第1章--嵌入式系统基础知识概要
第1章 嵌入式系统基础知识概要
地址
数据（十六进制） 数据（二进制）
01100111 01000101 （a）小端存储法 0x6000 0x6001 0x23 01100111 0x45 01000101
0x6002
0x67 00100011
0x6003
0x89 00000001
（b）大端存储法 图1.2.2 大端和小端存储法示例
1.2 嵌入式微处理器体系结构
1.2.1 冯· 诺依曼结构与哈佛结构 1．冯· 诺依曼（Von Neumann）结构 目前使用冯．诺依曼结构的CPU和微控制器品种有很 多，例如Intel公司的8086系列及其他CPU，ARM公司 的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等。 2．哈佛（Harvard）结构 目前使用哈佛结构的CPU和微控制器品种有很多，除 DSP处理器外，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog 公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的 ARM9、ARM10和ARM11等。 1.2.2 精简指令集计算机
3．RTOS调度 RTOS中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足 它们的时间约束，及时对外部请求做出响应。实时调 度技术常用的有以下两种。 （1）抢占式调度和非抢占式调度 抢占式调度通常是优先级驱动的调度。 （2）静态表驱动策略和优先级驱动策略 静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行 前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索 策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只 需根据这张时刻表启动相应的任务即可。
4．RTOS分类 RTOS主要分为强实时（Hard Real-Time）系统和弱实时（Soft Real-Time）系统两类。强实时系统应用在航空航天、军事、核工 业等领域中，弱实时系统如视频点播系统、信息采集与检索系统 等。 5．实时任务分类 实时任务的分类方法有多种，根据任务的周期划分，可以分为周 期任务、偶发任务和非周期任务3类。根据是否允许任务超时， 以及超时后对系统造成的影响，任务又分为强实时任务、准实时 任务、弱实时任务和弱一强实时任务4类。 6．RTOS操作系统和内核 RTOS从单用途专用系统向多用途通用操作系统（如实时Linux等） 发展。RTOS从只支持强实时及其应用发展到既支持强实时也支持 弱实时及其应用方面，如开放实时系统的服务质量（QoS）多媒 体应用、复杂分布式实时系统等。
第1章嵌入式系统概述
2、SiM3U1xx（80MHZ USB）系列（M3）
1.4 STM32系列微控制器简介 STM32为意法半导体(ST)公司生产的ARM处理器。
Flash Size (bytes)
512K
256 K
STM32 prod Q2/08 Samples Dec 07 Prod Q2/08
未来 发展方向
64 K 32 K
STM32 Samples NOW Prod Oct 07
72 MHz CORTEX- M3 CPU Wide offer
• 32KB-512KB Flash • 6Kb-64KB RAM
0K 48 pins 64 pins 100 pins
144 pins
LQFP
LQFP
LQFP
LQFP
(7x7) (10x10) (14x14)/BGA (20x20)/BG
machinery or plants”.
1.嵌入式系统简介
目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种 比较合理定义：
●从技术的角度定义：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。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧 密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一 个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
ADC
16 channels /
Tem1pMSsepns sor
Power Supply Reg 1.8V
POR/PDR/PV XTDAL
oscillators 3I2nKt.HRzC+ o4s~c1il6lMatoHrzs 32KHz +
《单片机原理嵌入式系统基础》
（4）总线
所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线 。 微型计算机总线的种类非常多，可分为内部总线、元件级总线、系统总线、外部总线四大类。 在微型计算机中使用比较多的是元件级总线。 计算机元件级总线包括地址总线AB（Address Bus）、数据总线DB（Data Bus）、控制总线CB（Control Bus）三种。
单板机
将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。
单板机
单片机
单片机是将中央处理器（CPU）,随机存储器（RAM），只读存储器（ROM或EPROM）,定时器/计数器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微型计算机，有的甚至包含A/D、D/A转换器。总而言之，一块单片机芯片，就相当于一台微型计算机。又称为微控制器（Microcontroller）。 它是专为工业控制和智能仪器设计的一种集成度很高的微型计算机。
目录
