嵌入式系统开发基础PPT.ppt

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1、11/22/20221嵌入式系统原理嵌入式系统原理柏桂枝柏桂枝办公地点：计算机楼办公地点：计算机楼405#办公电话：办公电话：85895394手机：手机：13961388379Email:课程安排课程安排本科生专业必修课本科生专业必修课学分：学分：4总课时：总课时：64学时学时授课：授课：24次，次，48学时学时实验：实验：8次，次，16学时学时授课地点：授课地点：III楼楼112 414 207 201教室教室授课时间：授课时间：周一周一 1-2节节 5-6节节 周三周三 1-2节节周四周四 1-2节节前导课程知识前导课程知识基础课程基础课程计算机组成原理，微机原理与接口计算机组成原理，微机

2、原理与接口软件专业课程软件专业课程操作系统操作系统汇编语言，汇编语言，ANSI C（标准标准 C）硬件专业课程硬件专业课程电子线路，数字电路电子线路，数字电路本课程教学特点本课程教学特点本课程属于计算机技术专业课程本课程属于计算机技术专业课程注重实验环节注重实验环节计算机硬件软件知识结合计算机硬件软件知识结合偏偏重重软软件件、偏偏重重应应用用，紧紧密密结结合合应应用软件开发实际。用软件开发实际。课堂学习和上机实验相结合课堂学习和上机实验相结合嵌入式系统开发与应用嵌入式系统开发与应用田泽编著田泽编著北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社ISBN978-7-81124-947-62010年年

3、7月第月第2版版授课主教材介绍授课主教材介绍第第1 1章章 嵌入式系统开发基础嵌入式系统开发基础1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构1.3 1.3 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件组成1.4 1.4 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.5 1.5 嵌入式应用软件开发嵌入式应用软件开发1.6 1.6 嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程1.7 1.7 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机 1.1.2 1.1.2 嵌入式系统

4、的概念嵌入式系统的概念1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机1)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史2)2)嵌入式计算机的基本概念嵌入式计算机的基本概念3)3)嵌入式计算机的基本特征和应用范围嵌入式计算机的基本特征和应用范围1)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史F差差分分机机模模型型、布布尔尔代代数数、信信息息论论与与开开关关理理论论、图图灵灵状状态态机机算法、数据与指令分开的算法、数

5、据与指令分开的“哈弗结构哈弗结构”FENIACENIAC计算机（计算机（19461946）第一代：电子管（第一代：电子管（1946-19561946-1956）第二代：分立晶体管（第二代：分立晶体管（1959-19641959-1964）第三代：小第三代：小/中规模集成电路（中规模集成电路（1964-19751964-1975）第四代：大规模第四代：大规模/超大规模集成电路（超大规模集成电路（1975-19901975-1990）第五代到第六代。第五代到第六代。F4 4位位/8/8位位/16/16位位/32/32位位/64/64位位IntelIntel公司的公司的8080/8088/8086/

6、80286/80386/80486/80586/806868080/8088/8086/80286/80386/80486/80586/80686Motorola68000Motorola68000、ZilogZilog Z80 MCS-8051/8031 Z80 MCS-8051/80311)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史F在在电电子子计计算算机机发发展展的的初初期期，计计算算机机一一直直是是“供供养养”在在特特殊殊的的机机房房中中的的大大型型、昂昂贵贵的的专专用用设设备备，主主要是实现一些特殊的数值计算。要是实现一些特殊的数值计算。F同同时时微微处处理理器器表表现现出出的

7、的智智能能化化水水平平引引起起了了设设备备制制造造、机机电电控控制制等等专专业业人人士士的的兴兴趣趣，要要求求将将微微型型机机嵌嵌入入到到一一个个控控制制对对象象的的体体系系中中，实实现现对对象象体体系系的的智能化控制。智能化控制。F经经过过发发展展，到到8080年年代代初初微微处处理理器器及及微微控控制制器器各各自自已已发发展展为为一一个个庞庞大大的的家家族族，以以IntelIntel公公司司x86x86为为主主流流的的应应用用于于个个人人计计算算机机PCPC的的微微处处理理器器格格局局已已形成。形成。F为为了了区区别别于于原原有有使使用用在在PCPC的的通通用用计计算算机机，把把嵌嵌入入到

