第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介按嵌入式微控制器類型劃分，嵌入式系統(tǒng)可分為：（1）以單片機(jī)為核心的嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)（2）以工業(yè)計(jì)算機(jī)板為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（3）以DSP為核心組成的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器系統(tǒng)（4）以FPGA為核心的嵌入式SOPC（SystemonaProgrammableChip，可編程片上系統(tǒng)）等。嵌入式系統(tǒng)還應(yīng)該具備下述三個(gè)特征。1）嵌入式系統(tǒng)的微控制器通常是由32位及以上的RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理器組成的。2）嵌入式系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)通常是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心，外加用戶應(yīng)用程序。3）嵌入式系統(tǒng)在特征上具有明顯的可嵌入性。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)歷了無操作系統(tǒng)、單操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和面向Internet四個(gè)階段。1.嵌入式系統(tǒng)的起源嵌入式系統(tǒng)的起源與集成電路技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，其發(fā)展歷程展示了技術(shù)進(jìn)步如何推動(dòng)特定領(lǐng)域的創(chuàng)新和效率提升。隨著技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和功能也在不斷擴(kuò)展和深化。嵌入式系統(tǒng)起源于20世紀(jì)60年代集成電路的誕生，使電子設(shè)備微型化且具備足夠計(jì)算能力。最初應(yīng)用于軍事和航空，如導(dǎo)彈導(dǎo)航和航天控制，執(zhí)行特定任務(wù)。1971年英特爾推出4004微處理器，推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展，電子設(shè)備更智能、更小巧。隨后，嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、醫(yī)療等領(lǐng)域，專注監(jiān)控與控制。1.1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展緊隨技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了創(chuàng)新和效率提升，應(yīng)用不斷擴(kuò)大和深化。2.嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展是一個(gè)涵蓋硬件、軟件和系統(tǒng)集成多個(gè)方面的進(jìn)程。從早期的簡(jiǎn)單控制器到現(xiàn)代的復(fù)雜智能系統(tǒng)，嵌入式技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的變革。下面是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵階段：（1）微處理器引入革新了電子技術(shù)，英特爾4004集成核心功能，體積小成本低，推動(dòng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和信息技術(shù)進(jìn)步。（2）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）滿足復(fù)雜任務(wù)需求，支持多任務(wù)處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和快速響應(yīng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。（3）系統(tǒng)芯片（SoC）集成多種模塊，提高性能和能效，縮小體積，成為移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)電子的核心組件。（4）通信技術(shù)整合使嵌入式系統(tǒng)具備無線連接功能，支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)采集。（5）人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)集成增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)智能化，提升用戶體驗(yàn)，推動(dòng)智能家居等自動(dòng)化服務(wù)。（6）軟件和開發(fā)工具進(jìn)步促進(jìn)嵌入式創(chuàng)新，提供豐富支持，開源社區(qū)推動(dòng)普及和持續(xù)發(fā)展。3.嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)革新進(jìn)入21世紀(jì)，嵌入式系統(tǒng)整合無線通信、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能，拓展功能，支持復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和智能決策，成為多功能平臺(tái)，推動(dòng)技術(shù)革新顯著加速。無線通信使設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接和即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。人工智能賦予系統(tǒng)學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)能力，提高效率，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，推動(dòng)智能化應(yīng)用普及。技術(shù)融合促進(jìn)工業(yè)、醫(yī)療和家庭自動(dòng)化發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境，執(zhí)行復(fù)雜控制，提升效率與生活質(zhì)量。嵌入式系統(tǒng)智能化進(jìn)步不斷，未來應(yīng)用前景廣闊。目前，國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義有很多。國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（theInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或者輔助機(jī)器、設(shè)備或裝置運(yùn)行的裝置。而國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有特殊要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴(kuò)展對(duì)象系統(tǒng)要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時(shí)鐘、電源監(jiān)測(cè)、程序運(yùn)行監(jiān)測(cè)電路等），形成滿足對(duì)象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)具有一些顯著的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使它們?cè)诙喾N應(yīng)用領(lǐng)域中都非常適用，從工業(yè)控制到消費(fèi)電子，再到汽車和醫(yī)療設(shè)備。