嵌入式系统简介

• 第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统，这还
二、嵌入式系统结构
• 嵌入式操作系统一般具有体积小、实时性强、可剪裁、
可靠性高、功耗低等特点。
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实时性是嵌入式系统最重要的要求之一。实时操作 系统又分为软实时和硬实时两种。 常用的嵌入式操作系统有：VxWorks、Windows CE、 嵌入式Linux、嵌入式实时内核uC/os等。
二、嵌入式系统结构
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RISC和CISC的差异： ①指令系统：RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽 量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令 来完成。因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率可能比较低。但 可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC计算机的指 令系统比较丰富，由专用指令完成特定的功能。因此，处理特殊任 务效率较高。 ②存储器操作：RISC对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC机 器的存储器操作指令多，操作直接。
• 目前，比较知名的嵌入式微控制器有Intel公司的MCS-
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二、嵌入式系统结构
嵌入式微处理器（EMPU） 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。与嵌入式微控制器相比，嵌 入式微处理器的处理能力比较强，字长一般是16位或32位，如ARM、、 Atmel、Intel、Freescale、National Semiconductors等公司推出了许多可用的 嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器的特点如下： 1、需要扩展。要使用嵌入式微处理器来设计开发嵌入式系统，一般 需要大量的外围电路，包括存储器和I/O接口电路。 2、处理能力一般大于微控制器。由于集成的外部接口比较少，通常 嵌入式微处理器的处理能力较强，芯片上集成了处理器内核，通常具有 更高的时钟频率和较宽的字长。 3、寻址能力大于微控制器。 4、一般适用于高端应用。 5、型号多。 6、通用性强。
二、嵌入式系统结构
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3.2.2 RISC计算机指令集 在对各条指令使用频率的统计分析中发现，最常使用的是一些比 较简 单的指令，而这些指令数占指令总数的20%，但它们在程序中出 现的频率 却占80%。这个结论后来被称为“20%对80%率”。 因此如果从指令系统中去掉一些不常用的指令，特别是那些复杂 的指 令就可以降低处理器电路的复杂程度，使处理器以更快的速度、 更高的 频率运行，从而提高整个计算机的执行速度。根据这个设计指导 思路设 计出来的处理器被称为精简指令集计算机系统即RISC。
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3处理器
二、嵌入式系统结构
嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。实际上， 处理单元的种类很多，包括嵌入式微处理器、嵌入式微控 制器、数字信号处理器、可编程器件及其组合。嵌入式处 理器运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。 嵌入式处理器有如下的共性：
1、处理器内核（内部）；
2、地址总线； 3、数据总线；
4、控制类总线；
5、处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位等； 6、片上I/O接口电路。
二、嵌入式系统结构
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嵌入式系统的硬件子系统包括处理器子系统、存储器子系统、附属 电路、I/O子系统，它们之间通过系统总线连接在一起，形成一个 专用的计算机系统—嵌入式系统。嵌入式系统硬件的设计围绕嵌入 式处理器进行
一、嵌入式系统介绍
• 第三阶段：片上系统（SOC），主要特点是：嵌入式
系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性 好，操作系统的内核小，效果好。
络化主要表现在两个方面，一方面是嵌入式处理器集 成了网络接口，另一方面是嵌入式设备应用于网络环 境中 。
• 第四阶段：以Internet为标志的嵌入式系统。嵌入式网
数字I/O LED显示
程序存储器
数据存储器
总线
嵌入式处理器
通信接口
LCD显示
时钟与复位电路
A/D和D/A
嵌入式系统的硬件体系结构
二、嵌入式系统结构
• 3.1嵌入式处理器的分类 • 1、嵌入式微控制器（EMCU） • 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统
集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微 处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时、计数器、WatchDog、 I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM 等各种必要功能和外设。 51系列、Freescale公司的68HCXX系列、Microchip的 PIC系列等。
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二、嵌入式系统结构
• 2.3 应用软件 • 嵌入式系统领域的应用软件是为了解决某些特定的应
用性问题而设计出来的软件，如浏览器、播放器等。 嵌入式系统的应用软件与通用计算机软件相比，由于 嵌入式系统的资源有限，致使对应用软件有更多苛求， 要求尽量做到高效、低耗。而且嵌入式系统的应用软 件还存在着操作系统的依赖性，一般情况下，不同操 作系统之间的软件必须进行修改才能移植，甚至需要 重新编写。
• 2.2操作系统 • 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，
是嵌入式系统的灵魂。经历了4个比较明显的阶段： 言编程对系统进行直接控制。 心的嵌入式系统。
一、嵌入式系统介绍Байду номын сангаас
• 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语
• 第二阶段：以嵌入式CPU为基础、简单操作系统为核
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第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，该阶段 以嵌入式操作系为核心。 是一个正在发展的阶段。
二、嵌入式系统结构
• 1.1.3 嵌入式系统的输入/输出接口 • 一般嵌入式处理器上集成了输入/输出接口，但是外设
需要外接。例如，大多数的嵌入式通信控制器集成了 以太网接口，但是收发器需要外部电路。
二、嵌入式系统结构
• 2 软件系统 • 嵌入式系统的软件主要包括两大部分：嵌入式操作系
统和应用软件。
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二、嵌入式系统结构
