嵌入式系统讲义 第1章 嵌入式系统概述 周国运 2007.3

第1章 嵌入式系统概述 主要内容 嵌入式系统简介 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 嵌入式系统开发方法

1.1 嵌入式系统简介 主要内容 嵌入式系统定义 嵌入式系统应用 嵌入式系统组成 嵌入式系统特点 嵌入式系统分类 嵌入式系统发展

1.1.1 嵌入式系统定义 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的快速发展，人们进入了后PC时代，后PC时代是一个嵌入式系统（Embedded System）的网络时代，嵌入式技术将主宰后PC时代。 “嵌入式系统”实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。 对“嵌入式系统” 有各种不同的定义。 一、嵌入式系统的定义

1.1.1 嵌入式系统定义(2) 1、IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 1.1.1 嵌入式系统定义(2) 1、IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。

1.1.1 嵌入式系统定义(3) 2、国内普遍被认同的定义： 1.1.1 嵌入式系统定义(3) 2、国内普遍被认同的定义： 嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专业计算机系统”。 嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的隐藏在某种设备中的计算机软硬件集合体，没有固定的特征形状。

1.1.1 嵌入式系统定义(4) 三要素：嵌入、专用、计算机 嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求 专用性：软、硬件按对象要求裁减 1.1.1 嵌入式系统定义(4) 三要素：嵌入、专用、计算机 嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求 专用性：软、硬件按对象要求裁减 计算机：实现对象的智能化功能

1.1.1 嵌入式系统定义(5) 二、嵌入式系统的特性 只执行特定功能 以微控制器、外围器件为中心，系统构成可大可小 1.1.1 嵌入式系统定义(5) 二、嵌入式系统的特性 只执行特定功能 以微控制器、外围器件为中心，系统构成可大可小 有严格的时序性和稳定性要求 自动操作循环，等待中断控制 程序被烧录在芯片中

1.1.1 嵌入式系统定义(6) 三、单片机和嵌入式系统的区别 单片机属于嵌入式系统，故嵌入式系统的历史已经有几十年。 1.1.1 嵌入式系统定义(6) 三、单片机和嵌入式系统的区别 单片机属于嵌入式系统，故嵌入式系统的历史已经有几十年。 单片机与嵌入式系统有区别，只有嵌入式系统的部分结构和部分功能： 单片机数据处理能力有限、处理速度有限，不能够用于所有的嵌入式系统 单片机不使用操作系统 单片机无网络功能

1.1.2 嵌入式系统的应用 嵌入式系统应用及其广泛，只要是用电的设备，都可以有嵌入式系统，对于日常生活用品，甚至于不用电的设备也可能有嵌入式系统。 一、嵌入式技术无处不在 办公设备：复印机、传真机，PC机外围设备，键盘、鼠标、优盘、显示器、Modem、打印机、扫描仪等，含有数个甚至十数个嵌入式系统。 消费类产品：如MP3、照相机、摄像机、PDA、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。 测控和自动化：各个领域中的智能仪器仪表，各种装备、设备中的测控系统、自动化系统。如工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等，汽车、火车、轮船、航空与航天器等工具中的控制系统。 数字网络通信： 交换机、路由器、网关、手机，各个领域、装备、设备中的数字网络通信系统。

1.1.2 嵌入式系统的应用(2) 嵌入式系统的应用领域 工业生产 日常生活 电信 科学研究 网络 军事国防 交通运输 航空航天 水利 1.1.2 嵌入式系统的应用(2) 嵌入式系统的应用领域 工业生产 日常生活 科学研究 军事国防 航空航天 医疗卫生 文化教育 广播电视 电信 网络 交通运输 水利 电力 农业 气象 其应用前景：

1.1.2 嵌入式系统的应用(3)

1.1.2 嵌入式系统的应用(4)