地址线总线：
三态单向 A15～A0 1K=1024
数据线：
三态双向 D7～D0
控制线：
/RD、/WR、
3、微型计算机系统
以微型计算机为主体，配上外部输入/输出设备、外围设备、电源、系统软件一起构成应用系统，称为微型计算机系统
三、常用的术语
二进制、十进制、十六进制 位、字节、半字节、字 字长 CPU、存储器、I/O口 总线：AB、DB、CB 地址空间、I/O口口地址
单片机、单板机、个人计算机
多板机（系统机）
将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。 从应用形态上，微机可以分成三种：
嵌入式系统基础-复习提纲
嵌入式系统基础复习题第1章嵌入式系统概论1、什么是嵌入式系统？嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。
2、嵌入式系统的3个基本特点？嵌入性、专用性、计算机3、什么是嵌入式处理器，嵌入式处理器可以分为几大类？嵌入式处理器是为了完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器。
分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统（SOC）。
4、什么是嵌入式操作系统和？有何特点？列出常见的几种嵌入式操作系统及特点。
5、试比较说明JA TG工具和ISP工具的异同点？6、从硬件系统来看，嵌入式系统由哪几部分组成？画出简图。
第2章ARM7体系结构1、什么是RISC指令系统？什么是CISC指令系统？RISC是精简指令集计算机的缩写。
CISC是复杂指令集计算机的缩写。
2、ARM与ARM公司有什么区别？举出2个以上的ARM公司当前应用比较多的ARM处理器核？ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列、intel的Xscale系列和MPCore系列。
3、ARM7TDMI中的T、D、S、I分别表示什么含义？T：支持高密度16位的Thumb指令集D：支持片上调试S：ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核）I：支持EmbededICE观察硬件M：支持64位乘法4、ARM7TDMI处理器采用什么样的体系结构，其可寻址地址空间多大？ARM处理器使用冯.诺依曼结构使用单个平面的232个8位字节地址空间。
地址空间可以看作是包含230个32位字，或231个16位半字。
5、ARM7TDMI与ARM9处理器采用几级流水线处理，使用何种存储器编址方式？ARM7TDMI处理器采用三级流水线。
ARM处理器将存储器看做是一个从0开始的线性递增的字节集合。
6、ARM处理器有几种模式和ARM处理器状态有什么区别？各种工作模式下分别有什么特点?R M处理器模式指用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。
嵌入式系统基础知识总结
必读：嵌入式系统基础知识总结2016-07-22 电子发烧友网本文主要介绍嵌入式系统的一些基础知识，希望对各位有帮助。
嵌入式系统基础1、嵌入式系统的定义（1）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、功耗严格要求的专用计算机系统。
（2）嵌入式系统发展的4个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段、面向Internet阶段。
（3）知识产权核（IP核）：具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。
（4）IP核模块有行为、结构和物理3级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同可以分为三类：软核、固核、硬核。
2、嵌入式系统的组成包含:硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层（1）硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O 接口。
嵌入式核心模块＝微处理器＋电源电路＋时钟电路＋存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
（2）中间层（也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP）.它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
（3）系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
嵌入式系统相关知识点总结
嵌入式系统相关知识点总结嵌入式系统（Embedded Systems）是一种专门设计和用途的计算机系统，用于控制设备和机器的各个方面，通常被嵌入到所控制的设备中。
嵌入式系统是一个开放的领域，涵盖了面向硬件和软件的多个方面。
在本文中，我将总结一些与嵌入式系统相关的重要知识点。
一、嵌入式系统的基础知识：1.什么是嵌入式系统：嵌入式系统是一种专门设计和用途的计算机系统，被嵌入到所控制的设备中。
2.嵌入式系统的特点：实时性、可靠性、功耗低、体积小、成本低、资源有限等。
3.嵌入式系统的分类：实时嵌入式系统、网络嵌入式系统、移动嵌入式系统、无线嵌入式系统等。
4.嵌入式系统的组成：硬件平台（处理器、内存、输入输出接口等）和软件平台（操作系统、驱动程序等）。
二、嵌入式系统的硬件知识：1. 存储器：RAM（随机访问存储器）、ROM（只读存储器）、Flash memory（闪存）等。
2.处理器：常见的处理器包括ARM、MIPS、x86等，需要根据应用需求选择适合的处理器。
3.输入输出接口：串口、并口、USB、以太网等用于与外设通信。
