嵌入式系统本一全册配套完整教学课件.ppt

1、1 嵌入式系统本一全册配套嵌入式系统本一全册配套 完整教学课件完整教学课件 2 嵌入式嵌入式系统设计与实例开发系统设计与实例开发 ARMARM与与 C/OSC/OS- - 第一讲第一讲 引言引言 3 1 1、掌握一种学习方法、掌握一种学习方法 2 2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法 和知识和知识 3 3、获得嵌入式开发设计实践经验、获得嵌入式开发设计实践经验 4 4、获得学分、获得学分 希望大家有所收获希望大家有所收获 4 课程目的课程目的 本课程围绕基于本课程围绕基于ARMARM的微处理器和实时操作系统的微处理器和实时操作系统 C/OSC/OS

2、，介绍了嵌入式，介绍了嵌入式 系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。 课程采用讲课与实验相结合的方式。课程采用讲课与实验相结合的方式。 着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程 实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外 还增加了网络接口设计、嵌入式游戏开发等开放式实验，供基础较好还增加了网络接口设计、嵌入式游戏开发等开放式实验，供基础较好 的学生深入学习的学生深入学习

3、 。 学生基础：是否学过学生基础：是否学过C C语言、微机原理或是单片机等语言、微机原理或是单片机等 5 课程大纲（约课程大纲（约60学时）学时） 课件题目 课时数 课件内容 1引言 2 嵌入式系统技术前沿、应用领域、发展趋势及相关 领域研究成果 2嵌入式系统的基本知识 2 嵌入式系统的特点、分类、基本概念 3嵌入式实时操作系统 16 介绍主流实时操作系统，深入分析嵌入式实时操作 系统C/OS，包括系统结构、实时性及应用 4ARM微处理器体系结构 10 介绍主流硬件平台，详细介绍ARM微处理器的体系 结构、功能及应用 5嵌入式系统的设计方法 4 以一个典型应用为例，介绍嵌入式系统设计的一般 方

4、法， 6嵌入式系统的硬件设计 5 介绍外围接口设计，以LCD、触摸屏为例，着重讲 解人机交互接口设计 7嵌入式系统编程 13 介绍嵌入式软件的体系结构，着重讲解嵌入式GUI 的编程方法 8嵌入式课程设计 8 选择5-8名有嵌入式开发经验的学生做报告，师生 点评，探讨。 9考试 2 6 实验大纲（约实验大纲（约12学时）学时） 实验题目 分类 实验内容 1、ARM SDT 2.5开发环境介绍 基本知识 介绍嵌入式开发一般流程，并介绍开发过程中使用的软 件和硬件的安装与调试，学生通过该实验可以了解和熟 悉嵌入式的软硬件平台。 2、开发基本的嵌入式应用程序 基本知识 通过一个最简单，最基本的嵌入式应

5、用程序，介绍基本 的嵌入式应用程序的开发方法。 3、交通管制信号灯模拟实验 I/O接口 基础技能 通过模拟交通灯，掌握ARM中I/O接口的使用，以实现对 外围设备开关量的控制。 4、模拟电子画板实验触摸 屏应用 基础技能 通过在触摸屏上开发一个电子画板，掌握触摸屏的设计 使用方法。 5、ARM的图形界面设计实验 API绘图函数 基础技能 通过使用API函数，实现一个嵌入式用户图形界面。 6、基于ARM的多通道仪表信号 采集实验多任务与A/D转换 基础技能 本实验用多任务模拟一个多通道的仪表信号采集器，根 据优先程度的不同，对仪表信号进行监控。 7、基于局域网的电子菜单设计 综合应用 设计一个基

6、于局域网的电子点菜PDA，可以直接查看菜 谱，进行实时点菜，所涉及技术点包括网络、触摸屏、 LCD显示等。 8、游戏图形界面的LCD控制与 应用 综合应用 设计一个嵌入式游戏，如俄罗斯方块、贪吃蛇等 注：注：1、实验、实验1-6由学生根据自己情况选做，要求在课内由学生根据自己情况选做，要求在课内12个学时内完成；个学时内完成； 2、实验、实验7-8为大作业题目，要求在课外完成；为大作业题目，要求在课外完成； 7 1.1.王田苗王田苗 主编主编. . 嵌入式系统设计及实例开发嵌入式系统设计及实例开发ARMARM与与 C/OSC/OS- -（第二版）（第二版）. . 北京：清华大学出版社，北京：清