8、到对对象象体体系系中中、实实现现对对象象体体系系智智能能化化控控制制的的微微控制器的计算机，称作控制器的计算机，称作嵌入式计算机嵌入式计算机。1)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史F嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代。嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代。F早早期期嵌嵌入入式式计计算算机机是是将将一一个个计计算算机机嵌嵌入入到到一一个个具具体体应应用用的的控控制制对对象象的的体体系系中中去去，这这些些是是嵌嵌入入式系统发展的起点。式系统发展的起点。F这这也也标标志志着着计计算算机机进进入入了了通通用用计计算算机机与与嵌嵌入入式式计计算算机机两两大大分分支支、并并行行发发展展时时

9、代代，从从而而导导致致2020世世纪纪末末，计计算算机机应应用用的的高高速速发发展展并并由由此此引引发发了了计算机分类方式的变化。计算机分类方式的变化。1)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机1)1)嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史2)2)嵌入式计算机的基本概念嵌入式计算机的基本概念3)3)嵌入式计算机的基本特征和应用范围嵌入式计算机的基本特征和应用范围F传传统统的的计计算算机机分分类类是是按按照照计计算算机机的的处处理理字字长长、体体系系结结构构、运运算算速速度度、结结构构规规模模、适适用用领领域域进进行行的。如的。如大

10、型计算机：曙光计算机大型计算机：曙光计算机中型计算机：中型计算机：DJ-130DJ-130小型计算机：小型计算机：vx-11 vx-11 工作站工作站微型计算机：微型计算机：PCPC机机2)2)嵌入式计算机的基本概念嵌入式计算机的基本概念F嵌嵌入入式式计计算算机机，则则是是非非通通用用计计算算机机形形态态的的计计算算机机应应用用。它它是是以以作作为为嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心部部件件的的形形式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中。式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中。F因因此此嵌嵌入入式式计计算算机机是是计计算算机机技技术术发发展展中中的的一一种种计计算算机机存存在在的的形形式式，是是从从

11、计计算算机机技技术术的的发发展展中中分分离出来的。离出来的。F而而且且许许多多嵌嵌入入式式计计算算机机就就是是从从早早期期台台式式PCPC机机应应用用中淘汰下来后，应用在智能产品的开发中。中淘汰下来后，应用在智能产品的开发中。2)2)嵌入式计算机的基本概念嵌入式计算机的基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机1).1).嵌入式计算机的发展历史嵌入式计算机的发展历史2).2).嵌入式计算机的基本概念嵌入式计算机的基本概念3).3).嵌入式计算机的基本特征和应用范围嵌入式计算机的基本特征和应用范围F嵌嵌入入式式计计算算机机是是“专专用用计计算算机机”，与与具具体体的的应应用用广广泛

12、泛结结合合的产物，是构成未来数字化世界的基本元素。的产物，是构成未来数字化世界的基本元素。F嵌嵌入入式式计计算算机机在在应应用用数数量量上上已已远远远远超超过过了了各各种种通通用用计计算算机机，一一台台通通用用计计算算机机的的外外设设中中就就包包含含了了多多个个嵌嵌入入式式微微处处理理器器。键键盘盘、鼠鼠标标、软软驱驱、硬硬盘盘、显显示示卡卡、显显示示器器、ModemModem、网网卡卡、声声卡卡、打打印印机机、扫扫描描仪仪、数数码码相相机机、USBUSB集集线线器器等等都都是由嵌入式处理器控制的。是由嵌入式处理器控制的。F在在制制造造工工业业、过过程程控控制制、通通讯讯、仪仪器器、仪仪表表、

13、汽汽车车、船船舶舶、航航空空、航航天天、军军事事装装备备、消消费费类类产产品品等等方方面面均均是是嵌嵌入入式式计算机广泛应用的领域。计算机广泛应用的领域。3)3)嵌入式计算机嵌入式计算机_ _基本特征和应用范围基本特征和应用范围MOTOC350彩屏彩屏WAP移动电话移动电话彪骐数字机顶盒彪骐数字机顶盒BlackBerry 7230移动移动电话电话DL7100/DL7200 数字式示波器数字式示波器嵌入式嵌入式GIS畅视畅视2000可视电话可视电话PalmZire71型型个个人数字助理人数字助理1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机