以下是嵌入式系統(tǒng)的一些關(guān)鍵特點(diǎn)：1.專用性嵌入式系統(tǒng)通常是為了執(zhí)行特定的任務(wù)而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，而不是作為通用計(jì)算機(jī)使用。它們通常只運(yùn)行為其設(shè)計(jì)的特定應(yīng)用程序或軟件。2.可裁剪性受限于體積、功耗和成本等因素，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件必須高效率地設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求量體裁衣，去除冗余，從而使系統(tǒng)在滿足應(yīng)用要求的前提下達(dá)到最精簡(jiǎn)的配置。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)3.實(shí)時(shí)性許多嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)操作能力，能夠在嚴(yán)格的時(shí)間約束條件下準(zhǔn)確地完成任務(wù)。這對(duì)于如汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)或醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備等關(guān)鍵應(yīng)用尤為重要。4.可靠性和穩(wěn)定性由于嵌入式系統(tǒng)常用于關(guān)鍵任務(wù)，如飛行控制系統(tǒng)或工業(yè)自動(dòng)化，它們必須非?？煽亢头€(wěn)定，能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行。5.資源約束嵌入式系統(tǒng)通常在處理能力、內(nèi)存、電源和空間等方面有限制。因此，它們需要高效的算法和精簡(jiǎn)的操作系統(tǒng)來最大化資源使用效率。6.低功耗尤其是在便攜式或遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)需要具有低功耗特性，以延長(zhǎng)電池壽命并減少能源消耗。7.與環(huán)境的緊密集成嵌入式系統(tǒng)通常需要與它們控制的物理環(huán)境緊密集成，這可能要求它們能夠抵抗惡劣環(huán)境條件，如溫度變化、濕度、振動(dòng)和沖擊。8.連接性隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起，越來越多的嵌入式系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為可以連接到網(wǎng)絡(luò)，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集和控制功能。9.安全性隨著嵌入式系統(tǒng)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和個(gè)人數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用增多，其安全性變得越來越重要。這包括數(shù)據(jù)加密、安全通信協(xié)議和防止未授權(quán)訪問的措施。10.不可壟斷性傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)行業(yè)由Wintel聯(lián)盟長(zhǎng)期壟斷桌面市場(chǎng)，而嵌入式系統(tǒng)融合多種技術(shù)，應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)細(xì)分，技術(shù)和資金密集，創(chuàng)新持續(xù)，5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能推動(dòng)其快速發(fā)展。1.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成復(fù)雜多變，取決于其應(yīng)用場(chǎng)景和功能要求。然而，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都包括以下基本組件：1.處理器（CPU或微控制器）處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令和處理數(shù)據(jù)。它可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器（MCU）或更復(fù)雜的中央處理單元（CPU），具體取決于所需的處理能力。2.內(nèi)存內(nèi)存分為兩種主要類型：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器通常是只讀存儲(chǔ)器（ROM）或閃存，用于存放系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行的固件或軟件。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器通常是隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM），用于存放運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和變量。3.輸入/輸出接口（I/O）嵌入式系統(tǒng)需要與外部世界交互，這通常通過各種輸入/輸出接口實(shí)現(xiàn)。這些接口可以包括數(shù)字和模擬輸入輸出端口、串行通信接口（如UART、SPI、I2C）、網(wǎng)絡(luò)接口（如以太網(wǎng)或Wi-Fi）等。4.傳感器和執(zhí)行器許多嵌入式系統(tǒng)用于監(jiān)控和控制外部環(huán)境，這需要使用傳感器來收集環(huán)境數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、光線等），以及執(zhí)行器來影響環(huán)境（如電機(jī)、繼電器、LED燈等）。5.電源管理電源管理對(duì)于保證嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是在便攜式設(shè)備中。這可能包括電源轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)和能效優(yōu)化策略。6.操作系統(tǒng)或固件許多嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)或固件來管理硬件資源和運(yùn)行程序。這可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）或更復(fù)雜的系統(tǒng)，如Linux或WindowsEmbedded。7.通信模塊對(duì)于需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)，可能會(huì)集成各種通信模塊，如藍(lán)牙、Wi-Fi、LTE或?qū)Ｓ玫墓I(yè)通信協(xié)議模塊。8.用戶界面許多嵌入式系統(tǒng)含用戶界面，如按鈕、觸屏和聲音反饋，構(gòu)成基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效可靠的特定任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的核心部分由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成，而從層次結(jié)構(gòu)上看，嵌入式系統(tǒng)可劃分為硬件層、驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用層四個(gè)層次，如圖1-1所示。