嵌入式系统课件.ppt
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《嵌入式资料》课件
PART 04
嵌入式系统设计
系统需求分析
01
02
03
功能性需求
明确系统需要实现的功能 ，确保系统能够满足用户 的需求。
非功能性需求
如性能、可靠性、安全性 等方面的要求，确保系统 的质量和稳定性。
需求变更管理
对需求变更进行跟踪和管 理，确保项目进度和成果 与需求一致。
系统硬件设计
微控制器选择
根据系统需求和性能要求，选择合适的微控制器型号。
根据系统需求，设计应用程序并实现所需功能。
PART 05
嵌入式系统开发实例
基于ARM的嵌入式系统开发
ARM处理器架构
ARM处理器以其高效能、低功耗和低成本特性广泛应用于嵌入式系 统开发。
ARM开发板
市面上有多种基于ARM架构的开发板，如Raspberry Pi、 BeagleBone等，为开发者提供了丰富的硬件资源。
嵌入式系统的发展前景与挑战
随着技术的不断进步和应用需求的不 断增长，嵌入式系统将迎来更广阔的 发展空间，如智能家居、智能制造等 领域将得到广泛应用。
嵌入式系统的发展也面临诸多挑战， 如技术更新换代快、市场竞争激烈、 安全隐私保护等问题，需要不断加强 技术研发和创新能力，以应对未来的 挑战。
2023 WORK SUMMARY
电源与时钟
电源概述
电源是嵌入式系统中必不可少的组成部分，为各个硬件模块提供稳定的电力供 应。
时钟概述
时钟是嵌入式系统中用于控制各个模块协调工作的计时设备，具有高精度和稳 定性的特点。
PART 03
嵌入式软件基础
嵌入式操作系统
实时操作系统（ RTOS）
嵌入式Linux
RTOS是嵌入式系统中最常用的 操作系统，它能够提供实时任 务调度、任务管理、时间管理 、内存管理和中断服务等功能 。常见的RTOS有VxWorks、 QNX和FreeRTOS等。
嵌入式系统课件
编程语言与工具选择
C/C语言
嵌入式软件开发中常用的编程语言，具有高效、灵活的特点。
集成开发环境（IDE）
选择适合的IDE，如Keil、IAR等，提高开发效率。
版本控制工具
使用Git等版本控制工具进行代码管理，便于团队协作和追踪修改 记录。
调试与测试技术
调试技术
01
掌握常用的调试手段，如断点调试、单步执行、查看
典型应用案例分析
工业控制
嵌入式操作系统在工业控制领域有着广泛的应用，如PLC、DCS等控制系统，实现自动化生产线的监控和管理。
智能家居
嵌入式操作系统可以应用于智能家居系统中，如智能门锁、智能照明等，实现家庭环境的智能化和便捷化。
物联网
嵌入式操作系统作为物联网终端设备的核心软件，可以实现设备的互联互通和智能化管理，如智能电表 、智能物流等。
02
01
X86处理器
丰富的软件资源、强大的性能，常用于工业 控制和嵌入式服务器。
04
03
存储器与外设接口
存储器分类
01
包括RAM、ROM、Flash等，用于存储程序和数据。
存储器层次结构
02
由寄存器、Cache、主存、外存等组成，提高数据访问速度。
外设接口
03
包括GPIO、SPI、I2C、UART等，用于连接外部设备和传感器
。
典型嵌入式硬件平台介绍
Raspberry Pi
基于ARM架构的微型电脑主板，具有丰富的外设接口和扩展能力 ，适用于教育、科研和创客等领域。
STM32系列
基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，具有高性能、低功耗 和丰富的外设接口，适用于各种嵌入式应用。
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统教学：嵌入式系统及应用PPT课件
仿真器
用于模拟嵌入式系统的运行环境，便 于开发者在真实硬件之前进行调试和 测试。
调试器
用于在嵌入式系统运行过程中进行实 时调试，帮助开发者定位和解决问题。
交叉编译器
将应用程序代码编译为目标硬件平台 上的可执行文件，实现跨平台开发。
03 嵌入式系统的应用
智能家居
智能家居是嵌入式系统的重要应用领域之一，通过嵌入式系 统可以实现家庭设备的智能化控制和管理，提高生活便利性 和舒适度。
、医学影像设备等。
汽车电子
嵌入式系统用于汽车电 子控制系统，如发动机
控制、车身控制等。
嵌入式系统的发展历程
01
02
03
起源
嵌入式系统的概念起源于 20世纪70年代，主要用于 工业控制领域。
发展
随着微处理器技术的发展， 嵌入式系统逐渐普及，应 用领域不断扩大。
趋势
未来嵌入式系统将朝着智 能化、网络化、低功耗等 方向发展。
RTOS技术具有可移植性和可裁 剪性，可以根据实际需求进行 定制化开发，提高系统的可靠 性和性能。
06 嵌入式系统发展趋势与挑 战
物联网时代的嵌入式系统
嵌入式系统在物联网中的应用
嵌入式系统作为物联网的重要组成部分，广泛应用于智能家居、智能交通、智能制造等领域，实现设备间的互联 互通和智能化控制。
提高实际操作能力。
项目实践
组织学生进行嵌入式系统的项目 实践，将理论知识应用于实际项 目中，提高学生的综合应用能力。