14、1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围手机的内部结构手机的内部结构-1手机的内部结构手机的内部结构-2手机的内部结构手机的内部结构-3手机的内部结构手机的内部结构-4诺 基 亚 N95手机内部结构嵌入式系统高端应用的产品嵌入式系统高端应用的产品美国美国AGM-86B战略空射巡航导弹战略空射巡航导弹美国火星登陆车美国火星登陆车国产战斗机国产战斗机F-7MG机器人机器人国产国产88式坦克式坦克2002年型林

15、肯黑木年型林肯黑木(Blackwood)汽车汽车1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念嵌入式系统是嵌入式系统是嵌入嵌入到对象体中的到对象体中的专用计算机系统专用计算机系统以以嵌嵌入入式式计计算算机机为为核核心心的的嵌嵌入入式式系系统统是是继继ITIT网网络络技术之后，又一个新的技术发展方向。技术之后，又一个新的技术发展方向。1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念_ _IEEEIEEE的定义的定义IEEEIEEE对嵌入式系统的定义为：对嵌入式系统的定义为：F嵌嵌入入式式系系统统是是“用用于于控控制制、监监视视或或者者辅辅助助操操作作机机 器器 和和 设设 备备

16、 的的 装装 置置”（devices devices used used to to controlcontrol、monitormonitor、oror assist assist the the operation operation of of equipmentequipment、machinerymachinery or plants or plants）F这这主主要要是是从从应应用用对对象象上上加加以以定定义义，涵涵盖盖了了软软、硬件及辅助机械设备。硬件及辅助机械设备。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：国内普遍认同的嵌入式系统定义为：F以以应应用用为为中中心心、以以计计算算机机技技术

17、术为为基基础础、软软硬硬件件可可裁裁剪剪、适适应应应应用用系系统统对对功功能能、可可靠靠性性、成成本本、体体积积、功功耗耗严严格格要求的要求的专用计算机系统专用计算机系统。F相相比比较较而而言言国国内内的的定定义义更更全全面面一一些些，体体现现了了嵌嵌入入式式系系统统“嵌入嵌入”、“专用性专用性”、“计算机计算机”的基本要素和特征。的基本要素和特征。1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念_ _国内定义国内定义1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机 1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1.3

18、1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点F由由于于嵌嵌入入式式系系统统是是应应用用于于特特定定环环境境下下，针针对对特特定定用用途途来来设计的系统，所以不同于通用计算机系统。设计的系统，所以不同于通用计算机系统。F同同样样是是计计算算机机系系统统，嵌嵌入入式式系系统统是是针针对对具具体体应应用用设设计计的的“专用系统专用系统”。F它它的的硬硬件件和和软软件件都都必必须须高高效效率率地地设设计计、“量量体体裁裁衣衣”、

19、去去除除冗冗余余，力力争争在在较较少少的的资资源源上上实实现现更更高高的的性性能能。它它与与通用的计算机系统相比具有以下显著特点：通用的计算机系统相比具有以下显著特点：1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点F嵌嵌入入式式系系统统微微处处理理器器大大多多非非常常适适合合于于工工作作在在为为特特定定用用户户群群所所设设计计的的系系统统中中，称称为为“专专用用微微处处理理器器”，它它专专用用于于某个特定的任务，或者是很少几个任务。某个特定的任务，或者是很少几个任务。F具具体体的的应应用用需需求求决决定定着着嵌嵌入入式式处处理理器器的的性性能能选选型型和和整整个个系系统统的的设设计计

20、。如如果果要要更更改改其其任任务务，就就可可能能要要废废弃弃整整个个系系统并重新进行设计。统并重新进行设计。（1 1）是是“专用专用”的计算机系统的计算机系统1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点F嵌嵌入入式式系系统统无无所所不不在在，但但运运行行环环境境也也差差异异很很大大，可可运运行行在在飞飞机机上上、冰冰天天雪雪地地的的两两极极中中、骄骄阳阳似似火火下下的的汽汽车车里里、要要求求温温湿湿度度恒恒定定的的科科学学实实验验室室等等。特特别别是是在在恶恶劣劣的的环环境境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。F这这些些情情况