7、华大学出版社， 2003.92003.9 2 2（美）（美）Jean J.Labrosse, Jean J.Labrosse, 邵贝贝译邵贝贝译. C/OS. C/OS- - 源码公开的实时嵌入式操作系统源码公开的实时嵌入式操作系统. . 北京：中国电力出北京：中国电力出 版社，版社，2001.82001.8 3. 3. 马忠梅等著马忠梅等著. ARM. ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出嵌入式微处理器体系结构。北航出 版社版社 参考资料参考资料 8 一、考核方式：平时作业（占一、考核方式：平时作业（占10%10%）+ +大作业（占大作业（占40%40%）+ +笔试笔试 （50%50%） 平

8、时作业：平时作业：2-3次，次，1次书面作业，次书面作业，1-2次实验报告；次实验报告； 大作业（大实验）：每两人一组，在嵌入式实验系统上设计一大作业（大实验）：每两人一组，在嵌入式实验系统上设计一 个小游戏，如搬运工、贪吃蛇、俄罗斯方块等，最后提交设计个小游戏，如搬运工、贪吃蛇、俄罗斯方块等，最后提交设计 说明书，实验源代码；说明书，实验源代码； 笔试：占笔试：占50%； 二、评分标准：百分制二、评分标准：百分制 考核方式和评分标准考核方式和评分标准 9 您预期的收获您预期的收获 通过本门课程的学习，你将获得以下知识：通过本门课程的学习，你将获得以下知识： 提高提高C C语言编程能力（期望值

9、：）语言编程能力（期望值：） 学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：）学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：） 了解嵌入式软件开发流程（期望值：）了解嵌入式软件开发流程（期望值：） 掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：） 独立或合作开发出嵌入式游戏（期望值：）独立或合作开发出嵌入式游戏（期望值：） 掌握嵌入式软件编程（期望值：）掌握嵌入式软件编程（期望值：） 掌握硬件设计知识（期望值：）掌握硬件设计知识（期望值：） 学会操作系统移植（期望值：）学会操作系统移植（期望值：） 成为嵌入式系统设计高手（期望值：）成为嵌入式系统设计高手（期望值：） 10 本节提要

10、本节提要 1 3 2 5 4 为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统 嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC的区别的区别 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 11 一、为什么要学习嵌入式技术一、为什么要学习嵌入式技术 市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为 世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业 控制、军事应用，控制、军事应用，嵌入式技术无处不在，嵌入式技术无处不在

11、。 企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合 性人才，性人才， 技术发展趋势要求技术发展趋势要求8 8位、位、1616位、位、3232位，实时操作系统位，实时操作系统 ， 12 美国著名未来学家尼葛洛庞帝美国著名未来学家尼葛洛庞帝9999年年1 1月访华时预言，月访华时预言，4 45 5 年后嵌入式智能（电脑年后嵌入式智能（电脑) ) 工具将是工具将是PCPC和因特网之后最伟大和因特网之后最伟大 的发明。的发明。 嵌入式系统带来的工业年产值已超过了嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 1万亿美元，它正万亿美元，它正 在成为信息技术（在成为信息

12、技术（ITIT）产业争夺的重点之一。）产业争夺的重点之一。 每年只有每年只有10%10%- -20%20%的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑 等，这就意味着每年有等，这就意味着每年有1010- -0 0亿块亿块CPUCPU是为嵌入式系统设计是为嵌入式系统设计 制造的：每年有超过制造的：每年有超过1 1万个新的嵌入式系统计划产生。万个新的嵌入式系统计划产生。 未来未来5 5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就 将在美国产生一个每年将在美国产生一个每年15001500亿美元的新市场。亿美元的新市场。 据说，据说，

13、“福特出售的计算能力已超过了福特出售的计算能力已超过了IBMIBM”，由此可，由此可 以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。 嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业 13 它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪 器、信息家电、通信设备等众多领域中。器、信息家电、通信设备等众多领域中。 PDAPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布， 作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动 信息采集

