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1、嵌入式系统黄 浩,课程目的：1、学习嵌入式系统原理 2、了解嵌入式系统开发方法 3、注重实践，培养动手能力,课程特点,自己动手搭建嵌入式系统的开发平台，熟悉应用开发，更方便地学习和理解嵌入式系统的基础知识从纯软件到硬/软件结合从编程序到板上调试,课程安排：24/616/46周课，4次实验课程内容：1.硬件,2.软件,3.OS,4.实验考核方法:考试 60%实验:40%,1 符意德.嵌入式系统设计原理及应用.清华大学出版社 2 杜春雷.ARM体系结构与编程.清华大学出版社3 周立功.ARM嵌入式系统基础教程.北航出版社4 王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用.清华大学出版社,参考资料,嵌入式系
2、统第一章 概述,1、什么是嵌入式系统2、嵌入式系统的特点、功能与组成3、微控制器与微处理器4、CISC与RISC系统结构5、边界扫描测试技术JTAG6、嵌入式系统技术发展趋势,嵌入式系统的硬件成分,本节提要,1,3,2,5,4,6,嵌入式系统的定义,嵌入式系统的特点、功能与组成,边界扫描测试技术JTAG,CISC与RISC系统结构,微控制器与微处理器,嵌入式系统技术发展趋势,计算机历史,第一代计算机（19451955）特征：真空管和插板 编程：机器语言 用途：数值计算（计算函数值）第二代计算机（19551965）特征：晶体管和批处理 编程：汇编语言，FORTRAN用途：科学计算（解偏微分方程）
3、代表机型：IBM7094，IBM1401 操作系统：FMS，IBMSYS第三代计算机（19651980）特征：集成电路和多道程序，Spooling，分时系统编程：Basic，C语言 用途：科学计算、商业数据处理代表机型：IBM360系列，M.I.T.CTSS，MULTICS（IBM，GE，MIT）小型机PDP(DEC)第四代计算机特征：个人计算机 编程：C+，Java，用途：个人信息处理、商业数据处理和科学计算代表机型：IBM PC，RISC结构操作系统：MS-DOS，UNIX 分布式操作系统和网络操作系统,无处不在的计算机,施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为：“
4、从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。全世界的计算机科学家正在形成一种共识:计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物,而是将变得小巧玲珑,无处不在.他们藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能强大,确有无影无踪.人们将这种思想命名为:“无所不在的计算机”。,嵌入式Internet应用,嵌入式系统定义,什么是嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded Systems）是指：“嵌入到对象体系中的、用于执行独立功能的专用计算机系统”。定义为以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基
5、础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件硬件可剪裁的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有等严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统定义,嵌入式系统的嵌入式本质就是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。,嵌入式系统定义,最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的 ROM中仅有实现单一功能的控制程序，无操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理（PDA）、手持电脑（HPC）等，具有与 PC几乎一样的功能。实质上与PC的区别是将微型操作系统与应用软件嵌入在 ROM、RAM或FLASH存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的
6、。如 列控系统 行车电脑,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,嵌入式系统定义,从广义上讲，凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统，如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但他们的软件的能力有限。为了得到合适的功能,推荐使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。其中硬件包括嵌入式处理器、控制器、数字信号处理器（DSP）、存
7、储及外设器件、输入输出（I/O）,由于应用领域不同，应用程序千差万别。根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。,嵌入式系统定义,按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）板级（单板、模块）芯片级（MCU、SoC）因此，有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统
8、是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。,嵌入式系统与PC之间的区别,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统可以采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具,嵌入式操作系统与常规操作系统有着显著的区别，并形成一个重要的分支和独特的研究方向。,嵌入式系统的发展概述,单片机 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随
9、机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。,嵌入式系统的发展概述,1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器Intel 4004，标志着第一代微处理器问世。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）1973
10、年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second）。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动
11、控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。,嵌入式系统的发展概述,较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，
12、8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。-8位cpu-片内带振荡器，频率范围为1.2MHz12MHz-片内带128B的数据存储器和4KB的程序存储器-4个8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3,一个全双工的串行I/O接口-两个16位定时、计数器-两个优先级别的五个中断源-111条指令，包含乘法指令和除法指令 有较强的位处理能力 片内采用单总线结构,采用单一+5V电源52系列是增强型，有8032、8052、8752、8952四个机种。8052的ROM为8KB，RAM为256B；8032的RAM也是256B，它没有ROM，这两种单片机比8051和8031多了一个定时器/计数器
13、，增加了一个中断源。,嵌入式系统的发展概述,早期阶段 SCMSCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。中期发展 MCUMCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。在发展MCU方面，最著
14、名的厂家当数Philips公司。当前趋势 SOCSoC嵌入式系统(System on Chip）式的独立发展之路，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。,嵌入式系统的发展概述,1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VRTX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通