21、况对对设设计计人人员员来来说说意意味味着着要要同同时时考考虑虑到到硬硬件件与与软软件件。“严严酷酷的的环环境境”一一般般意意味味着着更更高高的的温温度度与与湿湿度度。军军用用设设备备标标准准对对嵌嵌入入式式元元器器件件的的要要求求非非常常严严格格并并且且在在价价格格上上和和商商用用、民民用用差差别别很很大大。比比如如英英特特尔尔公公司司的的80868086，当当它用在火箭上时，单价竟高达几百美元。它用在火箭上时，单价竟高达几百美元。(2)(2)嵌入式系统运行环境差异很大嵌入式系统运行环境差异很大F通用通用PCPC系统有数不胜数的系统资源，完成各种工作。系统有数不胜数的系统资源，完成各种工作。F

22、在在PCPC机机上上编编写写程程序序的的同同时时播播放放MP3MP3、CDCD、下下载载资资料料等等等等。因因为为个个人人PCPC拥拥有有512MB512MB内内存存、80GB80GB硬硬盘盘空空间间并并且且在在SCSISCSI卡卡上连接着软驱和上连接着软驱和CD-ROMCD-ROM驱动器。驱动器。F而而控控制制GPSGPS接接收收机机的的嵌嵌入入式式系系统统，由由于于是是专专门门用用来来执执行行很很少少的的几几个个确确定定任任务务，它它所所能能管管理理的的资资源源比比通通用用PCPC系系统统少少得多。得多。F当当然然这这主主要要是是因因为为在在设设计计时时考考虑虑到到经经济济性性，不不能能使

23、使用用通通用用CPUCPU。这这就就意意味味着着所所选选用用的的CPUCPU只只能能管管理理很很少少的的资资源源，它的成本更低、结构更简单。它的成本更低、结构更简单。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点(3)(3)嵌入式系统比通用嵌入式系统比通用PCPC系统资源少得多系统资源少得多F通通用用PCPC有有足足够够大大的的内内部部空空间间提提供供良良好好的的通通风风能能力力，但但是是系系统统中中的的奔奔腾腾或或AMDAMD处处理理器器均均配配备备庞庞大大的的散散热热片片和和冷冷却却风风扇扇进行系统散热。进行系统散热。F而而许许多多嵌嵌入入式式系系统统就就没没有有如如此此充充足足

24、的的电电能能供供应应，尤尤其其是是便便携携式式嵌嵌入入式式设设备备，即即便便是是有有足足够够的的电电源源供供应应，散散热热设设备备的的增加也往往是不方便的。增加也往往是不方便的。F因因此此嵌嵌入入式式系系统统设设计计时时应应尽尽可可能能的的降降低低功功耗耗。软软件件必必须须围围绕绕这这种种特特性性进进行行设设计计。因因此此一一般般的的外外部部事事件件通通过过中中断断“驱驱动动”、“唤醒唤醒”系统工作。系统工作。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点(4)(4)低功耗、体积小、集成度高、成本低低功耗、体积小、集成度高、成本低(5)(5)具有系统测试和可靠性评估体系具有系统测试和

25、可靠性评估体系1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式应用的复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完嵌入式应用的复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢？首先，需要有科学的测试方法，建立科学入式复杂软件呢？首先，需要有科学的测试方法，建立科学的系统测试和可靠性评估体系，尽可能避免因为系统的不可的系统测试和可靠性评估体系，尽可能避免因为系统的不可靠造成巨大损失。其次，引入多种嵌入式系统测试方法和可靠造成巨大损失。其次，引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系。在

26、大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，靠性评估体系。在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。总之，嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一常运行。总之，嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一门学科。门学科。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点（6 6）具有较长的生命周期）具有较长的生命周期 嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的产物，它的升级换代也是和具体产品同步进行产物，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。因此，一旦定性进入市场

27、，一般具有较长的。因此，一旦定性进入市场，一般具有较长的生命周期。的生命周期。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点（7 7）固化在非易失性存储器中）固化在非易失性存储器中 嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，以便其余的代码能够正常运行，这就是建立运行时的环境。以便其余的代码能够正常运行，这就是建立运行时的环境。为了系统的初始化，几乎所有的系统都要在非易失性存储为了系统的初始化，几乎所有的系统都要在非易失性存储器（现在普遍使用器（现在普遍使用FlashFlash）中存放部分代码（启动代码）。）中存放部分代码（启动代码）。

