嵌入式系统基本概念讲稿.ppt

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1、嵌入式系统基本概念第一页，讲稿共三十二页哦 嵌入式系统一般指嵌入式系统一般指非非PCPC系统，它包括硬件和软件两部分。系统，它包括硬件和软件两部分。硬件硬件:微处理器、存储器及外围设备器件和微处理器、存储器及外围设备器件和I IO O端口、图形端口、图形控制器等。控制器等。软件软件:嵌入式操作系统软件（嵌入式操作系统软件（OSOS）（要求实时和多任务操作）（要求实时和多任务操作）和应用程序软件。和应用程序软件。应用程序控制着系统的运作；而操作系统控制着应用程序编程与应用程序控制着系统的运作；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。硬件的交互作用。2.2.嵌入式系统组成嵌入式系统组成第二页

2、，讲稿共三十二页哦（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是嵌入式微控制器的典型代表是单片机单片机，这，这种位、种位、1616位的电子器件目前在嵌入式设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。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、总线、定时线、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、Flash Flash、RAMRAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。第三页，讲稿共三十二页哦微

3、控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，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。从而使功耗和成本下降、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，器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。因此称为微控制器。第四页，讲稿共三十二页哦（2）嵌入式DSP处理器 DSPDSP处理器是专门用于处理器是专门用于信号处理信号处理方面的处理器，其方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、字滤波、

4、FFTFFT、谱分析等各种仪器上，、谱分析等各种仪器上，DSPDSP获得了大规获得了大规模的应用。模的应用。DSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门年代就已经出现，但是由于专门的的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等由分立元件实现。等由分立元件实现。19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSPDSP的运算速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度进一步提高，

5、应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。算机方面。目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/C5000TMS320C2000/C5000系列。系列。第五页，讲稿共三十二页哦MPUMPU是由通用计算机中的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，与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗，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余功能部分，这样就以最低的功耗和

6、资源实现嵌入式应用的特殊要求。用的特殊要求。（3 3）、嵌入式微处理器）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit)第六页，讲稿共三十二页哦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。目前主要的嵌入式处理器类型有本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88Am186/88、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等第七页，讲稿共

7、三十二页哦SoCSoC嵌入式系统微处理器是一种电路系统。嵌入式系统微处理器是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，如它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，如ARM ARM RISCRISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处理器核心，加或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，如通用串行端口（上通信的接口单元，如通用串行端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、蓝牙模块通信接口、蓝牙模块接口等（这些单元以往都是依照各单元的功能做成接口等（这些单元以往都

8、是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片）。一个个独立的处理芯片）。（4）嵌入式片上系统 (System On Chip)第八页，讲稿共三十二页哦 SoCSoC嵌入式系统微处理器所具有的其他优点如嵌入式系统微处理器所具有的其他优点如下：下：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。递，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内嵌的线路可以避免外部电路

9、板在信号传递时所造成系统杂讯。所造成系统杂讯。第九页，讲稿共三十二页哦嵌入式系统 PC机嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而PCPC是通用计算平是通用计算平台台嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比嵌入式系统软件故障带来的后果比PCPC机大得多机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具第十页，讲稿共三十二页哦嵌入

10、式系统嵌入式系统 单片机系统单片机系统目前嵌入式系统的主流是以目前嵌入式系统的主流是以3232位嵌入式微处理器为核心的硬件位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（设计和基于实时操作系统（RTOSRTOS）的软件设计；）的软件设计；单片机系统多为单片机系统多为4 4位、位、8 8位、位、1616位机，不适合运行操作系统，位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；难以进行复杂的运算及处理功能；嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计；大多采用软硬件流水设计；嵌入式系统设计的核心是软件设计

11、（占嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%70%左右的工作量），单左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。片机系统软硬件设计所占比例基本相同。第十一页，讲稿共三十二页哦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统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。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。

12、第十二页，讲稿共三十二页哦(2)(2)专用性强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，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。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。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的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级升级”是完全

13、不同的概念。是完全不同的概念。第十三页，讲稿共三十二页哦(3)(3)系统精简系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软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。统成本，同时也利于实现系统安全。第十四页，讲稿共三十二页哦(4)(4)高实时性高实时性OSOS这是嵌入式软件的基本要求，而且软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、实时性。代码要求高质量和高可靠性

14、、实时性。第十五页，讲稿共三十二页哦(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以没有操作系统直接在芯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。片上运行。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（RealRealTime 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

15、性，并减少开发时间，保障软件质量。障软件质量。第十六页，讲稿共三十二页哦(6)(6)嵌入式系统需要专用开发工具和环境嵌入式系统需要专用开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户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，必须有一套开发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。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。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

