嵌入式系统导论
嵌入式系统导论
1、CPLD和FPGA的原理，相同点和不同点。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件,是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
FPGA（Field－Programmable Gate Array）现场可编程门阵列。
它采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。
相同点：两者都包括了一些相对大数量的可编程逻辑单元，CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。
不同点：①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。
换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。
②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。
③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。
CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA 主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。
④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。
⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。
CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。
而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。
⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。
这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。
⑦在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。
嵌入式系统导论汇总
第二章1请描述单片机系统和嵌入式处理器系统在开发流程上的异同单片机系统主要用于实现相对简单的控制，系统核心集成在一块芯片—单片机上，再在外围加入接口电路即可。
软件部分不需要嵌入式操作系统的支持，只需采用汇编语言编写针对特定应用的程序即可。
2 请描述传统的嵌入式系统设计方法及其缺点经过需求分析和总体设计，系统划分为硬件子系统和软件子系统两个独立部分，随后硬件工程师和软件工程师分别对两部分进行设计，调试和测试，最后软硬件集成并对集成的系统进行测试。
缺点：1设计方法缺乏统一的软硬件协同表示方法；2设计周期很长；3硬件设计有一定盲目性；4难以充分利用软硬件资源。
3请描述软硬件协同设计的基本过程，他与传统的嵌入式系统设计方法有何不同？系统描述，软硬件划分，协同综合，协同仿真与验证，最后系统集成；与传统嵌入式系统设计方法相比，软硬件协同设计强调软件与硬件设计的并行性与相互反馈，提高了设计抽象的层次，拓展了设计覆盖范围，同时还强调利用现有资源，即重用构件和IP核，缩短系统卡发周期，降低系统成本，提高系统性能，保证系统开发质量。
4请描述嵌入式软件的测试技术嵌入式软件的测试主要分模块测试，集成测试，系统测试，硬件/软件集成测试4个阶段精心。
1白盒测试与黑盒测试白盒测试主要检查程序内部设计，根据源代码组织结构查找软件缺陷。
黑盒测试根据软件用途和外部特征查找缺陷2目标环境产生和宿主环境测试在宿主环境中，可进行逻辑或界面的测试以及与硬件无关的测试。
在目标环境中，进行与定时问题有关的白盒测试，中断测试，硬件接口测试等。
第三章1.什么是嵌入式系统？答：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件，硬件可剪裁，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。
2.简述嵌入式处理器分类。
答：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，数字信号处理器，嵌入式片上系统。
3．简述ARM处理器的工作状态。
答：ARM状态：此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令。
嵌入式系统导论(1、综述)
第一章 嵌入式系统综述
1.2 嵌入式系统发展历史（Cont.） 嵌入式系统发展历史（Cont.） 各行各业 工业控制、化工、航空航天 当前应用
简单应用：微波炉、空调、洗衣机面板 信息产品：PDA,Mobile 信息产品：PDA,Mobile Phone,Printer 照相机：自动聚焦、对比度、白平衡控制 模拟、数字电视机：channel,codec… 模拟、数字电视机：channel,codec… 各种网络产品：MP3,ADSL,Router,Switch… 各种网络产品：MP3,ADSL,Router,Switch…
1.1 嵌入式系统定义（Cont.） 嵌入式系统定义（Cont.）
嵌入式系统与单片机
单片机系统属于嵌入式系统 单板机-〉单片机-〉嵌入式系统-〉SOC/SOPC
第一章 嵌入式系统综述
1.2 嵌入式系统发展历史
1940’s: MIT的 Whirlwind computer was designed for real-time operations.飞行模拟 器实时控制 First microprocessor was Intel 4004 in early 1970’s HP-35 calculator used several chips to implement a microprocessor in 1972.
