ARM 赵哲 第一讲 河北科技大学电气学院

嵌入式系统大都有功耗约束。
如：珍贵文物微气象环境监测 要求一分钟采样一次，每个采样节点用电池供电，十年更新一次。 采用常规方法，能量只能持续5天。 采用间歇式工作方式，节省电能，降低功耗。
嵌入式系统与PC之间的区别（5）

嵌入式系统比PC可用资源少的多。
为降低成本和功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行。

强实时性：响应时间us—ms级 一般实时性：响应时间ms—s级 弱实时性：响应时间s级
嵌入式系统与PC之间的区别（3）
嵌入式系统运行需高可靠性保证，比PC 机的故障容忍能力弱得多。 嵌入式系统运行需忍受长时间，无人值守 条件下的运行。 嵌入式系统运行的环境恶劣。

嵌入式系统与PC之间的区别（4）

出现这种趋势的原因主要在于： · 硬件功能有限，不能进行高效而复杂的设备管理； · 硬件平台简单，不能有效地支持功能繁多而且复杂的网络管理； · 软件缺乏操作系统的支持，网络应用程序设计复杂，难以实现功能完善的性能网络 管理。
（1）先前以单片机为平台，应用程序直接运行于CPU之上的方式具有明显的不足：
通用计算机系统要求的是高速、海量的数 值运算和需求多样的应用程序。在技术发 展上追求总线速度不断提升、存储容量不 断扩大。 嵌入式计算机系统要求的是对象体系的智 能化控制能力，任务是专用而确定的。

嵌入式系统与PC之间的区别（2）
嵌入式系统对实时性提出较高要求。 实时系统：指系统能够在限定的响应时间 内提供所需水平的服务。 嵌入式实时系统可分为：

可编程逻辑器件（PLD ）
FPGA、CPLD ASIC以非计算机系统的身份完成计算机 系统完成的功能 更为灵活 开发较困难 在FPGA、ASIC上完成算法和复杂协议是 电子技术发展的新方向

嵌入式系统



标准计算机系统、单片机和DSP的结合体 在功耗、通用性、“可嵌入”等方面优势明显 嵌入式系统的优势：可以在“单片”（简单系 统，较小功耗，“可以嵌入”）的基础上 实现图形界面 实现网络协议 实现一定的算法 实现控制功能
嵌入式技术的应用领域
2.在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也 已经应用于工业控制、数控机床、智能工 具、工业机器人、服务机器人等各个行业， 正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方 式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购 票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌 入式系统的应用领域如下图所示。
嵌入式系统的应用领域示意图
计算机系统
机器以运算器为中心，输入-输 出设备与存储器之间的数据传 送都途经运算器。运算器、存
动。一种是数据，即各 。原始数据和程序要由 储器中，最后结果由运 过程中，数据从存储器 也要存入存储器中。人 的指令序列，即程序， 控制器，再由控制器向 信号。另一种信息是控 行指令规定的各种操作。
计算机系统
体积小，结构简单，功能单一 应用面广 功耗低，工作频率低 升级困难 一般用作控制器（英文简写MCU） 可以完成一定的“嵌入式”应用

DSP
单片机+特殊算法指令 具有单片机的优点，补偿了单片机信号处 理功能较弱的缺点。

数字电路
数字电路是计算机系统的基础 数字电路也可以完成逻辑控制功能 数字电路也可以完成算法 只是没有人这么用而已
嵌入式系统的定义
4. 一般定义：“以应用为中心，以计 算机技术为基础，软件、硬件可裁减， 功能、可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统。用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功 能。
嵌入式系统的定义
5. 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。 一个手持的MP3和一个PC104的微型工 业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。
嵌入式系统的具体应用

社会发展方面：嵌入式Internet应用，如 下图所示。
嵌入式系统的具体应用

汽车电子：汽车电子产品（18个嵌入式控 制模块）——CAN总线网络。
VOLVO S80汽车的CAN总线网络

嵌入式系统示例 ——汽车控制系统
前车门控 制系统 后车门控 制系统 尾灯控制 系统 所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统
ARM是Advance Risc Machine的缩写。 ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立， 前身为Acorn计算机公司。 ARM公司是知识产权（IP）公司，本身不 生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴 公司来生产各具特色的芯片。 ARM公司已成为移动通信，手持设备， 多媒体数字消费嵌入式解决方案的Risc标 准。
发动器控 制系统
马达
座椅控制 系统
控制器 车灯
嵌入式系统的具体应用

智能玩具与机器人
嵌入式系统的具体应用

智能机器鱼技术研究
嵌入式系统的具体应用

仿人型机器人
Humanoid by University of Defense Technology in 1999
Humanoid by Beijing Institute of Technology in 2002
总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的 方式把所需的功能嵌入到各种应用系统 中。
6、有些资料甚至把FPGA都称为“嵌入式 系统”
嵌入式系统的定义
6.我的定义 外沿：电视、洗衣机、微波炉、飞机、坦克 等等应用逻辑控制单元的电子产品或应 用电子技术的产品的控制系统。
1.1、嵌入式系统的定义
6.我的定义 内涵： 必要条件： 1、计算机系统 2、独特的应用 3、结合其他部件工作

嵌入式系统的定义
3.IEEE定义，嵌入式系统是“用于控制、 监视或得辅助操作机器和设备的装置”。 可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌 入式系统是软件和硬件的综合体，还可以 涵盖机电等附属装置。
嵌入式系统的定义
IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义原文：
devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. 由此可以看出，从应用上考虑，嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机 电等附属装置。