16、的概念，主机用于程序的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，开发时需要交替结开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。合进行。第十七页，讲稿共三十二页哦1.2 1.2 嵌入式操作系统介绍嵌入式操作系统介绍嵌入式软件的核心嵌入式软件的核心:嵌入式实时多任务操作系统嵌入式实时多任务操作系统 (RTOS real time operation system)(RTOS real time operation system)。嵌入式操作系统：支持嵌入式系统的工作的操作系统。嵌嵌入式操作系统：支持嵌入式系统的工作的操作系统。嵌入式系统一般具有实时特点，这

17、里把嵌入式操作系统和实时操入式系统一般具有实时特点，这里把嵌入式操作系统和实时操作系统不加区别对待。作系统不加区别对待。实时操作系统的概念实时操作系统的概念实时系统：实时系统：系统的正确运行要同时满足特定的逻辑和时间关系。系统的正确运行要同时满足特定的逻辑和时间关系。实时操作系统实时操作系统RTOS（real time operation system)：是指能支是指能支持实时控制系统工作的操作系统。持实时控制系统工作的操作系统。第十八页，讲稿共三十二页哦硬实时硬实时(hard)(hard)与软实时与软实时(soft)(soft)的概念的概念硬实时：硬实时：通过系统特定的时序得不到满足，将会引

18、通过系统特定的时序得不到满足，将会引起灾难性的后果。起灾难性的后果。软实时：软实时：通过系统特定的时序得不到满足，系统的通过系统特定的时序得不到满足，系统的性能会严重下降。性能会严重下降。deadlinedeadlinetimetime0 01 1Hard SystemHard SystemSoft SystemSoft System第十九页，讲稿共三十二页哦嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统的分类 从从嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用来分类，可以分为面向低来分类，可以分为面向低端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备的嵌入端设备的嵌入式操作系统和面向高端设备的嵌入式操作系统。式操作系统。低端：各

19、种工业控制系统、计算机外设、民用消低端：各种工业控制系统、计算机外设、民用消费品的微波炉、洗衣机、冰箱、费品的微波炉、洗衣机、冰箱、ucos等等 高端：信息化家电、掌上电脑、机顶盒、高端：信息化家电、掌上电脑、机顶盒、WAP手机、路由器手机、路由器、VxWorks、QNX、wince、linux。第二十页，讲稿共三十二页哦从实时性的角度从实时性的角度来分：来分：具有强实时特点的嵌入式操作系统：其系统响应时间在具有强实时特点的嵌入式操作系统：其系统响应时间在毫秒或微秒级（航空毫秒或微秒级（航空/航天控制装配），如航天控制装配），如 VxWORKSVxWORKS具有弱实时特点的嵌入式操作系统：其系

20、统响应时间具有弱实时特点的嵌入式操作系统：其系统响应时间在毫秒几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时在毫秒几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）。系统要差一些（电子菜谱的查询）。没有实时特点的嵌入式操作系统没有实时特点的嵌入式操作系统。第二十一页，讲稿共三十二页哦常见的嵌入式操作系统 嵌入式实时操作系统的种类繁多，大体上嵌入式实时操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和免费型。可分为两种，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。

21、免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有目前主要有LinuxLinux和和C/OSC/OS，稳定性与服务性存在，稳定性与服务性存在挑战。挑战。第二十二页，讲稿共三十二页哦VxWorksVxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于19831983年设计开年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），具有良好的），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，持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占

22、据着一席之地。在嵌入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。第二十三页，讲稿共三十二页哦Windows EmbeddedWindows C

23、E 3.0Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智能：一种针对小容量、移动式、智能化、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针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，提供了一种功能丰富的操作系统平台，WindowsCEWindowsCE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200

24、K200K的的ROMROM。第二十四页，讲稿共三十二页哦Palm OSPalm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3COM3COM旗下的旗下的Palm Palm ComputingComputing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。3COM3COM、CISCOCISCO竞争竞争Palm OSPalm OS在在PDAPDA市场上占有很大的市场份额，市场上占有很大的市场份额，Palm Palm OSOS的市场份额占到将近的市场份额占到将近90%90%，最近下降，最近下降7070，目前主，目前主要与要与WIN CEWIN CE进行激烈竞争。进行激烈竞争。第二十五页，

25、讲稿共三十二页哦 uC/OS uC/OSuC/OS是一个典型的实时操作系统。目前流行的是第二个版是一个典型的实时操作系统。目前流行的是第二个版本本,即即:uC/OS IIuC/OS II 。该操作系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选。该操作系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选。特点特点:公开源代码公开源代码,代码结构清晰代码结构清晰,注释详尽注释详尽,组织有条理组织有条理,可移可移植性好植性好;可裁减可裁减,可固化等可固化等。第二十六页，讲稿共三十二页哦QNX 加拿大加拿大QNXQNX公司的产品。公司的产品。QNXQNX是在是在X86X86体系上面开发出来的，这和别的体系上面开

