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1、学习嵌入式系统 迎接新技术挑战,（代 序）,嵌入式系统是后PC时代的支撑技术嵌入式系统的发展嵌入式系统的若干概念嵌入式系统的两种应用模式学习嵌入式系统，迎接新技术挑战关于嵌入式系统的教学,近50年的计算机发展历程大致可归纳成以下几个阶段：20 世 纪60年代是大型机年代（IBM 360 为代表）；70年代是小型机 年代（以DEC PDP 为代表）；80 年代是微型机的年代（以Intel 和微软为代表,简 称Wintel）；90 年代是（PC 网 络）的年代。我 们 面 临 的21 世纪将是“Internet 后PC”的 年 代。后PC 时代的特征：计算机、通信 和 消费类电子产品的技术将结合起
2、来，以3C产品的形式（computer 计算机，communication 通讯，cotrol 控制 或Consumer消费类电子）通过Internet 进入家庭。,一、嵌入式系统是后PC时代的支撑技术,哪些专业可以涉足嵌入式系统技术领域？计算机业、电子、通信、控制类专业应立即行动 物理专业、机械专业可以有所作为 化学、生物、数学专业有兴趣的学生能够涉足 不同专业、不同知识背景的学生可以从不同的角度切入。,二、嵌入式系统的发展始于单片机1、20世纪70年代，微处理器的出现，计算机的应用出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房进入寻常百姓家庭；基
3、于高速数值运算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。嵌入式计算机系统的诞生，标志着计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，微型计算机的高速发展。,2、嵌入式计算机系统与通用计算机系统的区别通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是速度的提升和存储容量的扩大。嵌入式计算机系统的技术要求是对对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力、控制的可靠性、低能耗，低价格。,3、嵌入式系统的单板机时代去除冗余的勉为其难方案单板化Z8
4、0单板机：主要使用Zilog公司芯片6800单板机：主要使用Motorola公司芯片,4、单片机时代 什么叫单片机单片机是单片微型计算机的简称。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路，这条道路就是单芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片微机在一块芯片上集成了运算器、控制器，构成了通常所说的CPU；同时在片内还集成有定时器、片内振荡器、ROMEPROM、RAM、特殊功能寄存器、存储器扩展控制器、并行IO控制、串行口控制器，尽管单片微机中没有键盘等
5、输入设备，也没有CRT等输出设备，但单片微机允许利用IO接口与各种输入输出设备相连。,单片机的特点：体积小：单片机在一个芯片中集成了CPU、ROM、RAM、计数器定时器及众多的IO接口，因此，一个芯片就是一台微型机。面向控制：单片机一般用于各类控制系统和智能化仪器仪表中，而且，使用单片机的设备，在硬件基本不变的情况下，往往只需要改变单片机中的程序，就可以成为新一代的产品。指令系统简洁：由于单片机的程序常常放在片内ROM中，而片内ROM的容量有限，所以，要求指令简洁。以MCS-51单片机的指令系统为例，有近半数的指令为单字节指令，剩下的指令中，多数为2字节指令，只有少数为3字节指令。,性能价格比
6、高：目前，不到10圆人民币就可以买到单片机，而在功能上，它就是一台微型机，所以，只要花费很小的代价就可以实现对一些系统的计算机控制。现在，单片机已经广泛应用于测量系统和工业控制系统，以及电子仪表、家用电器、医疗仪器、计算机外部设备的控制中。可靠性好：由于单片机内部就含有ROM、RAM 和 I/O端口，这样，可以省去很多外部连线，也简化了印刷电路板的设计加工，所以，它比用多个芯片构成的微型机不仅可靠性要高而且可以节约很多附带开销。研制周期短、收效快：通常微型机系统的研制周期都比较长，一个成功的微型机系统从设计、研制，直至受到用户的认可，需要1年甚至几年时间。但单片机往往结合一个具体系统进行开发，
7、目的单一，容易设计和实现，这样，研制周期大大缩短。,比较典型的单片机系列8048系列：Intel公司产品8035、8048、87488051系列：Intel公司产品8031、8051、8751Z8系列：Zilog公司产品68系列：Motorola公司产品,5、微控制器（MCU）单片微计算机可分为专用型和通用型两大类：通用型单片机把可开发资源(如ROM、IO口等)全部提供给使用者。上面所说的各种系列的单片机均属通用型单片机。专用型单片机也叫专用微控制器（Micro Controller Unit，MCU），它是在单片机的基础上，将各种形态的智能单元、工业测控模块或微控制系统进一步集成化的产品。例
8、如，录音机机芯控制器、打印机控制器等。Intel公司以技术转让、技术互换的方式对MCS-51内核实施技术开放后，Philips、Atmel、ADI、WINBIND、DALLAS、Siemens 等一批知名公司的介入，以MCS-51为内核形成了新一代的80C51系列的微控制器（MCU），当前Cygnal公司推出的C8051F又将与80C51兼容的微控制器技术推上了一个新的高度。,6、SOC和SOPC 向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在单芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了片上系统化（SOC）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
9、计会有较大的发展。因此，单片机的发展可以概括为从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。SOC：通常指在集成电路生产线上生产的片上系统，适合于需求量大的情况。SOPC：可编程片上系统，适合于研发阶段和小批量需求的应用。SOPC与SOC的关系类似于EPROM与ROM的关系。,当前嵌入式系统应用已经进入4位、8位16位、32位并行发展的时期；高端应用以32位为主，低端应用以8位为主,高端应用已经有相对完善的操作系统，这导致了嵌入式系统从业人员结构的变化，偏软的计算机专业人才也加入了嵌入式应用的队伍。,嵌入式系统应用示例：,嵌入式系统应用示例：,嵌入式系统应用示例：,三、嵌入式系统的若干概念