嵌入式系统是一个无限大的系统
嵌入式系统入门的要求： 建立了本专业完整的知识体系 熟悉计算机相关的知识 对编程有感觉 实践 自学

第一章 嵌入式系统概况
河北科技大学 赵哲
本章内容
1.1 嵌入式系统的定义
1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势
1.3 嵌入式系统组成简介
发展历史



完成功能的方式： 1、取指令和数据：从IO口读取指令和数据，指 令指的是“要干什么”，数据指的是指令的对 象 2、运算：据指令和事先约定的逻辑关系完成指 令功能（数字电路的功能，例如3-8译码器可以 理解为只有一条指令的CPU） 3、输出：将结果从IO口输出 4、所有的动作按照约定好的顺序完成

（2）通用计算机由于体积、成本以及效率等因素的限制，也不适合这种应用环境。 （3）采用嵌入式实时系统是理想的解决方法：

· 嵌入式实时系统在硬件上使用功能紧凑而高效的CPU，适合“嵌入”设备内部作为 控制的硬件核心，可以支持复杂的设备管理； · 在软件上，嵌入式实时系统以高性能的嵌入式实时操作系统为核心，除了为系统提 供良好的实时性保障以外，还简化了高层应用程序的设计。
计算机系统与数字电路
1、计算机系统是以数字电路为基础的 2、计算机系统是一种较为复杂的数字电 路（冯.诺依曼结构的5部分） 3、如果从原理上讲，任何数字电路都可 以理解为可以完成“取指令、运算、输出” 三个步骤的计算机系统

用通用数字电路搭建的CPU
用通用数字电路搭建的CPU
计算机系统的功能
单片机系统多为4位、8位、16位机，它 们不适合运行操作系统，难以进行复杂的 运算及处理功能； 嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件 协同设计。单片机大多采用软硬件流水设 计； 嵌入式系统设计的核心是软件设计（占 70%左右的工作量），单片机系统软硬件 设计所占比例基本相同。

嵌入式系统与PC之间的区别（1）
军事国防 工业控制
工控设备 智能仪表 汽车电子 网络设备 电子商务 军事电子
消费电子
信息家电
智能玩具
嵌入式应用
通信设备
移动存贮
网络
一些典型的嵌入式系统应用实例
Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes
goReader Internet eBook
Samsung AnyWeb Internet Screen Phone
备丰富管理功能，还要具备良好的管理性能效率；也就是说，网络
管理必须满足一定的实时性。简言之，现代网络管理具有以下两个 突出特点：

· 完善的管理功能；
· 良好的管理性能。

为了实现完善而高效的网络管理，通信设备必须增强自身性能，从 而为高层网管提供高性能的软硬件平台。通信系统的设计出现了新 的发展趋势，如图3所示。
1.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势
1.2.1 嵌入式技术的应用领域 1.2.2嵌入式技术的现状 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势
嵌入式技术的应用领域
1.嵌入式技术可应用在： 工业控制 交通管理 信息家电 家庭智能管理 网络及电子商务 环境监测 机器人 工业、军事和日常生活的各个方面。
Nixvue Digital Album Digital Photo Album
eRemote Intelligent Home Controller
典型的嵌入式系统应用实例
嵌入式系统的具体应用

家用方面：数字电视、信息家电、智能玩 具、手持通讯、存储设备的核心。
嵌入式系统的具体应用

家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、 煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗 系统，远程点菜器等。
嵌入式系统的具体应用

军事侦察
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。
嵌入式系统的具体应用

反恐防暴
2002年11月28 日，以色列 一选举投票 点，发生枪 击事件，造 成至少7人 死亡，数十 人受伤。以 警方用机器 人在检查一 具巴勒斯坦 枪手的尸体。

各种可以完成逻辑功能的设备
1、标准计算机系统（大型机、服务器、工 作站、PC、工控器等） 2、单片机 3、DSP 4、数字电路 非“计算机系统” 5、可编程逻辑器件 6、嵌入式系统
标准计算机系统
通用，功能更为丰富 系统的升级能力强 结构复杂 功耗高 难以用于“嵌入式”应用

单片机
控制 运算


通信-----延伸出来，但是应用越来越广泛
嵌入式实时系统在通信系统的应用

嵌入式实时系统的应用范围已经扩展到许多领域，尤其在通信领域 更是得到了前所未有的发展。随着网络新业务的开通和新设备的增 加，电信网络管理成为个日益突出的问题而备受关注。

ห้องสมุดไป่ตู้
通信网络的扩大、新业务和新设备的大量增加要求网络管理不但具
嵌入式系统 Embedded System
河北科技大学 赵哲
Before the Begin
你的职业理想： 研发工程师 本专业相关辅助工作 与专业完全无关的工作 考研 没有理想

你的未来掌握在自己的手中
大四对你人生的影响 不亚于高考
对这门课的要求
知道什么是嵌入式系统 知道嵌入式系统涉及到哪些知识 知道嵌入式设计的一般流程 了解嵌入式发展的动态和方向 搭建学习嵌入式系统的框架，减少日后自 学的盲目性（自学的最大难点是如何客服 盲目性）
嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方 法。
开发：交叉编译，交叉链接 调试：仿真器，虚拟机 更新：在线升级等。
嵌入式系统与PC之间的区别（6）

嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用 技术。
系统结构：状态控制器，中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备，端口 操作系统：设置运行任务，通讯 编译原理：交叉编译
1.1、嵌入式系统的定义
6.我的定义 内涵： 充分条件： 1、以操作系统为软件平台； 2、专门设计的为应用优化的硬件平台。
1.1、嵌入式系统的定义
6.我的定义 广义：非通用计算机系统。 狭义：以嵌入式处理器为硬件核心，以嵌入 式操作系统为软件核心，为某专一用途 专门设计的计算机系统。
嵌入式系统与单片机、PC的区别