注重培养学生的实际动手能力
提供实验设备和实验环境
学校应提供先进的实验设备和实验环境，满足学生进行实验和实 践的需求。
加强实验课程建设
增加实验课程的比重，设计更多具有挑战性和实用性的实验项目， 引导学生主动实践。
嵌入式系统原理与设计 教学课件(共82张PPT)
系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平 台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复
杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、 特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软
件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的
设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是 嵌入式计算学科的关键技术。
嵌入式微处理器分类
嵌入式处理器
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上系统 (System On Chip)
1、嵌入式微控制器(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、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 RAM、EEPROM等 各种必要功能和外设。
要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。
以微处理器为核心
• 我们设计一个数字系统可以有很多种方法，如：定制
逻辑、现场可编程门阵列（FPGA）等，那么为什 么在设计嵌入式系统时要以微处理器为核心呢？ 这主要有两种原因：
• （1）用微处理器是实现数字系统一种十分便捷、有 效的方法；
嵌入式系统的特征
• 可接5种GPS接收器； 嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌 入在其他设备中的专用计算机系统。它 5个按键需要和屏幕菜单显示组合起来完成这些功能。
在移动地图这个例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心安排 ，以避免多次读取相同的数据。
杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、 特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软
件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的
设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是 嵌入式计算学科的关键技术。
嵌入式微处理器分类
嵌入式处理器
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上系统 (System On Chip)
1、嵌入式微控制器(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、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 RAM、EEPROM等 各种必要功能和外设。
要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。
以微处理器为核心
• 我们设计一个数字系统可以有很多种方法，如：定制
逻辑、现场可编程门阵列（FPGA）等，那么为什 么在设计嵌入式系统时要以微处理器为核心呢？ 这主要有两种原因：
• （1）用微处理器是实现数字系统一种十分便捷、有 效的方法；
嵌入式系统的特征
• 可接5种GPS接收器； 嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌 入在其他设备中的专用计算机系统。它 5个按键需要和屏幕菜单显示组合起来完成这些功能。
在移动地图这个例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心安排 ，以避免多次读取相同的数据。
嵌入式系统--课件
7
外围设备
第1章 嵌入式系统基础
外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外 的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。
根据外围设备的功能可分为以下3类：
