第一章 嵌入式系统.doc

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1、第一章 嵌入式系统目录1.1 嵌入式系统的发展21.2 嵌入式系统概述31.2.1 嵌入式系统的定义31.2.2 嵌入式系统的组成41.2.3 嵌入式系统的分类41.2.4 嵌入式操作系统简介71.2.5 嵌入式系统总结71.3 嵌入式系统的特征81.1 嵌入式系统的发展 1946年，世界上出现了第一台计算机，从此开创了计算机时代，由此深刻改变了人类的生活。按照应用来分类，计算机又分为嵌入式和通用式两种。其中通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面；而嵌入式计算机则以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。 在当前数字技术和网络技术高速

2、发展的后PC时代，嵌入式系统的发展已远超出了计算机的范畴，广泛渗透到了科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化娱乐及人们的日常生活等方方面面，已经与人类生产生活紧密结合了。 嵌入式系统至今已有30多年的历史，经历了4个比较明显的阶段： 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于

3、这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较差；系统开销小， 效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；

4、操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口(API)，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。1.2 嵌入式系统概述1.2.1 嵌入式系统的定义 说了这么多关于嵌入式系统的话题，那么到底什么是嵌入式系统呢

5、？ 这个问题到现在为止，都没有一个明确的答案。从广义上来讲，凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统。而从狭义上讲，嵌入式系统主要指能够支持操作系统的微系统。总而言之，嵌入式系统是嵌入于宿主设备来智能化提升宿主设备的功能，以辅助宿主设备高质量完成其功能为目的的小巧而廉价的计算机系统。 以IEEE为例，它对于嵌入式系统的定义是：An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants。即嵌入式系统是“用于控制、

6、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。 而在中国嵌入式系统领域中，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。这一概念完全是从应用角度出发来定义的。 对嵌入式系统较全面的理解应当从以下三方面来认识：（1）硬件应由嵌入式处理器作基础平台；（2）软件应以嵌入式软件为运行平台；（3）形式应是嵌入在设备中，各种设备有不同的外形及相应的附属配件，它只不过是其中的一个控制核心部件。1.2.2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序

7、等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 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4个特点：1）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心的执行时间减少到最低限度。2）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，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4）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的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入

8、式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1000 种，流行的体系结构有 30 多个系列。其中 8051 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有 20 多个，共 350 多种衍生产品，仅 Philips 就有近 100 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB ，处理速度为 0.12000MIPS ，常用封装 8144 个引脚。1.2.3 嵌入式系统的分类根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类。(1) 嵌入式微处理器 (Embedded M

9、icroprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括 ROM 、 RAM 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可

10、靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有 Am186/88 、 386EX 、 SC-400 、 Power PC 、 68000 、 MIPS 、 ARM 系列等。(2) 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了 ROM/EPROM 、 RAM 、总线、总线逻辑、定时 / 计数器、看门狗、 I/O 、串行口、脉宽调制输出、 A

11、/D 、 D/A 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一

12、般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96/196/296 、 C166/167 、 68300 等。而比较有代表性的半通用系列，如支持 USB 接口的 MCU 8XC930/931 、 C540 、 C541 ；支持 I2C 、 CAN 总线、 LCD 等的众多专用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 约占嵌入式系统市场份额的 70% 。(3) 嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP )在数字信号

13、处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能是 O(nm) 的，甚至是 NP 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于 DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、 FFT 、谱分析等方面， DSP 算法正大量进入嵌入式领域， DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。嵌入式 DSP 处理器有两类：(1)DSP 处理器经过单片化、 EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器，TI 的 TMS320C2000 / C5000 等属于此范畴； (2)在通用单片机或

14、 SOC 中增加 DSP 协处理器，例如 Intel 的 MCS-296 和 Infineon(Siemens) 的 TriCore 。另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式 DPS 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是 DSP 处理器的优势所在。嵌入式 DSP 处理器比较有代表性的产品是 TI 的 TMS320 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。 TMS320 系列处理器包括用于控制的 C20

