1、主要內(nèi)容n基本概念nARM微處理器n實時操作系統(tǒng)n嵌入式技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來1 嵌入式系統(tǒng)的概念nIEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant. “控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”n嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心和以計算機技術(shù)為基礎的，并且軟硬件是可裁減的，能滿足應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。n嵌入式簡單的講就是把微處理器嵌入

2、各種電子設備內(nèi)部，實現(xiàn)設備的智能化。goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album 一些典型的嵌入式系統(tǒng)應用實例一些典型的嵌入式系統(tǒng)應用實例1-1 嵌入式系統(tǒng)的特點n系統(tǒng)內(nèi)核小：一般應用于小型電子裝置。n專用性強：軟硬件結(jié)合緊密，針對硬件進行系統(tǒng)的移植。n系統(tǒng)精簡：無系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)別。n高實時

3、性的操作系統(tǒng)軟件：固化存儲，提高速度。n多任務的操作系統(tǒng)：合理調(diào)度多任務，RTOS開發(fā)平臺。n專門的開發(fā)工具和環(huán)境。2 嵌入式微處理器nX86系列nMotolora系列nARM系列nMIPS系列nSH/HP-RISC等系列2-1 X86系列n起源于Intel架構(gòu)的8080，發(fā)展出286、386、486，直至現(xiàn)在的P4、Athlon和AMD的64位處理器。今天的Pentium和當初的8080使用相同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。n例：486DX；Geode SP1SC10；STPC。386EX和80188/186系列目前國內(nèi)在工業(yè)控制、通信領域的應用很廣。2-2 Motorol

4、a系列處理器nMotorola公司是世界著名的處理器制造商，其CPU抗干擾能力強，適合工業(yè)控制/軍方應用，MC68000微處理器占有美國軍方市場的70%，由此可見其產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性之高。另外QUICC系列通信處理器功能強大，在通信產(chǎn)品中獲得廣泛應用。2-3 MIPSnMicroprocessor without Interlocked Pipeline Stagesn一種處理器內(nèi)核的標準，由MIPS技術(shù)公司開發(fā)。nMIPS技術(shù)公司是一家設計制造高性能、高檔次的嵌入式32位、64位處理器的廠商。機頂盒設備、視頻游戲機、Cisco路由器、激光打印機。2-4 ARM系列微處理器nARM（Adva

5、nced RISC Machines）是一個CPU內(nèi)核。ARM公司自己并不生產(chǎn)或銷售芯片，它采用技術(shù)授權(quán)模式，通過出售芯片技術(shù)授權(quán)，收取授權(quán)費與技術(shù)轉(zhuǎn)讓費。nRISC：Reduced Instruction Set ComputernARM 公司作為16/32位處理器內(nèi)核的提供者，擁有100多家半導體合作伙伴，ARM core是目前消費類電子市場中市場占有量第一的CPU體系。n隨著ARM/MIPS/ARC等成熟內(nèi)核的推出，很多過去沒有32位CPU研發(fā)能力的半導體公司進入這一行列。nARM公司以知識產(chǎn)權(quán)核為主營業(yè)務nIP核以三種形式存在。n硬核n軟核n固核nARM公司研發(fā)的處理器核以上面的三種形

6、式銷售ARM公司大學/研究所/企業(yè)IC制造商OEM生產(chǎn)商圖例：服務付款技術(shù)支持nARM公司的IP銷售與服務 ARM發(fā)展簡史n1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機有限公司誕生，由美國加州San Jose VLSI技術(shù)公司制造。n20世紀80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺式機產(chǎn)品，形成英國的計算機教育基礎。n1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（簡稱ARM公司）。n20世紀90年代至今，ARM 32位嵌入式RISC處理器擴展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位。n如今成了移動計算的領導

7、者，并把觸角伸向上網(wǎng)本等傳統(tǒng)計算機領域。2-5 ARM處理器系列產(chǎn)品概況nARM處理器當前有6個產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。nARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4個通用處理器系列，每個系列提供一套特定的性能來滿足設計者對功耗、性能和體積的需求。nSecurCore是第5個產(chǎn)品系列，是專門為安全設備而設計的。n來自于合作伙伴的產(chǎn)品n例如：Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)和StrongARM產(chǎn)品。Cortex-A8內(nèi)核的應用舉例TI公司的OMAP 3430處理器n具有先進超級標量Cortex-A8內(nèi)核的處理器n業(yè)界第一個采用

