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嵌入式系统设计大学教程第一章第一章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述课件制作人声明本课件共本课件共 9个个 Powerpoint 文件（每章一个）文件（每章一个）。教师可根据教学要求自由修改此课件。教师可根据教学要求自由修改此课件（增加或删减内容），但不能自行出版销（增加或删减内容），但不能自行出版销售。售。对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。提出宝贵意见，以便及时修订。课件制作人课件制作人 许大琴许大琴2008 年年 8 月月主要内容1.1 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.1 什么是嵌入式系统电气工程师协会（电气工程师协会（IEEE）的定义：）的定义：嵌入式系统是用来控制、监视或辅助嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂操作的装置。设备、机器或工厂操作的装置。我国微机学会的定义：我国微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、计算机系统。可分为系统级、板级、片级。片级。1.1 什么是嵌入式系统嵌入式系统一般定义：嵌入式系统一般定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。求的专用计算机系统。一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括它包括硬件和和软件两部分。两部分。1.1 什么是嵌入式系统从从技术角度技术角度说，嵌入式系统是将应用程序、操说，嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。作系统和计算机硬件集成在一起的系统。从从系统角度系统角度说，嵌入式系统是设计完成复杂功说，嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。机系统。从从广义上广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。系统都可称为嵌入式系统。主要内容1.1什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统1.2嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.3嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.4嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.5嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.2 嵌入式系统的特点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由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以子装置，系统资源相对有限，所以内核较传统的操作系统要小得多。内核较传统的操作系统要小得多。1.2 嵌入式系统的特点2.专用性强专用性强 嵌入式系统通常是面向特定任务的，嵌入式系统通常是面向特定任务的，相对于一般通用相对于一般通用PC计算平台，嵌入计算平台，嵌入式系统的个性化很强，其中软件系式系统的个性化很强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件系统的移植。针对硬件进行软件系统的移植。1.2 嵌入式系统的特点3.运行环境差异大运行环境差异大 嵌入式系统使用范围极为广泛，其运嵌入式系统使用范围极为广泛，其运行环境差异很大。行环境差异很大。1.2 嵌入式系统的特点4.可靠性要求高可靠性要求高 嵌入式系统不能像通用嵌入式系统不能像通用PC机一样，机一样，“死机死机”时通过手动重启计算机予以时通过手动重启计算机予以容忍。嵌入式系统往往要长期在无容忍。嵌入式系统往往要长期在无人值守的环境下运行，甚至是常年人值守的环境下运行，甚至是常年运行，因此对可靠性的要求特别高。运行，因此对可靠性的要求特别高。1.2 嵌入式系统的特点5.系统精简和高实时性操作系统系统精简和高实时性操作系统 一是许多嵌入式系统应用具有实时性要求，一是许多嵌入式系统应用具有实时性要求，嵌入式任务往往是时间关键性约束的，嵌入式任务往往是时间关键性约束的，必须在某个时间范围内完成。必须在某个时间范围内完成。二是由于嵌入式系统比通用二是由于嵌入式系统比通用PC系统资源少系统资源少得多，要求嵌入式操作系统核心部分的得多，要求嵌入式操作系统核心部分的体积必须尽可能地小。体积必须尽可能地小。三是为了适应各种应用需求的变化，嵌入三是为了适应各种应用需求的变化，嵌入式操作系统还应该具有可裁减性、可伸式操作系统还应该具有可裁减性、可伸缩性和易移植性的特点。缩性和易移植性的特点。1.2 嵌入式系统的特点6.具有固化在非易失性存储器中的代码具有固化在非易失性存储器中的代码 为了系统的初始化，几乎所有系统都要在为了系统的初始化，几乎所有系统都要在非易失性存储器中存放部分代码（启动非易失性存储器中存放部分代码（启动代码）。为了提高执行速度和系统可靠代码）。为了提高执行速度和系统可靠性，常常把所有代码（或其压缩代码）性，常常把所有代码（或其压缩代码）固化存放在存储器芯片或处理器的内部固化存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中。存储器件中。1.2 嵌入式系统的特点7.嵌入式系统开发工作和环境嵌入式系统开发工作和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。