第1章 嵌入式系统基础

1、硬件设备
• (2) 通信设备
• 应用于嵌入式系统中的通信设备包括 RS-232接口（串行通信接口）、SPI （串行外围设备接口）、IrDA（红外 线接口）、I2C（现场总线）、USB （通用串行总线接口）、Ethernet （以太网接口）等。
1、硬件设备
• (3) 显示设备
• 应用于嵌入式系统中的外围显示设备 通常是阴极射线管（CRT）、液晶显 示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等。
• 3、硬件/软件协同设计
• 描述系统如何实现所述的功能需求，包括 对硬件、软件和执行装置的功能划分，软 件、硬件的组成及设备选型等。 • 在嵌入式系统的开发过程中，通常很难把 系统的软件和硬件完全分开，因此，在考 虑系统设计时，应先考虑系统软件的结构， 然后再考虑它的硬件实现。
各模块的说明
• 4、系统集成
1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势
• 1、从嵌入式系统的应用来说，其发展 有以下几个方面： （1）家庭信息网络 （2）移动计算设备 （3）网络设备 （4）自动化与测控仪器仪表 （5）交通电子与嵌入式系统
嵌入式技术在电子通讯中的应用
• 手机、小灵通、智能手机、3C合一……
信息家电——数字机顶盒
• 2、Windows CE
• WinCE 是一种针对小容量、移动式、智 能化、32位、小型设备的模块化实时嵌人 式操作系统。为建立针对掌上设备、无线 设备的动态应用程序和服务提供了一种功 能丰富的操作系统平台，它能在多种处理 器体系结构上运行，并且通常适用于那些 对内存占用空间具有一定限制的设备。
水泵/水柜装置
智能机器鱼的嵌入式控制器
模块化机器人的智能控制
机器蛇的智能控制
1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势
• 2、从嵌入式系统自身的发展来说，有着以 下几个方面的趋势： • （1）平台化、集成化趋势：有助于缩短产 品开发周期，提高产品开发效率。 • （2）标准化趋势：行业性开放系统日趋流 行，统一的行业标准是增强行业性产品竞 争力的有效手段。
1.2.1 嵌入式系统的发展历史
• 1、始于微型机时代的嵌入式应用 • 2、现代计算机技术的两大分支 • 3、两大分支发展的里程碑事件
1、始于微型机时代的嵌入式应用
• 1946年诞生了大型昂贵电子数字计算机。 • 20世纪70年代，微处理器的出现，产生了 小型、价廉的微型机。 • 把嵌入到对象体系中，实现智能化控制的 计算机，称作嵌入式计算机系统。
1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统
• 1、VxWorks
• VxWorks操作系统是美国WindRiver公司 于1983年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统（RTOS）。 • VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效 的任务管理；支持多种物理介质及标准的、 完整的TCP/IP网络协议等。
1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统
1.1.3嵌入式系统的特点
• 4、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 中。 • 5、嵌入式系统本身不具备自举开发能力， 即使设计完成以后用户通常也是不能对其 中的程序功能进行修改的，必须有一套开 发工具和环境才能进行开发。
1.2 嵌入式系统的发展 和应用领域
（2）软件设计与实现
视频监控系统软件结构采用的是浏览器／服 务器(B／S)网络模型，即由客户端通过 Web向服务器提出请求，服务器对请求做 出确认响应并执行相应的任务(如向客户端 发送组播地址、图像格式、压缩格式等)， 建立连接后就可以在客户端监控被控点， 从而实现远程网络监控。服务器(Web Server)端即现场监控点的软件结构包括采 集模块、压缩编码模块、网络通信模块、 控制模块等，如图1.7所示。
1、硬件设备
• (1) 存储设备 • 存储设备主要用于各类数据的存储，常用 的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、 动态存储器（DRAM）和非易失型存储器 （ROM、EPROM、EEPROM、FLASH） 三种。 • 其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速 度快、存储容量大、价格便宜等优点，在 嵌入式领域内得到了广泛应用。
教材：嵌入式系统设计与应用
作者：张思民 出版：清华大学出版社
第1章
嵌入式系统基础
第一章 嵌入式系统基础
• • • • • 1.1 嵌入式系统简介 1.2 嵌入式系统的发展和应用领域 1.3 嵌入式操作系统 1.4嵌入式系统的开发过程 1.5嵌入式系统的应用方案
1.1嵌入式系统简介
1.1.1嵌入式系统基本概念 1.1.2 嵌入式系统的体系结构 1.1.3嵌入式系统的特点
1.4
嵌入式系统的开发过程
1.4 嵌入式系统的开发过程
• 嵌入式系统的开发与通用系统的开发 方法是不同的，它涉及软件和硬件两 个部分，其开发流程如图1.5所示。
图l.5 嵌入式系统的开发流程
各模块的说明
• 1、系统需求分析
• 根据项目需求，确定设计任务和设计目标， 对系统的功能、性能、生产成本、功耗、 物理尺寸及重量等内容进行设定，并根据 这些需求分析，制定出设计说明书。
信息家电——消费电子
SAN公司的信息家电产品
嵌入式技术在汽车电子中的应用
—（18个嵌入式控制模块） —CAN总线网络
VOLVO S80汽车的CAN总线网络
嵌入式技术在军事方面的应用
阿富汗参加反恐作战的“赫耳 墨斯”价值4万美元，可携带2 架摄像机，发挥了很好作用。
嵌入式系统——高性能武器平台的基础
1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势
• 2、从嵌入式系统自身的发展来说，有着以 下几个方面的趋势： • （3）构件化、可重用趋势 • （4）设备软件优化
1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势
1.3 嵌入式操作系统
1.3.1 嵌入式操作系统的发展
• 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯 片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监 测、伺服、指示设备相配合的功能。 • 第二阶段：以嵌人式CPU为基础、简单操作系统 为核心的嵌入式系统。 • 第三阶段：通用的嵌人式实时操作系统阶段，以 嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。 • 第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。
• 图1.7 服务器软件结构
1.5.2
基于嵌入式系统的 锅炉控制方案
1、引言
