嵌入式系统基础 讲授：孙 波 讲师 （sunbo@sdu.edu.cn） 孙同景 教 授 山东大学 控制科学与工程学院.

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1 嵌入式系统基础 讲授：孙 波 讲师 孙同景 教 授 山东大学 控制科学与工程学院

2 提 要 嵌入式系统的定义及体系结构 1 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机 4 单片机的基本组成 5 嵌入式系统开发流程

3 IEEE定义 IEEE（美国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”（原文为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。

4 “以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”
一般定义 目前国内一个普遍被认同的定义是 : “以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”

5 嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统。
《单片机与嵌入式系统应用》定义 嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统。

6 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每一个角落。
嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入到对象体系中，实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能。 嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。

7 嵌入式系统的架构 一般由四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统 用户应用程序
软件结构 操作系统 存储器 硬件结构 输入 输出 处理器

8 嵌入式微处理器分类 （1）嵌入式微控制器 典型代表就是单片机 （2）DSP处理器 （3）嵌入式微处理器
目前主要的嵌入式处理器类有：386EX、 PowerPC、68000、ARM （4）嵌入式片上系统 片上系统（SoC）需要使用硬件描述语言，综合时序设计，直接在器件库中调用各种通用IP内核，通过仿真后进行生产。SoC将在声音、图像、影视、网络等应用领域发挥重要作用。

9 嵌入式系统软件平台 在设计简单的应用程序时,可以不使用操作系统,但在设计较复杂的程序时,可能就需要一个操作系统来管理和控制存储器、多任务和各种资源等. 实时嵌入式系统其最大特点就是程序的执行具有确定性。μC/OS和μC Linux是广泛应用的实时嵌入式操作系统，而WindowsCE2.0就是一个多任务分时系统。

10 嵌入式系统的定义及体系结构 1 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机 4 单片机的基本组成 5 嵌入式系统开发流程

11 嵌入式系统的应用领域 军事国防 消费电子 工业控制 嵌入式应用 网络 军事电子 信息家电 工控设备 智能玩具 智能仪表 通信设备 汽车电子
移动存贮 网络设备 电子商务 网络

12 嵌入式系统的应用 家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。

13 家庭智能管理系统 社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。

14 社会发展方面：嵌入式Internet 应用

15 信息家电的应用

16 信息家电——数字机顶盒

17 嵌入式应用——汽车电子 汽车电子产品（18个嵌入式控制模块） ——CAN总线网络 VOLVO S80汽车的CAN总线网络

18 智能玩具与机器人

19 嵌入式技术应用——工业控制 工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；

20 军事侦察 阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。

21 反恐防暴 2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体.

22 空中飞行器 微型飞行器---“黑寡妇”

23 图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器
嵌入式系统与机器人技术 图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器 （采用卡西欧PDA和Windows CE）

24 基于Win CE的移动机器人平台

25 基于RTLinux的仿人机器人 高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF
操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通

26 基于VXworks的火星探路者

27 2004年“勇气号”再次登陆火星

28 嵌入式系统的定义及体系结构 1 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机 4 单片机的基本组成 5 嵌入式系统开发流程

29 微型计算机系统经典结构 微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成: 运算器 输入设备 输出设备 控制器 存储器

30 微型计算机的应用形态可以分为： 多板机（系统机） 单板机 单片机

31 多板机 这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成： 显卡 声卡 网卡 存储器接口 主板 输入输出接口 内存条 CPU

32 单板机 输入输出接口 存储器接口 内存条 输入输出接口 芯片 印刷电路板 存储器芯片 CPU芯片 CPU 定时计数器 芯片 A/D、D/A

33 单片机 单片机就是单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)。
硅 晶 片 CPU 存储器 控制电路 定时器 时钟电路 I / O口 一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器／计数器、中断控制器以及串行和并行I／O接口等功能部件，构成一个完整的微型计算机。

34 它从外观上看，与普通的集成电路或芯片毫无差别。与普通芯片不同的是，单片机芯片内集成了一般微机系统所具有的主要组成部件。
概括的讲：一块芯片就是一台计算机。

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36 三种应用形态的比较 ： 1)系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。
系统机（多板机） 单板机 单片机 1)系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 2)单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。

37 MCU (Microcontroller Unit)。
单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器。 MCU (Microcontroller Unit)。 单片机特点： （1）体积小，重量轻； （2）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强； （3）控制功能强，使用灵活，性价比高； （4）易扩展，易于开发； （5）受集成度限制，片内存储器容量较小。

38 嵌入式系统的定义及体系结构 1 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机 4 单片机的基本组成 5 嵌入式系统开发流程

39 CPU（中央处理单元） 运算器 输入设备 输出设备 控制器 存储器

40 CPU（Central Processing Unit） 它是单片机的核心部件
运算器 控制器

41 运算器既是算术逻辑单元ALU（Arithmetic logic Unit)，
其功能是进行算术运算和逻辑运算。 主要负责对信息的加工处理。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。

42 控制器是CPU的神经中枢 用于对指令进行解释，控制逻辑运算单元的运行，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。

43 单片机工作支撑模块 电压调整器 时钟 复位发生模块 看门狗 时钟监视器等

44 数据存储器与程序存储器 ?