14、等信息采集等 自动控制领域，不仅可以用于自动控制领域，不仅可以用于ATMATM机，自动售货机，工机，自动售货机，工 业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPSGPS、娱乐、娱乐 相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片， 还有用于学习和研发的各种配套开发包。还有用于学习和研发的各种配套开发包。 尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用 领域，比如领域，比如PDAPDA、手持设备、手持设备、AutoPCAutoPC、智能电话和机项、智能电话和机项

15、盒（盒（STBSTB）等。）等。 嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业 14 在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广 播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变 ，欧洲的，欧洲的DVBDVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国（数字电视广播）技术已在全球大多数国 家推广。家推广。 北京数字电视，凤凰数字卫视，高清晰、互动点播、北京数字电视，凤凰数字卫视，高清晰、互动点播、 机顶盒。机顶盒。 在中国有在中国有80008000万有线电视网用户，万有线电视网用户，1 1亿以上的有线

16、电话亿以上的有线电话 网用户，为其发展提供了巨大市场。网用户，为其发展提供了巨大市场。 针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给 我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。 嵌入式技术正在形成一种产业嵌入式技术正在形成一种产业 15 据国外某研究机构的统计，据国外某研究机构的统计，19991999年，嵌入式操作系统全年，嵌入式操作系统全 球产值球产值3.623.62亿美元，比亿美元，比19981998年的年的3.053.05亿美元增长了亿美元增长了 18.7%18.7%。而另一研究机构则预计，从。

17、而另一研究机构则预计，从19971997年到年到20012001年，年， 嵌入式系统市场将以年均嵌入式系统市场将以年均240240的速度增长，的速度增长，20012001年的年的 市场规模将达到市场规模将达到317317亿美元亿美元 再从手持设备市场来看，再从手持设备市场来看，20002000年的全球产销量为年的全球产销量为12901290万万 部，而到部，而到20042004年时预计将为年时预计将为63406340万部。万部。 据预测，据预测，20012001年中国信息家电市场将达到年中国信息家电市场将达到500500亿亿- -700700亿亿 元，元，20042004年有望达到年有望达到3

18、5003500亿亿- -50005000亿元。亿元。 目前，嵌入式操作系统的品种较多，一年前的统计显示目前，嵌入式操作系统的品种较多，一年前的统计显示 ，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有4040种左右。种左右。 嵌入式系统市场分析嵌入式系统市场分析 16 高级酒店，电话、高级酒店，电话、TVTV、INTERNETINTERNET、PLAYPLAY、EMAILEMAIL、KEYKEY、无线集成；、无线集成； 美国正在启动一项计划，网络无线介入平台美国正在启动一项计划，网络无线介入平台 飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统飞机的电子设备，巴黎、东

19、京、汉城等城市地铁买票系统 电子菜单、日本数码相机等；电子菜单、日本数码相机等； 未来超市购买东西不排队，未来超市购买东西不排队， 施乐施乐XeroxXerox公司于公司于7070年代初开始实施其年代初开始实施其 无纸办公室的计划，首先开发了自动付款机系统。它设想要求超市无纸办公室的计划，首先开发了自动付款机系统。它设想要求超市 中的每件商品都有一个存贮商品价钱的芯片。当商品小推车经过记中的每件商品都有一个存贮商品价钱的芯片。当商品小推车经过记 帐。当信用卡“扫过”时，就给出清单，这样记账时就不用排队了帐。当信用卡“扫过”时，就给出清单，这样记账时就不用排队了 。 医疗电子病历、手持医疗仪器、

20、德国血压仪、医疗电子病历、手持医疗仪器、德国血压仪、 举例说明举例说明 17 通讯行业：华为、中兴、大唐、通讯行业：华为、中兴、大唐、 国内国内ITIT业：联想、同方、方正、业：联想、同方、方正、 外资企业：微软、外资企业：微软、IBMIBM、GEGE、 工业领域：工业领域：SiemensSiemens、ABBABB、研华、研华、 国内中小型高新技术企业国内中小型高新技术企业 社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求 18 嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及涉及电子、嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及涉及电子、 计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包

