第1讲嵌入式系统概述课件.ppt

1、第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础21.1 嵌入式系统简介嵌入式系统简介1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础3什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统q根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的

2、装置用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。）。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础4简单地讲简单地讲嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性专用性：软、硬件按对象要求裁减：软、硬件按对象要求裁减计算机计算机：实现对象的智能化功能：实现对象的智能化功能q就是嵌入到对象中的专用计算机系统就是嵌入到对象中的专用计算机系统q三要素：嵌入、专用、计

3、算机三要素：嵌入、专用、计算机q嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点:由三要素引出由三要素引出第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础5广义地说广义地说q一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。q即以应用为中心、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、即以应用为中心、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成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 。q嵌入式系统发展的最高形式嵌入式系统发展的最高形式片上系统（片上系统（S

4、OCSOC）第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础6嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 接口电路接口电路处理器系统电路处理器系统电路系统专用电路系统专用电路图图1.1 1.1 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统硬件电路一般有嵌入式系统硬件电路一般有3 3个主要的组成部分：个主要的组成部分：第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础7 硬件。处理器；存储器（硬件。处理器；存储器（ROMROM、RAMRAM）；输入输出设备；其他部分辅助系统完成功能。）；输入输出设备；其他部分辅助系统完成功能。应用软件应用软件 实时操作系统（实时操作系统（Real-Time Opera

5、ting SystemReal-Time Operating System，RTOSRTOS）。该系统用来管理应用软件，并提供）。该系统用来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要求 。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础8应用领域应用领域n社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用n中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业

6、应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用式系统的应用第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础9嵌入式技术刺激了许多新的应用需求嵌入式技术刺激了许多新的应用需求n嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器消费电子消费电子嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统

7、设计基础10工业控制、工业控制、工业设备等机电产品工业设备等机电产品n过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。q随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。示屏上实时显示。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础11n信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。信息家

8、电将成为嵌入式系统最大的应用领域。q只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。q具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。智能化等。信息家电信息家电智能家居智能家居第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础12办公信息化办公信息化第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础13消费类电子消费类电子智能玩具、手持通讯的核心智能玩具、手持通讯的核心第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础1

9、4交通管理、环境监测交通管理、环境监测n交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPSGPS设备已经从尖端产品设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭进入了普通百姓的家庭q水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。水源和空气污染监测。q加油站、停车场管理加油站、停车场管理第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础15嵌入式嵌入式InternetInternet应用应用第第1章章

10、嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础16航天领域航天领域第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础17未来嵌入式系统的发展趋势未来嵌入式系统的发展趋势 联网成为必然趋势联网成为必然趋势 小尺寸、微功耗和低成本小尺寸、微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面提供精巧的多媒体人机界面 “无所不在的智能无所不在的智能”（Ambient IntelligenceAmbient Intelligence，AmIAmI）第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础181.2 1.2 嵌入式处理器嵌入式处理器1.2.1 1.2.1 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.2.2 1.2.2 嵌入式处理

11、器的分类嵌入式处理器的分类1.2.3 ARM 1.2.3 ARM 微处理器微处理器第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础19嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）系统级嵌入系统级嵌入非实时系统（非实时系统（PDAPDA）软实时系统（消费类产品）软实时系统（消费类产品）硬实时系统（工业和军工系统）硬实时系统（工业和军工系统）q按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）：q按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：第第1章章 嵌入式系统设计基

12、础嵌入式系统设计基础201.2.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类q微控制器（微控制器（MCUMCU）q数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）q片上系统（片上系统（SOCSOC）与与 SOPCSOPCq微处理器（微处理器（MPUMPU）第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础21MCU（Micro Control Unit)q嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。极其广泛的应用。q单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM

13、/EPROM、RAMRAM、总线逻辑、定时总线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、FlashFlash、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础22MCUMCU处理能力非常有限处理能力非常有限qMCUMCU微控制器：微控制器：总线宽度一般为总线宽度一般为4 4位、位、8 8位或位或1616位，处理速度有限，一般在几个位，处理速度有限，一般在几个MIPSMIPS，进行一些复杂的进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。应用很