以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件可裁减 满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗
第一章 嵌入式系统综述
1.1 嵌入式系统定义（Cont.） 嵌入式系统定义（Cont.）
知识集成系统
技术密集 资金密集 高度分散、不可垄断 面向应用不断创新
第一章 嵌入式系统综述
1.1 嵌入式系统定义（Cont.） 嵌入式系统定义（Cont.）
嵌入式系统导论
中国信息家电市场
2001年达到500亿～700亿元，今年有 望达到3500亿～5000亿元。
国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台 彩色电视机和7000多万台VCD／DVD机。
业内分析，未来10年是国内机顶盒生产的黄 金时期，10年总量可望达到1～1.5亿台，总 产值在600～1500亿元人民币之间。
4.低功耗、体积小、集成度高、成本低
嵌入式系统没有充足的电能供应，尤 其是便携式嵌入式设备，即便是有足够 的电源供应，散热设备的增加也往往是 不方便的。
因此嵌入式系统设计有严格的功耗预 算，处理器大部分时间必须工作在降低 功耗的“睡眠模式”下，只有在需要任 务处理时它才会“醒来”。一般的外部 事件通过中断“驱动”、“唤醒”系统 工作。
ARM 53%
* Includes all SoC for 32-bit, 64-bit and greater RISC and CISC architectures
工业控制
过去在工业过程控制、数字机床、 电力系统、电网安全、电网设备监测、 石油化工系统等方面，大部分低端型设 备主要采用是８位单片机。
基于ARM的嵌入式软件开发 基础实验
基础实验(4)
基于S3C44B0X的嵌入式系统 硬件接口实验
基本接口(4)和人机交互接口实验(4)
三、教材
嵌入式系统开发与应用教程 嵌入式系统开发与应用实验教程(第2版) 田泽 北京航天航空大学出版社
四、参考书
1.嵌入式系统原理与接口技术
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效 率地设计，在保证稳定、安全、可靠的 基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较 少的软硬件资源实现较高的性能。
嵌入式系统导论
1.什么是嵌入式系统？嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。
与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务，并且嵌入式系统只针对一项特殊的任务。
国内普遍认同的嵌入式系统定义为：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。
嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。
与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。
2.举例说明嵌入式系统应用情况？嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
嵌入式系统应用情况如下：1）工业制造基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。
就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。
但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。
2）交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。
3）信息家电这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
嵌入式系统导论
嵌入式系统导论一、PPT概要绪论（嵌入式系统特点）1.计算机系统的三大领域：服务器、桌面和嵌入式市场2.计算机分类：嵌入式计算机、通用计算机3.嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中4.！嵌入式系统定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境严格要求的专用计算机系统。
是将应用程序、操作系统和计算机硬件高度集成在一起的系统（技术角度）5.嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物6.通用计算机和嵌入式系统对比：形式和类型、组成（软硬件相对独立；高度集成）、开发方式（开发平台和运行平台都是通用计算机；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）、二次开发性（应用程序可根据需要重新编制；一般不能再编程）7.！嵌入式系统特点：功耗限制、低成本、多速率、环境相关性、系统内核小、专用性强（一般要针对硬件进行系统的移植）、不可垄断性、产品相对稳定性、实时性（实时性的本质是任务处理所花费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。
有些嵌入式系统没有实时性要求）8.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9.嵌入式系统组成的特点：硬件以微处理器为核心（集成存储器和外围I/O设备）；软件包括：初始化代码及驱动(Bootloader)、嵌入式操作系统RTOS(核心)和应用程序等有机地结合在一起。
10.RTOS性能指标：内核大小（几K~几百K）、实时任务相应时间（微秒级<20us）、一般任务响应时间（几十至几百毫秒）11.！嵌入式系统的应用领域：工业控制（汽车电子、智能仪表、工控设备）、军事国防（军事电子）、消费电子（信息家电、智能玩具、通信设备）、网络（网络设备、电子商务）12.！嵌入式系统的发展趋势：硬件方面，面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SoC（System On Chip）将成为应用主流；软件方面，开发平台完备化、UI支持完备化、支持多核处理器、各种无线通信方式嵌入式硬件系统基础1.！嵌入式系统基本组成：嵌入式处理器、存储系统、外围设备与I/O接口2.嵌入式最小系统：以某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设施。
