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• 现实中的嵌入式系统
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• 嵌入式系统的概念
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。
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• 嵌入式处理器
——嵌入式片上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。用户只 需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体 工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统 大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很 简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、 Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研 制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为 一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA 单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块 硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众 互联网如Internet安全方面。
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• 基本概念
——前后台系统
后台 循环中调用 相应的函数完成 相应的操作，这 部分可以看成后 台行为，后台也 可以叫做任务级。 这种系统在处理 的及时性上比实 际可以做到的要 差。
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• 现实中的嵌入式系统
即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系 统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些 产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例 如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导 弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达 几十个嵌入式系统。 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未 必知道它们。事实上，几乎所有带有一点 “智能”的家 电（全自动洗衣机、电脑电饭煲 …）都是嵌入式系统。 嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工 作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。
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第1章 目录
� 1. 嵌入式系统 � 2. 嵌入式处理器 � 3. 嵌入式操作系统
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1.3 嵌入式操作系统
• 概述
计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有 操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。 随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资 源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的 要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形 成了操作系统(Operating System)。发展到现在，广泛 使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时 操作系统以及实时操作系统。
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1.2 嵌入式处理器
• 分类
嵌入式处理器可以分为以下几大类： �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）。
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• 嵌入式处理器
——嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将 微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的 母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式 应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基 本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做 了各种增强。 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。
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第1章 目录
� 1. 嵌入式系统 � 2. 嵌入式处理器 � 3. 嵌入式操作系统
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• 嵌入式处理器
——概述
早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（ PC） 中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器 制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处 理器建造，而不是用通用目的的处理器。 这些嵌入式 处理器可以大致分为以下几类： �注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于 PDA等不注重计算的设备； �注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算 密集型的设备； �注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。 应用于蜂窝电话等设备；
第1章 嵌入式系统概述
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第1章 目录
� 1. 嵌入式系统 � 2. 嵌入式处理器 � 3. 嵌入式操作系统
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第1章 目录
� 1. 嵌入式系统 � 2. 嵌入式处理器 � 3. 嵌入式操作系统
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1.1 嵌入式系统
• 概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变 还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有 自己独特的个性。例如， MP3、数码相机与打印机就 有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使 汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。
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1.3 嵌入式操作系统
• 概述
多道批处理操作系统 监 控 程 序 操 作 系 统 分时操作系统 实时操作系统 时 间 先 后
适用于计算中心等较大 的计算机系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中
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1.3 嵌入式操作系统
• 概述
多道批处理操作系统 监 控 程 序 操 作 系 统 分时操作系统 实时操作系统 时 间 先 后
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• 嵌入式处理器
——嵌入式DSP处理器
DSP处理器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。在数字滤波、 FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正 从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式 DSP处理器。 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列处理器包括 用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的 C6000和C8000系列。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，特点是具备双Harvard结构和 双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。
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• 嵌入式系统示例 ——汽车控制系统
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• 嵌入式系统示例 ——汽车控制系统
前车门控 制系统 发动器控 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
座椅控制 系统
马达 控制器 车灯
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• 嵌入式系统的未来
早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且 具有很长的产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌 入式工业经历了巨大的变革。 �产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到 6～9个 月。 �全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。 �互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有 线和刚刚显露头角的无线技术。 �基于电子的产品更复杂化。 �互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应 用。 �微处理器的处理能力按莫尔定律（ Moore’s L aw） 预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管 个数每18个月翻一番。
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1.3 嵌入式操作系统
• 实时操作系统的特点
总的来说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间范围内作出响应。它 强调的是实时性、可靠性和灵活性, 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可以分 为两种：一般实时操作系统 一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统。
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1.3 嵌入式操作系统
• 实时操作系统的特点
一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机 一般实时操作系统 和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供 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 嵌入式实时操作系统 控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发 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 固化使用实时性强 (在毫秒或微秒数量级上 )的特点 。
适用于计算中心等较大 的计算机系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中 实时操作系统是 我们介绍的重点
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1.3 嵌入式操作系统
• 实时操作系统的特点
IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具 备以下的几点: �异步的事件响应 �切换时间和中断延迟时间确定 �优先级中断和调度 �抢占式调度 �内存锁定 �连续文件 �同步
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1.3 嵌入式操作系统
• 基本概念
——前后台系统
对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无 限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计， 例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处 理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在 停机状态，所有事都靠中断服务来完成。
ROM RAM
外设1 CPU 外设2
单板计算机
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• 嵌入式处理器
——嵌入式微控制器
嵌入式微控制器又称单片机 单片机，它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、 EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一 个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都 是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片 复位 看门狗 晶振 机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和 部件 部件 部件 成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积 定时器 I/O CPU 核 大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前 部件 部件 嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富， 中断 适合于控制，因此称微控制器 微控制器。 SRAM ROM 部件 部件 部件 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用 系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、 MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU 占嵌入式系统约70％的市场份额。
目录
• • • • • • • • 第一章 嵌入式系统概述 第二章 嵌入式系统工程设计 第三章 ARM7体系结构 第四章 ARM7TDMI(-S)指令系统 第五章 LPC2000系列ARM硬件结构 第六章 接口技术与硬件设计 第七章 移植μC/OS-II到ARM7 第八章 嵌入式系统开发平台
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