21、括计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括 微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式 系统是软件、硬件设计的完美结合。系统是软件、硬件设计的完美结合。 理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节 ，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。 通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专 业知识和实际设计能力。业知识和实际设计能力。 知识的积累是与精力和时间的付出成正比的，要成为高知识的积累是与精

22、力和时间的付出成正比的，要成为高 手和专家，就需要不断的努力。手和专家，就需要不断的努力。 学无止境。学无止境。 对提高专业知识和实践能力大有帮助对提高专业知识和实践能力大有帮助 19 本节提要本节提要 1 3 2 5 4 为什么要学习嵌入式系统为什么要学习嵌入式系统 嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的定义、特点及架构 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统与单片机、嵌入式系统与单片机、PC的区别的区别 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 20 二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构 嵌入式应用嵌入式应用 信息家电信息家电 智能玩具智

23、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 消费电子消费电子 军事国防军事国防 电子商务电子商务 网络网络 工业控制工业控制 21 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 22 PDA 可视电话可视电话 机器人机器人 SONY机器狗机器狗 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 23 IEEEIEEE定义定义 根据根据IEEEIEEE（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用于控制、监视或者辅助操作机 器和设备的装

24、置器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to devices used to control, monitor, or assist the operation of control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plantsequipment, machinery or plants）。）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统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是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置 。 24 一

25、般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积功能、可靠性、成本、体积 、功耗严格要求、功耗严格要求的的专用专用计算机系统。计算机系统。” 25 嵌入式系统是以嵌入式系统是以嵌入式应用嵌入式应用为目的的计算机系统。可为目的的计算机系统。可 分为系统级、板级、片级分为系统级、板级、片级 系统级：各种类型的工控器、系统级：各种类型的工控器、PC104PC104模块模块 板级：各种类型的带板级：各种类型的带CPUCPU的主板及的主板及OEMOEM产品产品 片级：各种以单片机、片级：各种以单片机、DSPDS

26、P、微处理器为核心的产品、微处理器为核心的产品 微机学会的定义微机学会的定义 26 嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征 （1 1）系统内核小）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。源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如比如ENEAENEA公司的公司的OSEOSE分布式系统，内核只有分布式系统，内核只有5K5K，而，而 WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。 27 （）专用性强（）专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软

27、件系统和硬件的结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。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。件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改， 程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件 的“升级”是完全不同的概念。的“升级”是完全不同的概念。 28 （）系统精简（）系统精简 嵌入式

28、系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分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，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。利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 29 （）高实时性（）高实时性OSOS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储 ，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实 时性。时性。 30 （5 5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化 嵌入式系统的应用程序可

29、以没有操作系统直接在芯片嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片 上运行。上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以 及和专家库函数接口，用户必须自行选配及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS（RealReal Time Operating SystemTime Operating System）开发平台，这样才能保）开发平台，这样才能保 证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保 障软件质量。障软件质量。 31 （6 6）嵌入式系统需要开发工具和环境）嵌入式系统需

30、要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以 后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改 ，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件 设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序 的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交的开发，目

31、标机作为最后的执行机，开发时需要交 替结合进行。替结合进行。 32 嵌入式系统的架构嵌入式系统的架构 处理器处理器 存储器存储器 输入输入 输出输出 操作系统操作系统 应用程序应用程序 软件软件 结构结构 硬件硬件 结构结构 33 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式 微处理器一般就具备以下微处理器一般就具备以下4 4个特点个特点 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中 断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少

32、到最 低限度。低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结 构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用， 需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能 的嵌入式微处理器。的嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是

33、用于便携式的无线及移动 的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要 功耗只有功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。 嵌入式处理器嵌入式处理器 34 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中 Source: Embedded Systems Programming, May 1999 Average car has about 15 microprocessors. Mercedes S-class: 63 microprocessors ! 32-bit 嵌入式微处理器 16-bit 8-bit

34、 4-bit 250 million 1 billion 1 billion 1 billion 125 million PCs Intel, AMD Motorola, ARM, MIPS, i960, x86, 其中只有其中只有4%4%的的 微处理器微处理器 35 嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类 嵌入式处理器 嵌入式微控制器 （MCU） 嵌入式DSP处理器 (DSP) 嵌入式微处理器 (MPU) 嵌入式片上系统 (System On Chip) 36 （1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子 器

