《嵌入式系統及其實踐教程》課件課程講義1-嵌入式系統概述

什么是嵌入式系統根據IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義：

嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。嵌入式計算系統嵌入式計算系統是一個較泛的定義一個非桌面通用計算機的任何計算系統一個嵌入了電子元器件的計算系統一個利用應用對象的特點而專門設計的計算系統，即用戶化專用計算系統。嵌入式計算系統一般對系統功能、價格、功耗、體積、速度等有嚴格的限制，要求對系統環境變化作出實時的快速反應。MCU嵌入式微控制器的典型代表是單片機這種８位的電子器件,目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設。MCU微控制器，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MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統就更難。DSPDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP是運算密集處理器，一般用在快速執行算法，做控制比較困難。為了追求高執行效率，不適合運行操作系統，核心代碼使用匯編。SOCSOC（片上系統）是IC設計的發展趨勢。采用SOC設計技術，可以大幅度地提高系統的可靠性，減少系統的面積和功耗，降低系統成本，極大地提高系統的性能價格比。SOC芯片已經成為提高移動通信、網絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統性能的核心器件。SPOC用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上，稱作SOPC。可編程片上系統（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統：首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。操作系統/嵌入式操作系統Linux/UNIXWindows/Windows7MacWindowsCE/MobileAndoidSymbian(NOKIA)Brew(Qualcomm)Palm(Palm&HP)BlackBerryOS

AVOS(Amlogic)等等通信72％計算機12％軍品4％工業3％儀器2％消費類2％辦公自動化2％第1章緒論1.1嵌入式系統的概念1.2嵌入式系統的特點1.3嵌入式系統的硬件1.4嵌入式系統的軟件1.5嵌入式系統的開發及工具1.6嵌入式系統的發展與分類1.7嵌入式系統的應用1.1嵌入式系統的概念嵌入式系統的組成1.1.1嵌入式系統的定義IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義嵌入式系統是用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置。微機學會的定義嵌入式系統是以嵌入式應用為目的的計算機系統，可分為系統級、板級、片級。國內一般定義嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求專用計算機系統。

1.1.1嵌入式系統的定義嵌入式系統舉例1.1.2通用計算機系統與嵌入式系統通用計算機系統組成通用計算機系統組成與微控制器1.1.2通用計算機系統與嵌入式系統最小系統法嵌入式系統和通用計算機系統區別1.2嵌入式系統的特點嵌入性專用性計算機系統軟件代碼高質量、高可靠性軟件固態化存儲實時性低功耗集成性1.2嵌入式系統的特點器件兼容性1.3嵌入式系統的硬件通用處理器GPP（GeneralPurposeProcessor）專用指令集處理器（ASIP）附加處理的專用處理器一個FPGA核多核處理器和多處理器處理器（Processor）是IC（IntegratedCircuit）芯片的形式，可以是專用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC）或SoC（SystemonChip）中的一個核。1.3.1嵌入式處理器1.3.1嵌入式處理器微控制器（MCU）數字信號處理器（DSP）網絡處理器特定領域可編程處理器等專用指令集處理器（ASIP）微控制器（“單片機”或“微計算機”）單片微型計算機SCM（Singlechipmicrocomputer）階段微控制器MCU（Microcontrollerunit）階段片上系統（SoC）指令集和IP核1.3.2嵌入式存儲器與外設1、嵌入式易失性存儲器2、嵌入式非易失性存儲器3、輸入/輸出設備4、外圍接口1.4嵌入式系統的軟件嵌入式系統的軟件（簡稱嵌入式軟件）