嵌入式系统导论(3、硬件设计-arm)
Samsung S3C4510B简介
Ethernet Controller DMA engine with burst mode DMA Tx/Rx buffers (256 bytes Tx, 256 bytes Rx) MAC Tx/Rx FIFO buffers (80 bytes Tx, 16 bytes Rx) Data alignment logic Endian translation 100/10-Mbit per second operation Full compliance with IEEE standard 802.3 MII and 7-wire 10-Mbps interface Full-duplex mode with PAUSE feature
ARM－Advanced RISC Machines
StrongARM微处理器系列 Intel StrongARM SA-1100处理器是采用ARM 体系结构高度集成的32位RISC微处理器。 融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM 体系结构的电源效率 采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采 用具有Intel技术优点的体系结构。
出售芯片设计技术的授权 (IP) 工业控制、消费类电子产品、通信系统、 网络系统、无线系统等 基于ARM技术的微处理器应用约占据了 32位RISC微处理器75％以上的市场份额
ARM－Advanced RISC Machines
采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特 点： 1、体积小、低功耗、低成本、高性能 2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令 集，能很好的兼容8位/16位器件 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快 4、大多数数据操作都在寄存器中完成 5、寻址方式灵活简单，执行效率高 6、指令长度固定
第1章嵌入式系统导论
第1章嵌入式系统导论近年来，随着计算机技术、微电子技术及通讯技术的飞速发展，基于32位微处理器的嵌入式系统在各个领域的应用不断地得到扩大和深入，嵌入式产品已成为信息产业的主流。
面对IT产业界这一新热点，高校开设嵌入式系统相关课程已是当务之急。
目前国内很多高校都在开设和计划开设嵌入式系统课程。
在嵌入式系统实验教学中，我们选择了当前主流的ARM7微处理器芯片和源码开放的μCLinux操作操作。
ARM系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式教学系统硬件平台的首选，而μCLinux继承了标准Linux的优良特性，它强大的网络功能和出色的文件系统等优势也将在嵌入式领域得到更加广泛的应用。
本章节对嵌入式系统的发展历史与现状、嵌入式Linux操作系统的特点及组成进行简要论述，在第2小节对µClinux系统进行了分析，第3小节论述了嵌入式Linux系统一般开发流程。
1.1 概述1.1.1 嵌入式系统发展历史与现状虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了。
嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路，从70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统有了近30年的历史。
纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：◆无操作系统阶段嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。
20世纪70年代，微处理器的出现，使早期供养在特殊机房中，实现数值计算的大型计算机发生了历史性的变化。
以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等特点，迅速走出机房，进入工业控制领域。
将微型机做在一个芯片上嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。
嵌入式系统导论
（6）、 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
编码长度可变，1-15字节
没有较长执行时间的指令 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑 实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约 了速度提高。
软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长 ，直接访存次数增多，降低了CPU性能。
不利于先进指令级并行技术的采用 流水线技术
…… if(condition_n) acition_n(); }
29
1、无操作系统的情形
（2）事件驱动系统：（前后台系统）
事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统 。它包括前后台、实时多任务、多处理器等， 是嵌入式实时系统的主要形式。
应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的 函数完成相应操作，这部分可以看成后台行为 （background）。中断服务程序处理异步事 件，这部分可看成前台行为（foreground)。
Data
Writeback
Execute Decode Fetch
该例中，用6周期执行了4条指令
指令周期数 (CPI) = 1.5
MOV和LDR的区别，数据从内存到CPU之间的移动只能通过LDR/STR 指令来完成，MOV只能在寄存器之间移动数据，或者把立即数移动到 寄存器中。
20
分支流水线举例
简单寻址
嵌入式导论
• 车载、车控
智能仪器仪表 通讯设备 其他
3
什么是嵌入式系统
嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统
常见的定义
• 以应用为中心、以计算机技术为基础， • 软件硬件可裁剪、以适用于应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格 的专用计算机系统