4.性能优化：资源有限的嵌入式系统需要优化性能和资源利用，例如使用中断处理、多任务处理等技术。
三、嵌入式系统的软件知识：1. 操作系统（OS）：嵌入式系统通常使用实时操作系统（RTOS），如FreeRTOS、Linux、VxWorks等，用于管理任务、内存、进程和资源。
2.设备驱动程序：用于控制和管理硬件设备，例如串口驱动、触摸屏驱动等。
3.编程语言：C/C++是嵌入式系统开发中常用的编程语言，还有汇编语言适用于对性能要求较高的关键模块。
4.软件开发工具：编译器、调试器、仿真器等用于嵌入式软件的开发和调试。
四、嵌入式系统的开发流程：1.系统需求分析：明确系统的功能、性能、成本等需求，并进行需求分析和规划。
2.硬件设计与开发：选择合适的硬件平台，设计硬件电路，并进行原型制作和测试。
3.软件设计与开发：进行软件系统的设计和开发，包括操作系统选择、驱动程序编写、应用程序开发等。
第1章 嵌入式系统基础(新)1
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
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。
嵌入式系统及其应用
无线便携式考场信息管理终端 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
基于ECX平台的变电站值班机器人 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
嵌入式系统的存在形式
嵌入式系统的存在形式通常有两种： 一种，是作为一个大系统中功能和结构相 对独立但又和其它部分密不可分的形式而 存在。
靠性高、体积小、成本低、功耗小的专用 计算机系统。
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嵌入式系统及其应用
随着信息技术的发展，嵌入式系统在很多 的产业得到了非常广泛的应用并有力的推动 了这些产业的发展。例如在各种消费电子产 品、车载电子产品、办公自动化产品、智能 家电产品、工业自动化产品以及国防、航天 等众多领域中都可以找到嵌入式系统的应用 实例。
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嵌入式系统及其应用
2、基于单片机的 锅炉控制系统的解决方案
• 现在有一些生产企业使用基于单片机的锅 炉控制系统，这种系统由8位MCU、控制执 行机构、LED数码管、发光二极管、按键 等组成，完成以下功能：实时准确检测锅 炉的运行参数；综合分析及时发出控制指 令；诊断故障与报警管理;历史记录运行参 数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳 定运行。
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嵌入式系统及其应用
• 图1.7 服务器软件结构
1、嵌入式系统基本知识讲解
1.1.2 中间层
介于硬件层与系统软件层之间，将硬件的细节进行屏蔽，
便于操作系统调用，因此称为为中间层，也称硬件抽象层（ Hardware Abstract Layer,HAL）或板级支持包（Board Support Package）。具有硬件相关性和操作系统相关性特 点。
操作系统
BSP
操作系统统一接口
嵌入式改变未来！
嵌入式系统基础知识
2021/4/14
1
嵌入式系统基础知识
1、嵌入式系统总体结构 2、嵌入式系统硬件基础 3、嵌入式系统设计方法
2021/4/14
2
嵌入式系统组成
驱动器 1 驱动器 2
...... 驱动器 N
机械装置 被控对象
传感器 1 传感器 2
...... 传感器 N
应用层 软件层 中间层
（3）系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要 是进行操作系统初始化及CPU控制权移交。
中间层2
硬件相关的设备驱动程序
➢ 与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序的初始 化和使用通常是一个从高层到底层的过程。
➢ BSP不直接使用设备驱动程序通常 ➢ 与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，在应用
1.1.1 硬件层
嵌入式系统硬件通常指除被控对象之外的嵌入式 系统要完成其功能所具备的各种设备，由嵌入式处理 器、存储器系统、通用设备接口（A/D、D/A、I/O等 ）和一些扩展外设组成。
嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的
嵌入式系统外设是指为了实现系统功能而设计、提供的 接口或设备
1.1 嵌入式系统的总体结构
1. 微处理器结构
典型的微处理器由控制单元、程序计数器（PC）、 指令寄存器（IR）、数据通道、存储器等组成
嵌入式系统基础知识
嵌入式系统基础知识嵌入式系统是指将计算机系统嵌入到特定的物理设备或系统中，以实现特定功能的计算机系统。
它在现代社会中得到广泛应用，如智能手机、家用电器、汽车控制系统等。
在这篇文章中，我们将介绍嵌入式系统的基础知识。
一、什么是嵌入式系统？嵌入式系统是指将计算机硬件和软件嵌入到特定的物理设备中，以实现特定功能的计算机系统。
与传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统的硬件资源有限且固定，软件运行在实时环境下，并需要满足特定的功耗和性能要求。
二、嵌入式系统的组成1. 处理器：嵌入式系统的处理器通常是一种低功耗、高性能的专用芯片，如ARM、MIPS等。
它们具有较小的封装和低功耗特性，非常适用于嵌入式系统。
2. 存储器：嵌入式系统通常包括闪存、RAM等类型的存储器。
闪存用于存储程序代码和数据，RAM用于临时存储数据。