35、件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑 、定时、定时/ /计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出 、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外等各种必要功能和外 设。设。 37 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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。而使功耗和成

36、本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此 称为微控制器。称为微控制器。 38 （2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器 DSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结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、构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、谱、谱 分析等各种仪器上分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。 DSPDSP的理

37、论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的DSPDSP 处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立等由分立 元件实现。元件实现。 19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合芯片。在语音合 成和编码解码器中得到了广泛应用。成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSPDSP的运算速度进一的运算速度进一 步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方 面。面。 目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DS

38、PDSP处理器是处理器是TITI的的 TMS320C2000/C5000TMS320C2000/C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCSMCS- -296296和和 SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。 39 MPUMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的。演变而来的。 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留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和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除

39、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。要求。 （3 3）、嵌入式微处理器（）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit) 40 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式 处理器类型有处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SCSC- -400400、Power PCPowe

40、r PC、 6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等 41 SoC SoC 就是就是System on Chip System on Chip ，SoCSoC嵌入式系统微处理嵌入式系统微处理 器就是一种电路系统。器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上， 像是像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处理或是其他的微处理 器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端

41、口 （USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通通 信接口、信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元、蓝牙模块接口等等，这些单元 以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理 芯片。芯片。 （4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip) 42 SoCSoC是追求产品系统最大包容的集成器件，是追求产品系统最大包容的集成器件，SOCSOC最大的特点最大的特点 是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操是成功实现了软硬件无缝结合

42、，直接在处理器片内嵌入操 作系统的代码模块。作系统的代码模块。 运用运用VHDLVHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样 ，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使 用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通 用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片 厂商进行生产。厂商进行生产。 43 由于由于SOCSOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如往往是专用的，所以大部

43、分都不为用户所知，如 PhilipsPhilips的的Smart XASmart XA。SiemensSiemens的的TriCoreTriCore，MotorolaMotorola的的M M- - CoreCore，某些，某些ARMARM系列器件，系列器件，EchelonEchelon和和MotorolaMotorola联合研制联合研制 的的NeuronNeuron芯片等。芯片等。 SOCSOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应 用领域中发挥重要作用。用领域中发挥重要作用。 44 SoCSoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分

44、嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分 为下列几点：为下列几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递， 可以加快微处理器数据处理的速度。可以加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造 成系统杂讯。成系统杂讯。 45 新的发展方向：新的发展方向：SOCSOC ASIC Core Memory Embedded Process

45、or Core Analog Functions Communication Sensor Interface 46 Moores 定律 47 RTOS是是32位嵌入式位嵌入式CPU的软件基础的软件基础 RTOSRTOS内核内核 提供提供CPUCPU的管理的管理 硬件初时化，硬件初时化，MMUMMU，定时器，中断，定时器，中断 RTOSRTOS内核提供任务，内存管理内核提供任务，内存管理 RTOSRTOS提供设备管理，文件和网络的支持提供设备管理，文件和网络的支持 RTOSRTOS提供提供C/C+C/C+，JAVAJAVA，图形模块等编程接口，图形模块等编程接口 48 常见的嵌入式操作系统常见

46、的嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两 种，商用型和免费型。种，商用型和免费型。 商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技 术支持和售后服务，但往往价格昂贵。术支持和售后服务，但往往价格昂贵。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前 主要有主要有LinuxLinux和和C/OSC/OS，稳定性与服务性存在挑战。，稳定性与服务性存在挑战。 49 VxWorks VxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRive

47、rWindRiver公司于公司于19831983年设计开发年设计开发 的一种嵌入式实时操作系统（的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），具有良好的持续发），具有良好的持续发 展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入 式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。 VxWorksVxWorks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是： 可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、i960i960、Sun SparcSun Sparc、 Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS 、POWER PCPOWER PC等等。等等。 大多数的大多数的VxWorks APIVxWorks API是专有的，火星机器人。是专有的，火星机器人。 50 Windows Embedded Windows CE 3.0Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智能化、：一种针对小容量、移动式、智能化、 3232位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和