28、为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统也常为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统也常常把所有的代码（也常常使用所有代码的压缩代码）固化、常把所有的代码（也常常使用所有代码的压缩代码）固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，不使用外存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，不使用外部的磁盘等存储介质。部的磁盘等存储介质。嵌入式系统往往对时间的要求非常严格，嵌入式操作嵌入式系统往往对时间的要求非常严格，嵌入式操作系统一般是系统一般是RTOSRTOS。嵌入式实时操作系统随时都要对正在运。嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级。嵌入式任务是时间关键性约束，行的

29、任务授予最高优先级。嵌入式任务是时间关键性约束，它必须在某个时间范围内完成，否则由其控制的功能就会它必须在某个时间范围内完成，否则由其控制的功能就会失效。比如控制飞行器稳定飞行的控制系统如果因反馈速失效。比如控制飞行器稳定飞行的控制系统如果因反馈速度不够，其控制算法就可能会失效，飞行器在空中飞行会度不够，其控制算法就可能会失效，飞行器在空中飞行会出问题。出问题。（8 8）使用实时操作系统（）使用实时操作系统（RTOSRTOS）1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上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。为了合理地

30、调度多任务、利用系统资源、系统函数以运行。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 Time Operating SystemOperating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实）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，保障软件质量。时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。嵌入式软件开发走向标准化。嵌入式软件开发走向标准化。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 从调试的观点看，代码在从调试的观点看，代码在ROMR

31、OM中意味着调试器不能在中意味着调试器不能在ROMROM中设置断点。要设置断点，调试器必须能够用特殊指中设置断点。要设置断点，调试器必须能够用特殊指令取代用户指令，嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系令取代用户指令，嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系统开发过程的专用工具套件。统开发过程的专用工具套件。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点（9 9）需要专用开发工具和方法进行设计）需要专用开发工具和方法进行设计 目前常用的嵌入式微处理器较过去相比，最大区别是芯目前常用的嵌入式微处理器较过去相比，最大区别是芯片上都包含有专用调试电路。如片上都包含有专用调试电路。如ARMARM的的Emb

32、edded ICEEmbedded ICE，这一，这一点似乎与反复强调的嵌入式系统经济性相矛盾，事实上大多点似乎与反复强调的嵌入式系统经济性相矛盾，事实上大多数厂商发现为所有芯片加入调试电路更经济。嵌入式处理器数厂商发现为所有芯片加入调试电路更经济。嵌入式处理器发展到现在，厂商都认识到了具有片上调试电路是嵌入式应发展到现在，厂商都认识到了具有片上调试电路是嵌入式应用产品广泛应用的必要条件之一。也就是说，他们的芯片必用产品广泛应用的必要条件之一。也就是说，他们的芯片必须能提供很好的嵌入式测试方案，解决嵌入式系统设计及调须能提供很好的嵌入式测试方案，解决嵌入式系统设计及调试问题，这样才会使面临上市

33、压力的应用开发者在考虑其嵌试问题，这样才会使面临上市压力的应用开发者在考虑其嵌入式系统芯片时，采纳这些厂商的芯片。入式系统芯片时，采纳这些厂商的芯片。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点（10)10)嵌入式微处理器通常包含专用调试电路嵌入式微处理器通常包含专用调试电路 嵌入式系统是技术密集、资金密集、高度分散、嵌入式系统是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。不断创新的知识集成系统。将先进的计算机技术、半导体工艺技术、电子将先进的计算机技术、半导体工艺技术、电子技术和通信网络技术与各个领域的具体应用相结合技术和通信网络技术与各个领域的具体应用相结合的产物。的

34、产物。1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点（11)11)是知识集成系统是知识集成系统F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是通用计算平台是通用计算平台F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F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F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F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F嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种微处理体系的支持F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1

35、.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统与嵌入式系统与PCPC的区别：的区别：1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机 1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围（1 1）按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）F芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）F模块级嵌入（系统中的某个核心模块）

36、模块级嵌入（系统中的某个核心模块）F系统级嵌入系统级嵌入1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类（2 2）按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：F非实时系统（非实时系统（PDAPDA）F软实时系统（消费类产品）软实时系统（消费类产品）F硬实时系统（工业和军工系统）硬实时系统（工业和军工系统）1.1.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.1.1 1.1.1 嵌入式计算机嵌入式计算机 1.1.2 1.1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.1