3. 输入/输出设备：嵌入式系统通常具备各种输入/输出设备，如触摸屏、键盘、麦克风、扬声器等。
这些设备可以实现与用户的交互和数据的输入输出。
4. 操作系统：嵌入式系统通常运行一个专门为其开发的实时操作系统，如嵌入式Linux、VxWorks等。
这些操作系统能够保证实时性和稳定性，并提供丰富的驱动和软件支持。
5. 开发工具：嵌入式系统的开发通常需要使用特定的开发工具，如编译器、调试器、仿真器等。
这些工具可以帮助开发人员进行代码的编写、调试以及性能评估。
三、嵌入式系统的特点1. 实时性：嵌入式系统通常需要在给定的时间要求内响应用户的操作或者产生相应的输出。
因此，实时性是嵌入式系统的重要特点之一。
2. 硬件资源有限：嵌入式系统的硬件资源有限且固定，这意味着开发人员需要在有限的资源下设计和实现功能。
3. 低功耗：嵌入式系统通常需要长时间运行，并且对电池寿命有较高的要求。
因此，低功耗是设计嵌入式系统时需要考虑的重要因素。
4. 可靠性：嵌入式系统通常运行在一些关键的应用领域，如医疗设备、航空航天等。
因此，嵌入式系统需要具备高度的可靠性和安全性。
第01章、嵌入式系统概述
4
嵌入式系统的例子
手机: 应用最广的嵌入式系统 汽车:电子系统控制 机床：动作监视与控制 洗衣机:旋转控制，水流控制 数码照相机：读写数据卡 打印机：打印强度，颜色，翻页 飞机：参数控制 …
5
1.1.2 嵌入式系统的组成
Vxworks
16
Windows CE
WinCE主要应用于PDA，以及智能电话（smart phone）等多媒 体网络产品。微软于2004年推出了代号为“Macallan”的新版 WinCE系列的操作系统。 Windows 的目的，是让不同语言所写的程序可以在不 同的硬件上执行，也就是所谓的.NET Compact Framework，在这 个Framework下的应用程序与硬件互相独立无关。而核心本身是 一个支持多线程以及多CPU的操作系统。在工作调度方面，为了 提高系统的实时性，主要设置了256级的工作优先级以及可嵌入 式中断处理。 如同在PC Desktop环境，Windows CE系列在通信和网络的能 力，以及多媒体方面极具优势。其提供的协议软件非常完整，甚 至还提供了有保密与验证的加密通信，如PCT/SSL。而在多媒体 方面，目前在PC上执行的Windows Media和DirectX都已经应用到 Windows CE 3.0以上的平台，其主要功能就是对图形、影音进行 编码译码，以及对多媒体信号进行处理。 17
12
2．ARM微处理器的特点，采用RISC架构的ARM微处理器具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定 3．ARM微处理器系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的StrongARM Intel的Xscale 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为4个通用处理器系列，每一个系 列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。如ARM7系列适用 于工业控制、网络设备、移动电话等应用；ARM9、ARM9E和ARM10E系列则 更适合无线设备、消费类电子产品的设计。SecurCore系列专门为安全要 13 求较高的应用而设计。
嵌入式系统及应用——第1章 嵌入式系统概论
嵌入式系统的应用程序可以没有操作 系统直接在芯片上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口， 用 户 必 须 自 行 选 配 RTOS （ Real － Time Operating System ）开发平台，这样才 能保证程序执行的实时性、可靠性，并 减少开发时间，保障软件质量。
课程的主要内容
• 嵌入式系统导论（概念、分类、发展 历程、特点、应用领域、发展趋势） • 嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式 微处理器，外围电路等） • 嵌入式软件系统（分类、特点、体系 结构、运行流程、操作系统、开发方 法） • 嵌入式系统领域的一些新动态和成果
教材
嵌入式系统原理及应用开发技术 （第2版），桑楠等，高教出版社，
（２）专用性强
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进 行系统的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进 行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合， 这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的 概念。
• POSIX 1003.b定义 能够在限定响 应时间内提供所需水平服务的计算机 系统 • 一般性定义 一个实时系统是指计 算的正确性不仅取决于程序的逻辑正 确性，也取决于结果产生的时间：如 果系统的时间约束条件得不到满足， 将会发生系统出错。
嵌入式系统概述
第一章嵌入式系统概述1.嵌入式系统的概念从技术的角度概念：以应用为中心、以运算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、靠得住性、本钱、体积、功耗严格要求的专用运算机系统。
从系统的角度概念：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一路的运算机系统。
术语嵌入式反映了这些系统一般是更大系统中的一个完整的部份，称为嵌入的系统。
嵌入的系统中能够共存多个嵌入式系统。