10、嵌入式系统的定义嵌入式系统的组成嵌入式系统的特点,嵌入式系统的定义嵌入式系统(Embeded System)：指以应用为中心，以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。简单定义：“嵌入到对象体系中的专用的计算机系统”。“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。,嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统、嵌入式应用软件四部分组成。,1嵌入式处理器嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中。所以通常把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有
11、利于嵌入式系统设计的小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器(MCU)中高端的嵌入式微处理器(EMPU)常用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器(EDSP)高度集成的嵌入式片上系统(SOC)。现今市面上有1000多种嵌入式处理器芯片，其中以ARM，PowerPC，MC68000，等使用得最为广泛。,2嵌入式外围设备指除了中心控制部件(MCU，DSP，EMPU，SOC)以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类。存储器类型：静态易失型存储器(RAM，SRAM)、非易失型存储器(ROM，EPROM，EEPROM，
12、FLASH)。接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，但是以下几种接口，其应用最为广泛。RS-232接口(串口)、Ethernet(以太接口)、USB(通用串行接口)普通并口。IRDA(红外线接口)、SPI(串行外围设备接口)、I2C显示类型：CRT，LCD和触摸屏等外围显示设备。,4嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域、基于相应的嵌入式硬件平台、并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些嵌入式应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统。为减少系统的成本，除了精简每个硬件单元的成本外，还要尽可能地
13、减少嵌入式应用软件的资源消耗。这就要求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要尽可能地优化。,嵌入式系统的特点 与“嵌入性”相关的特点：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)、电气气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的可裁剪性去除冗余，力争在一个芯片上，实现满足对象要求的最小软、硬件配置。与“计算机系统”的相关特点：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。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各
14、领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,四、嵌入式系统的两种应用模式 非计算机领域的电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面实现传统电子系统智能化的嵌入式底层应用。由计算机领域人员介入的，在体系结构、软件技术方面的研究。（基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信和消费类电子产品为主的嵌入式非底层应用）,嵌入式系统开发的层次结构,硬件抽象层又叫着板级支持包,理工类大学生都应当学习嵌入式系统技术；嵌入式系统应用是不可垄断的高度分散的技术领域，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。各不相同的应用领域决定
15、了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业高新技术创新的余地很大。嵌入式系统技术适合中国的国情,五、掌握嵌入式系统 迎接后PC时代的技术挑战,不同的专业应当从不同的角度选择切入点嵌入式系统技术的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。电子类专业应当选择EDA和SOC技术方向；计算机专业可以有两个选择：软硬件结合方向-与硬件的紧耦合 软件方向-与硬件的松耦合 其他理工类专业应当立足自身专业的应用其知识结构是：逻辑层面的硬件知识（了解到芯片级）单片机知识、简单的电路知识 自身的专业知识,计算机技术和微电子技术的结合形成
16、了吸纳知识的黑洞，这使得电子领域的专家面临窘境，但同时为其他各个领域的研究和应用开发，提供了应用高新技术的可能。电子设计被基于微电子技术的各种芯片所代替；电子技术领域人才的应用方向将产生分化；非电子领域的专家只要略懂电子技术就可以在芯片层次上应用高新电子技术成果，进行本领域的设计创新和集成创新。这种局面为我们这个层次学校的学生提供了绝佳的机遇。,EDA技术和SOPC设计技术是一种基于软硬件平台，通过软件的方法来高效地完成硬件设计的计算机技术。灵感和创新自由发挥的天地；软件硬件无缝的融合；有利于知识产权保护的最佳选择。,注重实践，动脑动手，培养兴趣从8位机开始，越深入兴趣越高；拥有一个仿真开发的硬件平台。,六、关于嵌入式系统的教学,学习嵌入式系统技术的可能性立足自身专业，选择合适的切入点。年青人的兴趣爱好是非常宝贵的资源。学院要创造实践的空间，学生要利用好自主学习的时间，个性化的发展往往能够改变人一生的命运。,大学教育的任务教育是投入，不是产业，教育注重基础，注重学科方向；培训可以社会化，是教育的补充,关于嵌入式系统的教学适合应用型人才培养方向的教学改革和课程建设问题；立足自身条件，选择合适切入点，办出专业特色。,