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RISC机的特点： ①选取一些使用频率高、很有用但不复杂的简单指令。 ②指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。 ③只有取数/存数指令会访问存储器，其余指令的执行都在寄存器之 间进 行，即限制内存访问。 ④CPU中通用寄存器数量相当多。 ⑤大部分指令在一个机器周期内完成。 ⑥采用流水线组织。 ⑦以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微程序控制。 ⑧特别重视编译工作，以简单有效的方式支持高级语言，减少程序 执行 时间。
二、嵌入式系统结构
• 3.2嵌入式处理器的构架 • 标准的嵌入式系统架构有两大体系： • 精简指令集计算机（reduced instruction set
computer,RISC）处理器复杂指令集计算机（complex instruction set computer,CISC）处理器.这两种指令集结 构的重要区别之一是其指令功能的强弱不同。
二、嵌入式系统结构
• 1.基本结构 • 嵌入式系统的基本结构一般可分为硬件和软件两部分。 • 1.1嵌入式系统的硬件 • 包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。
二、嵌入式系统结构
• 1.1.1处理器 • 嵌入式处理器：是构成系统的核心部件，系统工程中
的其他部件均在它的控制和调度下工作。处理器通过 专用的接口获取监控对象的数据、状态等各种信息， 并对这些信息进行计算、加工、分析和判断并作出相 应的控制决策，再通过专用接口将控制信息传送给控 制对象。
二、嵌入式系统结构
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3.2.1CISC计算机指令集 CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条 数，从而达到提高性能的目的。 CISC体系的设计思想就是基于使用大量的指令，包括复杂 指令。它的优点是进行程序设计比较容易，因为每一个简 单的或者复杂的操作都有相应的指令。如为了适应所处理 数据的不同长度，CISC设计有8位、16位甚至32位的指令， 还有专门用于浮点数运算的指令。对程序设计者来书， CISC系统可用简单的指令组合解决一个比较复杂的问题。 CISC指令系统趋于多用途、强功能化，且面向高级语言发 展。但它又把指令系统带向庞大化、复杂化，使得设计处 理器的电路非常复杂，设计周期长、难保正确性、维护困 难。
一、嵌入式系统介绍
• 第二阶段：微控制器（MUC）阶段，主要的技术发展
方向是：不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接 口电路，突显其对象的智能化控制能力。这一阶段主 要以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心， 主要特点是硬件使用嵌入式微处理器，微处理器的种 类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；软件 采用嵌入式操作系统，这类操作系统有一点的兼容性 和扩展性；这个阶段的嵌入式产品的应用软件比较专 业化，用户界面不够友好。
① 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术 与各行业的具体应用相结合的产物。 ② 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌 入式系统CPU都具有功耗低、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，从而使整个 系统设计趋于小型化，移动能力日益增强，与网络的关系也越来 越密切。 ③ 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和 具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具 有较长的生存周期。 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 固化在存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 ⑤ 嵌入式系统本身并不具备在其上进一步开发的能力。
嵌入式系统简介
一、嵌入式系统介绍
• 1.嵌入式系统定义 • 定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件
可裁剪，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。 用计算机系统。
• 嵌入式系统有时也称为嵌入式计算机系统，指的是专
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个人电脑≠嵌入式系统
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一、嵌入式系统介绍
2.系统特点：
嵌入式微处理器 （EMPU） 嵌入式微控制器 （EMCU） 嵌入式数字信号 处理器（EDSP） 嵌入式片上系统 （ESOC）
嵌入式处理器
• 1.1.2嵌入式存储器 • 存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能，
二、嵌入式系统结构
因此存储器的选择非常重要。无论系统是采用电池供 电还是由市电供电，应用需求将决定存储器的类型 （易失性或非易失性）以及使用目的（存储代码、数 据或者两者兼有）。对于较小的系统，微控制器自带 的存储器就有可能满足系统要求，而较大的系统可能 要求增加外部存储器。为嵌入式系统选择存储器类型 时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、 电压范围、电池寿命、读/写速度、存储器尺寸、存储 器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本。
二、嵌入式系统结构
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3、嵌入式DSP处理器（EDSP） DSP是特别为处理信号设计的处理器，而不是为一般应用设计的。对 系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较 高，指令执行速度也较高。 DSP体系结构需要具备以下特点： 1、能够非常快速地计算出总和的乘加（MAC）模块，而通用处理器可 能要花费多个周期才能计算出一个乘积。 2、支持通过移位操作完成对位的处理。 3、独立的地址生成单元产生存储器单元的地址，这样使访问存储器 变得更加快速。 4、专门的硬件实现循环。通过硬件可以增加循环计数器，将计数值 与最终目标值进行比较，执行循环之后再转到循环顶部等。
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一、嵌入式系统介绍
• 3.发展历程 • 嵌入式计算机系统与通用计算机系统目前属于计算机
技术的两大分支。
• 第一阶段：单片微型计算机（SCM）阶段，即单片机
时代。这一阶段的 嵌入式系统硬件是单片机，软 件停留在无操作系统阶段，采用汇编语言实现系统的 功能。这阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单 一、处理效率低、存储容量也十分有限，几乎没有用 户接口。
应用软件
应用编程接口（API）
嵌入式操作系统
板级支持包（BSP）
底层硬件
嵌入式系统软件层次结构
二、嵌入式系统结构
• 2.1 BSP(板级支持包) • 板级支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系统中驱动
层程序之间的一层，一般认为它属于操作系统一部分， 主要是实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提 供访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好的运 行于硬件主板。在嵌入式系统软件的组成中，就有BSP。