37、.4 1.1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围F嵌入式技术无处不在嵌入式技术无处不在F崭新的数字世界多彩的嵌入式应用崭新的数字世界多彩的嵌入式应用1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围F文字处理、日常管理和生产控制的计算机文字处理、日常管理和生产控制的计算机F各各种种使使用用嵌嵌入入式式技技术术的的品品种种繁繁多多的的电电子子产产品品，如如：MP3MP3、PDAPDA、手手机机、智智能能玩玩具具，网网络络家家电电、智智能能家家电电、车车载载电电子子设备等设备等F在在工工业业和和服服务务领领域域中中，大

38、大量量嵌嵌入入式式技技术术也也已已经经应应用用于于工工业业控控制制、数数控控机机床床、智智能能工工具具、工工业业机机器器人人、服服务务机机器器人人等等各各个个行行业业，正正在在逐逐渐渐改改变变着着传传统统的的工工业业生生产产和和服服务务方式。方式。1.1.5 1.1.5 嵌入式系统的应用范围嵌入式系统的应用范围消费电子消费电子嵌入式系统嵌入式系统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工业工业军事国防军事国防电子商务电子商务网络国际芯片市场来看国际芯片市场来看 据统计每年只有据统计每年只有1

39、0-20%10-20%的计算机芯片是为台式的计算机芯片是为台式PCPC或膝上电脑而设计的。或膝上电脑而设计的。嵌入式系统设计制造的嵌入式系统设计制造的CPUCPU每年大概有每年大概有10-2010-20亿亿片。片。每年又有每年又有1 1万个新的嵌入式系统计划产生，而且万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统 嵌入式控制和计算机的芯片使用量比较嵌入式控制和计算机的芯片使用量比较(个个)Source:Semico Research Corp 2002 嵌入式产品拥有璀璨的明天嵌入式产品拥有璀璨的明天Lots of Embedded

40、 Core Shipments(32bit and above)2003 Total Embedded Core*:1.48 billion unitsSource:Semico Research Corp,Q1 2004782.8M782.8M126.2M126.2M119M119M88.3M88.3M*Includes all SoC for 32-bit,64-bit and greater RISC and CISC architectures 46.9M46.9M314M314M2004 ARM Estimated:1.3 billion2004 ARM Estimated:1.3

41、billion嵌入式系统的应用领域消费类电子消费类电子智能玩具、手持通讯的核心智能玩具、手持通讯的核心嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域智能玩具与机器人智能玩具与机器人嵌入式系统的应用领域汽车电子嵌入式系统的应用领域军事国防领域军事国防领域嵌入式系统的应用领域航天领域航天领域嵌入式系统的应用领域第第1 1章章 嵌入式系统开发基础嵌入式系统开发基础1.1 1.1 嵌入式系统基本概念嵌入式系统基本概念1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构1.3 1.3 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件组成1.4 1.4 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.5 1.5 嵌入式应用软件开发嵌入

42、式应用软件开发1.6 1.6 嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程1.7 1.7 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势F嵌嵌入入式式系系统统的的硬硬件件是是嵌嵌入入式式系系统统软软件件环环境境运运行行的的基基础础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；F嵌嵌入入式式操操作作系系统统和和嵌嵌入入式式应应用用软软件件则则是是整整个个系系统统的的控控制制核心，控制整个系统运行、提供人机交互的信息等。核心，控制整个系统运行、提供人机交互的信息等。F由由于于嵌嵌入入式式系系统统和和实实际际应应用用对对象象密密切切相相关关，而而实实际际应应用用

43、非非常常繁繁杂杂，应应用用也也日日新新月月异异，很很难难用用一一种种构构架架或或模模型型加加以以描描述述。后后面面的的二二到到四四围围绕绕嵌嵌入入式式系系统统的的这这三三大大组组成成部部分分，加加以以详详细细讲讲述述，一一是是对对于于嵌嵌入入式式系系统统的的组组成成进进行行讲讲述。述。1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构F嵌嵌入入式式系系统统是是“专专用用计计算算机机应应用用系系统统”，它它具具有有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成；一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成；F图图1 11 1完完整整的的描描述述了了嵌嵌入入式式系系统统的的软软、硬硬件件各各部部分

44、的组成结构。分的组成结构。1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理图1-1 典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存1.2.1 1.2.1 嵌入式系统硬件基本结构介绍嵌入式系统硬件基本