主要的特点
• 与具体应用系统紧密结合，很强的专用性 • 融合计算机技术、电子技术以及应用领域的技术 • 根据应用需求对软硬件高效设计、量体载衣
• 使用调试仿真器 • 将目标代码下载到闪存（或SRAM）中运行
运行和调试
14
软件开发流程
15
嵌入式系统导论
第1章 嵌入式系统概述
主讲教师：钱晓捷
本章内容提要及教材对应章节
嵌入式系统的概念
嵌入式系统的组成 嵌入式系统的开发
【教材】第1.1、1.5节，p1—10、26 【教材】第4.5节，p100—101
2
嵌入式系统产品
移动终端
• 平板电脑、智能手机
信息家电
• 智能冰箱、洗衣机、智能空调、微波炉 • 数字电视、数码相机与数码摄像机、游戏机
10
宿主机-目标机开发模式
11
嵌入式系统的开发设备
开发工具套件
• Keil微控制器开发工具集（MDK-ARM） • ARM DS-5（Development Studio 5） • IAR系统（ARM Cortex-M的嵌入式工作平台） • GNU编译器集合（GCC）
目标板（开发板、评估板）
工作简单、任务单一的嵌入式系统实时性强、任务多样的嵌入式系统
• 需要实时操作系统（RTOS） • uC/OS-II（现在已发展为uC/OS-III） • VxWorks ……
嵌入式系统高级部分-嵌入式操作系统导论
OS/2层次化结构
DeltaCORE的体系结构：层次＋ 模块结构
应用程序
应用编程接口
任务管理
用户扩展处理
I/O管理
分
模
层
内存管理
中断管理
调度管理
出错处理
块
次
化
同步、通信管理（消息队列，信号量，事件
时钟/定时器管理
，异步信号)）
硬件抽象层
硬件
客户机/服务器操作系统
▪ 客户机/服务器操作系统Client-Server OS
问并支持许多网络硬件
内核模块之间的依赖关系
内存管理
虚拟文件系统 文件系统
进程调度 网络接口
进程间通信
内核模块之间的依赖关系
▪ 所有的模块都与进程调度模块存在依赖关系。 因为它们都需要依靠进程调度程序来挂起（暂 停）或重新运行它们的进程。通常，一个模块 会在等待硬件操作期间被挂起，而在操作完成 后才可继续运行。
▪ THE操作系统首先使用层次化设计。有如下 六层：
layer 5: user programs layer 4: buffering for input and output layer 3: operator-console device driver layer 2: memory management layer 1: CPU scheduling layer 0: hardware
操作系统分类2
▪ 按照操作系统的架构可以分为：
➢ 整体 OS ➢ 分层 OS ➢ 客户机/服务器 OS ➢ 虚拟机OS
整体式操作系统
▪ 整体式/单块式操作系统Monolithic OS
➢ 操作系统是包含了不同模块的一整块代码集
嵌入式系统导论
18
嵌入式系統導論, 探矽工作室
規格
規格比需求更精確許多，這是當作客戶與架構設計團隊 之間的契約，所以在撰寫時需更加小心，才能夠正確的 反應客戶的需求，並且在接下來的設計期間瞭解每一步 設計過程 規格一定要讓人一目了然，符合系統的需求，也能讓客 戶很清楚的瞭解他會得到什麼樣的產品。設計者常常會 因為不清楚規格而產生一些問題，例如誤解規格裡某些 功能，結果做出錯誤的功能，或是規格裡某些地方不完 整，導致最後忽略了許多必要的功能。 透過規格制訂語言使大家清楚規格描述
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嵌入式系統導論, 探矽工作室
OR狀態圖 狀態圖(State-based Diagram) 狀態圖
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嵌入式系統導論, 探矽工作室
AND狀態圖 狀態圖
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嵌入式系統導論, 探矽工作室
AND/OR表 表
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嵌入式系統導論, 探矽工作室
方塊圖（ 方塊圖（block diagram） ）
顯示這個系統有哪些主要元件。這個方塊圖還是非常抽象，沒辦法使用這 些方塊來直接實作，不過這些方塊可以告訴我們接下來的工作方向為何
消耗
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嵌入式系統導論, 探矽工作室
證實需求
確認列出來的需求是真的為客戶所需要 透過模擬系統來證實需求
–
–
這個模擬系統將一些事先準備的資料來模擬一些功能， 當作一個有功能限制的展示系統 說明實際作出來的系統將如何運作，可以增進客戶與 設計者之間的認知
16
JPL用的是牛頓（newton），而另外一家卻是用磅來當作計 算單位，可是雙方卻都以為對方和自己用的是一樣的單位， 導致計算出來的結果與真正的軌道差距4.45倍。 也因為這個原因，使得這艘火星探測船並沒有在正確的時間 點燃引擎而失事。
《嵌入式系统导论》课件
智能家居系统
医疗设备中的嵌入式系统
自动化家庭设备，如智能照明、 智能门锁和智能家电。
Hale Waihona Puke 用于监测和控制医疗设备，如 心脏起搏器和呼吸机。
嵌入式系统的应用领域
1 汽车工业
2 工业自动化
嵌入式系统在汽车的控制、安全和娱乐方 面发挥重要作用。
嵌入式系统用于监控和控制工业生产线、 机器人和物联网设备。
3 消费电子
嵌入式软件和硬件
嵌入式软件
运行在嵌入式系统上的程序
编写、测试和优化嵌入式软件，以实现系统功 能
嵌入式硬件 电路板、处理器、传感器等硬件组件 设计和制造硬件组件，使其与软件紧密配合
嵌入式系统的特点和优势
实时性
能够在确定的时间范围内响应和处理事件。
可靠性
嵌入式系统在长时间运行和恶劣环境下具有 稳定性和可靠性。
4 医疗
嵌入式系统在手机、电视、音频设备等消 费电子产品中广泛应用。
嵌入式系统用于医疗设备、生命支持系统 和医疗信息技术。
嵌入式系统的体系结构
单处理器体系结构
使用单个主处理器来执行任 务。
多处理器体系结构
使用多个处理器并行执行任 务，提高系统性能。
分布式体系结构
多个嵌入式系统相互连接， 并通过网络进行通信与协作。
资源受限
嵌入式系统通常具有有限的处理能力、存储 空间和能源。
低功耗
嵌入式系统需要尽量节省能源，以延长电池 寿命或减少能源消耗。
《嵌入式系统导论》PPT 课件
嵌入式系统是什么？它是应用于各个领域的计算机系统，通常被嵌入到其他 设备中，用于控制和监测操作。本课程将深入探讨嵌入式系统的应用、特点 和优势。