2.嵌入式处置器的分类①嵌入式微处置器；②嵌入式微控制器；③嵌入式DSP处置器；④嵌入式片上系统（SOC）3.嵌入式操作系统的大体概念及特点一般实时操作系统应用于实时处置系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，而且提供了开发、调试、运用一致的环境。
嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发进程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。
嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K 内)、可固化利用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点4.实时操作系统的大体概念及特点总的来讲实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时刻范围内作出响应。
它强调的是实时性、靠得住性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。
从实时系统的应用特点来看实时操作系统能够分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统IEEE 的实时UNIX分委会以为实时操作系统应具有以下的几点:异步的事件响应；切换时刻和中断延迟时刻肯定；优先级中断和调度；抢占式调度；内存锁定；持续文件；同步；5.操作系统的内核有哪两种，各自的特点①非占先式内核：非占先式内核要求每一个任务自我舍弃CPU 的所有权。
非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。
异步事件仍是由中断服务来处置。
中断服务能够使一个高优先级的任务由挂起状态变成就绪状态。
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
第1章 嵌入式系统概述1
1.4.5 ARM10E处理器系列
ARM10E系列处理器采用了新的节能模式， 提供了64位的Load/Store体系，支持包括向量 操作的满足IEEE 754的浮点运算协处理器，系 统集成更加方便，拥有完整的硬件和软件开发 工具。ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E 和ARM1026EJ-S三种类型。
1．嵌入式系统硬件平台
嵌入式系统硬件平台是整个嵌入式操作系 统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通 常有不同的硬件环境。在嵌入式系统中硬件平 台具有多样性的特点。
（1）嵌入式RISC微处理器 （2）嵌入式CISC微处理器
表1-1
RISC和CISC之间主要的区别
RISC 一个周期执行一条指令，通 过简单指令的组合实现复杂 操作；指令长度固定 流水线每周期前进一步 更多通用寄存器 独立的Load和Store指令完成 数据在寄存器和外部存储器 之间的传输 CISC 指令长度不固定，执行需要多 个周期 指令的执行需要调用微代码的 一个微程序 用于特定目的的专用寄存器 处理器能够直接处理存储器中 的数据
Cortex-M3改进了代码密度，减少了中断 延时并有更低的功耗。Cortex-M3中实现了最 新的Thumb-2指令集。MPCore提供了Cache的 一致性，每个支持1～4个ARM11核，这种设计 为现代消费类产品对性能和功耗的需求进行了 很好的平衡。
1.4.10 各种处理器系列之间的比较
表1-3 ARM系列处理器属性比较
ARM9/9E系列
向量浮点运算（Vector Floating Point）系列
ARM系列
ARM10E系列
包含类型
ARM1020E ARM1022E ARM1026EJ-S
ARM11系列
嵌入式系统基础知识
嵌入式系统基础知识一、内容概述嵌入式系统基础知识是电子工程、计算机科学和自动化领域的重要部分。
本文旨在全面介绍嵌入式系统的基本概念、主要组成部分、应用领域以及发展趋势。
文章首先定义了嵌入式系统的含义和特性，然后概述了其硬件和软件组成部分，包括微处理器、存储器、输入输出接口、操作系统、编程语言等。
文章将探讨嵌入式系统的应用领域，如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备等。
文章还将概述当前嵌入式系统的发展趋势，如物联网、人工智能、云计算等技术的融合，以及面临的挑战，如功耗、实时性、安全性等问题。
读者可以全面了解嵌入式系统的基础知识，为深入学习和实践打下坚实的基础。
1. 嵌入式系统的定义和发展概述嵌入式系统是一种专用计算机系统，它通常被设计为执行特定的功能或任务，如控制机械设备、监视环境、数据处理或网络服务。
嵌入式系统与通用计算机系统的主要区别在于它们专为特定应用定制，并在广泛领域中进行应用。
嵌入式系统通常被嵌入在更大的设备或系统中，如汽车、医疗设备、航空航天设备、家用电器等。
它们具有低功耗、高性能、高可靠性和实时响应等特性。
随着物联网（IoT）、人工智能（AI）和大数据技术的快速发展，嵌入式系统正成为实现这些技术的关键部分。
嵌入式系统融合了计算机技术、电子技术和传感器技术，通过简化软硬件功能以适应严格的性能和尺寸要求，同时提高能效和可靠性。
它们不仅在工业自动化和消费电子产品领域得到了广泛应用，还渗透到了智能城市、智能交通系统等多个新兴领域中。
嵌入式系统经历了多年的发展，从早期的微控制器到现代的智能嵌入式系统，其功能和性能得到了极大的提升。
随着技术的进步，嵌入式系统的应用领域将继续扩大，其重要性也将不断提升。
2. 嵌入式系统的重要性及其应用领域随着科技的飞速发展，嵌入式系统已经深入到社会的各个领域，成为现代信息社会不可或缺的重要组成部分。
嵌入式系统的重要性主要体现在以下几个方面：嵌入式系统作为信息技术的重要分支，在推动工业自动化、智能化进程中发挥着关键作用。
第一章嵌入式系统基础
1.3 嵌入式操作系统