存储器：静态易失型存储器(RAM，SRAM)、动态存储器 (DRAM)和非易失型存储器(Flash)。其中，Flash以可擦写 次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域 得到了广泛的应用。
嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入 式操作系统往往又是“实时操作系统”。
9
应用软件
第1章 嵌入式系统基础
嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相 应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。
嵌入式软件的特点如下： (1)软件要求固态化存储。 (2)软件代码要求高质量、高可靠性。 (3)系统软件的高实时性是基本要求。 (4)多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。
目前主要的嵌入式处理器类型有ARM 、MIPS、 Am186/88、386EX、PowerPC、68000系列等。
18
微控制器
第1章 嵌入式系统基础
又称单片机，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Flash、RAM、总线逻辑、定 时器/计数器、WatchDog、I/O，串行口、脉宽 调制输出、A/D，D/A等各种必要的功能模块和外 围部件。
10
第1章 嵌入式系统基础
1.1.3 嵌入式系统的特点
软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行 业技术为一体； 需要操作系统支持，代码小、执行速度快； 专用紧凑，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多样性，应用广泛、种类繁多。
第1章-嵌入式系统概述PPT课件
1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统
2021
1
·概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还 在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己 独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大 的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻 快、更干净、更容易驾驶。
2021
10
·嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中， 将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用 相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然 嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但 为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面一般都做了各种增强。
个入门内核。
2021
26
2021
27
嵌入式概论 补充
2021
28
嵌入式系统的定义
嵌入式系统的定义： 以应用为中心，以计算机技术为基础，
且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的 专用计算机系统
2021
29
嵌入式系统的定义
广义的嵌入式系统 凡是带有微处理器的专用系统都可以
2021
16
基本概念—前后台系统
循环中调用相应 的函数完成相应的操 作，这部分可以看成 后台行为，后台也可 以叫做任务级。这种 系统在处理的及时性 上比实际可以做到的 要差
中断服务程序处理异 步事件，这部分可以 看成前台行为，前台 也叫中断级。时间相 关性很强的关键操作 一定是靠中断服务程 序来保证的。
2021
2
·现实中的嵌入式系统
2021
1
·概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还 在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己 独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大 的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻 快、更干净、更容易驾驶。
2021
10
·嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中， 将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用 相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然 嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但 为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方面一般都做了各种增强。
个入门内核。
2021
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2021
27
嵌入式概论 补充
2021
28
嵌入式系统的定义
嵌入式系统的定义： 以应用为中心，以计算机技术为基础，
且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的 专用计算机系统
2021
29
嵌入式系统的定义
广义的嵌入式系统 凡是带有微处理器的专用系统都可以
2021
16
基本概念—前后台系统
循环中调用相应 的函数完成相应的操 作，这部分可以看成 后台行为，后台也可 以叫做任务级。这种 系统在处理的及时性 上比实际可以做到的 要差
中断服务程序处理异 步事件，这部分可以 看成前台行为，前台 也叫中断级。时间相 关性很强的关键操作 一定是靠中断服务程 序来保证的。
2021
2
·现实中的嵌入式系统
嵌入式入门(设计与实例开发)PPT课件
分析嵌入式系统的各种故障模式 及其影响，为可靠性设计和改进 提供依据。
可靠性框图
02
03
故障树分析(FTA)
通过可靠性框图分析嵌入式系统 的可靠性结构，确定关键件和冗 余件。
通过故障树分析找出导致系统故 障的原因和最小割集，评估系统 的可靠性和安全性。
06
嵌入式系统应用案例分 析
智能家居系统案例分析
开源硬件与软件
开源硬件和软件的发展 为嵌入式系统的设计和 开发提供了更多选择和
灵活性。
02
嵌入式硬件设计
ARM处理器
ARM处理器是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于各种嵌入式系 统。
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，适用于各种应用场景，如智能 家居、工业控制等。
ARM处理器的选择需要根据具体应用需求来决定，如ARM Cortex-M系 列适用于微控制器应用，ARM Cortex-A系列适用于智能手机、平板电 脑等应用。
工业控制系统发展前景
探讨工业控制系统的发展趋势和未来发展方向。
医疗电子设备案例分析
医疗电子设备概述
医疗电子设备是指用于医疗领域的电子设备， 如监护仪、超声波诊断仪等。
医疗电子设备优势
分析医疗电子设备的优势，如高精度、高可 靠性、实时监测等。
医疗电子设备案例
介绍医疗电子设备的具体应用案例，如远程 医疗监护系统等。
FPGA芯片
FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，可以通过编程 实现各种数字逻辑功能。
FPGA芯片具有高度的灵活性，可以根据实际需求 进行定制，实现各种复杂的数字逻辑功能。
FPGA芯片广泛应用于通信、图像处理、雷达等领 域，可以大大提高系统的性能和可靠性。
嵌入式微控制器
可靠性框图
02
03
故障树分析(FTA)
通过可靠性框图分析嵌入式系统 的可靠性结构，确定关键件和冗 余件。
通过故障树分析找出导致系统故 障的原因和最小割集，评估系统 的可靠性和安全性。
06
嵌入式系统应用案例分 析
智能家居系统案例分析
开源硬件与软件
开源硬件和软件的发展 为嵌入式系统的设计和 开发提供了更多选择和
灵活性。
02
嵌入式硬件设计
ARM处理器
ARM处理器是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于各种嵌入式系 统。
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，适用于各种应用场景，如智能 家居、工业控制等。
ARM处理器的选择需要根据具体应用需求来决定，如ARM Cortex-M系 列适用于微控制器应用，ARM Cortex-A系列适用于智能手机、平板电 脑等应用。
工业控制系统发展前景
探讨工业控制系统的发展趋势和未来发展方向。
医疗电子设备案例分析
医疗电子设备概述
医疗电子设备是指用于医疗领域的电子设备， 如监护仪、超声波诊断仪等。
医疗电子设备优势
分析医疗电子设备的优势，如高精度、高可 靠性、实时监测等。
医疗电子设备案例
介绍医疗电子设备的具体应用案例，如远程 医疗监护系统等。
FPGA芯片
FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，可以通过编程 实现各种数字逻辑功能。
FPGA芯片具有高度的灵活性，可以根据实际需求 进行定制，实现各种复杂的数字逻辑功能。
FPGA芯片广泛应用于通信、图像处理、雷达等领 域，可以大大提高系统的性能和可靠性。
嵌入式微控制器
第1讲嵌入式系统绪论PPT课件