45 数据存储器（RAM：Random Access Memory ）
程序存储器（ROM：Read Only Memory ） 单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。

46 RAM的特点是可读也可写，但是断电后立即消失，所以，它只是用来暂存数据。
ROM在单片机正常运行模式下，存储器是只能读不能写的。只有在特殊模式下，才能将程序写到ROM中。目前单片机中使用的只读存储器是Flash闪速存储器，简称闪存。

47 与其他存储器相比，Flash具有以下特点：
非易失。不同于SRAM和DRAM，Flash不需要任何数据刷新机制，也不需要维持工作电压。 可更新。在各种温度条件下，可擦写次数在10万次以上，存储数据可以保持10年以上。 支持在线编程。允许单片机内部的程序去改写Flash。这一技术大大增加了单片机的应用范围和使用的方便性。

48 通用I/O模块 ?

49 所谓普通的I/O，即Input/Output基本的输入输出。
作为普通输入引脚，MCU内部程序可以读取该引脚，知道该引脚是“1”（高电平）还是“0”（低电平），即开关量输入。 作为普通输出引脚，MCU内部程序向该引脚输出“1”或“0”，即开关量输出。

50 单片机上一般集成了多个I/O（Input/Output）接口
其中有通用并行I/O口（一般每口8个外部引脚）以及SCI、PWM、I2C、CAN等专用子系统。 复位后一般所有I/O引脚默认设置为通用I/O输入，当专用子系统激活后，自动变更为专用功能。

51 A/D和D/A转换模块 ?

52 单片机应用中，有时需处理的信息不是数字量，而是一些随时间连续变化的模拟量（时间连续、幅值连续），甚至是一些非电量，如温度、压力等。
单片机可处理的信息均是数字量1和0。 单片机应用中，有时需处理的信息不是数字量，而是一些随时间连续变化的模拟量（时间连续、幅值连续），甚至是一些非电量，如温度、压力等。 首先将非电的模拟信号变成模拟的电信号，这要通过各种传感器来完成。 把要处理的模拟电量转换成数字化的电信号，这需要模拟(Analog)与数字(Digital)转换电路。

53 将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器。
（A/D转换器或ADC，Analog to Digital Converter） A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。

54 将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 （D/A转换器或DAC，Digital to Analog Converter）
\ A 转换器 执行机构 被控对象 CPU 被控参数 A \ D 转换器

55 串行通讯模块 ?

56 在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。
计算机1 GND 计算机2 发送 接收 串行通信 计算机1 GND 计算机2 并行通信 并行通信，即数据的各位同时传送； 串行通信，即数据一位一位顺序传送。

57 串行通讯：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。
并 行 数 据 传 送 串 行 数 据 传 送 原 理 各数据位同时传送 数据位按位顺序进行 优 点 传送速度快、效率高 最少只需一根传输线即可完成：成本低 缺 点 数据位数→传输线根数：成本高 速度慢 应 用 传送距离＜30米，用于计算机内部 几米～几千公里，用于计算机与外设之间

58 定时器/计数器模块 ?

59 在测量控制系统中，常需要有实时时钟和计数器，实现
定时（或延时）控制 对外界事件进行计数。 生活中计数的例程处处可见。例：录音机上的计数器、家里面用的电度表、汽车上的里程表等。 定时器／计数器简称定时器，其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等，是单片机中最常用、最基本的部件之一。

60 单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。
对外部输入信号的计数功能。 定时功能。定时器/计数器的定时功能也是通过计数实现的，它的计数脉冲是由单片机的片内振荡器，即为对机器周期计数。

61 脉宽调制（PWM ）模块 PWM（Pulse Width Modulate）即脉宽调制，脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。它在电动机驱动、D/A 变换等场合有着广泛的应用。 周期指上图中的τ，占空比为t/τ，相位指高低电平。

62 通（on）的时候即是直流供电被加载到负载上，断（off）的时候即是供电被断开的时候。
许多类型的单片机包含PWM控制器 在智能车控制中，便利用PWM来控制电机

63 总 线 ?

