第1章嵌入式系統(tǒng)概述

1、1 嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù) 朱響斌2聯(lián)系信息n教師： 朱響斌n電話： 660617n研究室： 計算機應(yīng)用研究所(21-311)nE-mail: 3課程目的課程目的n本課程圍繞基于ARM的微處理器，介紹了嵌入式系統(tǒng)前沿發(fā)展趨勢，理解其設(shè)計方法，學(xué)會嵌入式編程技術(shù)。n課程采用講課與實驗相結(jié)合的方式。n著重培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，通過熟悉開發(fā)環(huán)境與開發(fā)流程、編程實踐等基礎(chǔ)實驗，使學(xué)生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。此外還增加了網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計、嵌入式游戲開發(fā)等開放式實驗，供基礎(chǔ)較好的學(xué)生深入學(xué)習(xí) 。n學(xué)生基礎(chǔ)：是否學(xué)過C語言、微機原理或是單片機等4n王田苗 主編. 嵌入式系統(tǒng)

2、設(shè)計及實例開發(fā)ARM與C/OS-（第三版）. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.1n（美）Jean J.Labrosse, 邵貝貝譯. C/OS-源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng). 北京：中國電力出版社，2001.8n馬忠梅等著. ARM嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)。北航出版社參考資料參考資料5希望大家有所收獲1、掌握一種學(xué)習(xí)方法2、學(xué)習(xí)了解嵌入式技術(shù)研發(fā)的基本概念、方法和知識3、獲得嵌入式開發(fā)設(shè)計實踐經(jīng)驗4、獲得學(xué)分6一、為什么要學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)l市場需求中國具有世界最大嵌入式技術(shù)市場，將成為市場需求中國具有世界最大嵌入式技術(shù)市場，將成為世界第一，手持儀器設(shè)備、信息家電、城市建設(shè)、工業(yè)世界第一，手持儀器設(shè)

3、備、信息家電、城市建設(shè)、工業(yè)控制、軍事應(yīng)用，控制、軍事應(yīng)用，嵌入式技術(shù)無處不在，嵌入式技術(shù)無處不在 。l企業(yè)人才需求軟硬件設(shè)計人才，應(yīng)用開發(fā)人才，綜合企業(yè)人才需求軟硬件設(shè)計人才，應(yīng)用開發(fā)人才，綜合性人才，性人才，l技術(shù)發(fā)展趨勢要求技術(shù)發(fā)展趨勢要求8 8位、位、1616位、位、3232位，實時操作系統(tǒng)位，實時操作系統(tǒng)，7n美國著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預(yù)言，45年后嵌入式智能（電腦) 工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。n嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元，它正在成為信息技術(shù)（IT）產(chǎn)業(yè)爭奪的重點之一。n每年只有10%-20%的計算機芯片用于臺式機或筆記本電腦等，這就意味

4、著每年有10-0億塊CPU是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計制造的：每年有超過1萬個新的嵌入式系統(tǒng)計劃產(chǎn)生。n未來5年僅基于嵌入式計算機系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)生一個每年1500億美元的新市場。n據(jù)說，“福特出售的計算能力已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業(yè)的規(guī)模和廣度。 嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè)嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè) 8n它們被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、信息家電、通信設(shè)備等眾多領(lǐng)域中。nPDA在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，作為企業(yè)專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等n自動控制領(lǐng)域，不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工業(yè)控制等專用設(shè)備，

5、和移動通訊設(shè)備結(jié)合、GPS、娛樂相結(jié)合，硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。n尤其是在最近幾年，嵌入式設(shè)備不斷地進入到新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如PDA、手持設(shè)備、AutoPC、智能電話和機項盒（STB）等。嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè)嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè) 9n在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國家推廣。n北京數(shù)字電視，鳳凰數(shù)字衛(wèi)視，高清晰、互動點播、機頂盒。n在中國有8000萬有線電視網(wǎng)用戶，1億以上的有線電話網(wǎng)用戶，為其發(fā)展提供了巨大市場。n針對如此巨

