嵌入式系统设计 陈天洲

参考书 嵌入式计算机系统设计原理， computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 机械工业出版社， 2002 ARM 嵌入式处理器结构与应用基础，马 忠梅等，北航出版社， 2002 嵌入式实时操作系统 VxWorks 及其开发环 境 Tornado ，孔祥营等，中国电力出版社， 2002

第一课、嵌入式系统概述 嵌入式系统的历史与概念 无所不在的嵌入式系统 普适计算 嵌入式系统的基本组成与设计 嵌入式热点领域

一、什么是嵌入式系统 Embedded system 个人电脑 ≠ 嵌入式系统

计算机工业的分类 以往计算机分类：大型计算机、中型机、 小型机和微计算机 目前计算机分类：超级计算机，大型计算 机、工作站、微计算机、亚微计算机 亚微计算机 ( 嵌入式计算机 ) 是以嵌入式系 统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中

历史 电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几乎 电脑自身的历史一样长 计算机控制系统 单片机掀起电子化浪潮 微处理器高速发展推动了嵌入式系统

嵌入式系统的演变 8031/8051 单片机系统，自行编写程序； 68360/386EX 控制系统，自己编写简单的 操作系统； 32 位嵌入式处理器＋ pSoS 嵌入式操作系 统＋ tcp/ip 协议栈； 各种 SoC+ 嵌入式 Linux/VxWorks+ 嵌入式 Web 设备 server 以及各种复杂网络协议栈 ＋ GUI 图形界面＋无线模块＝现代可移动 的网络智能设备

后 PC 技术的时代 小到 mp3 ， PDA 等微型数字化产品，大到 网络家电，智能家电，车载电子设备 嵌入式系统是这个后 PC 时代的擎天之柱 1999 年世界电子产品产值已超过 亿 美元， 2000 年达到 亿美元，预计 2005 年，销售额将达 亿美元。

嵌入式简单定义 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成 于计算机硬件系统之中。 可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件 系统都可以称为嵌入式系统

狭义定义 使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有 自己的操作系统并且具有某些特定功能的 系统 微处理器专指 32 位以上的微处理器

嵌入式系统的定义 以应用为中心、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统

二、无所不在的嵌入式系统 嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外部设备中就包含了 5-10 个 嵌入式微处理器： 键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、 Modem 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、 USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。 在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、 汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类 产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

经典应用 CISCO 的路由器 华为、中兴的以太网交换机 恒基伟业的商务通 PDA ； 摩托罗拉的手机 美国宇航局的火星探测器 Sony 的机器狗 AIBO

嵌入式系统的应用领域（一） 家用市场 机顶盒、掌上电脑、 DVD 、 MP3 、数码相机、数字电视、 WebTV 、网络冰箱、网 络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等 通信市场 电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（ L3D ），数据交换设备，移动电 话等 工业市场 制造工厂，污水处理系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统开发， 维护和测试的工具，石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备，计算机辅助制造系统， 能源控制系统，核电站，机器人系统等 商业和金融市场 自动柜员机，信用卡系统，售货端系统，安全系统等

嵌入式系统的应用领域（二） 办公市场 电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机 运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，雷达系统，交通指 挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统，应急设 备等 建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统， 车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜， 警铃等 医疗市场 心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统， MN 光设备，理疗控制系统，电 磁成像系统等 军事 武器控制

嵌入式系统热点应用 信息家电 车载系统 军事工业 医疗器械

信息家电应用特点 市场巨大 低成本要求 利润空间小 竞争激烈 人机界面友好 网络化

车载系统应用特点 与汽车工业相配套 利润空间较大 可靠性要求较高 无线通讯要求

军事工业应用特点 市场垄断性强 高利润 可靠性要求高 安全性要求高 成本要求布不高

军事工业产品 数字化单兵信息装备 夜视扫描、全球定位、指挥通信

医疗行业应用特点 市场广阔，进入门槛较高 利润极高

三、普适计算 Pervasive Computing 普适计算是指使用小型计算设备、在位置 不断移动的过程中或在地理位置分布很广 的范围内，在不稳定的通信条件下实现联 机事务处理和企业核心数据访问。 普适计算是指无所不在的、随时随地可以 进行计算的一种方式； 主要针对移动设备； 普适计算设备可以一直或间断地连接着网 络

普适计算和无线互联及网络计算比较 普适计算是网络计算的自然延伸 它使得不仅 PC 机而且其它小巧的智能设 备也可以连接到网络中，从而方便人们即 时地获得信息并采取行动 人们就可以以一种一致的方式，使用所喜 欢的设备（主要是嵌入式系统设备），随 时随地获得信息

普适计算需要的条件 第一，处理器价格越来越便宜，而体积越来越小，使得 计算机功能得以广泛应用。可以将计算机部件安装在任 何用于监控或采集数据的各种小型计算物理设备上，例 如家用电器、数据采集器、跟踪器等。 第二，高的网络带宽也确保了网络连接更快、更方便、 更便宜，更完善的网络保证了网络连接的质量和效率。 第三，现在已被广泛应用的蜂窝技术也有了很大的发展。 蜂窝式移动通讯系统的覆盖能力和范围比任何通信系统 都要广，且价格低廉。 蜂窝电话不必插在墙壁上，用 户在任何地方都能打。通过蜂窝技术的连接，不用物理 连线就可以将 POS 销售机连到局域网上。