64 CPU通过总线来实现与存储器、I/O接口的数据交换。
数据总线 DB CPU 微处理器 辅助电路 ROM RAM I/O 外设 控制总线 CB 地址总线 AB CPU通过总线来实现与存储器、I/O接口的数据交换。 数据总线 地址总线 控制总线

65 数据总线（Data Bus―DB） --双向、三态
CPU 微处理器 辅助电路 ROM RAM I/O 外设 控制总线 CB 数据总线 DB 地址总线 AB 用来在微处理器、存储器以及输入/输出接口之间传送数据。 数据总线的根数决定了一次可以传递二进制数的位数。

66 地址总线（Address Bus―AB） ----单向、三态
数据总线 DB CPU 微处理器 辅助电路 ROM RAM I/O 外设 控制总线 CB 地址总线 AB 地址总线用来传送CPU发出的地址信息，以访问被选择的存储单元或I/O接口电路。 地址总线的位数决定了可以直接访问的存储单元(或I/O口)的最大可能数量（即容量）。

67 控制总线（Control Bus―CB） 数据总线 DB CPU 微处理器 辅助电路 ROM RAM I/O 外设 控制总线 CB 地址总线 AB 控制总线用来传输控制信号，包括CPU送往存储器和I/O接口电路的控制信号，如　　、　、INTA等；还包括其他部件送到CPU的信号，如　　、RESET等。 不同的CPU控制总线根数及含义不尽相同。 RD WR INT 数据总线和每个元件的数据线相连，为了使CPU能够和其中一个元件正确通信，必须使用三态逻辑元件（特别针对输入元件）。

68 单片机工作原理示意图 如实现$11+$22操作 操作码：$86 操作数：$11 操作码：$8B 操作数：$22

69 程序设计 1. 机器语言 用机器能够直接识别的二进制指令代码（即机器码或可执行的目标代码）编写的程序称为机器语言。 特点： 执行速度快
　　用机器能够直接识别的二进制指令代码（即机器码或可执行的目标代码）编写的程序称为机器语言。 $86 $11 特点： 执行速度快 不易记忆，十分繁琐。 ——用机器语言编写程序是极其困难的。

70 2. 汇编语言 用机器指令系统的助记符（能反映指令特征和操作性质的英文单词或英文缩写），用符号代替操作数来编写的程序称为汇编语言程序。
　　用机器指令系统的助记符（能反映指令特征和操作性质的英文单词或英文缩写），用符号代替操作数来编写的程序称为汇编语言程序。 LDAA #$11 特点： 用汇编语言编写的程序不仅执行速度快，又可以有效地利用机器本身的专有特性，从而提高机器的工作效率。 用汇编语言编写的程序由于面向机器，在一种机型上不能运行另一种机型的汇编程序，通用性差 。

71 3. 高级语言 用户不必了解具体机器结构，而是面向问题，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C 等各种高级语言。
高级语言容易理解、学习和掌握，用户用高级语言编写程序就方便多了，可大大减少工作量。 但计算机执行时，必须将高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目标代码方能执行。这个“翻译”就是各种编译程序(Compiler) 或解释程序 (Interpreter)。

72 嵌入式系统的定义及体系结构 1 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机 4 单片机的基本组成 5 嵌入式系统开发流程

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75 （1）可行性调研 可行性调研的目的是分析完成项目的可能性。首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所要求的客观条件是否具备（如环境、测试手段、仪器设计、资金等），然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。 （2）系统方案设计 在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统方案的设计。提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书 （3）设计方案细化，确定软硬件功能 系统方案决定下来后，下一步可以将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。

76 （4）硬件原理图设计 进行应用系统的硬件设计时，首要的问题是确定硬件电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。所谓硬件电路的总体设计，就是为实现该项目全部基本功能所需要的硬件电气连线原理图。 （5）印刷电路板设计 设计完了硬件原理图，就可以进行印刷电路板（PCB）的设计了。确认所设计的印刷电路板没有错误后，将设计的PCB文件交给电路板制作厂家进行印刷电路板的制作。 （6）程序设计与模拟调试 在印刷电路板制作期间，可以进行某些程序模块的编写和模拟调试。特别是对那些与硬件关系不大的程序模块进行模拟调试，如数据运算、逻辑关系测试等。这样可以加快项目的开发。

77 （7）印刷电路板的测试 印刷电路制作完成后，需要对其进行必要的测试，如检查是否存在短路等。若没有问题，则可以上电进行仿真调试了。 （8）系统在线仿真调试 将所设计的印刷电路板连接到开发调试环境中，进行程序的仿真调试工作。 （9）系统试运行 系统所有的功能模块都设计完毕并进行了仿真调试后，就可以将程序写入到单片机中，进行系统试运行。若试运行中出现问题，则对出现的现象进行分析，然后修改程序，并转到（8），直到系统试运行不出现问题为止。系统试运行成功后，可以进行项目的验收。

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79 谢谢！