45、结构介绍1.2.2 1.2.2 嵌入式系统软件的层次结构嵌入式系统软件的层次结构1.2.3 1.2.3 启动程序启动程序BootLoaderBootLoader介绍介绍 1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构F嵌嵌入入式式系系统统的的硬硬件件架架构构如如图图1-11-1下下半半部部分分所所示示，是是以以嵌嵌入入式式处处理理器器为为中中心心，配配置置存存储储器器、I/OI/O设设备备、通通信信模模块块以以及及电源等必要的辅助接口组成。电源等必要的辅助接口组成。F嵌嵌入入式式系系统统是是“量量身身定定做做”的的“专专用用计计算算机机应应用用系系统统”，又又不不同同于于普普通通计计

46、算算机机组组成成，在在实实际际应应用用中中的的嵌嵌入入式式系系统统硬硬件件配配置置非非常常精精简简，除除了了微微处处理理器器和和基基本本的的外外围围电电路路以以外外，其其余余的的电电路路都都可可以以根根据据需需要要和和成成本本进进行行“裁裁剪剪”、“定定制制化化”（CustomizeCustomize），），非常经济、可靠。非常经济、可靠。1.2.1 1.2.1 嵌入式系统硬件基本结构介绍嵌入式系统硬件基本结构介绍F嵌嵌入入式式系系统统硬硬件件核核心心是是嵌嵌入入式式微微处处理理器器，有有时时为为了了提提高高系系统统的的信信息息处处理理能能力力，常常常常外外接接DSPDSP和和DSPDSP协协

47、处处理理器器（也也可内部集成）完成高性能信号处理。可内部集成）完成高性能信号处理。F随随着着计计算算机机技技术术、微微电电子子技技术术、应应用用技技术术的的不不断断发发展展和和纳纳米米芯芯片片加加工工工工艺艺技技术术的的发发展展，以以微微处处理理器器为为核核心心的的集集成成多多种种功功能能的的SoCSoC系系统统芯芯片片已已成成为为嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心，在在嵌嵌入入式式系系统统设设计计中中，要要尽尽可可能能的的选选择择能能满满足足系系统统功功能能接接口口的的SoCSoC芯芯片片，这这些些SoCSoC集集成成了了大大量量的的外外围围USBUSB、UARTUART、以以太网、太网、AD

48、/DAAD/DA、IISIIS等功能模块。等功能模块。1.2.1 1.2.1 嵌入式系统硬件基本结构介绍嵌入式系统硬件基本结构介绍F可可编编程程片片上上系系统统SOPC(SOPC(System System On On Programmable Programmable Chip Chip)结结合合了了SoCSoC和和PLDPLD、FPGAFPGA各各自自的的技技术术优优点点，使使得得系系统统具具有有可可编编程程的的功功能能，是是可可编编程程逻逻辑辑器器件件在在嵌嵌入入式式应应用用中中的的完完美美体体现现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。极大的提高了系统的在线升级、换代能力。F以以SoC

49、SoC/SOPC/SOPC为为核核心心，可可以以用用最最少少的的外外围围部部件件和和连连接接部部件件构构成成一一个个应应用用系系统统，满满足足系系统统的的功功能能需需求求，也也是是嵌嵌入入式式系系统统发展的一个方向发展的一个方向1.2.1 1.2.1 嵌入式系统硬件基本结构介绍嵌入式系统硬件基本结构介绍1.2.1 1.2.1 嵌入式系统硬件基本结构介绍嵌入式系统硬件基本结构介绍1.2.2 1.2.2 嵌入式系统软件的层次结构嵌入式系统软件的层次结构1.2.3 1.2.3 启动程序启动程序BootLoaderBootLoader介绍介绍 1.2 1.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的组成结构F

50、当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统；当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统；F但但是是当当设设计计较较复复杂杂的的程程序序时时，可可能能就就需需要要一一个个操操作作系系统统（OSOS）来来管管理理、控控制制内内存存、多多任任务务、周周边边资资源源等等等等。依依据据系系统统所所提提供供的的程程序序界界面面来来编编写写应应用用程程序序，可可以以大大大大的的减少应用程序员的负担。减少应用程序员的负担。1.2.2 1.2.2 嵌入式系统软件的层次结构嵌入式系统软件的层次结构初始化初始化主控程序主控程序相关子程序相关子程序F对对于于使使用用操操作作系系统统的的嵌嵌入入式式系系统统来来