分析、确定和阐明用户的需求 ❖ 能设计高效实用的信息技术解决方案，并善于将
该解决方案和用户环境整合
10
信息技术方向要求的基本素质
❖ 能鉴别和评价当前流行的和新兴的技术，根据用 户需求评估其适用性
❖ 能分析技术对个人，组织，社会带来的影响，包 括伦理，法律和政策等方面问题
❖ 善于总结成功经验与失败教训，并能用于指导后 续实践
5
启示
▪ 计算机教育发展以国家需求为目标和驱 动力
▪ 注重学习国际先进技术 •如：技术、系统、人才、优秀教材…
▪ 充分认识计算机专业的实践性特点 ▪ 师资队伍是保证教育质量的关键 ▪ 计算机教育内容必须及时调整
6
社会需求分析
❖ 基本观点 ▪ 国家和社会对计算机专业本科人才需求与信息化的目标 、进程密切相关 ，计算机市场很大程度上决定着对计 算机人才的层次结构、就业去向、能力与素质等方面的 具体要求
19
❖ 振兴电子制程技术、壮大电子制程企业是突破行 业“短板”、实现电子强国战略的突破口。
❖ 电子制程是指电子产品的生产制造工艺流程。 ❖ 电子制程应用可令电子信息制造业生产效率提高
２０％、生产成本降低１０％、工艺品质引起的 事故减少９５％
20
2010年上半年软件业务收入
精选ppt信息技术方向要求的基本能力信息技术方向要求的基本能力对信息技术领域的核心技术和概念能熟练运用为解决个人和组织机构所面临的问题能系统地分析确定和阐明用户的需求能设计高效实用的信息技术解决方案并善于将该解决方案和用户环境整合精选ppt10信息技术方向要求的基本素质信息技术方向要求的基本素质能鉴别和评价当前流行的和新兴的技术根据用户需求评估其适用性能分析技术对个人组织社会带来的影响包括伦理法律和政策等方面问题善于总结成功经验与失败教训并能用于指导后续实践具有独立思考和解决问题的能力精选ppt11所要求的交流与学习能力所要求的交流与学习能力能将个人行动与团队合作相融合在队伍中相互协作来达到团队的共同目标能通过口头和书面的方式运用恰当的专业词汇和客户用户及同伴进行有效的交流和沟通具有终身学习的意识精选ppt12计算机专业人才培养与就业精选ppt13中国电子信息产业大而不强工业增加值和利润都很低rd投入低自主创新能力不强主要核心技术和关键元器件依赖外国因此现在我们的目标是
该解决方案和用户环境整合
10
信息技术方向要求的基本素质
❖ 能鉴别和评价当前流行的和新兴的技术，根据用 户需求评估其适用性
❖ 能分析技术对个人，组织，社会带来的影响，包 括伦理，法律和政策等方面问题
❖ 善于总结成功经验与失败教训，并能用于指导后 续实践
5
启示
▪ 计算机教育发展以国家需求为目标和驱 动力
▪ 注重学习国际先进技术 •如：技术、系统、人才、优秀教材…
▪ 充分认识计算机专业的实践性特点 ▪ 师资队伍是保证教育质量的关键 ▪ 计算机教育内容必须及时调整
6
社会需求分析
❖ 基本观点 ▪ 国家和社会对计算机专业本科人才需求与信息化的目标 、进程密切相关 ，计算机市场很大程度上决定着对计 算机人才的层次结构、就业去向、能力与素质等方面的 具体要求
19
❖ 振兴电子制程技术、壮大电子制程企业是突破行 业“短板”、实现电子强国战略的突破口。
❖ 电子制程是指电子产品的生产制造工艺流程。 ❖ 电子制程应用可令电子信息制造业生产效率提高
２０％、生产成本降低１０％、工艺品质引起的 事故减少９５％
20
2010年上半年软件业务收入
精选ppt信息技术方向要求的基本能力信息技术方向要求的基本能力对信息技术领域的核心技术和概念能熟练运用为解决个人和组织机构所面临的问题能系统地分析确定和阐明用户的需求能设计高效实用的信息技术解决方案并善于将该解决方案和用户环境整合精选ppt10信息技术方向要求的基本素质信息技术方向要求的基本素质能鉴别和评价当前流行的和新兴的技术根据用户需求评估其适用性能分析技术对个人组织社会带来的影响包括伦理法律和政策等方面问题善于总结成功经验与失败教训并能用于指导后续实践具有独立思考和解决问题的能力精选ppt11所要求的交流与学习能力所要求的交流与学习能力能将个人行动与团队合作相融合在队伍中相互协作来达到团队的共同目标能通过口头和书面的方式运用恰当的专业词汇和客户用户及同伴进行有效的交流和沟通具有终身学习的意识精选ppt12计算机专业人才培养与就业精选ppt13中国电子信息产业大而不强工业增加值和利润都很低rd投入低自主创新能力不强主要核心技术和关键元器件依赖外国因此现在我们的目标是
嵌入式系统 PPT
ARM处理器的寄存器
当前处理器的模式决定着哪组寄存器可操作. 任何模式都可以存取： • 相应的r0-r12子集 • 相应的 r13 (the stack pointer, sp) and r14 (the link register, lr) • 相应的 r15 ( the program counter, pc) • 相应的CPSR(current program status register, cpsr)
嵌入式系统
庄源昌 常州数控技术研究所
主要内容
1. 嵌入式系统的概述
2. 嵌入式系统的硬件架构
3. 嵌入式系统的软件基础
4. 嵌入式系统的软硬件开发流程