1.1.2 嵌入式系统的应用 汽车电子

1.1.2 嵌入式系统的应用 军事国防领域

1.1.2 嵌入式系统的应用 航天领域

1.1.2 嵌入式系统的应用(5) 后PC时代产品的蓬勃发展

1.1.2 嵌入式系统的应用(6)

1.1.2 嵌入式系统的应用(7)

1.1.2 嵌入式系统的应用(8) 二、从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用 1.1.2 嵌入式系统的应用(8) 二、从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用 据统计，每年只有2%左右的计算机芯片是用在台式PC或膝上电脑上的。 用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有10---20亿片。 每年大约有1万个新的嵌入式系统投入产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。 如：手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部，2004年约为6340万部。

1.1.2 嵌入式系统的应用(9) 三、嵌入式技术对科学技术的影响 使计算机的分类发生变化 1.1.2 嵌入式系统的应用(9) 三、嵌入式技术对科学技术的影响 使计算机的分类发生变化 以前对计算机的分类：分为巨型机、大型机、小型机、微机。 现在分为两大类：通用计算机和嵌入式系统，原来仅是通用计算机。

1.1.2 嵌入式系统的应用(10) 形成了新的专业，甚至会形成一个新的学科 1.1.2 嵌入式系统的应用(10) 形成了新的专业，甚至会形成一个新的学科 嵌入式技术是四个学科专业的结合体：微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象领域（应用对象）学科，嵌入式技术专业至少是“计算机学科”和“电子技术学科”两种专业的结合， 即 计算机(强)+电子技术(强)（软硬件全设计） 或者：计算机(强)+电子技术(弱)（偏重软件设计） 或者：计算机(弱)+电子技术(强)（偏重硬件设计） 主宰后PC时代 是一些学者的断言

1.1.3 嵌入式系统组成 粗略划分： 稍细划分： 嵌入式处理器 外围设备 嵌入式操作系统(可选) 嵌入式应用软件 嵌入式处理器 外围设备 1.1.3 嵌入式系统组成 粗略划分： 嵌入式处理器 外围设备 嵌入式操作系统(可选) 嵌入式应用软件 稍细划分： 嵌入式处理器 外围设备 驱动程序 嵌入式操作系统 应用接口 嵌入式应用软件

1.1.3 嵌入式系统的组成(2)

软 件 硬 件 应用程序 实时操作系统（RTOS） 输入输出接口 处理器/ARM核 SOC/SOPC USB GPIO IIS LCD MMU/Cache SOC/SOPC USB GPIO IIS LCD UART和IrDA ADC/DAC FPGA/CPLD DSP/浮点运算协处理器 DMA 电源管理 人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标 设备驱动程序、HAL、BSP 文件系统/图形用户应用程序接口 驱动层 OS层 应用层 软 件 以太网 看门狗及复位电路 Timer/RTC CAN Flash EEPROM SDRAM SRAM 内存 硬 件

1.1.4 嵌入式系统的特点 一、嵌入式系统是面向具体应用的产品 二、嵌入式软件特征 主要有五个方面的特点 嵌入式系统可以是面向某一个领域、某一行业、某一个用户的具体产品，不具有通用性，不能独立发展。对功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等有严格要求。 嵌入式系统软件、硬件（处理器、系统等）生命周期都比较长，有继承性。 二、嵌入式软件特征 具有实时性，高质量、高可靠，程序固化。

1.1.4 嵌入式系统的特点(2) 三、需要软硬件开发工具和系统软件 硬件工具：计算机、开发板、信号发生器、示波器等 软件工具：编辑、编译、调试软件等 系统软件：OS、数据库等 四、需要应用专家参与开发 嵌入式系统一般不是一个独立的应用产品，是某种产品的一部分，所有需要相应方面的应用专家参与。 五、嵌入式系统分散而不可垄断 通用计算机行业被Win’tel垄断（软件和硬件） 嵌入式系统领域的芯片、操作系统、软件，充满了竞争、发展和机遇，呈现一种百花齐放的景象。