14、困难，运行操作系统就更难。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础23MPUq嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit)qMPUMPU嵌入式微处理器嵌入式微处理器最早最早由通用计算机中的由通用计算机中的CPUCPU演变而来的，演变而来的，80386803868038780387q 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。件

15、，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。q 目前，目前，MPU的代表是的代表是ARM系列处理器，如系列处理器，如ARM系列、系列、Cortex-M系列、系列、Cortex-A系系列列第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础24DSPqDSPDSP处理器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处理器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，在数字滤波、计，在数字滤波、FFTFFT、频谱分析等各种仪器上频谱分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。qDSPDSP是运算

16、密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础25SOCqSOCSOC（片上系统）是片上系统）是ICIC设计的发展趋势。采用设计的发展趋势。采用SOCSOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。qSOCSO

17、C芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。性能的核心器件。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础26SOPCFPGAq 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPCSOPC。可编程片上系统（可编程片上系统（SOPCSOPC）是一是一种特殊的嵌入式系统：种特殊的嵌入式系统：q首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOCSOC），），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功

18、能；q其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。系统可编程的功能。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础271.2.3 ARM ARM 处理器处理器 qARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。q19911

19、991年年ARMARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础28ARM ARM 公司的公司的Chip lessChip less模式模式q世界各大半导体生产商从世界各大半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARMARM微处理器核，根据各自不同的应用领微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARMARM微处理器芯片进入市场。微处理器芯片进入市场。q基于基于ARMARM技术的微处理器应用约占据了技术的微处理

20、器应用约占据了3232位位RISCRISC微处理器微处理器7575以上的市场份额，以上的市场份额，ARMARM技术技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。正在逐步渗入到我们生活的各个方面。q我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、器、意法半导体、PhilipsPhilips、IntelIntel、SamsungSamsung等都推出了自己设计的基于等都推出了自己设计的基于ARMARM核的处理器。核的处理器。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础29华为 麒麟

21、935n4个高主频的A53e核心2.2GHz*4n4个低主频的A53核心1.5G*4nA53即Cortex-A53，ARMv8 64/32-bit高通 骁龙810n4个高主频的A57核心2GHz*4n4个低主频的A53核心1.6G*4nCortex-A57/53，ARMv8-A第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础30ARMARM微处理器的特点微处理器的特点采用采用RISCRISC指令集指令集q低功耗、低成本、高性能低功耗、低成本、高性能使用大量的寄存器使用大量的寄存器ARM/THUMBARM/THUMB指令支持指令支持多级流水线多级流水线第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计

22、基础311.3 1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.3.1 1.3.1 操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类1.3.2 Linux1.3.3 C/OS1.3.4 Windows CE第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础32操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类操作系统（操作系统（OS，Operating System）:是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。一个统一的调用接口。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外围设备管理。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外

23、围设备管理。应用程应用程序序操作系操作系统统系统界系统界面面驱动程驱动程序序硬件硬件硬件硬件第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础33嵌入式操作系统（嵌入式操作系统（Embedded Operating SystemEmbedded Operating System）负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；能够通过加载负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调；能够通过加载/卸载某些模块卸载某些模块来达到系统所要求的功能。来达到系统所要求的功能。EOSEOS具有以下特点具有以下特点:强稳定性，弱交互性：具有很强的稳定性；强稳定性，弱交互性：具有很强的稳

24、定性；较强的实时性：较强的实时性：可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构；可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构；外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础34 操作系统提供的系统服务供应用程序调用，包括：操作系统提供的系统服务供应用程序调用，包括：文件系统、内存分配、文件系统、内存分配、I/OI/O存取服务、中断服务、任务（存取服务、中断服务、任务（TaskTask）服务、时间（）服务、时间（TimerTimer）服）服务等，设备驱动程序（务等，设备驱动程序（Device DriverDevice Driver）则

25、是要建立在）则是要建立在I/OI/O存取和中断服务上的。存取和中断服务上的。有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。有些嵌入式操作系统也会提供多种通信协议，以及用户接口函数库等。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础35实时操作系统（实时操作系统（Real-Time Operating SystemReal-Time Operating System，RTOSRTOS），是指操作系统本身要能在一个固定时），是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用（或外部事件）做出正确的反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。限内对程序调用（或外部事件）做出正确的反应，亦即