26、发出来的，这和别的RTOSRTOS不不一样，别的好多一样，别的好多RTOSRTOS都是从都是从68K68K的的CPUCPU上面开发成熟，上面开发成熟，然后再移植到然后再移植到X86X86体系上面来的。体系上面来的。QNXQNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循循POSIXPOSIX相关标准，由于相关标准，由于QNXQNX具有强大的图形界面功能具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPSGPS设备的实时操作系统使用。设备的实时操作系统使用。第二十七页，讲稿共三十二

27、页哦嵌入式嵌入式Linux嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的个系统必须是开放的、提供标准的APIAPI，并且能够方便地与众多第，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。三方的软硬件沟通。LinuxLinux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多LinuxLinux爱爱好者又是好者又是LinuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术

28、后盾。LinuxLinux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。定制剪裁，在价格上极具竞争力。LinuxLinux不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支持其他数十种，还可以支持其他数十种CPUCPU芯片。芯片。第二十八页，讲稿共三十二页哦 嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过小型化裁经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百剪后，能够固化在容量只有几百K K字节或几兆字节的存储器字节或几兆字

29、节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用LinuxLinux操操作系统。嵌入式作系统。嵌入式LinuxLinux的开发和研究是目前操作系统领域的的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有一个热点。主要有RTLinuxRTLinux和和 CLinuxCLinux嵌入式嵌入式Linux及应用及应用 Linux Linux优点优点1.1.开放源代码开放源代码,丰富的软件资源丰富的软件资源2.2.功能强大的内核功能强大的内核,性能高效性能高效、稳定稳定、多任务、多任务3.3.支持多种体系结构支持多种体系结构4.4.完善的网络通信完善的网络通信

30、、图形和文件管理机制图形和文件管理机制5.5.支持大量的硬件设备支持大量的硬件设备,驱动丰富驱动丰富6.6.大小功能都可定制大小功能都可定制第二十九页，讲稿共三十二页哦 1.4 4 嵌入式嵌入式LinuxLinux开发环境开发环境通用计算机通用计算机:可以直接安装发行版的可以直接安装发行版的Linux Linux 操作系统，使用编辑器、操作系统，使用编辑器、编译器等工具为本机开发软件，甚至可以完成整个编译器等工具为本机开发软件，甚至可以完成整个LinuxLinux系统系统的升级。的升级。嵌入式系统嵌入式系统:硬件一般有很大的局限性，或者处理器频率很低，或者存储空间硬件一般有很大的局限性，或者处

31、理器频率很低，或者存储空间很小，或者没有键盘、鼠标设备。这样的硬件平台无法胜任（或者不很小，或者没有键盘、鼠标设备。这样的硬件平台无法胜任（或者不便于）庞大的便于）庞大的Linux Linux 系统开发任务。系统开发任务。因此，开发者提出了交叉开发环境模型。因此，开发者提出了交叉开发环境模型。第三十页，讲稿共三十二页哦交叉开发环境交叉开发环境 交叉开发环境是由开发主机和目标板两套计算机系统构成的。交叉开发环境是由开发主机和目标板两套计算机系统构成的。目标板目标板Linux Linux 软件是在开发主机上编辑、编译，然后加载到目标软件是在开发主机上编辑、编译，然后加载到目标板上运行的。板上运行的

32、。n宿主机宿主机开发机器（编辑器、编译器、调试器、开发机器（编辑器、编译器、调试器、.）n目标机目标机程序运行的机器程序运行的机器l宿主机和目标机一样时为宿主机和目标机一样时为本地编译本地编译l交叉编译交叉编译是指宿主机和目标机是不同的系统（必须做目标文件下载是指宿主机和目标机是不同的系统（必须做目标文件下载）宿主机目标机磁带磁盘网络串口连接.第三十一页，讲稿共三十二页哦1.5 1.5 嵌入式嵌入式LinuxLinux系统开发要点系统开发要点 嵌入式嵌入式LinuxLinux开发就是构建一个开发就是构建一个LinuxLinux系统，系统，要求要求:熟悉熟悉LinuxLinux系统组成部分；系统组成部分；熟悉熟悉LinuxLinux开发工具；开发工具；熟悉熟悉Linux Linux 编程。编程。嵌入式嵌入式LinuxLinux系统系统组成组成从整体上讲，可以分为五大部分从整体上讲，可以分为五大部分 BootloaderBootloader KernelKernel Device driversDevice drivers FilesystemFilesystem ApplicationsApplications第三十二页，讲稿共三十二页哦