1、1,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1 嵌入式系統(tǒng) 1.2 嵌入式處理器 1.3 嵌入式操作系統(tǒng),2,概述： 由于嵌入式系統(tǒng)的誕生，現(xiàn)代計算機領(lǐng)域中出現(xiàn)了通用計算機與嵌入式計算機的兩大分支。 通用計算機：按照高速、海量的技術(shù)發(fā)展； 嵌入式計算機系統(tǒng)：則為滿足對象系統(tǒng)嵌入式智能化控制要求發(fā)展。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。例如，MP3、數(shù)碼相機與打印機就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。,1.1 嵌入式系統(tǒng),3,現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng),1.1 嵌入式系統(tǒng),4,嵌入式系統(tǒng)的定義,嵌入式系統(tǒng)可以

2、定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)” 。 隨著網(wǎng)絡(luò)、通信時代的到來，不少嵌入式系統(tǒng)形成了一些獨立的應(yīng)用產(chǎn)品，如手機、PDA、MP3、數(shù)碼伴侶等，這些產(chǎn)品沒有像電視機、電冰箱、空調(diào)、洗衣機、汽車等那樣明顯的嵌入對象，這時嵌入式系統(tǒng)定義中的“嵌入到對象體系中”含義，可以廣義地理解成“內(nèi)嵌有計算機”的含義。,1.1 嵌入式系統(tǒng),5,嵌入式系統(tǒng)的特點,按照嵌入式系統(tǒng)的定義，嵌入式系統(tǒng)有3個基本特點，即“嵌入性”、“專用性”與“計算機”： 嵌入性專指計算機嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能控制。 專用性是指在滿足對象控制要求及環(huán)境要求下的軟、硬件裁剪性。 計算機是對象系統(tǒng)智能化控制的根本保

3、證，能實現(xiàn)對象系統(tǒng)的計算機智能化控制能力。,1.1 嵌入式系統(tǒng),6,嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù),嵌入式系統(tǒng)應(yīng)是計算機的一個重要分支。但是，作為一個重要的計算機工具，有不斷完善的基礎(chǔ)技術(shù)與在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用技術(shù)，并且依靠著多學(xué)科，如計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、微電子學(xué)科、集成電路設(shè)計等的交叉與綜合。,1.1 嵌入式系統(tǒng),7,嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)前沿,目前，無論是嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)器件、開發(fā)手段，還是應(yīng)用對象，都有了很大變化。無論是未來從事8位、16位、32位的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，都應(yīng)該了解嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)前沿。這些技術(shù)前沿體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一些基本觀念，它們是：基于集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的用戶SoC設(shè)

4、計、操作系統(tǒng)的普遍應(yīng)用、普遍的網(wǎng)絡(luò)接入、先進的電源技術(shù)以及多處理器SoC技術(shù)。,1.1 嵌入式系統(tǒng),8,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),1.1 嵌入式系統(tǒng),9,尾燈控制系統(tǒng),后車門控制系統(tǒng),前車門控制系統(tǒng),座椅控制系統(tǒng),發(fā)動器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),1.1 嵌入式系統(tǒng),10,嵌入式系統(tǒng)的未來,早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡單的且具有很長的產(chǎn)品生命周期的自主設(shè)備。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革。 產(chǎn)品市場窗口現(xiàn)在預(yù)計翻番的周期狂熱到69個月； 全球重新定義市場的機會和膨脹的應(yīng)用空間； 互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在是一個需求而不是輔助性的，包括用

5、有線和剛剛顯露頭角的無線技術(shù)； 基于電子的產(chǎn)品更復(fù)雜化； 互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用； 微處理器的處理能力按莫爾定律（Moores L aw）預(yù)計的速度在增加。該定律認為集成電路和晶體管個數(shù)每18個月翻一番。,1.1 嵌入式系統(tǒng),11,簡介 早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機，如PC中的通用處理器。近年來，隨著大量先進的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的的處理器。 這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類： 注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于PDA等不注重計算的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計算密集型的設(shè)備

6、； 注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于蜂窩電話等設(shè)備。,1.2 嵌入式處理器,12,分類,嵌入式處理器可以分為以下幾大類： 嵌入式微處理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP處理器 嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）,1.2 嵌入式處理器,13,嵌入式微處理器,1.2 嵌入式處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。 和工業(yè)控制計算機

7、相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。,14,嵌入式微控制器又稱單片機，它是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列

8、的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前M

9、CU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。,嵌入式微控制器,1.2 嵌入式處理器,15,DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。 嵌入式DSP處理器有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP560

10、00目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標是大批量消費類產(chǎn)品。,嵌入式DSP處理器,1.2 嵌入式處理器,16,嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）,隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標準庫，和許多其

11、它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是P

12、hilips的Smart XA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048 位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。,1.2 嵌入式處理器,17,簡介 計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算機應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)以及實時操

13、作系統(tǒng)。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),18,監(jiān) 控 程 序,操 作 系 統(tǒng),實時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時 間 先 后,實時操作系統(tǒng)是我們介紹的重點,1.3.1 簡介,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),19,實時操作系統(tǒng)的特點,IEEE 的實時UNIX分委會認為實時操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點: 異步的事件響應(yīng) 切換時間和中斷延遲時間確定 優(yōu)先級中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),20,總的來說實時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性, 與實時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機的整體起著核心作用,

14、 由它來管理和協(xié)調(diào)各項工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實時系統(tǒng)的應(yīng)用特點來看實時操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實時操作系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)。,實時操作系統(tǒng)的特點,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),21,一般實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實時處理系統(tǒng)的上位機和實時查詢系統(tǒng)等實時性較弱的實時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運用一致的環(huán)境。 嵌入式實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實時性要求高的實時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是不一致。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數(shù)量級上)的特點 。,實時操作系統(tǒng)的特點,1.3 嵌

15、入式操作系統(tǒng),22,使用實時操作系統(tǒng)的必要性,嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應(yīng)用。使用實時操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素： 嵌入式實時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。 嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),23,實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點,優(yōu)點：在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨

16、立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。 缺點：但是，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負荷，以及內(nèi)核的費用。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),24,uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7T

17、DMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標準豐富的API等。,嵌入式Linux,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),1.3.2 常見的嵌入式操作系統(tǒng),25,常見的嵌入式操作系統(tǒng)Win CE,Windows CE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當出色。Win CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點。Win CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Window

18、s圖形界面，并且在Win CE平臺上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續(xù)使用。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),26,常見的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),VxWorks操作系統(tǒng)是美國WIND RIVER公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。以良好的持續(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，使其在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航等。在