一套开发工具和环境才能进行开发。主要内容1.1 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.3 嵌入式系统的体系结构早期嵌入式系统包含三个部分：早期嵌入式系统包含三个部分：自底向上为：自底向上为：硬件平台硬件平台 嵌入式实时操作系统（嵌入式实时操作系统（RTOS）嵌入式实时应用程序嵌入式实时应用程序1.3 嵌入式系统的体系结构早期嵌入式系统的体系结构早期嵌入式系统的体系结构1.3 嵌入式系统的体系结构经过不断的发展，原先嵌入式系统的三层经过不断的发展，原先嵌入式系统的三层结构逐步演化成为一种四层结构：结构逐步演化成为一种四层结构：新增加的中间层次位于操作系统和硬件之新增加的中间层次位于操作系统和硬件之间，通过特定的上层接口与操作系统进间，通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信行交互，向操作系统提供底层的硬件信息；并根据操作系统的要求完成对硬件息；并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。的直接操作。这个中间层次叫做这个中间层次叫做硬件抽象层硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL)1.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.3 嵌入式系统的体系结构1.3.1 硬件平台硬件平台嵌入式系统的嵌入式系统的硬件平台硬件平台以嵌入式处理器为以嵌入式处理器为核心，由存储器、核心，由存储器、I/O单元电路、通信模单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成的。块、外部设备等必要的辅助接口组成的。不同的应用通常有不同的硬件环境，硬件不同的应用通常有不同的硬件环境，硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。特点。1.3嵌入式系统的体系结构嵌入式系统硬件基本组成嵌入式系统硬件基本组成 1.3嵌入式系统的体系结构1.3.2 硬件抽象层硬件抽象层硬件抽象层硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）是位于操作系统内核与硬件电路）是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，即可以通过程序来控制所有硬件电路即可以通过程序来控制所有硬件电路（如（如CPU、I/O设备、存储器等）的操作。设备、存储器等）的操作。硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务。服务。硬件抽象层一般应包含相关硬件的初始化、硬件抽象层一般应包含相关硬件的初始化、数据的输入数据的输入/输出操作、硬件设备的配置操输出操作、硬件设备的配置操作等功能。作等功能。1.3嵌入式系统的体系结构硬件抽象层接口的特点：硬件抽象层接口的特点：硬件抽象层具有与硬件的密切相关性；硬件抽象层具有与硬件的密切相关性；硬件抽象层具有与操作系统的无关性；硬件抽象层具有与操作系统的无关性；接口定义的功能应包含硬件或系统所需接口定义的功能应包含硬件或系统所需硬件支持的所有功能；硬件支持的所有功能；具有定义简单明了，太多接口函数会增具有定义简单明了，太多接口函数会增加软件模拟的复杂性；加软件模拟的复杂性；具有可测性的接口设计有利于系统的软具有可测性的接口设计有利于系统的软硬件测试和集成。硬件测试和集成。1.3嵌入式系统的体系结构板级支持包板级支持包（Board Support Package，BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。硬件抽象层的一种实现。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，使嵌入式操层硬件平台之间的相关性，使嵌入式操作系统能够通用于作系统能够通用于BSP所支持的硬件平台，所支持的硬件平台，从而实现嵌入式操作系统的可移植性和从而实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性，以及通用性、复用性。跨平台性，以及通用性、复用性。1.3嵌入式系统的体系结构BSP是相对于操作系统而言的，不同的操是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的作系统对应于不同定义形式的BSP。BSP实现的功能主要有两个方面：实现的功能主要有两个方面：系统启动时，完成对硬件的初始化系统启动时，完成对硬件的初始化;为驱动程序提供访问硬件的手段。为驱动程序提供访问硬件的手段。1.3嵌入式系统的体系结构1.3.3 实时操作系统实时操作系统实时多任务操作系统实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）简称）简称实时操作系统，主要用来完成嵌入式实实时操作系统，主要用来完成嵌入式实时应用的任务调度和控制等核心功能。时应用的任务调度和控制等核心功能。实时操作系统可根据实际应用环境的要求实时操作系统可根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪和重新配置，根据不同对内核进行裁剪和重新配置，根据不同的应用，其组成有所不同。的应用，其组成有所不同。1.3嵌入式系统的体系结构RTOS的体系结构图的体系结构图 1.3嵌入式系统的体系结构1.3.4 实时应用程序实时应用程序实时应用程序运行于操作系统之上，利用实时应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的实时机制完成特定功能操作系统提供的实时机制完成特定功能的嵌入式应用。