1、嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计第第1 1章章 嵌入式控制系统基础嵌入式控制系统基础1.1 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式（计算机）系统虽然早已成为各大嵌入式（计算机）系统虽然早已成为各大搜索引擎的热点名词，也经常见诸于各种搜索引擎的热点名词，也经常见诸于各种学术期刊、网络等媒体；学术期刊、网络等媒体；但对于初学者而言，嵌入式系统仍然是一个比较模糊的概念。他们还经常混淆于但对于初学者而言，嵌入式系统仍然是一个比较模糊的概念。他们还经常混淆于嵌入式系统、嵌入式系统、单片机、单片机、ARM、数字信号处理器（、数字信号处理器（DSP
2、）、片上系统（）、片上系统（SoC）、）、Linux、Pad、智能芯片、智能芯片等词等词汇，分不清这些词汇所指向的事物有何区别。因此有必要理清概念，明确嵌入式系统的范畴汇，分不清这些词汇所指向的事物有何区别。因此有必要理清概念，明确嵌入式系统的范畴与界定。与界定。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计【定义【定义1】嵌入式系统的第一个带有官方色彩的定义是由国际电气和电子工程师协会（嵌入式系统的第一个带有官方色彩的定义是由国际电气和电子工程师协会（IEEE）给出的，英文原文为：给出的，英文原文为：“The devices used to control,monitor,or assis
3、t the operation of equipment,machinery or plants.”中文含义：中文含义：嵌入式系统是一个嵌入式系统是一个“控制、监视或辅助设备、机器和对象运行的装置控制、监视或辅助设备、机器和对象运行的装置”。该定义描述了嵌入式系统该定义描述了嵌入式系统“专用性专用性”这一基本特征，但未清晰给出其他的限定条件。这一基本特征，但未清晰给出其他的限定条件。思考：思考：带有翻页功能的激光笔是否属于嵌入式系统呢？带有翻页功能的激光笔是否属于嵌入式系统呢？嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义【定义定义2】“嵌入式系统
4、是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，嵌入式系统是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。能，对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。”该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：“嵌入性嵌入性”是指嵌入式系统通常与对象密切结合，是指嵌入式系统通常与对象密切结合，隐藏在各种对象、产品与系统中，作为应用对象的隐藏在各种对象、产品与系统中，作为应用对象的
5、一部分存在。一部分存在。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义【定义定义2】嵌入式系统是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，即嵌入式系统是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。”该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：“专用性专用性”是指
6、嵌入式系统的功能是有限的，是指嵌入式系统的功能是有限的，以满足应用系统的功能和性能的需求为基本以满足应用系统的功能和性能的需求为基本准则，不具备通用计算机系统的可扩展性。准则，不具备通用计算机系统的可扩展性。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义【定义定义2】嵌入式系统是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，即嵌入式系统是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件综合体，即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性，成本，体
7、积，功耗有严格要求的专用计算机系统。对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。”该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：该定义描述了嵌入式系统三个基本特征：“计算机系统计算机系统”限定了嵌入式系统隶属于计算机限定了嵌入式系统隶属于计算机的范畴，必须具备微处理器或具有计算能力的集的范畴，必须具备微处理器或具有计算能力的集成电路。成电路。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义【Todd D.Morton的定义的定义】“嵌入式系统是一种电子系统，它包含微处理器或嵌入式系统是一种电子系统，它包含微处理器或微控制器，但是我们不认为
8、它们是计算机微控制器，但是我们不认为它们是计算机计算机隐藏或嵌入在系统中。计算机隐藏或嵌入在系统中。”ARM、DSP、单片机、单片机、SoC，甚至，甚至x86、PowerPC、MIPS等名词都可能和等名词都可能和嵌入式系统发生关联，因为它们都可能作为嵌入式系统的微处理器出现。当然嵌入式系统发生关联，因为它们都可能作为嵌入式系统的微处理器出现。当然这些专业词汇并不能代表嵌入式系统的全体。这些专业词汇并不能代表嵌入式系统的全体。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式系统嵌入式系统MCUSoCCMPEOSIoTAIARMDSP【
9、问题回顾】带有翻页功能的激光笔是否属于嵌入式系统呢？带有翻页功能的激光笔是否属于嵌入式系统呢？嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成被控对象是嵌入式系统所嵌入的宿被控对象是嵌入式系统所嵌入的宿主系统，接收嵌入式计算机系统发主系统，接收嵌入式计算机系统发出的控制指令，执行所规定的操作出的控制指令，执行所规定的操作或任务。或任务。被控对象可以是一个很简单的执行被控对象可以是一个很简单的执行装置，如电动机、电磁阀等；也可装置，如电动
10、机、电磁阀等；也可以是一个很复杂的装置，如机器人，以是一个很复杂的装置，如机器人，集成了多个电动机和传感器，可执集成了多个电动机和传感器，可执行各种复杂的动作，感知各种状态行各种复杂的动作，感知各种状态信息。信息。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式计算系统是整个嵌入式系统嵌入式计算系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层和软件的核心，由硬件层、中间层和软件层组成。层组成。1.1.硬件层硬件层硬件层主要指嵌入式计算机系统的硬件层主要指嵌入式计算机系统的硬件设备。主要包括：硬件设备。主要包括：嵌入式微处理器嵌入式微处理
