 4/5 SA1500
微处理器的演变
1 - 2 Mips 1.0 25 mHz 100 - 500 Kips 2 10 mHz 680x0 CPU32 80x86 SPARC MIPS i960
10 - 25 Mips .5 - .8 50 - 100 mHz 680x0 CPU32 PowerPC 80x86 Pentium MIPS i960 SPARC ARM SH 1/2/3 Alpha ColdFIRE
嵌入式系统设计与开发
理论课时：54小时 实验课时：30小时
需要具备的基础

Linux操作系统 C或C++语言编程 微机原理及数字电路接口技术 其它
参考书目



ARM9嵌入式系统设计与开发教程，于明等，电子工业 出版社，2006.4，第一版。 嵌入式系统原理与接口技术，贾智平等，清华大学出 版社，2005年。 ARM体系结构与编程，杜春蕾，清华大学出版社， 2003年。 Qt及Linux操作系统窗口设计，倪继利，电子工业出版 社，2006年。
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，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统”。
从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：


嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。 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 剪裁，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，嵌入式系统开发难度比较大， 技术门槛比较高。
1.1.3嵌入式系统的几个重要特征：