1.1.5 嵌入式系统分类 按表现形式（硬件范畴） 按实时性要求（软件范畴） 芯片级嵌入(含程序和算法的处理器、单片机) 1.1.5 嵌入式系统分类 按表现形式（硬件范畴） 芯片级嵌入(含程序和算法的处理器、单片机) 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入（系统中的电路板） 按实时性要求（软件范畴） 非实时系统（PDA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）

1.1.6 嵌入式系统的发展 一、嵌入式系统的发展历史 嵌入式系统的发展可以分为SCM、MCU、SOC/SOPC三个阶段。 1、嵌入式系统的诞生 由于单片机是伴随着微机诞生的，单片机属于嵌入式系统，因此嵌入式系统是伴随着微机诞生的。 1971年Intel公司首先开发出了第一片4位微处理器4004，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。4004的问世标志着嵌入式系统的诞生。

1.1.6 嵌入式系统的发展(2) 2、SCM阶段 即单片微机（Single Chip Microcomputer）阶段 主要标志：是将微机的几部分集成在一个芯片中 代表机型：主要有Intel的MCS-48、MCS-51、MCS-96/98 3、MCU阶段 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段 主要标志：除了将微机的几部分集成在一个芯片中外，把控制所常用到的电路也集成到芯片中，如A/D、D/A、RTC、PWM 、Watchdog等。Philips公司起着重要作用。 代表机型：主要有STC公司的STC89LE52AD、 Philips的LPC935、 AD公司的ADuC812等。

1.1.6 嵌入式系统的发展(3) 4、SOC/ SOPC阶段 SOC即片上系统（System On Chip）、SOPC即可编程片上系统 ( System On Programmable Chip ) ，在芯片上集成一个完整的专用计算机系统，单片系统。silicon 主要标志： IC设计技术发展和IP（Intellectual Property 知识产权）软内核、SIP（Silicon IP）软内核的出现，产生了SOC；EDA (Electronic Design Automatic)工具的发展，使外围电路简化在一个芯片上。 代表IP软内核：ARM公司的ARM系统处理器ARM7、ARM9等，ARM是一种高运算能力、高集成度、低功耗的RISC微处理器。 SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。

1.1.6 嵌入式系统的发展(4) 二、嵌入式系统的发展方向 嵌入式系统的发展与通用计算机技术的发展密不可分，但是又有自己独立的发展道路。由于应用目标不同，因此两者的发展方向有所不同。 1、通用计算机 沿着“高运算速度、高存储量”方向发展，因此，通用微处理器是沿着以Intel公司产品为主导的8080、8086、80286、80386、80486、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4的线路发展，其主频从几MHz发展到现在的3GHz子长从8位发展到64位，内存从几十KB到现在的GB，存储容量从从几十KB到现在的数百GB。 2、嵌入式系统 根据应用的要求，沿着“体积小、低功耗、高可靠”方向发展，对运算速度、存储容量没有统一要求。

1.1.6 嵌入式系统的发展(5) 三、嵌入式系统当前主要研究内容 教学内容、教学方法；实验设备、实验内容、实验方法；教材等。 1、OS 2、数据库 3、工具软件 图形界面开发软件、调试软件、硬件设计软件等 4、硬件开发设备、工具 5、教学方面 教学内容、教学方法；实验设备、实验内容、实验方法；教材等。

1. 2 嵌入式处理器 1.2.1 嵌入式处理器分类 嵌入式处理器品种繁多、百花齐放、竞争激烈 1. 2 嵌入式处理器 1.2.1 嵌入式处理器分类 嵌入式处理器品种繁多、百花齐放、竞争激烈 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界大约有1000多种嵌入式处理器，流行的体系结构有30多个系列。如MCS-51、PIC、AVR、ARM、DSP等，其中MCS-51占了多半，生产厂家20多个，350多种衍生产品，仅Philips就有近百种。处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，寻址空间从64KB到4GB。