1. 嵌入式系统的概述
1.1 嵌入式系统的过去、现在与将来
1.2 嵌入式系统的基本概念
1.1 嵌入式系统的过去、现在和将来
嵌入式系统的发展已经有30年的历史；
r8 r9 r10 r11 r12 r13 (sp) r13 (sp) r13 (sp) r13 (sp) r13 (sp) r14 (lr) r14 (lr) r14 (lr) r14 (lr) r14 (lr)
spsr
spsr
spsr
spsr
ARM处理器的寄存器
ARM 有37个32-Bits长的寄存器. • 1 个用作PC( program counter) • 1个用作CPSR(current program status register) • 5个用作SPSR(saved program status registers) • 30 个通用寄存器
2.2 ARM处理器的内部资源
2.1 ARM处理器的硬件架构
嵌入式系统PPTPPT课件
物联网与5G技术
嵌入式系统将与云计算和边缘计算技术结 合，实现数据处理和分析能力的提升。
物联网和5G通信技术的发展为嵌入式系统 提供了更广阔的应用空间，嵌入式系统将 更加网络化、智能化。
02 嵌入式系统硬件
微控制器
微控制器是嵌入式系统的核心，它是一 种集成电路芯片，包含了计算机的基本 组成要素，如中央处理器、存储器、输
嵌入式系统PPT课件
目录
CONTENTS
• 嵌入式系统概述 • 嵌入式系统硬件 • 嵌入式系统软件 • 嵌入式系统开发流程 • 嵌入式系统应用案例 • 嵌入式系统面临的挑战与解决方案
01 嵌入式系统概述
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
特点
嵌入式系统在智能家居控制系统中发 挥着核心作用，通过嵌入式处理器和 相关硬件设备，实现对家庭设备的控 制和管理。
智能家居控制系统可以实现的功能包 括：远程控制、定时控制、语音控制 等，为家庭生活带来便利和舒适。
工业自动化控制系统
工业自动化控制系统是嵌入式系统的另一个重要应用领域，通过嵌入式系统技术， 可以实现生产过程的自动化和智能化。
调研市场需求
了解行业发展趋势和市场需求，为系统设计提供参考 和依据。
制定开发计划
根据需求分析结果，制定详细的开发计划，包括时间 安排、人员分工、资源需求等。
系统设计
硬件设计
根据系统需求，设计合适的硬件架构，包括 处理器、存储器、接口电路等。
软件设计
设计嵌入式系统的软件架构，包括操作系统、 中间件和应用软件等。
01
02
03
系统集成
将硬件和软件集成在一起， 形成完整的嵌入式系统。
相关主题
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ARM处理器结构和选型
RISC体系结构 ARM微处理器的寄存器结构 ARM微处理器的指令结构 ARM微处理器的选型
RISC体系结构
RISC：Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机的缩写，与CISC对应。占 20%的精简指令在程序中占80%，占80%的复 杂指令在程序中占20%。
uCos-II
uCos-II是一个典型的实时操作系统，目前流 行的是第二个版本，即uCos-II。该操作系统 短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首 选。
特点：结构简单，源代码公开、代码结构清 晰、注释详细、组织有条理、可移植性好、 可裁减和可固化等，非常容易学习，非免费。
嵌入式操作系统的选择
RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令， 避免复杂指令；将指令长度固定，减少指令格 式和寻址方式（2~3种）的种类；使用单周期 指令，便于流水线操作执行；数据处理只对寄 存器操作，只有加载/存储指令可以访问存储 器；采用特别的技术以降低功耗。
ARM微处理器的寄存器结构
共37个寄存RM处理器的处理能力。
芯片内存储器的容量，一般都不大，需外扩存 储器。
片内外围电路的选择和扩展。不同的ARM根 据不同的应用领域，内部集成了部分功能模块， 称之为片内外围电路。可简化系统设计，提高 系统的可靠性。
典型的嵌入式操作系统
Linux、WinCE、VxWorks、 Uclinux-II、Palm OS、 QNX、LynxOS、OS-9、 Windows XP Embedded、eCos、 NucleusPLUS等。
支持两种指令结构：ARM指令集（32位指令） 和Thumb指令集（16位指令）。
Thumb指令集位ARM指令集的功能子集，但 与等价的ARM代码相比较，可节省30%~40% 的空间，同时具备32位代码的优点。
ARM微处理器的选型
ARM微处理器内核是否具有MMU（内存管理 功能），以支持嵌入式操作系统（除 ucLinux）。
VxWorks
