《嵌入式技術(shù)應(yīng)用》課件-項(xiàng)目一 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

項(xiàng)目一嵌入式系統(tǒng)初識什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)由哪些部分組成？嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)定義與特點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域

嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢12435嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。第一款微處理器是Intel的4004，它出現(xiàn)在1971年，然后是是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時(shí)推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機(jī)均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、兩個(gè)16位定

時(shí)

器。之后在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051。1981年ReadySystem發(fā)展了世界上第1個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（VTRX32）包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PS/OS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX

等，PalmOS，WinCE，嵌入式Linux、Lynx、uC/OS、Nucleus，以及國內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1、無操作系統(tǒng)的單片機(jī)階段嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。2、以微控制器為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)階段從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。3、以通用的嵌入式系統(tǒng)和系統(tǒng)級芯片為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)階段90年代以后，隨著對實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。4、面向Internet的應(yīng)用階段嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。 可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。

以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟、硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶的應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)是由硬件和軟件相結(jié)合組成的具有特定功能、用于特定場合的獨(dú)立系統(tǒng)。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)由普通硬件和通用操作系統(tǒng)構(gòu)成，可以執(zhí)行各種應(yīng)用程序由專用硬件和嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)成，專門執(zhí)行特定的應(yīng)用程序包含通用操作系統(tǒng)根據(jù)功能不同，可能包含操作系統(tǒng)，也可能不包含操作系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用是用戶可編程的，中斷用戶可以重裝操作系統(tǒng)，也可以添加、刪除應(yīng)用程序嵌入式系統(tǒng)的固件是預(yù)編程的，終端用戶不可以更改。不過，對于某些支持OS內(nèi)核的系統(tǒng)，可通過特殊硬件設(shè)置完成更新在系統(tǒng)選型的時(shí)候，性能是關(guān)鍵的決定性因素，一般說來，速度越快越好特定應(yīng)用需求（比如性能、功率需求、內(nèi)存使用等）是關(guān)鍵的決定性因素很少或不需要通過降低配置來減少系統(tǒng)運(yùn)行的功耗需求，具有不同級別的電源管理方案對于往往經(jīng)過了大量裁剪，可在硬件與操作系統(tǒng)的支持下在省電模式工作響應(yīng)時(shí)間需求不是至關(guān)重要的對于特定類型的嵌入式系統(tǒng)而言（比如任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)），響應(yīng)時(shí)間需求是至關(guān)重要系統(tǒng)執(zhí)行得到功能不需要是確定性的對于特定類型的嵌入式系統(tǒng)而言（比如硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)），執(zhí)行的功能是確定性的嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）面向特定應(yīng)用，軟、硬件可剪裁可配置嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。

（2）高實(shí)時(shí)性

這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時(shí)性。

（3）計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合。技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。（4）低功耗、成本、高可靠性、高穩(wěn)定性

嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)工作在特定環(huán)境，且系統(tǒng)資源相對有限。軟件代碼短小精悍，代碼可固化

提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性。弱交互性。

人機(jī)交互以簡單方便為主。（5）與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，具有較長的生命周期。（6）嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。

（7）嵌入式處理器、操作系統(tǒng)多樣性（8）嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。嵌入式系統(tǒng)的模塊化組成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)類電子產(chǎn)品：玩具、照相機(jī)居家用品：電視、洗衣機(jī)自動化家用與安全系統(tǒng)：智能家居報(bào)警系統(tǒng)汽車工業(yè)：ABS、自動導(dǎo)航系統(tǒng)電信：移動電話、手持式多媒體應(yīng)用計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備：掃描儀、傳真機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)醫(yī)療保?。横t(yī)療用掃描儀測量與儀表：PLC系統(tǒng)銀行業(yè)與零售業(yè)：自動取款機(jī)、POS機(jī)讀卡器：條形碼、智能卡讀卡器可穿戴設(shè)備：健康和健身跟蹤器云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)嵌入式處理器

嵌入式處理器可編程片上系統(tǒng)SOPC嵌入式片上系統(tǒng)SOC嵌入式數(shù)字信號處理器DSP嵌入式微控制器MCU嵌入式微處理器MPU嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）

MPU嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的，其中ARM/StrongARM是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式處理器，屬于中檔的價(jià)位。嵌入式微處理器的特點(diǎn)：

1、對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間。

2、具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。

3、可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。

4、嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此。嵌入式微控制器（MicroControllerUnit,MCU）總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個(gè)MIPS，進(jìn)行一些復(fù)雜的應(yīng)用很困難，運(yùn)行操作系統(tǒng)就更難。嵌入式微控制器的典型代表就是單片機(jī)。微處理器微控制器微處理器是具有CPU的硅芯片，能夠根據(jù)廠商預(yù)定義的指令集，執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算微控制器是具有高集成度的芯片，其中包括CPU、RAM、ROM/FLASH存儲器、專用寄存器陣列與通用寄存器陣列、定時(shí)器、中斷控制單元、專用I/O端口等是非獨(dú)立單元，需要結(jié)合其他芯片（比如定時(shí)器、程序存儲器芯片、中斷控制器等），才能完成所需功能是獨(dú)立單元，不需要外部中斷控制器、定時(shí)器、UART等，就能夠完成所需的功能常用于通用設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用于專用設(shè)計(jì)領(lǐng)域不包含內(nèi)置I/O端口。只有在外部可編程外設(shè)接口芯片（比如8255）的輔助下，才能實(shí)現(xiàn)I/O端口功能通常含有多個(gè)內(nèi)置I/O端口，可以作為單個(gè)8/16/32位端口或獨(dú)立端口運(yùn)行面向高端市場，重點(diǎn)關(guān)注性能面向嵌入式市場，性能并非那么重要（不過，目前微控制器的性能要求也越來越高）與微控制器相比，節(jié)能方面的設(shè)計(jì)較少節(jié)能功能較多嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP是運(yùn)算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。嵌入式片上系統(tǒng)（SystemonChip，SOC）它是IC設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。采用SOC設(shè)計(jì)技術(shù)，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計(jì)算、多媒體應(yīng)用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。嵌入式可編程片上系統(tǒng)（SystemProgrammingonChip，SPOC）它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個(gè)或幾個(gè)預(yù)先編程好以用來執(zhí)行少數(shù)幾項(xiàng)任務(wù)的微處理器或者單片機(jī)組成。與通用計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時(shí)不變的；所以經(jīng)常稱為“固件”。典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件MPU微處理器電源模塊時(shí)鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設(shè)典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－軟件處理器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)軟件組成部分嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件硬件抽象層板級支持包設(shè)備驅(qū)動程序操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口函數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem，EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。嵌入式軟件的基本特點(diǎn)軟件要求固態(tài)化存儲軟件代碼的質(zhì)量和可靠性高許多應(yīng)用要求系統(tǒng)軟件具有實(shí)時(shí)處理能力多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢1、32位處理器成為市場主流2、小型化、低成本、低功耗3、人性化的人機(jī)界面4、完善的開發(fā)平臺5、可編程邏輯器件的興起6、產(chǎn)品提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)