1. 2 嵌入式处理器(2) 嵌入式处理器分类 ★嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit) 1. 2 嵌入式处理器(2) 嵌入式处理器分类 ★嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit) ★嵌入式微控制器（MicroController Unit） ★嵌入式DSP处理器EDSP(Embedded Digital Signal Processor) ★嵌入式片上系统SOC(System On Chip) ★嵌入式可编程片上系统SOPC(System On Programmable Chip)

1. 2 嵌入式处理器(3) 􀂄 具有体积小、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点，有的可提供工业级应用。 1. 2 嵌入式处理器(3) 1.2.2 嵌入式微处理器简介 一、嵌入式微处理器（MPU） 嵌入式微处理器就是和通用计算机的处理器对应的CPU，可以认为是“增强型”通用微处理器 。 特点： 􀂄 功能和微处理器基本一样，是具有32位以上的处理器,具有较高的性能。 􀂄 具有体积小、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点，有的可提供工业级应用。 流行的嵌入式微处理器: 􀂄ARM/Strong (ARM公司) 􀂄PowerPC 、68000 (MOTOROLA公司) 􀂄MIPS(MIPS公司)

1. 2 嵌入式处理器(4) 二、嵌入式微控制器（MCU） 嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，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、A/D等各种必要功能和外设。 特点： 􀂄一个系列的微控制器具有多种衍生产品 􀂄单片化、体积大大减小、功耗和成本降低、可靠性提高 􀂄是目前嵌入式工业的主流、约占嵌入式系统70%的份额 􀂄多是8位和16位处理器 流行的嵌入式微控制器： 􀂄通用系列:MCS-51,MCS-96/196/296 􀂄半通用系列:支持I2C,CAN BUS及众多专用MCU和兼容系列

1. 2 嵌入式处理器(5) 三、嵌入式DSP 嵌入式DSP是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。 应用领域： 数字滤波 频谱分析 FFT 流行的嵌入式DSP： TMS320C2000系列（TI） MCS-296（Intel） FFT：=Fast Fourier Transform Algorithm (method)快速傅氏变换算法

1. 2 嵌入式处理器(6) 四、嵌入式SOC 嵌入式SOC是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。 特点： 1. 2 嵌入式处理器(6) 四、嵌入式SOC 嵌入式SOC是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。 特点： 结构简洁 体积小、功耗低 可靠性高 设计生产效率高 流行的SOC： Smart XA （Philips）

1. 2 嵌入式处理器(7) 五、嵌入式SOPC 嵌入式SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上 。 1. 2 嵌入式处理器(7) 五、嵌入式SOPC 嵌入式SOPC是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上 。 它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； 它是可编程系统。 特点： 采用超深亚微米工艺技术 使用一个以上的嵌入式处理器/DSP 设计方式灵活 可裁减、可扩充、可升级 软硬件在系统可编程的功能。

1. 3 嵌入式操作系统 􀂄系统可裁减、可配置 1.3.1 嵌入式操作系统概念 1. 3 嵌入式操作系统 1.3.1 嵌入式操作系统概念 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。 入式系统具有操作系统的最基本的功能： 􀂄进程调度（没有虚拟内存的管理） 􀂄内存管理、 设备管理、文件管理􀂄中断管理 􀂄系统功能接口(API调用，如网络功能) 、设备驱动 嵌入式操作系统具有的特点： 􀂄系统可裁减、可配置 􀂄系统具有实时性 􀂄系统稳定、可靠

1. 3 嵌入式操作系统(2) 1.3.2 嵌入式操作系统的分类 嵌入式 操作系统 非实时 实时 硬实时 软实时

1. 3 嵌入式操作系统(3) 一、实时操作系统 实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证。 1. 3 嵌入式操作系统(3) 一、实时操作系统 实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证。 对外部事件的响应包括： 􀂄事件发生时要识别出来 􀂄在给定时间约束内必须输出结果 实时操作系统必须有以下特征： 多任务 有线程优先级 (是否为进程) 多种中断级别