8、65nm CMOS 工藝技術(shù)設計的ARM處理器，提高了處理性能 n集成的圖像信號處理器（ISP ）可提供更快、更高品質(zhì)的圖像捕捉功能，并且可以降低系統(tǒng)成本n復合視頻和 S 端子 TV 輸出 nXGA（1024x768 像素）、16M 色（24 位定義）顯示支持 n高速 USB2.0 OTG 支持n高達ARM11三倍的性能，使之成為3g應用的首選，例如多普達T8388,Nokia N900,MOTO XT720等高端手機TI公司的OMAP 3430處理器架構(gòu)圖Cortex-M3內(nèi)核的應用舉例意法半導體的STM32微控制器n不支持ARM指令集，只支持Thumb-2指令集n中斷向量表與其他ARM處理

9、器有明顯區(qū)別nSTM32微控制器有兩個系列nSTM32F103“增強型”系列，72MHz主頻nSTM32F101“基本型”系列，36MHz主頻n2.0到3.6V電源，當復位電路工作時，在待機模式下最低功耗2A，最適合電池供電的應用設備。n比同級別的基于ARM7TDMI的產(chǎn)品快30%。換句話說，如果處理性能相同，STM32產(chǎn)品功耗比同級別產(chǎn)品低75%。Intel公司生產(chǎn)的ARM系列處理器n從所周知，Intel公司是PC平臺的x86系列微處理器生產(chǎn)商。但是，它也生產(chǎn)嵌入式處理器，不過該公司生產(chǎn)的嵌入式處理器并不是自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。Intel公司購買了ARM的IP核先后生產(chǎn)出了兩種嵌入式處理器：S

10、trongARM和XScale。除了維持指令集不變之外，Intel公司憑借自身強大的技術(shù)開發(fā)實力，在功能上和性能上對這兩款嵌入式處理器做了改進和提高，使得它們成為性能優(yōu)秀的嵌入式處理器。 基于S3C44B0X微處理器 的嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于ARM構(gòu)架的32位微處理器SamsungS3C44B0X1MB線性Flash（BIOS）8MBSDRAM（系統(tǒng)內(nèi)存）16MB非線性Flash（硬盤）USB接口USBN96032個RS-232串行通信接口JATG調(diào)試端口LCD顯示鍵盤輸入TCP/IP協(xié)議CAN總線3 嵌入式操作系統(tǒng)n嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded OperatingSystem）是一

11、種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。EOS負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌人式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件功能等外，還

12、有以下特點： 3 嵌入式操作系統(tǒng) (1)可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。 (2)強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。 (3)統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅(qū)動接入. (4)操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學易用. (5)提供強大的網(wǎng)絡功能，支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議，為各種移動計算設備預留接口.(6)強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統(tǒng)管理的EOS臭有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接日一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務。 (7)固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固

13、化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng). (8)更好的硬件適應性，也就是良好的移植性. 國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有40種左右。3-1 嵌入式操作系統(tǒng)分類n免費型免費型Linux：開放源碼；內(nèi)核小，效率高；易裁減；支持多種CPU和硬件平臺；眾多的開發(fā)工具；強大的技術(shù)支持；強大的網(wǎng)絡功能；圖像處理、文件管理、多任務支持。C/OS：源碼公開；可移植，C+匯編；可固化，成為產(chǎn)品的一部分；可剪裁；占先式，總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務；多任務，8+56；可確定性，執(zhí)行時間可知；任務棧；系

14、統(tǒng)服務；中斷管理，255層嵌套；穩(wěn)定性與可靠性。3-1 嵌入式操作系統(tǒng)分類n商用型商用型VxWorks：火星車；支持多種處理器，使用最廣泛。Windows CE 3.0：掌上設備、無線設備。基于Windows背景，界面美觀。內(nèi)核需要至少200K的ROM。Palm OS：3COM，Palm Computing掌上電腦公司；PDA。pSOS：WindRiver公司。OS-9：Microwave公司；靈活性和可升級性突出。3-2 操作系統(tǒng)相關的概念n實時操作系統(tǒng)（RTOS）：物理進程的真實時間。先實時性，次效率。系統(tǒng)具有可確定性。n分時操作系統(tǒng)：多任務的管理。n多任務操作系統(tǒng)：多任務管理，任務間的同