11、器 存储器存储器 各种外设接口各种外设接口嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式计算系统是整个嵌入式系统嵌入式计算系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层和软件的核心，由硬件层、中间层和软件层组成。层组成。1.1.硬件层硬件层硬件层主要指嵌入式计算机系统的硬件层主要指嵌入式计算机系统的硬件设备。主要包括：硬件设备。主要包括：嵌入式微处理器嵌入式微处理器 存储器存储器 各种外设接口各种外设接口存储器集成在微处理器芯片内部，不作为单独的存储器集成在微处理器芯片内部，不作为单独的IC存在存在嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制
12、系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成2.中间层中间层硬件抽象层（硬件抽象层（HAL）或板级支持包）或板级支持包（BSP）；）；它将系统上层软件与底层硬件分离开来，它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。输出操作和硬件设备的配置功能。
13、嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（由实时多任务操作系统（RTOS）、文）、文件系统、图形用户接口（件系统、图形用户接口（GUI）、网络）、网络系统及通用组件模块组成。系统及通用组件模块组成。4.应用软件层应用软件层由若干应用程序组成，用来实现对被控由若干应用程序组成，用来实现对被控对象的控制功能。应用软件层是嵌入式对象的控制功能。应用软件层是嵌入式系统的核心所在，也是研发工作的重点。系统的核心所在，也是研发工作的重点。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1
14、.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（由实时多任务操作系统（RTOS）、文）、文件系统、图形用户接口（件系统、图形用户接口（GUI）、网络）、网络系统及通用组件模块组成。系统及通用组件模块组成。4.应用软件层应用软件层由若干应用程序组成，用来实现对被控由若干应用程序组成，用来实现对被控对象的控制功能。应用软件层是嵌入式对象的控制功能。应用软件层是嵌入式系统的核心所在，也是研发工作的重点。系统的核心所在，也是研发工作的重点。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成值得注意的是：值得注
15、意的是：在嵌入式系统中，在嵌入式系统中，嵌入式操作系统嵌入式操作系统等软件层并不存在于所有的应用中，等软件层并不存在于所有的应用中，有些规模小的应用中，设计人员往有些规模小的应用中，设计人员往往将操作系统、应用程序合二为一。往将操作系统、应用程序合二为一。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点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。以内核较之传统的操作系统要小得多。例如：加州大学伯克利分校开发的例
16、如：加州大学伯克利分校开发的TinyOS，主要应用于无线传感器网络，主要应用于无线传感器网络，核心代码和数据大概在核心代码和数据大概在400Bytes左右，相对于左右，相对于Windows等操作系统是不可等操作系统是不可相提并论的。相提并论的。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点2.专用性强。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般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系
17、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。要根据系统硬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，程序的编译下载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的要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级升级”是完全两个概念。是完全两个概念。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点3.系统精简。在实际应用中，嵌入式系统没有系统软件和应用软件的明显区分，不要在实际应用中，嵌入式系统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
18、复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也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。利于实现系统安全。同时，系统精简也是由于很多情况下，嵌入式系统配备的同时，系统精简也是由于很多情况下，嵌入式系统配备的RAM、Flash Memory容量相对较小，系统软件必须与硬件配置相匹配。容量相对较小，系统软件必须与硬件配置相匹配。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中由于其本身不具备自举开发能力，
19、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的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和的程序功能进行修改的，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设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波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。器等。嵌入式系统软件开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目嵌入式系统软件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，开发时需要交替结合进行。标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换
20、代也是同步进行。因此，嵌入嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也是同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点5.为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中。存储器芯片中。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.工业控制工业控制领域是嵌入式系统最早应用的领域之一，也