基本概念 ——实时操作系统（RTOS） 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运 行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有一 个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。
1.2 嵌入式处理器
1.2.1嵌入式系统分类 按表现形式分：（硬件范畴）
芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入SOC（System on a chip） 按实时性要求分：（软件范畴） 非实时系统（PDA，Personal Digital Assistant 個人數字助理） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）
是嵌入式软件的基本要求，软件固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、 实时性。
（5）嵌入式软件开发走向标准化 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。
5、嵌入式系统应用领域
工业 工控设备 智能仪表 汽车电子
军事国防 军事电子
嵌入式应用
网络设备
电子商务 网络
消费电子 信息家电 智能玩具 通信设备 移动存贮
第一章嵌入式系统基础
主要内容
嵌入式硬件平台 微处理器、存储器、I/O… ARM和XScale的指令系统和体系结构
嵌入式操作系统 特点、进程调度、存储管理… μC/OS, Linux的移植、设备驱动和应用开发
嵌入式应用开发 基于μC/OS, Linux, WinCE等
使用教材
ARM9嵌入式系统设计与开发应用 熊茂华 杨震伦 主编 清华大学出版社
第1章 概述 《嵌入式系统》课件
——
4
可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）
第三节 嵌入式操作系统
——
嵌
入 式
目前，计算机上常见操作系统有
系 统
DOS、OS/2、UNIX、XENIX、
Linux、Windows、Netware。
第 一
常见的嵌入式操作系统有：
章
1.Windows CE
概 述
2.VxWorks
3.μrC/OS
4.QNX
式
系
组成
特点
架构
统
第 一 章 概 述
1.运算器 2.控制器 3.寄存器
1.实时性 2.多任务性 3.可扩展性 4.安全可靠 5.低功耗 6.高集成
1.冯·诺依 曼结构
2.哈佛结构
第二节 嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的分类
嵌
入
式
系 统
1
嵌入式微控制器
第 一
2
嵌入式微处理器
章
概
述
3
数字信号处理器（DSP)
5.嵌入式Linux
第四节 嵌入式系统的应用
——
嵌 入
1.工业控制
式 系
2.交通管理
统
3.信息家电
4.家庭智能管理
第
一
5. POS网络和电子商务
章 概
6.环境工程
述
7.机器人
8.武器
9.农业
10.矿用电器
11.楼宇智能
嵌入式系统 应用领域
嵌入式系统
第一章 概述
目录
嵌
入 式
1
嵌入式系统简介
系
统
第
2
嵌入式微处理器
一
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1.1 嵌入式系统的定义和组成
1.1.1 嵌入式系统的定义 IEEE的定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、
机器和车间运行的装置” 。 目前国内一个普遍被认同的定义是: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。 嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设 备的一部分。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外 围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4个部 分组成。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统” 是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入 式系统所嵌入的宿主系统。
1．嵌入式计算机系统的硬件层
硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器 （SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口 和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。
2．中间层 中间层也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL）或板
级支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件层和软件 层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开来。
IP核分为用硬件描述语言（hardware Description Language，HDL）设计外，电路综合和时序仿真等设 计环节。
1.1.3 嵌入式系统的组成
嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入 式操作系统、应用软件和外围设备接口的嵌入 式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,可 以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软 件层。