6、大的市場，嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)也給我國信息產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了良好的機遇。嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè)嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè)10n嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用已超過整個計算機應(yīng)用的40%。而根據(jù)美國嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報道，在21世紀(jì)初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場需求量具有比PC市場大10倍到100倍的商機。有機構(gòu)估計，全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場將超過1萬億美元。 n中國嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模到逼近2500億元。n未來2年在3G的帶動下，每年將增加5000萬用戶更換手機，以每部手機1000元計算，每年將會增加5000億的產(chǎn)值。3G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于電信設(shè)備制造業(yè)周邊產(chǎn)業(yè)也會有較大的拉動作用

7、。如傳輸設(shè)備、電源、通信防護、儀器儀表、檢測、直放站等。 嵌入式系統(tǒng)市場分析嵌入式系統(tǒng)市場分析11舉例說明n高級酒店，電話、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL、KEY、無線集成；n美國正在啟動一項計劃，網(wǎng)絡(luò)無線介入平臺n飛機的電子設(shè)備，巴黎、東京、漢城等城市地鐵買票系統(tǒng)n電子菜單、日本數(shù)碼相機等；n未來超市購買東西不排隊， 施樂Xerox公司于70年代初開始實施其無紙辦公室的計劃，首先開發(fā)了自動付款機系統(tǒng)。它設(shè)想要求超市中的每件商品都有一個存貯商品價錢的芯片。當(dāng)商品小推車經(jīng)過記帳。當(dāng)信用卡“掃過”時，就給出清單，這樣記賬時就不用排隊了。n醫(yī)療電子病歷、手持醫(yī)療儀器、德國血壓儀、12n

8、通訊行業(yè)：華為、中興、大唐、n國內(nèi)IT業(yè)：聯(lián)想、同方、方正、n外資企業(yè)：微軟、IBM、GE、n工業(yè)領(lǐng)域：Siemens、ABB、研華、n國內(nèi)中小型高新技術(shù)企業(yè)社會對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才的迫切需求社會對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才的迫切需求13n嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合性的課程，涉及涉及電子、計算機、自動控制等諸多專業(yè)知識，綜合性強，可包括微機原理、單片機設(shè)計、操作系統(tǒng)等課程內(nèi)容。嵌入式系統(tǒng)是軟件、硬件設(shè)計的完美結(jié)合。n理論與實踐相結(jié)合：實踐是嵌入式系統(tǒng)課程的重要環(huán)節(jié)，缺乏實踐的嵌入式系統(tǒng)課程是紙上談兵。n通過嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)，可提升嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)知識和實際設(shè)計能力。n知識的積累是與精力和時間的付出

9、成正比的，要成為高手和專家，就需要不斷的努力。n學(xué)無止境。對提高專業(yè)知識和實踐能力大有幫助對提高專業(yè)知識和實踐能力大有幫助14第一章第一章 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述本章主要內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)的概念、發(fā)展、特點、組成、分類 嵌入式微處理器系列嵌入式系統(tǒng)中信息表示與運算基礎(chǔ) 評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用15 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念第一種，根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation o

10、f equipment, machinery or plants）。n第二種，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。 16嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域17嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域18嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設(shè)備通信設(shè)備移動存貯移動存貯工控設(shè)備工控設(shè)備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務(wù)電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域19 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史n第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)；

11、n第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)；n第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)；n第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 。20 嵌嵌入式系統(tǒng)的特點入式系統(tǒng)的特點n通常是面向特定應(yīng)用的；n功耗低、體積小、集成度、成本低； n具有較長的生命周期； n具有固化的代碼； n開發(fā)需要專用開發(fā)工具和環(huán)境；n軟件需要RTOS開發(fā)平臺n開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主n嵌入式系統(tǒng)是知識集成系統(tǒng)21 嵌嵌入式系統(tǒng)的分類入式系統(tǒng)的分類 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將嵌入式系統(tǒng)分為以下4類 ：單個微處理器 。常用的嵌入式處理器如Philips的89LPCxxx系列，Motoro