15、00 系列、移动通信的 C5000 系列，以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。 DSP56000 目前已经发展成为 DSP56000 、 DSP56100 、 DSP56200 和 DSP56300 等几个不同系列的处理器。另外， Philips 公司最近也推出了基于可重置嵌入式 DSP 结构，采用低成本、低功耗技术制造的 R. E. A. L DSP 处理器，其特点是具备双 Harvard 结构和双乘 / 累加单元，应用目标是大批量消费类产品。(4) 嵌入式片上系统 (System On Chip, SOC) 随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速

16、发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了 SOC 技术。各种通用处理器内核将作为 SOC 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL 、 Verlog 等硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC 可分为通用和专用两类，通用 SOC 如 Infineon(Siemens) 的 TriCo

17、re 、 Motorola 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器件，如 Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片等；专用 SOC 一般专用于某个或某类系统中，如 Phlips 的 Smart XA ，它将 XA 单片机内核和支持超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载 Java 或 C 语言的专用 SOC ，可用于互联网安全方面。1.2.4 嵌入式操作系统简介 我们再来看看嵌入式系统中另一个重要的组成部分：嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统

18、) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 Browser 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序 。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的

19、 pSOS 、 QNX 系统软件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理 (PDA) 、移动电话、机顶盒、电子书、 WebPhone 等。1.2.5 嵌入式系统总结 嵌入式系统可大可小，位数可多可少，完全由能满足宿主设备的功能要求来决定。但嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序

20、编程与硬件的交互作用。嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。 我们可以这样认为，嵌入式系统就是将先进的计算机技术，半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。1.3 嵌入式系统的特征 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯

21、片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件

22、一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6.嵌入式系统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。7.实时性是嵌入式系统的基本要求。对重要性各不相同的任务必须进行统筹兼顾，合理调度，以保证每个任务及时执行。同时嵌入式系统须实现多任务的功能，这是工业标准化的基础。8嵌入式系统还具有价格低，市场竞争力强，环境适应能力强，操作使用人性化、仪表化，有多种类型的软、硬件支持平台，可充分发挥设计者的才能，创造出更好的产品等特点。以上就是对嵌入式系统的一个简单的介绍，嵌入式系统不仅包含以上内容，还有更多的

23、内容等着读者去发掘，我们相信明天的世界将是嵌入式的世界，嵌入式系统将带给人类生产生活不可估量的变化，为人类社会的发展做出巨大的贡献。5.1.2区别与特点嵌入式计算机系统设计不同于桌面计算机系统设计的一个方面在于：嵌入式系统非常受限于功能和具体的应用环境，如对外部事件必须保证在规定时间内进行响应，有体积、重量的限制，功率预算、散热必须符合环境要求，需要令人满意的安全性、可靠性，系统本身的成本需求等。下面是嵌入式系统设计时需要重点考虑的因素：1.实时性好由于嵌入式系统而向特定的用户，有的不仅要求得到正确的结果。而且对得到结果的时间延迟也有明确的限制，如“信号处理系统”、“紧急任务处理系统”等是实时

24、性要求很高的系统，因此设计时必须充分考虑到系统实时性的要求。2.可靠性高嵌入式系统是嵌入到其它的设备上，完成某些特定的任务或功能，严重的人为误操作、设备的损坏等都会造成系统的瘫痪，因此对于其本身要求有较高的可靠性。3.集成度高嵌入式系统一般用于工业控制、家用电器、移动通讯等领域，因此对于系统本身的体积有严格的要求，同时为了提高开发效率,也要求系统要有较高的集成度。4.功耗低嵌入式系统的适用领域:移动通讯设备、便携式设备等需要电池供电的设备，决定了系统应当有更低的功耗。5.环境适应能力强嵌入式系统的工作环境往往是不可控的，特别是热、冲击、光、强电磁场等，这些因素会对系统产生影响，因此在设计时应当充分考虑到对于这些干扰的防护措施。6.系统成本低任何系统的成本都是一个很关键的因素，当然嵌入式系统也不例外，设计时应当在满足系统要求的前提下尽可能的降低成本，这样的系统才有生命力。