1.1.2 嵌入式系统发展趋势 1．嵌入式系统的发展历史 （1）无操作系统阶段 （2）简单操作系统阶段 （3）实时操作系统阶段 （4）面向Internet阶段
2．嵌入式系统的发展趋势 （1）新的微处理器层出不穷,精简系统内核，优化关
键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多 媒体人机交互界面。 （2）Linux、Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系 统迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便 于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、 网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微 处理器。计算机的新技术、新观念开始逐步移植到嵌 入式系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。 （3）开发厂商提供嵌入式软硬件系统，同时提供强大 的硬件开发工具和软件支持包。
4．RTOS分类 RTOS主要分为强实时（Hard Real-Time）系统和弱实时（Soft
Real-Time）系统两类。强实时系统应用在航空航天、军事、核工 业等领域中,弱实时系统如视频点播系统、信息采集与检索系统等。 5．实时任务分类 实时任务的分类方法有多种，根据任务的周期划分，可以分为周 期任务、偶发任务和非周期任务3类。根据是否允许任务超时， 以及超时后对系统造成的影响，任务又分为强实时任务、准实时 任务、弱实时任务和弱一强实时任务4类。 6．RTOS操作系统和内核 RTOS从单用途专用系统向多用途通用操作系统（如实时Linux等） 发展。RTOS从只支持强实时及其应用发展到既支持强实时也支持 弱实时及其应用方面，如开放实时系统的服务质量（QoS）多媒 体应用、复杂分布式实时系统等。
1.1.4 实时系统
1．RTOS定义
RTOS （Real-time operating system,实时系统） 是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功 能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应 的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要 的大量数据。RTOS的正确性不仅依赖于系统 计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时 间。
2．RTOS特点 （1）约束性 RTOS任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能
约束。
（2）可预测性 可预测性是指RTOS完成实时任务所需要的执行坏情况下都能正
常工作或避免损失。可靠性是RTOS的重要性能指标。 （4）交互性 外部环境是RTOS不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控
3．IP核（Intellectual Property Core,知识产权核）
SOC（System On Chip，片上系统）是指在单芯片上 集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换 器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、 转换、存储、处理等功能。IP核是指具有知识产权的、 功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复 使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构 件。
1.2 嵌入式微处理器体系结构
1.2.1 冯·诺依曼结构与哈佛结构 1．冯·诺依曼（Von Neumann）结构 目前使用冯．诺依曼结构的CPU和微控制器品种有很
3．系统软件层 系统软件层通常包含有实时多任务操作系统（Real-time
Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口 （Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组 成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 4．应用软件层 应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程 序组成，面向被控对象和用户。为方便用户操作，通常需要提供 一个友好的人机界面。
子系统，两者相互作用构成完整的实时系统。
3．RTOS调度
RTOS中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足 它们的时间约束,及时对外部请求做出响应。实时调度 技术常用的有以下两种。
（1）抢占式调度和非抢占式调度
抢占式调度通常是优先级驱动的调度。
（2）静态表驱动策略和优先级驱动策略
静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行 前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索 策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只 需根据这张时刻表启动相应的任务即可。