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1、,1.嵌入式系统,嵌入式系统开发技术导论,北京理工大学计算机学院2006,目录,什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件,什么是嵌入式系统？,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。简而言之，它是完成特定任务的计算机系统。,IEEE对嵌入式系统的定义,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,machiner
2、y or plants.）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。,嵌入式系统的发展,以单芯片为核心的系统硬件：单片机软件：无操作系统，采用汇编语言实现系统的功能以嵌入式CPU为基础，嵌入式OS为核心硬件：嵌入式微处理器软件：采用嵌入式操作系统以基于Internet为标志的嵌入式系统,嵌入式系统特点,实时性 可裁剪 小尺寸（资源，代码，规格）低功耗 高效率,什么是实时性?,对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑正确性相关，而且与系统的响应时间相关。如果系统的响应不能满足时限要求，即使它能得到正确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。,操作系统中的实
3、时性:操作系统对时限要求的一种响应能力。,实时系统,在时限范围内的正确响应 通常是嵌入式系统 通常是分布式系统 对时限要求的不同 硬实时系统 软实时系统,硬实时和软实时,硬实时 系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。软实时 系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所影响而已。如数据采集系统。,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一般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
4、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,嵌入式系统结构,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。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；而操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用,嵌入式系统硬件,嵌入式系统硬件,CPUIntel x86PowerPC(Mac)G3,G4,G5SPARC,AlphaARMMIPS位宽 8位控制器(仍然存在!)16位控制器(主流)32位控制器(开始流行)64位控制器(高性能),嵌入式
5、系统软件的层次结构,硬件抽象层HAL,硬件,板级支持包BSP,设备驱动程序,操作系统,操作系统API,应用程序,嵌入式软件 目标,设计可靠、稳定、高效的嵌入式软件，需要考虑,继承性 有限的资源 多样性 可读性,并发性 兼容性 实时性 层次,嵌入式系统软件的特点,嵌入式系统,有限的资源,实时性,操作系统与用户软件 没有明显的界线,开发模式,嵌入式处理器的相关基础知识,嵌入式处理器的特点嵌入式处理器分类典型嵌入式处理器介绍,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。范围极其广泛，从最初的4位处理器，到目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的16位、32位和64位
6、嵌入式处理器。,嵌入式处理器的特点(1/2),对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断,嵌入式处理器的特点(2/2),可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级,嵌入式处理器分类,嵌入式微控制器M
7、CU嵌入式微处理器MPU嵌入式数字信号处理器DSP片上系统SOC可编程片上系统SOPC,1.嵌入式微控制器MCU,嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其中位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash memory、E2PROM等各种必要功能和外设。,微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，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，适合于控制，因此称为微控制器。,由于MCU低
8、廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括MCS-51系列、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。Microchips公司、TI公司的产品功耗极低，非常适用于电池供电的仪器仪表。近来Atmel公司推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。,2.嵌入式微处理器MPU,嵌入式微处理器MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用
9、中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余的功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。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。典型的嵌入式微处理器MPU:MIPS，PowerPC,StrongARM,S3C2410,Pxa255.,目前主要的嵌入式微处理器有：,AMD公司：Am186/88、Elan系列Intel公司：386EX、XScale NS（AMD）公司：Geode系列ST公司：STPC（SOC）Motorola公司：Power PC（IBM）、68000、MIPS公司：MIPS 32 4Kc和MIPS 64 5KcARM
10、公司：ARM7、ARM9E、ARM10E、ARM11、Securcore 6个系列,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单,3.嵌入式数字信号处理器DSP,DSP是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、F
11、FT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成、编码解码器和数控系统中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2X/C5X系列，另外如ADI、Motorola、Intel和Siemens公司也有各自的DSP产品。,冯诺依曼体系的特点,数据与指令都存储在存储器中被大多数计算机所采用ARM7冯诺依曼体系,哈佛体系结构,哈
12、佛体系结构的特点,程序存储器与数据存储器分开提供了较大的数存储器带宽适合于数字信号处理大多数DSP都是哈佛结构ARM9是哈佛结构,4.片上系统（System On a chip),它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操
13、作系统的代码模块。运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准（SOPC），然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于SOC往往是专用的，所以不为大部分用户所知，如 Philips的Smart XA。Siemens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。,SoC所具有的其他的优点：,利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,5.可编程片上系统SOPC,SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，用户可以利用SOPC平台自行设计各种高速高性能的DSP处理器或特定功能的CPU处理器.,