WindRiver 公司专门为实时嵌入式系统设计开 发的操作系统软件。主要应用在单板机、数据 网络(以太网交换机、路由器)和通信方面等多 方面。其特点：可靠、实时、可裁减，支持多 种CPU，非免费，价格昂贵。
特点：十分灵活，具有多大1800多个功能强大 的应用程序接口（API）；实时性非常好，可 靠性高，军工、航天等高精尖产品多采用该系 统。
典型的嵌入式操作系统
现代信息社会的高效性、协同性客观上要求软 件的编写便于多人分工合作、编写的软件具有 可重用性，软件日趋复杂等。所有这些迫切需 要有一个屏蔽底层硬件的、功能强大的操作系 统来支持。
而嵌入式系统往往对实时性要求很高。所以嵌 入式软件的核心是嵌入式实时多任务操作系统， 即RTOS(Real Time Operation System)。
嵌入式操作系统分类
从嵌入式系统的商业模式来分类，可以分为 商用型和免费型： ① 商用型：功能稳定、可靠、有完善的技术 支持和售后服务，但价格昂贵。 ② 免费型：价格优势，如Linux和uCos。
嵌入式操作系统分类
从实时性的角度来分类，可以分为强实时、 弱实时和无实时。 ① 强实时：响应时间在毫秒或微秒级数量级 上(如航空/航天控制装配)，如VxWorks。 ② 弱实时：其响应时间在毫秒～几秒的数量 级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些 (如电子菜谱的查询)。 ③ 无实时：没有实时特点的嵌入式操作系统。
Linux
Linux是免费的、开源的操作系统。 在所有操作系统中，Linux是一个发展最快，应
用最为广泛的操作系统，由Linux本身的特性决 定了它成为嵌入式开发中操作系统的首选。
Linux已经成为全球第二大操作系统，预计在服 务器市场上，Linux在未来几年内将以每年25% 的速度增长，中国的Linux市场将保持40%左右 的增长速度。
典型的嵌入式操作系统
图1 基于RTOS的编程
嵌入式操作系统分类
从嵌入式系统的应用来分类，可以分为面向 低端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备的 嵌入式操作系统。
① 低端：各种工业控制系统、计算机外设、 民用消费品的微波炉、洗衣机、冰箱等，如 μcos；
② 高端：信息化家电、掌上电脑、机顶盒、 WAP手机、路由器等，如VxWorks、QNX、 Windows CE和Linux。
31个通用寄存器，包括程序计数器（PC）。 R0~R7：未分组寄存器；R8~R12：有两种物 理寄存器；R13、R14：有六种物理寄存器； R15：一种。
6个状态寄存器，标志CPU的工作状态及程序 的运行状态。
ARM有7种不同的处理器模式，每种模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。
ARM微处理器的指令结构
嵌入式操作系统的选择分类 嵌入式操作系统的选择标准
嵌入式操作系统的选择分类
没有标准的操作系统，都是针对某狭窄领域； 没有优先级别的操作系统，容易执行、调试，
在设计过程中较容易，但应用程序的开发人员 要时刻注意CPU执行任务的时间； 有优先级别的操作系统，解放了应用程序开发 者，但带来了很多外在复杂性； 更改的桌面操作系统，功能完成，但可能出现 资源危机，处理器的性能也要求较高。
Windows CE
Windows CE是微软的产品，C代表Compact 袖珍、Consuimer消费者、Connectivity通信、 Companion伴侣，E代表Electronics电子产品。
特点：模块化、结构化、基于Win32应用程序 接口、与处理器无关，弱实时性，非免费。
可使用Windows上的编程工具、使用同样的函 数和编程风格，只需简单修改和移植就可以在 WinCE上运行。
嵌入式操作系统的选择标准
首先考虑操作系统是否支持选择的硬件系统； 其次要考虑开发工具是否易学易用； 第三要考虑该系统是否能满足系统要求； 还要考虑以下因素：成本，技术支持，可移植
RISC体系结构 ARM微处理器的寄存器结构 ARM微处理器的指令结构 ARM微处理器的选型
RISC体系结构
RISC：Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机的缩写，与CISC对应。占 20%的精简指令在程序中占80%，占80%的复 杂指令在程序中占20%。
uCos-II
uCos-II是一个典型的实时操作系统，目前流 行的是第二个版本，即uCos-II。该操作系统 短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首 选。
特点：结构简单，源代码公开、代码结构清 晰、注释详细、组织有条理、可移植性好、 可裁减和可固化等，非常容易学习，非免费。
嵌入式操作系统的选择
RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令， 避免复杂指令；将指令长度固定，减少指令格 式和寻址方式（2~3种）的种类；使用单周期 指令，便于流水线操作执行；数据处理只对寄 存器操作，只有加载/存储指令可以访问存储 器；采用特别的技术以降低功耗。