普适计算的特性 间断连接 普适计算的第一个特征是间断连接，是服务器能否 不时地同用户（特别是移动用户）保持联系。用户 必须能够存取服务器信息，在中断联系的情况下， 可以处理这些信息。 轻量计算 即计算资源相对有限。普适计算主要用于商业用途 的数据处理，通常针对移动办公的工作人员和需要 经常在旅途中存取公司系统数据的职员，他们需要 不受地域和时间限制地获取和处理核心系统上的数 据。

普适计算对数据库的要求 第一，在普适计算设备上安装一个系统开 销低的小型数据库管理系统，用于在本地 存取信息。 第二，在软件的分布、数据备份和恢复、 移动存取等方面，要具备高效、实时的数 据复制能力。 第三，普适计算也与电子商务紧密联系在 一起，那些电子商务应用程序要求能够交 流、存取信息。

普适计算对于系统开销的要求 按普适计算对于系统开销的要求通常可以分为三种类型，分别使用 三类操作系统，适用于不同类型的用户，针对不同的市场，有三种 不同的数据存储需求。 第一种是 Windows CE ，它具有典型的前端办公形式应用程序，是 用于商务处理的完整操作系统，在小型轻便个人计算机上运行。用 户用微型键盘输入数据，整个系统开销大约为 2 MB ，所以数据库 的开销很小 ，大约只有 1 MB ，物理存储量约在 500 MB~600 MB 之 间。 第二种是手持设备（又叫掌上机， Palm ），运行生产商特制的掌 上机操作系统（ Palm OS ）。这种设备比 Windows CE 设备更小， 通过手写笔进行数据录入，配有一个很小的浏览窗口。通常该设备 上数据库可用的内存容量小于 1MB ，物理存储量在 500 MB 以下。 第三种设备的代表是汽车的内置计算机部件。这种设备只有 100 KB 的内存，没有硬盘存储，运行用专用的实时操作系统开发 商开发的操作系统。

普适计算用途及前景 普适计算主要用于商业，通常针对移动办 公的工作人员和需要经常存取公司系统信 息的职员。 数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入 家庭，家庭内部的网络可以是无线或有线 的。在家庭内部，手持设备、 PC 或者家 用电器通过有线或者无线的方式连接到网 络，从而提供了一个无缝、交互和普适计 算的环境。

四、嵌入式系统的基本组成与设计 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关 支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系 统等组成，它是集软硬件于一体的可独立 工作的 “ 器件 ”

交叉学科 先进的计算机技术 半导体技术 电子技术 各个行业 面向具体应用

嵌入式系统的产品特征 硬件：嵌入式处理器的功耗、体积、成本、 可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等 方面 嵌入式软件生命周期＝嵌入式产品 软件以只读存储器为载体 不可以随意更换

嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件 品种总量已经超过 1000 多种，流行体系 结构有 30 几个系列，其中 8051 体系的占 有多半

嵌入式系统硬件主流 32,64 位微处理器是目前嵌入式系统的核 心 主要硬件厂商包括 Intel ， Motorola ， Philip ， AMD 等 每个月都有新产品出现

嵌入式计算机内核分类 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式片上系统 (System On Chip)

嵌入式微处理器 (EMPU) 通用计算机中的 CPU 专门设计的电路板 只保留和嵌入式应用有关的母板功能 增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面 功能与和工业控制计算机相似 嵌入式处理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 、 MIPS 、 ARM 系 列等

嵌入式微控制器 (MCU) 又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM 、 RAM 、总线、总线逻辑、定时 / 计数器、 WatchDog 、 I/O 、串行口、脉宽调制 输出、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各 种必要功能和外设 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

嵌入式微控制器 (MCU) 代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 MC68HC05/11/12/16 、 等。 另外还有许多半通用系列如：支持 USB 接 口的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ； 支持 I 2 C 、 CAN-Bus 、 LCD 及众多专用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 占嵌入式系 统约 70 ％的市场份额。

嵌入式 DSP 处理器 (EDSP) DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊 设计，使其适合于执行 DSP 算法，编译效 率较高，指令执行速度也较高。 在数字滤波、 FFT 、谱分析等方面 DSP 算 法正在大量进入嵌入式领域， DSP 应用正 从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功 能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。

嵌入式 DSP 处理器 (EDSP) 有代表性的产品是 Texas Instruments 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系 列。 TMS320 系列处理器包括用于控制的 C2000 系列，移动通信的 C5000 系列，以 及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已经发展成为 DSP56000 ， DSP56100 ， DSP56200 和 DSP56300 等 几个不同系列的处理器。

嵌入式片上系统 (SOC) 在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块 芯片中去 应用系统电路板将变得很简洁 SOC 可以分为通用和专用两类。 通用系列包括 Infineon(Siemens) 的 TriCore ， Motorola 的 M-Core ，某些 ARM 系列器件， Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片等。 专用 SOC 一般专用于某个或某类系统中。有代 表性的产品是 Philips 的 Smart XA

嵌入式系统软件的特征 (1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 系统软件 (OS) 的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和 走向工业标准化道路的基础

嵌入式软件主流 VxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用 最广泛、市场占有率最高的系统。 Os-9 是主要为高科技产品设计的，提高了 很好的安全和容错性，并且有很好的升级 能力和灵活性。 Palm Os ，是 Palm 公司的操作系统，和微 软的 Windows CE 是 PDA 操作系统的两大 巨头。

嵌入式系统软件 1 、嵌入式系统设计语言 2 、嵌入式操作系统 3 、嵌入式系统开发环境 实时在线仿真系统 ICE 高级语言编译器 源程序模拟器

五、嵌入式热点领域 日益增长的功能密度 更高的可靠性保障 灵活的网络连接 分布式应用和移动应用 多媒体信息处理 更便捷的信息共享 适应更加激烈的市场竞争