嵌入式系统的构成要素
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周洪钧 zhouhongjun@
考核标准
• 70%期末考试
– 期末大考成绩
• 30%平时成绩
– 出勤率 – 课堂表现 – 实验课的认真程度 – 等等。。。
推荐参考书
第1 章
嵌入式系统导论
主要学习内容
1. 嵌入式系统及其应用领域
1.1 1.2 1.3 1.4 嵌入式系统基本概念 应用领域 嵌入式系统的主要特点 嵌入式系统与单片机
• 目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优 先级的可抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮 转调度法。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 20
内存管理
• 针对有内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）的处理器而设计的一些 桌面操作系统，如Windows、Linux，使用了 虚拟存储器的概念。 • 虚拟内存地址被送到MMU。在这里，虚拟 地址被映射为物理地址，实际存储器被分割 为相同大小的页面，采用分页的方式载入进 程。 • 一个程序在运行之前，没有必要全部装入内 存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装 入内存运行。
嵌入式系统软件体系结构
应用层
应用 任务1 应用 任务2 …… 应用 任务n
嵌入式 CORBA
中间件层 嵌入式 嵌入式 JAVA DCOM 操作系统层
面向应用领域 的中间件
TCP/IP 网络系统
文件 系统
内核
电源 管理
嵌入式 GUI
驱动层 板级 FLASH驱 RTC/定时 器驱动 初始化 动 串口 驱动 以太网 驱动 LCD 驱动 键盘 驱动 其他 驱动
不可抢占式调度是指一个任务一旦获得CPU就独占其运行，除非由于某种 原因使它决定放弃CPU的使用权； 可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给 优先级更高的处于就绪态的其他任务； 当两个或两个以上任务有同样的优先级时，不同任务轮转使用CPU，直到 系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。
嵌入式系统组成
硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。
CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制 整个嵌入式系统的执行； 外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位电路、ADC/DAC （模数转换器/数模转换器）和电源等，与核心处理器一起构成一个 完整的嵌入式目标系统。 SRAM（Static Random Access Memory）为静态随机存储器，DRAM （Dynamic Random Access Memory）为动态随机存储器，Flash为闪 存器 外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串 行总线USB（Universal Serial Bus）、存储设备、鼠标、键盘、液 晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）、红外线数据传输（IrDA， Infrared Data Association）和打印设备等。
– 软硬件可剪裁。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗
余，力争在同样的硅片面积上实现更多的功能和更高的性能。某种意义上，是满足具体 应用需求的一种实现举措（如：减小体积、降低成本、降低功耗、增强实时性等） 。
– 专用计算机控制系统。
不同的嵌入式系统，有不同的应用环境、控制对象，用户需求一般也不相同，软硬 件剪裁的内容不可能一样，Bootloader 等程序一般也不一样； 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成以后，用户通常不能对其中的程序 功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 19
嵌入式操作系统：任务调度
• 在嵌入式系统中，任务即进程或线程。大多数的嵌入式操作系 统支持多任务。多任务运行实际是靠CPU在多个任务之间切换、 调度实现的。每个任务都有其优先级，不同任务的优先级可能 相同也可能不同。 • 任务的调度有三种方式：可抢占式、不可抢占式和时间片轮转。
1.4 嵌入式系统与单片机
• 一个嵌入式系统，通常是一个功能完备、 可独立运行的软、硬件集成（控制）系统。 • 其中，包括微处理器芯片/单片机。 • 从概念上来看，“嵌入式系统”涵盖了系 统“规划、设计、实现”甚至“市场营销” 的整个过程，既包括控制核心部件、又包 括被控对象，它由局部各部件组成，同时 从系统角度，根据需求进行各部件的集成、 优化。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 23
TRON
• The Real-time Operating system Nucleus • 重视实时性 • TRON是一项开放式的实时操作 系统内核设计项目，它是"The Real-time Operating system Nucleus"（实时操作系统内核） 的缩写。该项目由东京大学的坂 村健教授于1984年发起，宗旨是 为全社会的需要开发一套理想的 计算机结构和网络。 • Ubiquitous
软件：嵌入式操作系统、用户的应用程序。
操作系统控制着应用程序与硬件的交互，完成实时和多任务操作； 应用程序控制着系统的运作和行为，完成各种设计功能。 有时，设计人员需要把这两种软件组合在一起
Байду номын сангаас
2.2 嵌入式系统的硬件组成
嵌入式微处理器的特点
微处理器是嵌入式系统硬件的核心，具备以 下4个特点：
3. 计算机的发展
3.1 冯诺依曼架构 3.2 哈佛结构 3.3 流水线技术 3.4 精简指令集 3.5 嵌入式处理器的发展阶段 3.6 计算机发展历史中的若干 重要人物 3.7 嵌入式系统的发展趋势 3.8 嵌入式系统产业发展的动 因 4.1 概述 4.2 Cortex –M3的设计背景 4.3 Cortex-M3体系架构