的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式实时应不同的系统需要设计不同的嵌入式实时应用程序。用程序。应用程序是面向被控对象和用户的，当需应用程序是面向被控对象和用户的，当需要用户操作时，往往需要提供一个友好要用户操作时，往往需要提供一个友好的人机界面。的人机界面。主要内容1.1 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.4 嵌入式系统的分类1.4.1 按嵌入式微处理器的位数分类按嵌入式微处理器的位数分类嵌入式系统可分为嵌入式系统可分为4位、位、8位、位、16位、位、32位位和和64位等，其中，位等，其中，4位、位、8位、位、16位嵌入位嵌入式系统已经获得了大量应用，式系统已经获得了大量应用，32位嵌入位嵌入式系统正成为主流发展趋势，而一些高式系统正成为主流发展趋势，而一些高度复杂和要求高速处理的嵌入式系统已度复杂和要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用经开始使用64位嵌入式微处理器。位嵌入式微处理器。1.4 嵌入式系统的分类1.4.2 按软件实时性需求分类按软件实时性需求分类 嵌入式系统可分为：嵌入式系统可分为：非实时系统非实时系统（如（如PDA）;软实时系统软实时系统（如消费类产品）（如消费类产品）;硬实时系统硬实时系统（如工业实时控制系统）。（如工业实时控制系统）。1.4 嵌入式系统的分类硬实时系统硬实时系统是指系统对响应时间有严格要是指系统对响应时间有严格要求，如不能满足响应时限、响应不及时求，如不能满足响应时限、响应不及时或反应过早，都会引起系统崩溃或致命或反应过早，都会引起系统崩溃或致命错误，甚至导致灾难性的后果。错误，甚至导致灾难性的后果。软实时系统软实时系统是指系统对响应的时间有一定是指系统对响应的时间有一定要求，如在系统负荷较重的时候，响应要求，如在系统负荷较重的时候，响应时间不能满足，会导致系统性能退化，时间不能满足，会导致系统性能退化，但不会造成太大的危害。但不会造成太大的危害。1.4 嵌入式系统的分类1.4.3 按嵌入式系统的复杂程度分类按嵌入式系统的复杂程度分类 小型嵌入式系统小型嵌入式系统：采用一个采用一个8位或者位或者16位的微位的微控制器设计的，硬件和软件复杂度很小，需要控制器设计的，硬件和软件复杂度很小，需要进行板级设计。进行板级设计。中型嵌入式系统中型嵌入式系统：采用一个采用一个16位或者位或者32位的微位的微控制器、控制器、DSP或者精简指令集计算机（或者精简指令集计算机（RISC）设计的；硬件和软件复杂度都比较大。设计的；硬件和软件复杂度都比较大。复杂嵌入式系统复杂嵌入式系统：软件和硬件都非常复杂，需软件和硬件都非常复杂，需要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列。程逻辑阵列。主要内容1.1 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.5 嵌入式系统的应用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1.5 嵌入式系统的应用工业过程控制工业过程控制网络通信设备网络通信设备消费电子产品消费电子产品航空航天设备航空航天设备军事电子设备和现代武器军事电子设备和现代武器一些典型的嵌入式系统应用实例MP3 机顶盒机顶盒 数码相机数码相机 手机手机 蓝牙设备蓝牙设备 一些典型的嵌入式系统应用实例 Kolibri黑寡妇黑寡妇MicroBat微型飞行器微型飞行器 一些典型的嵌入式系统应用实例“机遇机遇”号火星车号火星车美军美军packbotpackbot反狙击机器人反狙击机器人 本章小结嵌入式系统是一个硬件和软件的集合体，包括硬嵌入式系统是一个硬件和软件的集合体，包括硬件和软件两部分。件和软件两部分。嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、运行环嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、运行环境差异大、可靠性要求高、系统精简、高实时性境差异大、可靠性要求高、系统精简、高实时性操作系统、部分代码固化在非易失性存储器中、操作系统、部分代码固化在非易失性存储器中、系统开发需要专门的开发工具和环境等特点。系统开发需要专门的开发工具和环境等特点。嵌入式系统的体系结构通常自底向上包含四个部嵌入式系统的体系结构通常自底向上包含四个部分：硬件平台、硬件抽象层、嵌入式实时操作系分：硬件平台、硬件抽象层、嵌入式实时操作系统（统（RTOS）和实时应用程序。）和实时应用程序。本章小结嵌入式系统根据不同的分类标准有多种不同的分嵌入式系统根据不同的分类标准有多种不同的分类方法：类方法：按按嵌入式处理器的位数嵌入式处理器的位数，嵌入式系统可分为，嵌入式系统可分为4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位等；位等；按按软件实时性需求软件实时性需求，嵌入式系统可分为非实时系，嵌入式系统可分为非实时系统（如统（如PDAPDA）、软实时系统（如消费类产品）和）、软实时系统（如消费类产品）和硬实时系统（如工业实时控制系统）；硬实时系统（如工业实时控制系统）；按按系统复杂程度系统复杂程度，嵌入式系统可分为小型嵌入式，嵌入式系统可分为小型嵌入式系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。系统、中型嵌入式系统和复杂嵌入式系统。本章小结随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片和功能更强的操作系统的出现，它才被广泛应用和功能更强的操作系统的出现，它才被广泛应用于人们的日常生活中。由于网络连接的实现，特于人们的日常生活中。由于网络连接的实现，特别是别是Internet设备的出现，嵌入式系统在多个方面设备的出现，嵌入式系统在多个方面的应用迅速增长。的应用迅速增长。