15、步與通信。nRTOS的工作狀態(tài)：任時刻系統(tǒng)只有一個任務在運行態(tài)，各任務按級別分別獲得對CPU的訪問權(quán)。運行：獲得CPU權(quán)。就緒：進入等待隊列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運行。掛起：移出任務等待隊列，等待實時事件的喚醒。休眠：被清除的任務。3-3 C/OS操作系統(tǒng)的模塊劃分n外圍設備硬件部分：LCD，USB通信，鍵盤，F(xiàn)lash存儲器，時鐘和日歷。n驅(qū)動程序模塊：連接底層硬件和上層API函數(shù)的紐帶，任何硬件的變化要隨之改變硬件的驅(qū)動程序，不會影響API函數(shù)。n操作系統(tǒng)的API函數(shù)：應用程序接口函數(shù)，模塊，簡化程序編寫。統(tǒng)一標準。n實時操作系統(tǒng)的多任務管理：多任務之間的調(diào)度與同步。3-3 C/OS操作系統(tǒng)的模塊

16、劃分n系統(tǒng)的消息隊列：系統(tǒng)消息傳遞機制，用于實現(xiàn)系統(tǒng)各任務之間、應用程序各任務之間、應用程序和系統(tǒng)各任務之間的通信。n系統(tǒng)任務：LCD刷新，鍵盤掃描等。n用戶應用程序：建立于主任務基礎之上，通過調(diào)用系統(tǒng)API函數(shù)進行操作。任務之間的協(xié)調(diào)主要依賴于系統(tǒng)的消息隊列。3-4 C/OS的特點分析n占先式內(nèi)核：高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務的CPU使用權(quán)。n基于優(yōu)先級，不支持時間片輪轉(zhuǎn)：任務的優(yōu)先級就是任務的標識。進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務首先獲得CPU使用權(quán)，其他任務才可被執(zhí)行。“多任務，非多進程”。n在實時性方面有優(yōu)勢：保證重要任務優(yōu)先占有CPU。n但，重要任務有限，難劃分優(yōu)先級；有時

17、需要任務交替執(zhí)行，多LCD。3-4 C/OS的特點分析n共享資源提供保護：每一任務都是一個模塊，在任務中添加代碼時，無需考慮共享資源。對于共享資源，如串口，創(chuàng)建一信號量，初始化。某一任務欲使用該資源時，必須先申請得到這個信號量。一旦得到，只有使用完該資源，才會釋放信號量。即使優(yōu)先級更高的任務進入就緒態(tài)，因為無法得到信號量，也不能使用該資源。nLCD正在顯示信息，中斷產(chǎn)生，中斷服務程序需要顯示其他信息。犧牲了系統(tǒng)實時性，延長了中斷響應時間。對于未顯示信息是報警信息的情況是致命的?！皟?yōu)先級反轉(zhuǎn)”。了解系統(tǒng)非常必要。3-4 C/OS的特點分析n可靠性：開發(fā)過程遇到困難，程序跑飛，死循環(huán)?？撮T狗，單步

18、。 C/OS把整個程序分成多個任務，每個任務相對獨立。設置超時函數(shù)，時間用完，交出CPU使用權(quán)，即使一個任務發(fā)生問題，也不會影響其他任務的運行。nC/OS啟動過程比較簡單：內(nèi)核和應用程序一起編譯成一個文件，轉(zhuǎn)換成HEX格式，寫入Flash即可。3-5 手機操作系統(tǒng)n嵌入式操作系統(tǒng)的制高點：uWindows Mobile：WinCE,2010年，Win7嵌入式版本也會發(fā)布。uSymbian(塞班) ：由諾基亞、索尼愛立信、摩托羅拉、西門子等幾家大型移動通訊設備商共同出資組建的一個合資公司,專門研發(fā)手機操作系統(tǒng)。現(xiàn)已被NOKIA全額收購。 現(xiàn)由Symbian基金會管理，為開源做準備。uBlackb

19、erry（黑莓）：最早是指由加拿大Reserach In Motion，簡稱RIM公司推出的一種無線手持郵件解決終端設備，后發(fā)展為獨樹一幟的智能手機。操作系統(tǒng)不開放。3-5 手機操作系統(tǒng)nAndroid：本義指“機器人”，同時也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)的名稱，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應用軟件組成，號稱是首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件。是Google與開放手機聯(lián)盟合作開發(fā)的，這個聯(lián)盟由包括中國移動、摩托羅拉、Intel、高通、ARM和 HTC 在內(nèi)的 30 多家技術(shù)和無線應用的領軍企業(yè)組成。nAndroid，對前三者