圖1-1嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)（1）嵌入式硬件包括處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口和電源，處理器類型有微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器。（2）存儲(chǔ)器包含RAM、Flash及EEPROM，支持程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，處理器可集成或外擴(kuò)存儲(chǔ)資源。（3）I/O接口連接外部，分?jǐn)?shù)字和模擬接口，數(shù)字接口有并行和串行，多種接口滿足不同需求。（4）I/O設(shè)備包括人機(jī)交互設(shè)備和機(jī)機(jī)交互設(shè)備，按應(yīng)用需求選擇傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備類型。（5）嵌入式軟件分驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，操作系統(tǒng)可選，中間層提供硬件抽象和支持。1.3典型嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS是2003年發(fā)布的開源免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，核心輕量，支持任務(wù)、信號(hào)量、內(nèi)存管理，適合小型系統(tǒng)需求。歷經(jīng)十版，擁有百萬開發(fā)者，合作廠商眾多，10.4版本后用日期戳版本號(hào)，市場(chǎng)占有率高，應(yīng)用廣泛。FreeRTOS支持搶占式調(diào)度，兼容多處理器架構(gòu)，可運(yùn)行于資源極限微控制器，適合低資源環(huán)境。由RichardBarry開發(fā)，RealTimeEngineersLtd維護(hù)，特別適合嵌入式系統(tǒng)，降低嵌入式產(chǎn)品成本。相比收費(fèi)RTOS如μC/OS-II，F(xiàn)reeRTOS免費(fèi)開源，優(yōu)勢(shì)明顯，廣泛應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域。1.3.1FreeRTOSFreeRTOS是可裁剪的小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，除開源、免費(fèi)以外，還具有以下特點(diǎn)。（1）FreeRTOS的內(nèi)核支持搶占式、合作式和時(shí)間片3種調(diào)度方式。（2）支持的芯片種類多，已經(jīng)在超過30種架構(gòu)的芯片上進(jìn)行了移植。（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)單、小巧、易用，通常情況下其內(nèi)核僅占用4～9KB的Flash空間。（4）代碼主要用C語言編寫，可移植性高。（5）支持ARMCortex-M系列中的MPU（內(nèi)存保護(hù)單元，MemoryProtectionUnit），如STM32F407、STM32F429等有MPU的芯片。（6）任務(wù)數(shù)量不限。（7）任務(wù)優(yōu)先級(jí)不限。（8）任務(wù)與任務(wù)、任務(wù)與中斷之間可以使用任務(wù)通知、隊(duì)列、二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量、互斥信號(hào)量和遞歸互斥信號(hào)量進(jìn)行通信和同步。（9）有高效的軟件定時(shí)器。（10）有強(qiáng)大的跟蹤執(zhí)行功能。（11）有堆棧溢出檢測(cè)功能。（12）適用于低功耗應(yīng)用。FreeRTOS提供了一個(gè)低功耗tickless模式。（13）在創(chuàng)建任務(wù)通知、隊(duì)列、信號(hào)量、軟件定時(shí)器等系統(tǒng)組件時(shí)，可以選擇動(dòng)態(tài)或靜態(tài)RAM。（14）SafeRTOS作為FreeRTOS的衍生品，具有比FreeRTOS更高的代碼完整性。RT-Thread的全稱是RealTime-Thread，是由上海睿賽德電子科技有限公司推出的一個(gè)開源嵌入式實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)。（1）RT-Thread遵循ApacheLicense2.0協(xié)議，主要由內(nèi)核層、組件與服務(wù)層、軟件包三部分組成，結(jié)構(gòu)清晰。（2）內(nèi)核層含多線程調(diào)度、信號(hào)量、消息隊(duì)列等系統(tǒng)對(duì)象，Libcpu/BSP負(fù)責(zé)外設(shè)驅(qū)動(dòng)和CPU移植。（3）組件與服務(wù)層模塊化設(shè)計(jì)，包含虛擬文件系統(tǒng)、命令行界面、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備框架，耦合度低。（4）軟件包面向多應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、腳本語言、工具和外設(shè)驅(qū)動(dòng)等通用組件。（5）支持主流MCU架構(gòu)，實(shí)時(shí)性高、資源占用少，適用于資源受限環(huán)境，擁有活躍開源社區(qū)和廣泛應(yīng)用。1.3.2睿賽德RT-ThreadμC/OS-II（Micro-ControllerOperatingSystemII）是一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。它屬于一個(gè)完整、可移植、可固化、可裁剪的搶占式多任務(wù)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)可用于各類8位單片機(jī)、16位和32位微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器。μC/OS-II由JeanJ.Labrosse于1992年開發(fā)，1999年改寫命名，2000年獲美國(guó)航空管理局認(rèn)證，安全穩(wěn)定。系統(tǒng)90％用C語言編寫，少量匯編便于移植，支持ANSI標(biāo)準(zhǔn)工具，執(zhí)行效率高，占用空間小，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良。1.3.3μC/OS-IIμC/OS-II系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）μC/OS-II源代碼公開，支持多微處理器移植，開發(fā)透明且效率高。（2）源碼主要用ANSIC寫，匯編部分最小，方便在多微處理器間移植。（3）需支持堆棧指針和內(nèi)嵌匯編，保證程序中斷控制與移植性。（4）適配軟硬件工具，可固化到產(chǎn)品中，成為嵌入式系統(tǒng)一部分。（5）用戶可按需裁剪功能，通過條件編譯定義系統(tǒng)服務(wù)使用。（6）完全搶占式內(nèi)核，總運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)，保證實(shí)時(shí)性。（7）支持多任務(wù)，最大可管理248個(gè)應(yīng)用任務(wù)，無時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。（8）函數(shù)調(diào)用執(zhí)行時(shí)間確定，不依賴任務(wù)數(shù)量，保證系統(tǒng)可預(yù)測(cè)。（9）各任務(wù)獨(dú)立?？臻g，支持棧空間校驗(yàn)，減少RAM需求。（10）提供郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量等多種系統(tǒng)服務(wù)，方便任務(wù)通信。（11）支持中斷嵌套，中斷優(yōu)先級(jí)高者先執(zhí)行，嵌套層數(shù)達(dá)255層。Linux誕生于1991年10月5日（這是第一次正式向外公布時(shí)間），是一套開源、免費(fèi)使用和自由傳播的類UNIX的操作系統(tǒng)。（1）Linux基于POSIX和UNIX，支持多用戶、多任務(wù)、多線程及多CPU，兼容32位