12、la的MC68HC05、08系列等。 嵌入式處理器可擴展的系統(tǒng) 。過程控制、信號放大器、位置傳感器及閥門傳動器。 復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。開關(guān)裝置、控制器、電話交換機、電梯、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)藥監(jiān)視系統(tǒng)、診斷及實時控制系統(tǒng)等 。在制造或過程控制中使用的計算機系統(tǒng) 。自動倉儲系統(tǒng)和自動發(fā)貨系統(tǒng) 22 嵌入式處理器嵌入式處理器23（1）嵌入式微控制器n嵌入式微控制器的典型代表是單片機，這種位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。n單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等

13、各種必要功能和外設(shè)。24n微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。n微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。25（2）嵌入式DSP處理器nDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。nDSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。 DSP的

14、運算速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。n 目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。26nMPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。n與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。（3）嵌入式微處理器（Micro Processor Unit)27l和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、和工業(yè)控制計算機相比，嵌

15、入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有處理器類型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等28nSoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。n它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是通

16、用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。（4）嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 29nSoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，SOC最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。n運用VHDL等硬件描述語言不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產(chǎn)。 30n由于SOC往往是

17、專用的，所以大部分都不為用戶所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。nSOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。31 SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他的好處可以分為下列幾點：n利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。n減少芯片對外管腳數(shù)，簡化制造過程。n減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。n內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)雜訊。32新的發(fā)展方向：SOCASI

18、C CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface33 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成1.嵌入式系統(tǒng)的硬件 34 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成2. 嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式操作系統(tǒng) 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。具有編碼體積小，面向應(yīng)用，可裁剪和移植，實時性強，可靠性高，專用性強等特點。35 嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖36 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成3嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)系統(tǒng) 開發(fā)工具一般用于開發(fā)主機，包括語言編譯

19、器、連接定位器、調(diào)試器等。 v注意：嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件位于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品本身，開發(fā)工具則獨立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外 。37評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo)評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo)n要先明確預(yù)期最終應(yīng)用程序在待選平臺上的運行情況和測試目的，然后再挑選符合要求的特定測試向量。MIPS測試基準(zhǔn)。測試方法是計算在單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù)，單位：MIPS。Dhrystone。測試基準(zhǔn)是一個簡單的C語言程序。EEMBC驗證實驗室研究指出，Dhrystone不適于作為嵌入式系統(tǒng)的測試向量。雖然它是市面上最普遍適用的測試向量，但它有許多漏洞。EEMBC?；诿棵腌娝惴▓?zhí)行的次數(shù)和編譯代碼大小的統(tǒng)

20、計結(jié)果 。n一次詳盡的分析需要仔細衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、開發(fā)工具支持以及價格 38 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式移動數(shù)據(jù)庫；嵌入式系統(tǒng)在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用；嵌入式語音芯片；基于小范圍無線通信協(xié)議的嵌入式產(chǎn)品；其它工控和仿真領(lǐng)域 。39嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢n需要強大的硬件開發(fā)工具和軟件包的支持n向可移植、可伸縮、功能強大、可配置、良好的實時性、可靠性、高可用方向發(fā)展n網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)n精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟/硬件成本n提供友好的多媒體人機界面n嵌入式系統(tǒng)向新的嵌入式計算模型方向發(fā)展40國際的發(fā)展趨勢n2004年，IEEE計算機協(xié)會和ACM對計算機的典型課程進行

21、了設(shè)置，其中嵌入式系統(tǒng)是其中的核心課程n“Embedded systems education: How to teach the required skills, sponsored by IEEE, ACM, and IFIP.n“Embedded System Education”已成為國際IT教育研究的熱點41IEEE和ACM對嵌入式系統(tǒng)課程的要求嵌入式系統(tǒng)課程應(yīng)包括如下內(nèi)容： n發(fā)展歷史和概述n嵌入式微處理器n嵌入式編程n實時操作系統(tǒng)n低功耗計算n系統(tǒng)可靠性設(shè)計n設(shè)計方法學(xué)n工具支持（選修）n嵌入式多處理器系統(tǒng)設(shè)計（選修）n網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)（選修）n接口和混合信號系統(tǒng)（選修）42國際的發(fā)展趨勢nBy the year 2010, 90% of the overall program code developed will be for embedded computing systems.n嵌入式系統(tǒng)教育對傳統(tǒng)計算機教育帶