26、对时序与稳定性的要求十分严格。目前国际较为知名的有：目前国际较为知名的有：VxWorksVxWorks、NeutrinoRTOSNeutrinoRTOS、Nucleus PlusNucleus Plus、OS/9OS/9、VRTXVRTX、LinuxOSLinuxOS，RTLinuxRTLinux、BlueCat RTBlueCat RT等。等。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础36通用型操作系统：执行性能与反应速度比起实时操作系统，相对没有那么严格。通用型操作系统：执行性能与反应速度比起实时操作系统，相对没有那么严格。目前较知名的有：目前较知名的有：Windows CE、Pal

27、m OS、TimeSys Linux/GPL、Blue Cat Linux等等 嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管理（嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管理（Task Management）、任务调度（）、任务调度（Task Scheduling）、进程间的通信（）、进程间的通信（IPC）、内存管理（）、内存管理（Memory Management）。）。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础37Linux 嵌入式嵌入式LinuxLinux具有适合于嵌入式系统的特点具有适合于嵌入式系统的特点:内核精简，高性能、稳定；内核精简，

28、高性能、稳定；良好的多任务支持；良好的多任务支持；适用于不同的适用于不同的CPUCPU体系架构：支持多种体系架构，如体系架构：支持多种体系架构，如X86X86、ARMARM、MIPSMIPS、ALPHAALPHA、SPARCSPARC等；等；可伸缩的结构：可伸缩的结构使可伸缩的结构：可伸缩的结构使LinuxLinux适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用；适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用；外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口；外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口；开放源码，软件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广；开放源码，软

29、件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面广；完整的技术文档，便于用户的二次开发。完整的技术文档，便于用户的二次开发。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础38 C/OS-C/OS-C/OS-C/OS-是是Jean J.LabrosseJean J.Labrosse在在19901990年前后编写的一个实时操作系统内核。年前后编写的一个实时操作系统内核。C/OS-C/OS-只是一个基于优先级调度的抢占式实时内核，其特点：只是一个基于优先级调度的抢占式实时内核，其特点：提供提供任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信和同步等基本功能；任务调度、任务管理、时间

30、管理、内存管理和任务间通信和同步等基本功能；没有提供输入输出管理、文件管理、网络等额外的服务。没有提供输入输出管理、文件管理、网络等额外的服务。源码开放及可扩展。源码开放及可扩展。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础39Windows CEWindows CE微软的嵌入式操作系统。微软的嵌入式操作系统。WinCE主要应用于主要应用于PDA，以及智能电话（，以及智能电话（smart phone）等多媒体网络产品。）等多媒体网络产品。Windows CE.NET的目的，是让不同语言所写的程序可以在不同的硬件上执行，即跨平台的目的，是让不同语言所写的程序可以在不同的硬件上执行，即跨平台工

31、作。而核心本身是一个支持多线程以及多工作。而核心本身是一个支持多线程以及多CPU的操作系统。的操作系统。2010年年6月，最新的月，最新的WinCE 7.0发布，定位各种高端嵌入式系统应用。发布，定位各种高端嵌入式系统应用。主要优点：主要优点：Windows PC应用软件支持好，通信和网络的能力，以及多媒体方面极具优势。应用软件支持好，通信和网络的能力，以及多媒体方面极具优势。第第1章章 嵌入式系统设计基础嵌入式系统设计基础40Android操作系统操作系统Google公司开发的操作系统。公司开发的操作系统。一种基于一种基于Linux的自由及开放源代码的的自由及开放源代码的操作系统操作系统，主

32、要使用于，主要使用于移动设备移动设备，如，如智能手机智能手机和和平板平板电脑电脑，由，由Google公司和公司和开放手机联盟开放手机联盟领导及开发。领导及开发。Android 的的 Linux kernel控制包括安全（控制包括安全（Security），），存储器管理（存储器管理（Memory Management），），程序管理（程序管理（Process Management），），网络堆栈（网络堆栈（Network Stack），），驱动驱动程序程序模型（模型（Driver Model）等。等。最新版本，安卓最新版本，安卓6.0系统，系统，2015年年5月月29日，日，2015年年谷歌谷歌IO大会大会谢谢！