ARM微处理器的寄存器结构
共37个寄存RM处理器的处理能力。
芯片内存储器的容量，一般都不大，需外扩存 储器。
片内外围电路的选择和扩展。不同的ARM根 据不同的应用领域，内部集成了部分功能模块， 称之为片内外围电路。可简化系统设计，提高 系统的可靠性。
典型的嵌入式操作系统
Linux、WinCE、VxWorks、 Uclinux-II、Palm OS、 QNX、LynxOS、OS-9、 Windows XP Embedded、eCos、 NucleusPLUS等。
支持两种指令结构：ARM指令集（32位指令） 和Thumb指令集（16位指令）。
Thumb指令集位ARM指令集的功能子集，但 与等价的ARM代码相比较，可节省30%~40% 的空间，同时具备32位代码的优点。
ARM微处理器的选型
ARM微处理器内核是否具有MMU（内存管理 功能），以支持嵌入式操作系统（除 ucLinux）。
VxWorks
WindRiver 公司专门为实时嵌入式系统设计开 发的操作系统软件。主要应用在单板机、数据 网络(以太网交换机、路由器)和通信方面等多 方面。其特点：可靠、实时、可裁减，支持多 种CPU，非免费，价格昂贵。
特点：十分灵活，具有多大1800多个功能强大 的应用程序接口（API）；实时性非常好，可 靠性高，军工、航天等高精尖产品多采用该系 统。
典型的嵌入式操作系统
现代信息社会的高效性、协同性客观上要求软 件的编写便于多人分工合作、编写的软件具有 可重用性，软件日趋复杂等。所有这些迫切需 要有一个屏蔽底层硬件的、功能强大的操作系 统来支持。
而嵌入式系统往往对实时性要求很高。所以嵌 入式软件的核心是嵌入式实时多任务操作系统， 即RTOS(Real Time Operation System)。
嵌入式操作系统分类
从嵌入式系统的商业模式来分类，可以分为 商用型和免费型： ① 商用型：功能稳定、可靠、有完善的技术 支持和售后服务，但价格昂贵。 ② 免费型：价格优势，如Linux和uCos。
嵌入式操作系统分类
从实时性的角度来分类，可以分为强实时、 弱实时和无实时。 ① 强实时：响应时间在毫秒或微秒级数量级 上(如航空/航天控制装配)，如VxWorks。 ② 弱实时：其响应时间在毫秒～几秒的数量 级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些 (如电子菜谱的查询)。 ③ 无实时：没有实时特点的嵌入式操作系统。
Linux
Linux是免费的、开源的操作系统。 在所有操作系统中，Linux是一个发展最快，应
用最为广泛的操作系统，由Linux本身的特性决 定了它成为嵌入式开发中操作系统的首选。
Linux已经成为全球第二大操作系统，预计在服 务器市场上，Linux在未来几年内将以每年25% 的速度增长，中国的Linux市场将保持40%左右 的增长速度。
典型的嵌入式操作系统
图1 基于RTOS的编程
嵌入式操作系统分类
从嵌入式系统的应用来分类，可以分为面向 低端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备的 嵌入式操作系统。
① 低端：各种工业控制系统、计算机外设、 民用消费品的微波炉、洗衣机、冰箱等，如 μcos；
② 高端：信息化家电、掌上电脑、机顶盒、 WAP手机、路由器等，如VxWorks、QNX、 Windows CE和Linux。
31个通用寄存器，包括程序计数器（PC）。 R0~R7：未分组寄存器；R8~R12：有两种物 理寄存器；R13、R14：有六种物理寄存器； R15：一种。
6个状态寄存器，标志CPU的工作状态及程序 的运行状态。
ARM有7种不同的处理器模式，每种模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。
ARM微处理器的指令结构
嵌入式操作系统的选择分类 嵌入式操作系统的选择标准
嵌入式操作系统的选择分类
没有标准的操作系统，都是针对某狭窄领域； 没有优先级别的操作系统，容易执行、调试，
在设计过程中较容易，但应用程序的开发人员 要时刻注意CPU执行任务的时间； 有优先级别的操作系统，解放了应用程序开发 者，但带来了很多外在复杂性； 更改的桌面操作系统，功能完成，但可能出现 资源危机，处理器的性能也要求较高。
Windows CE
Windows CE是微软的产品，C代表Compact 袖珍、Consuimer消费者、Connectivity通信、 Companion伴侣，E代表Electronics电子产品。
特点：模块化、结构化、基于Win32应用程序 接口、与处理器无关，弱实时性，非免费。
可使用Windows上的编程工具、使用同样的函 数和编程风格，只需简单修改和移植就可以在 WinCE上运行。
嵌入式操作系统的选择标准
首先考虑操作系统是否支持选择的硬件系统； 其次要考虑开发工具是否易学易用； 第三要考虑该系统是否能满足系统要求； 还要考虑以下因素：成本，技术支持，可移植