第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ),范道爾吉,什么是嵌入式？,什么是嵌入式？,嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個角落，工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費電子，而恰恰由于這種范圍的擴大，使得“嵌入式系統(tǒng)”更加難于明確定義。,什么是嵌入式？,舉個簡單例子：一個手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系統(tǒng)呢？答案肯定是“是”。另外一個PC104的微型工業(yè)控制計算機你會認為它是嵌入式系統(tǒng)嗎？當(dāng)然，也是，工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個典型應(yīng)用領(lǐng)域。然而比較兩者，你也許會發(fā)現(xiàn)二者幾乎完全不同，除了其中都嵌入有微處理器。那是否可以說嵌入著微處理器的設(shè)備就是嵌入式系統(tǒng)？那鼠標中也有單片機，能叫嵌入式系統(tǒng)嘛？,什么是嵌入式？,根據(jù)IEEE（國際電機工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。這主要是從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。,什么是嵌入式？,不過上述定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓，目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是： 以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)的歷史,雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來的，但是這個概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀七十年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史。 作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。,嵌入式系統(tǒng)的歷史,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、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，但是這時的應(yīng)用只是使用位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。,嵌入式系統(tǒng)的歷史,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。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。其中比較著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。,嵌入式系統(tǒng)的歷史,90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務(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。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,工業(yè)控制 交通管理 信息家電 家庭智能管理系統(tǒng) POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù) 環(huán)境工程與自然 機器人,嵌入式現(xiàn)狀和發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)組成,硬件,操作系統(tǒng),應(yīng)用程序,外設(shè),外圍電路,嵌入式系統(tǒng)典型硬件結(jié)構(gòu),微處理器,MPU,電源模塊,時鐘,復(fù)位,Flash,RAM,ROM,USB,LCD,鍵盤,其他,嵌入式處理器的分類,嵌入式處理器,嵌入式微處理器MPU,嵌入式微控制器MCU,嵌入式片上系統(tǒng)SOC,嵌入式數(shù)字信號處理器DSP,ARM,ARM（Adanced RISC Machines），是一個公司名字，也是一種處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)名字。 1991年ARM公司成立于英國Cambridge，主要銷售晶片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器,ARM,75%以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各方面。 ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)晶片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事晶片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的晶片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商（RFID射頻快報注：如PHILIPS、TI、Intel、BroadCom、ATMEL等）從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器晶片進入市場。,ARM,目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。,ARM 產(chǎn)品,CPU內(nèi)核 ARM7：小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。 ARM7TDMI(Thumb):這是公司授權(quán)用戶最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少內(nèi)存容量和系統(tǒng)成本。同時，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并用一個DSP增強擴展來改進性能。該,ARM 產(chǎn)品,產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動器。 ARM9TDMI:采用5階段管道化ARM9內(nèi)核，同時配備Thumb擴展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的兩倍之多。常用于連網(wǎng)和頂置盒。,ARM 產(chǎn)品,微處理器 ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低價、低能耗、封裝式常規(guī)系統(tǒng)微型處理器，配有高速緩存（Cache）、內(nèi)存管理、寫緩沖和JTAG。廣泛應(yīng)用于手持式計算、數(shù)據(jù)通信和消費類多媒體。,ARM 產(chǎn)品,ARM940T、920T系列:低價、低能耗、高性能系統(tǒng)微處理器，配有Cache、內(nèi)存管理和寫緩沖。應(yīng)用于高級引擎管理、保安系統(tǒng)、頂置盒、便攜計算機和高檔打印機。 StrongARM:性能很高、同時滿足常規(guī)應(yīng)用需要的一種微處理器技術(shù)，與DEC聯(lián)合研制，后來授權(quán)給Intel。SA110處理器、SA1100 PDA系統(tǒng)芯片和SA1500多媒體處理器芯片均采用了這一技術(shù)。