21、是嵌入工业控制领域是嵌入式系统最早应用的领域之一，也是嵌入式系统应用最为广泛的领域，目前已经有大量的式系统应用最为广泛的领域，目前已经有大量的8位、位、16位、位、32位嵌入式微控制器应用于各种工业设备中。位嵌入式微控制器应用于各种工业设备中。嵌入式系统的应用大大提高了工业系统的自动化、智能化程嵌入式系统的应用大大提高了工业系统的自动化、智能化程度，提高了生产效率和产品质量、减少了人力资源。度，提高了生产效率和产品质量、减少了人力资源。典型应用：工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、典型应用：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。电网设备监测、石油化工
22、系统等。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用2.交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌泛的应用，内嵌GPS模块、模块、GSM模块的移模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成动定位终端已经在各种运输行业获得了成功。同时，越来越多的车载设备也是嵌入功。同时，越来越多的车载设备也是嵌入式系统应用的主要方向。式系统应用的主要方向。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入
23、式系统的应用嵌入式系统的应用3.信息家电家电将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、家电将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步人空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步人一个崭新的空间。即使不在家，也可以通过电话、一个崭新的空间。即使不在家，也可以通过电话、网络对家电进行远程控制。在这些设备中，嵌入网络对家电进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。式系统将大有用武之地。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用4.POS网络及电子商务公共交通无接触智能卡（公共交通无接触智能卡（Co
24、ntactless Smart Card，CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机等智能货机等智能ATM终端已全面走进人们的生活，在终端已全面走进人们的生活，在不远的将来手持一张卡就可以行遍天下。不远的将来手持一张卡就可以行遍天下。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用5.环境工程与自然在很多环境恶劣、地况复杂的地区需要进行水文在很多环境恶劣、地况复杂的地区需要进行水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全与地震监测、实时气象信息和空
25、气污染监测安全与地震监测、实时气象信息和空气污染监测等时，嵌入式系统将实现无人监测。等时，嵌入式系统将实现无人监测。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用6.国防军事近年来，在国防军事应用的无人系统逐渐增多，近年来，在国防军事应用的无人系统逐渐增多，并已成为各国军事研发的重点。军用无人系统对并已成为各国军事研发的重点。军用无人系统对可靠性、智能化、性能都有较高的要求，嵌入式可靠性、智能化、性能都有较高的要求，嵌入式系统正是这些系统理想的解决方案，因而具有广系统正是这些系统理想的解决方案，因而具有广泛的应用前景。泛的应用前景。嵌入
26、式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用7.健康医疗随着生活质量的提高，人们越来越多的关注健康随着生活质量的提高，人们越来越多的关注健康和医疗。除了医院大量引入高质量的医疗设备外，和医疗。除了医院大量引入高质量的医疗设备外，许多具有治疗和调理功能的电子设备开始进入大许多具有治疗和调理功能的电子设备开始进入大众家庭，这些设备也是嵌入式系统的应用案例。众家庭，这些设备也是嵌入式系统的应用案例。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌入式系统的发展趋势（1）从硬件平台的发展来
27、看）从硬件平台的发展来看随着应用市场和规模的不断扩大，软件和硬件的升级换代不会停止，会有性随着应用市场和规模的不断扩大，软件和硬件的升级换代不会停止，会有性能和功能更强大的嵌入式微处理器出现，并在中高端市场得到应用。同时，能和功能更强大的嵌入式微处理器出现，并在中高端市场得到应用。同时，由于嵌入式系统面向应用的特性，所谓追求高性价比的低端市场不会萎缩，由于嵌入式系统面向应用的特性，所谓追求高性价比的低端市场不会萎缩，甚至可能会得到进一步发展，市场上高中低端硬件平台并存的局面始终存在。甚至可能会得到进一步发展，市场上高中低端硬件平台并存的局面始终存在。同时，随着应用领域的细分，嵌入式微处理器为特
28、定应用定制的趋势越来越同时，随着应用领域的细分，嵌入式微处理器为特定应用定制的趋势越来越明显，这可能导致微处理器的生产厂商和型号日益增多。明显，这可能导致微处理器的生产厂商和型号日益增多。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌入式系统的发展趋势（2）从软件系统的发展来看）从软件系统的发展来看嵌入式操作系统的不断进步推动了自身的应用，在研发周期日益紧缩的市场嵌入式操作系统的不断进步推动了自身的应用，在研发周期日益紧缩的市场条件下，基于嵌入式操作系统的应用日益增多。进一步，由于市场等因素的条件下，基于嵌入式操作系统的应用日益增多。
29、进一步，由于市场等因素的综合作用，嵌入式操作系统的模块化、通用性等特性会得到进一步强化。综合作用，嵌入式操作系统的模块化、通用性等特性会得到进一步强化。嵌入式控制系统原理及设计嵌入式控制系统原理及设计1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌入式系统的发展趋势（3）从国家安全等角度来看）从国家安全等角度来看嵌入式系统的发展对于国家安全层面的影响逐渐增强，我国对于研发国产的嵌入式系统的发展对于国家安全层面的影响逐渐增强，我国对于研发国产的嵌入式微处理器、硬件平台以及操作系统的需求日益明显，但核心技术的突嵌入式微处理器、硬件平台以及操作系统的需求日益明显，但核心技术的突破不可能一蹴而就，仍需要大量的技术人员投身到嵌入式系统的核心技术研破不可能一蹴而就，仍需要大量的技术人员投身到嵌入式系统的核心技术研发领域。发领域。