1. 3 嵌入式操作系统(4) 硬实时系统： 软实时系统： 1. 3 嵌入式操作系统(4) 硬实时系统： 对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或致命的错误。 软实时系统： 对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃，只是降低系统的吞吐量。

1. 3 嵌入式操作系统(4) 1.3.3 几种主流的嵌入式操作系统 µC/OS-II：教学的免费、面向中小型嵌入式系统应用。 1. 3 嵌入式操作系统(4) 1.3.3 几种主流的嵌入式操作系统 µC/OS-II：教学的免费、面向中小型嵌入式系统应用。 Vxworks：美国WindRiver公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。 WinCE：它是微软针对个人电脑以外的电脑产品所研发的嵌入式操作系统，而CE则为Customer Embedded的缩写。 Linux/µCLinux：免费、源码开放的操作系统，µclinux面向没有MMU的硬件平台。 PalmOS ：Com公司产品，在PDA市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统。

1.4 嵌入式系统的开发方法 1.4.1 嵌入式系统的设计要求 1.4 嵌入式系统的开发方法 1.4.1 嵌入式系统的设计要求 嵌入式系统设计开发不同于桌面系统，它非常受制于功能和具体的应用环境，所以嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求： 接口方便、操作容易 稳定可靠、维护简便 功耗管理、降低成本 功能实用、便于升级 并发处理、及时响应

1.4 嵌入式系统的开发方法(2) 1.4.2 嵌入式系统开发特点 需要软硬件综合开发，二者密切相关。 1.4 嵌入式系统的开发方法(2) 1.4.2 嵌入式系统开发特点 需要软硬件综合开发，二者密切相关。 原因： 任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体 一旦嵌入式产品研发完成，软件就固化在硬件环境中，嵌入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的，是专用的。 嵌入式系统的这一特点，决定了嵌入式应用开发方法不同于传统的软件工程方法。

1.4 嵌入式系统的开发方法(3) 1.4.3 嵌入式系统设计过程

1.4 嵌入式系统的开发方法(4)

1.4 嵌入式系统的开发方法(5) 1.4.4 嵌入式系统软件的开发模式 需要使用交叉编译器，进行交叉开发。 1.4 嵌入式系统的开发方法(5) 1.4.4 嵌入式系统软件的开发模式 需要使用交叉编译器，进行交叉开发。 交叉编译器(Cross-compiler)：是一种运行在通用计算机上的、但是能够生成在另一种处理器上运行的目标代码的编译器。 交叉开发：在一台通用计 算机上进行软件的编辑、 编译，然后下载到嵌入式 系统中运行调试。 宿主机 目标机

习 题 什么是嵌入式系统？ 比较嵌入式系统与通用PC机的区别。 嵌入式系统有哪些部分组成？ 嵌入式系统有哪些特点？ 嵌入式系统是怎样分类的？ 习 题 什么是嵌入式系统？ 比较嵌入式系统与通用PC机的区别。 嵌入式系统有哪些部分组成？ 嵌入式系统有哪些特点？ 嵌入式系统是怎样分类的？ 详细说明什么是MPU、MCU、SOC和SOPC？ 什么是硬实时操作系统，什么是软实时操作系统？ 简述嵌入式软件的开发模式。 大胆想象嵌入式系统的应用景象。

参考书籍 1、ARM嵌入式系统基础教程 周立功 等 北航出版社 2、 ARM嵌入式处理器结构与应用基础 马忠梅 等 北航出版社 周立功 等 北航出版社 2、 ARM嵌入式处理器结构与应用基础 马忠梅 等 北航出版社 3、 ARM9嵌入式系统设计与开发教程 于明 等 电子工业出版社 4、嵌入式设计及Linux驱动开发指南 孙天泽 等 电子工业出版社