,ARM 產(chǎn)品,ARM7500和ARM7500FE:高度集成的單芯片RISC計算機，基于一個緩存式ARM7 32位內(nèi)核，擁有內(nèi)存和I/O控制器、3個DMA通道、片上視頻控制器和調(diào)色板以及立體聲端口;ARM7500FE則增加了一個浮點運算單元以及對EDO DRAM的支持。特別適合電視頂置盒和網(wǎng)絡(luò)計算機（NC）。,常用嵌入式芯片 S3C2410,常用嵌入式芯片 S3C2410,內(nèi)部1.8V，存儲器3.3V，外部I/O3.3V，16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU。 內(nèi)置外部存儲器控制器（SDRAM控制和芯片選擇邏輯）。 LCD控制器，一個LCD專業(yè)DMA。 4個帶外部請求線的DMA。 3個通用異步串行端口（IrDA1.0，16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO），2通道SPI,常用嵌入式芯片 S3C2410,一個多主I2C總線，一個I2S總線控制器。 SD主接口版本1.0和多媒體卡協(xié)議版本2.11兼容。 兩個USB HOST，一個USB DEVICE（VER1.1）。 4個PWM定時器和一個內(nèi)部定時器。 看門狗定時器。 117個通用I/O。 56個中斷源。,常用嵌入式芯片 S3C2410,24個外部中斷。 電源控制模式：標準、慢速、休眠、掉電。 8通道10位ADC和觸摸屏接口。 帶日歷功能的實時時鐘。 芯片內(nèi)置PLL。 設(shè)計用于手持設(shè)備和通用嵌入式系統(tǒng)。 16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)，使用ARM920T CPU核的強大指令集。,常用嵌入式芯片 S3C2410,帶MMU的先進的體系結(jié)構(gòu)支持WinCE、EPOC32、Linux。 指令緩存（Cache）、數(shù)據(jù)緩存、寫緩存和物理地址TAG RAM，減小了對主存儲器帶寬和性能的影響。 ARM920T CPU核支持ARM調(diào)試的體系結(jié)構(gòu)。 內(nèi)部先進的位控制器總線（AMBA）（AMBA2.0，AHB/APB）。,嵌入式系統(tǒng)軟件組成,軟件組成,操作系統(tǒng),應(yīng)用軟件,系統(tǒng)內(nèi)核,用戶界面,驅(qū)動程序,通信協(xié)議,開發(fā)工具,調(diào)試器,編譯器,連接器,嵌入式操作系統(tǒng),在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開發(fā)更加方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲器分配、中斷處理、任務(wù)間通信、定時器響應(yīng)和多任務(wù)處理，即嵌入式操作系統(tǒng)。,嵌入式操作系統(tǒng),OS是一段嵌入在目標代碼中的軟件，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在OS之上。OS將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的API，并根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時間。,嵌入式操作系統(tǒng),主要功能： 處理器管理； 存儲器管理； 設(shè)備管理； 文件管理； 用戶接口；,嵌入式操作系統(tǒng),Windows CE Linux VxWorks Psos QNX uC/OS CMX iRMX,嵌入式操作系統(tǒng)分類,（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運行時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。如DOS操作系統(tǒng)。 （2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運行，把CPU的時間分按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如UNIX，Linux。,嵌入式操作系統(tǒng)分類,（3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。 由于嵌入式操作通常具有實時性的要求，又稱為實時操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System） 為什么使用RTOS？ 支持多任務(wù) 簡化應(yīng)用軟件的開發(fā)難度,實時操作系統(tǒng)RTOS,軟實時系統(tǒng)：系統(tǒng)時限柔性靈活，可容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，僅僅是輕微降低了系統(tǒng)的吞吐量。 硬實時系統(tǒng)：系統(tǒng)時限呈剛性。不可改變，不允許出現(xiàn)任何的超時錯誤。失敗造成的后果甚至可以導(dǎo)致系統(tǒng)失敗，或者導(dǎo)致系統(tǒng)不能實現(xiàn)它的預(yù)期目標。,幾種最常見的RTOS,軟實時RTOS 嵌入式Linux Win CE 硬實時RTOS VxWorks OSE Nuclear 著名的open RTOS uC/OS-II RTEMS 自主知識產(chǎn)權(quán)的RTOS HOPEN Delta OS,典型的嵌入式操作系統(tǒng),目前已經(jīng)商品化的嵌入式操作系統(tǒng)有兩百多種，如Microsoft的WinCE、嵌入式Linux等。,典型的嵌入式操作系統(tǒng),(1)、嵌入式Linux Linux本身所具備的源碼開放、內(nèi)核可裁減等種種特性使其成為嵌入式開發(fā)的首選。在進入市場的前兩年中，嵌入式Linux的設(shè)計通過廣泛應(yīng)用而獲得了巨大成功。隨著嵌入式Linux技術(shù)的成熟，定制需要的尺寸更加方便，同時支持更多的平臺。Linux已從早期的試用階段大步邁進到嵌入式市場的主流。,典型的嵌入式操作系統(tǒng),(2)、Windows CE Windows CE是微軟公司的產(chǎn)品，但不是消減的Windows版本。它是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計允許定制從掌上電腦到專用工控電子設(shè)備。Windows CE的缺點是價格過高，因此隨著嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域日益激烈的競爭，微軟不得不應(yīng)付來自Linux等免費系統(tǒng)的沖擊。,典型的嵌入式操作系統(tǒng),(3)、VxWorks VxWorks是美國WindRiver公司專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)軟件。VxWorks擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實時嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地，但其昂貴的價格讓不少廠商望而卻步。,典型的嵌入式操作系統(tǒng),(4)、Palm OS 3com公司的Palm OS在掌上電腦和PDA市場上占有很大的市場份額。它所具有很強的靈活性和移動性，是一款非常流行的掌上電腦系統(tǒng)。,典型的嵌入式操作系統(tǒng),(5)、C/OS C/OS是一個典型的實時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)從1992年開始發(fā)展，目前流行的是第2個版本，即C/OS 。它的特點可歸納如下：源碼公開、代碼結(jié)構(gòu)清晰、可移植性好、可裁減、可固化、內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務(wù)。C/OS是研究和學(xué)習(xí)實時操作系統(tǒng)的首選。,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計步驟