20、進行直接叫板，因為巨大的山寨機市場，免費的午餐，一塊大肥肉。4 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來 4-1 現(xiàn)狀n“45年后，嵌入式智能工具將是PC和Internet之后最偉大的發(fā)明?！蹦岣鹇妪嫷?，Jan., 1999n20世紀90年代，嵌入式技術(shù)成為通信和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。數(shù)字電視廣播（DVB）；數(shù)字音頻廣播（DAB）； 個人移動通信；手寫文字輸入；語音撥號上網(wǎng)； ATM；自動售貨機；長虹ADSL產(chǎn)品，智能化網(wǎng)絡化家電；n硬件方面：各大公司微處理器芯片，供學習研發(fā)用的開發(fā)包。巨大的市場需求提供了資金和技術(shù)力量。4-1 現(xiàn)狀n軟件方面：相當成熟。國外：WindRiver、Microsoft、QNX

21、、Nuclear。我國自主開發(fā)：DeltaSystem（科銀京成公司）、Hopen（中科院）。網(wǎng)上有大量的免費資源。n嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元。n5年來僅僅基于嵌入式計算機系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品就已經(jīng)在美國產(chǎn)生了一個每年1500億美元的新市場。n國內(nèi)嵌入式應用開發(fā)很廣，但在嵌入式開發(fā)工具、儀器設備的研究領域幾乎是空白。4-2 未來n嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程：很多廠商在提供嵌入式軟硬件的同時，將開發(fā)環(huán)境作為重點來推廣。Samsung ARM7、ARM9芯片，開發(fā)板和支持包；Windows CE的Embedded VC+；VxWorks的Tornado。n網(wǎng)絡化、信息化要求的提高使

22、得單一功能的設備功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復雜。開發(fā)更強大的處理器，64位。要求芯片上集成更多的功能。接口（USB），總線（CAN BUS），多媒體。4-2 未來n網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然：硬件上提供網(wǎng)絡通信接口；支持各種協(xié)議；提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件；系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡模塊，嵌入web瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時在線。n精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ?。使用最佳的編程模型，不斷改進算法。豐富的硬件知識+先進的嵌入式軟件技術(shù)。n提供友好的多媒體人機界面：PDA。圖：嵌入式Internet應用 看看下面這段話，來自信息產(chǎn)業(yè)部n通信業(yè)是以技術(shù)為發(fā)展核心的產(chǎn)業(yè)，3

23、G是未來技術(shù)發(fā)展的核心。國家信息產(chǎn)業(yè)部公布的信息產(chǎn)業(yè)“十一五”期間12項重點項目中，芯片、軟件、3G列前三名。隨著“三網(wǎng)融合”不斷提速，3G網(wǎng)絡全面鋪開，移動商務和移動增值服務軟件開發(fā)人員的需求量約在35-50萬人左右。業(yè)內(nèi)專家估算，3G正式啟動之后嵌入、移動商務、增值業(yè)務：通信行業(yè)人才需求方向 繼續(xù)：n嵌入、移動商務、增值業(yè)務是通信行業(yè)人才需求的三大方向。移動通信行業(yè)是嵌入式軟件最重要的應用領域之一，手機用嵌入式軟件幾乎占到了整個嵌入式軟件應用規(guī)模的60%。到了3G時代，手機、數(shù)字電視、信息家電、網(wǎng)絡電話、汽車電子、醫(yī)療電子等都將是嵌入式軟件的重要應用領域。嵌入式軟件開發(fā)是未來幾年最熱門和最

24、受歡迎的職業(yè)之一。具有10年工作經(jīng)驗的高級嵌入式軟件工程師年薪在30萬元左右。即使是初級的嵌入式軟件開發(fā)人員，平均月薪也在5000元左右，中高級的嵌入式軟件工程師月薪平均已超過萬元。 再繼續(xù)：n移動通信技術(shù)的發(fā)展使移動商務興起，移動軟件的設計為軟件行業(yè)發(fā)展找到了新方向。專家預測，在未來，移動商務將成為整個社會商業(yè)運行的主要模式。目前我國移動商務軟件的需求量正以極高的速度增長。據(jù)統(tǒng)計，能源、教育、交通、娛樂、制造、政府、金融、物流等行業(yè)都是移動商務的需求大戶。由此而帶動人才市場對移動商務軟件供不應求，移動商務軟件開發(fā)工程師成了搶手貨。 幾個熱點名詞n3G：3G是英文the 3rd Generation的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。相對第一代模擬制式手機(1G)和第二代GSM、CDMA等數(shù)字手機 (2G)，第三代手機（3G）一般地講，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)。nWi-Fi：（W