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嵌入式处理器结构与应用 姓名：张晓晶 单位：软件学院
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参考书： 《ARM体系结构与编程》 杜春雷 ——清华大学出版社 《嵌入式系统设计与实例开发》 （第二版） 王田苗
《ARM 嵌入式系统开发—软件设计与优化》Andrew .Sloss(美) ——北京航空航天大学出版社 《基于ARM的嵌入式系统开发与应用》 吴明晖 ——人民邮电出版社
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第一章 嵌入式系统开发基础 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统的组成结构 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 嵌入式系统的开发方法
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一、嵌入式系统的基本概念 （一）嵌入式系统的应用领域和定义 嵌入式技术无处不在
各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。
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嵌入式技术典型应用：
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嵌入式技术典型应用
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嵌入式系统的应用范围 军事电子 信息家电 工控设备 智能玩具 嵌入式应用 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
消费电子 嵌入式应用 信息家电 智能玩具 军事电子 通信设备 移动存贮 工控设备 智能仪表 汽车电子 网络设备 工业 军事国防 电子商务 网络
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到底什么是嵌入式系统呢？ MP3 工业控制计算机 比较两者有什么共同之处？ 共同之处：都嵌入了微处理器。
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根据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”（原文为 devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
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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、硬件可裁剪，适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要 求的专用计算机系统。
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可以从几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才能具有生命力。 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积能要求。
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简单的讲: 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。 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
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总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。
嵌入式系统的组成
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由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
（二）嵌入式系统的几个重要特征： （1）系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
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（２）专用性强 （３）系统精简 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。
即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 （３）系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。
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（5）嵌入式系统开发需要开发工具和环境（交叉开发环境）
（4）高实时性OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 （5）嵌入式系统开发需要开发工具和环境（交叉开发环境）
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嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为：
（三）嵌入式系统的分类 嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为： 芯片级嵌入； 模块级嵌入； 嵌入式系统按软件实时性需求分为： 非实时系统（如PDA）； 软实时系统（如消费类产品）； 硬实时系统（工业实时控制系统）
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（四）为什么嵌入式系统重要 国际芯片市场 据统计每年只有10-20%的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的。
嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10-20亿片。每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生，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，而到今年时预计将为6340万部。
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中国信息家电市场 2001年达到500亿～ 700亿元，今年有望达到3500亿～ 5000亿元。国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和7000多万台VCD／DVD机。 业内分析，未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期，10年总量可望达到1～1.5亿台，总产值在600～1500亿元人民币之间。仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到10～15亿元。
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嵌入式技术的发展趋势： 嵌入式技术将成为后PC时代的主宰 嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。
使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。 嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。
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二、嵌入式系统的组成结构 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
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 硬件 以太网 看门狗及复位电路 Timer/RTC CAN Flash EEPROM SDRAM SRAM 内存
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嵌入式系统硬件组成： 嵌入式处理器——核心 存储器 I/O设备 电源等 与普通计算机硬件不同之处：硬件可裁剪
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嵌入式系统软件组成： 驱动层程序 实时操作系统（RTOS） 操作系统的应用程序接口（API） 应用程序
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三、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)
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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,功耗少,成本低,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 (MOTOROL公司) 68000 (MOTOROL公司) MIPS(MIPS公司)
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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:8051,MCS251,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
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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
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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： 流行的SoC 结构简洁
体积小、功耗小 可靠性高 设计生产效率高 流行的SoC Smart XA （Philips）
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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 。 特点：
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。
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四、嵌入式操作系统 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。嵌入式系统具有操作系统的最基本的功能： 进程调度 内存管理（没有虚拟内存的管理） 设备管理 文件管理 操作系统接口(API调用) 中断管理 嵌入式操作系统具有的特点: 系统可裁减,可配置. 系统具备网络支持功能 系统具有一定的实时性
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嵌入式操作系统的分类：
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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 多种中断级别
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硬实时系统： 软实时系统： 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。
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。
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几种主流的嵌入式操作系统： µC/OS-II：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。 µCLinux：uclinux是一个源码开放的操作系统，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。
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五、嵌入式系统的开发方法 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。
嵌入式系统的设计要求: 并发处理,及时响应 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
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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。
嵌入式系统开发的最大特点： 需要软硬件综合开发。 其原因在于： 一方面，任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体； 另一方面，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。
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嵌入式系统设计过程：
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嵌入式系统软件的开发模式——交叉开发 交叉开发：在一台通用计算机上进行软件的编辑、编译，然后下载到嵌入式设备中运行调试的开发方式。
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习题： 什么是嵌入式系统？并比较嵌入式系统与通用PC机的区别？ 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。
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