• 锅炉微计算机控制，是近年开发的一 项新技术，它是微型计算机软硬件、 自动控制、锅炉节能等几项技术紧密 结合的产物。
• 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即 由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、 执行机构及阀、滑差电机等部分组成。一次仪表 将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转 换成电压、电流等送入微机;手自动切换操作部分， 手动时由操作人员手动控制，用操作器控制水泵、 吹风机及各种阀门等，自动时对微机发出控制信 号经执行部件进行自动操作。微机对整个锅炉的 运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可 靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在 进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压 力等重要参数设置常规仪表及报警装置，以保证 水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免 锅炉发生重大事故。
2、嵌入式操作系统
• 嵌入式操作系统具有通用操作系统的 一般功能，如向上提供对用户的接口 （如图形界面、库函数API等），向下 提供与硬件设备交互的接口（如硬件 驱动程序等），管理复杂的系统资源， 同时，它还在系统实时性、硬件依赖 性、软件固化性以及应用专用性等方 面，具有更加鲜明的特点。
3、应用软件
1.1.2 嵌入式系统的体系结构
嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统， 一般包括以下3个方面： 硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。
1、硬件设备
• 硬件设备包括嵌入式处理器和外围设 备。 • 嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统 的核心部分。 • 外围设备是嵌入式系统中用于完成存 储、通信、调试、显示等辅助功能的 其他部件。嵌入式外围设备按功能可 以分为存储设备、通信设备和显示设 备三类。
各模块的说明
• 2、体系结构设计
• 描述系统如何实现所述的功能需求，包括 对硬件、软件和执行装置的功能划分，软 件、硬件的组成及设备选型等。 • 在嵌入式系统的开发过程中，通常很难把 系统的软件和硬件完全分开，因此，在考 虑系统设计时，应先考虑系统软件的结构， 然后再考虑它的硬件实现。
各模块的说明
基于VXworks的火星探路者
2004年“勇气号”再次登陆火 星
机器鱼的智能控制
基于ARM的嵌入式控制器方案设计
主控计算 机
无线通信 模块
基于ARM的嵌入式控制器
GPS 导 航 子 系 统
压 力 深 度 传 感 器
罗 盘 定 位 子 系 统
测 距 传 感 器
尾鳍驱动子 系统
上升下潜 子系统
机器鱼关节电 机
• 把系统的硬件、软件和执行装置集成在一 起，以得到一个可以运行的目标系统。在 目标系统调试过程中，通常都会发现以前 设计上的错误或不足，良好的设计可以帮 助我们快速发现系统错误并加以改正。
各模块的说明
• 5、完成测试并形成产品
• 把设计好的系统放到实际运行环境中进行 测试，体验系统是否满足实际需要。经多 种场合测试合格后，就可以形成产品，批 量生产。
• 应用软件是针对特定应用领域，基于 某一固定的硬件平台，用来达到完成 预期目标的计算机软件。 • 由于嵌入式系统自身的特点，决定了 嵌入式系统的应用软件不仅要求达到 准确、安全和稳定的标准，而且还要 进行代码精简，以减少对系统资源的 消耗，降低硬件成本。
1.1.3嵌入式系统的特点
• 1、嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强。 • 2、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 用相结合后的产物。 • 3、由于空间和各种资源相对不足，嵌入式 系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 系统要精简，量体裁衣、去除冗余。
1.5嵌入式系统应用方案
1.5.1 基于嵌入式的 视频网络监控系统
1、系统总体结构
2、 系统实现
• （1） 硬件平台设计 本系统以嵌入式Linux为基础，根据设计 的嵌入式目标板编写相应的BootLoader程 序，然后裁剪出合适的内核和文件系统。 目标板的CPU采用嵌入式处理器S3C2410。 它只需很少的外围芯片就可以实现RS-232 串行口和100/10M的以太网接口。能够与常 用的外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实 现无缝连接，从而简化了外围电路的设计， 降低了产品成本、体积和功耗。
• 将计算机嵌入到一个对象体系中，这是理 解嵌入式系统的基本出发点。
2、现代计算机技术的两大分支
• 通用计算机系统与嵌入式计算机系统 • 通用计算机系统的技术要求是高速、海量 的数值计算；技术发展方向是总线速度的 无限提升，存储容量的无限扩大。 • 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的 智能化控制能力；技术发展方向是与对象 系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控 制的可靠性。
嵌入式系统与机器人技术
图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器 （采用卡西欧PDA和Windows CE）
智能机器人
基于Win CE的移动机器人平台
基于Win CE的机器人装配平台
基于RTLinux的仿人机器人
高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通
1.1.1嵌入式系统基本概念
• 嵌入式系统（Embedded System）是当 今最为热门的领域之一，它迅猛的发展势 头引起了社会各方面人士的关注。
图1.1 Baidu Nhomakorabea入式系统设备
图1.2 嵌入式系统开发板
嵌入式系统定义
• 嵌入式系统是以应用为中心，以计算 机技术为基础，并且软硬件是可裁剪 的，适用于对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等有严格要求的专用计算 机系统。
1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统
• 3、嵌入式Linux
• 嵌入式Linux最大的特点是源代码公开并 且遵循GPL协议。软件的开发和维护成本 很低。
1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统
• 4、μC/OS一Ⅱ • μC/OS一Ⅱ是著名的源代码公开的实时内 核，是专为嵌入式应用设计的 。它是在 原版本μC/OS的基础上做了重大改进与升 级。