15、讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleus，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。今天RTOS已经在全球形成了一个庞大的产业。,本节提要,1,3,2,5,4,6,嵌入式系统的定义,嵌入式系统的特点、功能与组成,边界扫描测试技术JTAG,CISC与RISC系统结构,微控制器与微处理器,嵌入式系统技术发展趋势,嵌入式系统的特点,嵌入式系统特别强调“量身定做
16、”的原则，开发人员往往需要针对某一种特殊用途开发出一个截然不同的嵌入式系统来，所以我们很难不经过“大量”修改而直接将一个嵌入式系统全套用到其他的嵌入式产品上去。“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。嵌入式系统的特点是由三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。,嵌入式系统的特点,与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/环境（可靠）、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关
17、特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。,嵌入式系统的特点,与通用的计算机系统化相比，嵌入式系统具有以下显著特点。系统内核小 专用性强 运行环境差异大可靠性要求高 系统精简和高实时性操作系统 具有固化在非易失性存储器中的代码 嵌入式系统开发工作和环境,嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而
18、操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,嵌入式系统的特点,嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。位、位单片机，16位、32位、64位嵌入式CPU。实时操作系统 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。,嵌入式系统的特点,系统响应时间（System response time）：系统发出处理要求，到系统给出应答信号的时间。任务切换时间（Context-switching time）：任务之间切换而使用的时间。中断延迟（Interrupt la
19、tency）：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中断服务程序的时间。,嵌入式系统的特点,嵌入式系统的功能,1.提供网络服务针对外部联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息等）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口。同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。,嵌入式系统的功能,2.小型化、低成本、低功耗 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量
20、和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能等。因此，既需要软件人员具有丰富的开发经验，更需要发展先进的嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。,嵌入式系统的功能,3.人性化的人机界面亿万用户之所以乐于接受嵌入式设备，其重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力。它具有自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕
21、上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。,嵌入式系统的功能,4.完善的开发平台 随着Internet技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像移动电话、固定电话及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计者一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32位、64位RISC芯片或数字信号处理器（DSP）增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。,嵌入式系统的硬件和软件特征,嵌入式系统是将嵌入了软件的计
22、算机硬件作为其最重要部分的系统，它是一种专门用于某个应用或生产的特殊产品的计算机系统。由于其软件通常嵌入在ROM(只读存储器)中，因此，不像计算机那样需要辅助存储器，早期嵌入式系统自低向上包含3个部分。如图1-1所示。嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统（RTOS）和嵌入式系统应用。,嵌入式系统的硬件和软件特征,应用程序与操作系统的接口,操作系统与 硬件的接口,嵌入式系统的硬件和软件特征,经过不断地发展，嵌入式系统原有的3层结构逐步演化成为4层结构。这个新增加的中间层称为硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL），有时也称为板级支持包（Boa
23、rd Support Package，BSP）。这个新增加的中间层次位于操作系统和硬件之间，包含了操作系统中与硬件相关的大部分功能。它能够通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。,嵌入式系统的硬件和软件特征,由于引入了一个中间层，屏蔽了底层硬件的多样性，操作系统不再面对具体的硬件环境，而是面对由这个中间层次所代表的、逻辑上的硬件环境，因此，把中间层次叫做硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer,HAL）。图1-2显示了引用HAL以后的嵌入式系统。HAL的引入大大推动了嵌入式实时系统的通用化，从而为嵌入式
24、系统的广泛应用提供了可能。,嵌入式系统的硬件和软件特征,应用程序与操作系统的接口,操作系统与HAL的接口,HAL与硬件的接口,硬件抽象层,硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务。当操作系统或应用程序试用硬件抽象层API进行设计时，只要硬件抽象层API能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以移植。,硬件抽象层,板级支持包（Board Support Package，BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，是嵌入式操作系统能够
25、通用与BPS所支持的硬件平台，从而实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性，以及嵌入式操作系统的通用性、复用性。,硬件抽象层,BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形势的BSP。例如，对应同一个CPU来说，要实现同样的功能，VxWorks的BSP和Linux的BSP的写法和接口定义却完全不同。因此，BSP一定要按照具体操作系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改），这样才能与上层操作系统保持正确的接口，良好地支持上层操作系统。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统的主要特点如下:体积小 实时性 特殊的开发调试环境,嵌入式操作系统,嵌入式系
26、统的分类,根据不同的标准，嵌入式系统有不同的分类方法。1.按嵌入式微处理器的位数分类 4位8位16位32位64位.其中，4位、8位、16位嵌入式系统已经获得了大量应用，32位嵌入式系统正成为主流发展趋势。而一些高度负责和要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用64位嵌入式微处理器。,嵌入式系统的分类,2.按软件实时性需求分类非实时系统（如PDA）软实时系统（如消费类产品）硬实时系统（如工业实时控制系统）,嵌入式系统的分类,3.按嵌入式系统的复杂程度分类小型嵌入式系统中型嵌入式系统复杂嵌入式系统,嵌入式系统的应用,工业过程控制 网络通信设备 消费电子产品 航空航天设备 军事电子设备和现代武器,典型嵌
27、入式系统基本组成硬件,嵌入式系统的开发环境,由于其本身不具备自主开发能力，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，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,习题1,1.嵌入式系统的概念是什么？2.嵌入式系统的特点是什么？3.请叙述嵌入式系统的发展过程。4.嵌入式系统的功能是什么？5.嵌入式系统的硬件平台由哪些部分组成？6.硬件抽象层有哪些特点？7.嵌入式操作系统的主要特点是什么？8.请叙述嵌入式系统的分类。9.举例说明嵌入式的应用领域。,谢 谢 各 位,