① 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内 核的执行时间减少到最低限度。 ② 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的 软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错 误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同 时也有利于软件诊断。 ③ 可扩展的结构。 ④ 功耗很低，尤其用于便携式无线及移动设备中靠电池 供电的嵌入式系统更是如此，很多只允许mW量级甚至 W量级。
2. 嵌入式系统的核心技术和外围 技术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 嵌入式系统的组成 嵌入式微处理器的特点 嵌入式系统软件 嵌入式操作系统 硬实时和软实时 内核加载方式
4. Cortex-M3 简介
5. STM32F10x系列微控制器 6. 嵌入式系统工程设计与开发
1. 嵌入式系统及其应用领域
2.3 嵌入式系统软件
嵌入式系统的软件可分成4个层次：
① 设备驱动接口（DDI）负责嵌入式系统与外部设备的信息 交互； ② 实时操作系统（RTOS）分成基本和扩展两部分，前者是 操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、 时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面（GUI） 等基本服务,后者是为用户提供操作系统的扩展功能，包括 网络、数据库等； ③ 可编程应用接口（API）也称为编程中间件、应用中间软 件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库，它针对不 同应用领域、不同的安全要求分别构建，从而减轻应用开 发者的负担； ④ 应用软件是针对不同应用而由开发者自己编写的软件。
硬件
常见的几种嵌入式操作系统：
1. uC/OS II 2. uCLinux 3. Windows CE 4.嵌入式Linux
2.4 嵌入式操作系统
• 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两 个层次。 微内核
• 内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、 管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。 • 一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内 核中，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资 源增多，裁剪起来很麻烦。 • 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的 功能，例如，任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、 时钟管理等。 • 其他的应用组件，例如，网络功能、文件系统、GUI系统等均工 作于用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都 是可裁剪的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
2. 嵌入式系统的核心技术和外围技 术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 嵌入式系统的组成 嵌入式微处理器的特点 嵌入式系统软件 嵌入式操作系统 硬实时和软实时 内核加载方式
2. 嵌入式系统的核心技术和外围技术
2.1 嵌入式系统的组成
嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。前者 是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通 信接口；后者实际控制系统的运行。 硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。 软件：嵌入式操作系统、用户的应用程序。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 22
内存管理
• 由此可见，对于没有MMU的嵌入式系统，开发人员 不得不参与系统的内存管理。 • 从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发 板到底拥有多少内存； • 在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关 注应用程序需要运行空间的大小。 • 另外，由于采用实存储器管理策略，用户程序同内 核以及其他用户程序在一个地址空间中，程序开发 时要保证不侵犯其他程序的地址空间，以使程序不 至于破坏系统的正常工作，或导致其他程序的运行 异常。 • 因此，嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存 操作要格外小心。
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面向应用，系统设计必须综合考虑功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等具体的
应用需求。 嵌入式系统通常含有面向特定应用的嵌入式CPU，具有低功耗、体积小、集成度高 等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于系 统设计的小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用 相结合的产物 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行 的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，将具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或 单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。