包括嵌入式應用程序、可選的操作系統和中間件以及支撐軟件。支撐軟件

包括嵌入式系統的開發、下載、生產與調試工具等。本書亦將嵌入式軟件分為

嵌入式系統設備端軟件

（PC端）支撐軟件。1.4.1嵌入式軟件編寫1、用機器語言編寫軟件2、用特定匯編語言編寫軟件3、用高級語言編寫軟件1.4.2嵌入式系統設備端軟件1、板級支持包2、嵌入式操作系統3、中間件4、應用軟件1.5嵌入式系統的開發及工具1、嵌入式編譯器2、交叉編譯與重定向編譯器3、嵌入式系統的軟件工具1.5.1嵌入式編譯器編譯器（Compiler），是能夠閱讀一種源語言（SourceLanguage）并轉換為另一種等價目標語言（TargetLanguage）的系統軟件1.5.1嵌入式編譯器雖然，針對通用處理器的編譯器設計和優化已經較為成熟，但針對嵌入式編譯器需要考慮嵌入式系統諸如指令集形式、有限資源與低功耗等特殊性。1.5.2交叉編譯與重定向編譯器1.5.2交叉編譯與重定向編譯器

交叉編譯環境借助于處理器資源豐富的Host主機（宿主機，一般為PC機，含操作系統及各種工具），使用特定的編譯工具將LanguageA語言編寫的程序翻譯成可以運行于嵌入式設備Target平臺（目標平臺）的LanguageC語言程序，從而完成應用程序的開發，其中LanguageB是編寫編譯工具的語言。

這種在主機平臺為目標平臺生成可執行程序的方式叫做交叉編譯，具有這種功能的編譯器則稱之為交叉編譯器（CrossCompiler）。1.5.2交叉編譯與重定向編譯器

交叉調試是在主機上借助編譯器和調試工具直接調試目標機上的代碼，通常需要通過USB，JTAG等工具連接目標機器。

可重定向編譯器采用可擴展的處理器模型作為編譯器的輸入，通過修改目標處理器的模型產生相應的目標代碼而不需要重新修改到編譯器的原代碼框架。

可重定向編譯器，不僅其能夠支持大量的目標體系結構，而且能夠適應嵌入式特點生成高效，低功耗的目標代碼，且利于其維護升級。目前，已經出現的可重定向編譯器有GCC，LCC編譯器，美國NCI（NationalCompilerInfrastructure）項目SUIF和Zephyr編譯器等。GCC編譯器是嵌入式系統廣泛使用的編譯器，將作為本書討論的重點1.5.3嵌入式系統的軟件工具1.6嵌入式系統的發展與分類1、以微控制器為代表的第一階段2、以數字信號處理器為代表的第二階段3、以嵌入式SoC為代表的第三階段4、嵌入式雙核處理器和嵌入式多核處理器發展趨勢1.6.1嵌入式處理器的發展20世紀70年代，Intel公司推出第一個微處理器4004，與此同時，將微型機嵌入到具體的應用對象體中以區別于原有的通用計算機系統，即為早期的嵌入式系統。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，其經歷了由早期依托通用處理器（如80x86）技術到獨立發展的過程，大致經歷的如下幾個發展階段。1.6.2嵌入式軟件的發展

嵌入式軟件從層次上看，包括板級支持包、嵌入式操作系統、中間件和應用軟件。本節重點討論嵌入式操作系統及其發展。

通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。

嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點嵌入式操作系統一類是面向控制、通信等領域的實時操作系統，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等。另一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類產品包括個人數字助理(PDA)、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等，如WindowCE/Mobile，Android等。另一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類產品包括個人數字助理(PDA)、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等，如WindowCE/Mobile，Android等。1、無操作系統嵌入算法的第一階段2、簡單監控式操作系統的第二階段3、通用嵌入式操作系統的第三階段4、基于Internet的嵌入式操作系統嵌入式操作系統上的應用1.6.3嵌入式系統的分類

1、按處理器位寬分類2、按控制技術的復雜度分類3、按實時性分類4、按應用分類1.7嵌入式系統的應用

1、信息家電2、交通管理3、商業領域4、工業控制5、環境工程與自然6、機器人

習題1. 什么是嵌入式系統？嵌入式系統的特點是什么？2. 嵌入式系統的發展經歷了哪幾個階段？3. 嵌入式系統未來的發展趨勢是什么？4. 簡述嵌入式處理器的分類及各自的主要特點5. 簡述嵌入式軟件的結構及各組成部分的主要特點。6. 按控制技術的復雜度，嵌入式系統可以分為哪幾類？7. 編譯器在嵌入式系統軟件開發中的作用和地位?8. 什么是