1、嵌入式系統設計大學嵌入式系統設計大學教程教程第一章 嵌入式系統概述第1頁/共43頁課件制作人聲明 本課件共 9個 Powerpoint 文件（每章一個）。教師可根據教學要求自由修改此課件（增加或刪減內容），但不能自行出版銷售。 對于課件中出現的缺點和錯誤，歡迎讀者提出寶貴意見，以便及時修訂。課件制作人 許大琴2008 年 8 月第2頁/共43頁主要內容 1.1 什么是嵌入式系統 1.2 嵌入式系統的特點 1.3 嵌入式系統的體系結構 1.4 嵌入式系統的分類 1.5 嵌入式系統的應用第3頁/共43頁1.1 什么是嵌入式系統 電氣工程師協會（IEEE）的定義： 嵌入式系統是用來控制、監視或輔助設

2、備、機器或工廠操作的裝置。 我國微機學會的定義： 嵌入式系統是以嵌入式應用為目的的計算機系統。可分為系統級、板級、片級。第4頁/共43頁1.1 什么是嵌入式系統 嵌入式系統一般定義： 以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用環境有特殊要求的專用計算機系統。 一個嵌入式系統就是一個硬件和軟件的集合體，它包括硬件和軟件兩部分。第5頁/共43頁1.1 什么是嵌入式系統 從技術角度說，嵌入式系統是將應用程序、操作系統和計算機硬件集成在一起的系統。 從系統角度說，嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。 從廣義上講

3、，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可稱為嵌入式系統。第6頁/共43頁主要內容 什么是嵌入式系統 嵌入式系統的特點 嵌入式系統的體系結構 嵌入式系統的分類 嵌入式系統的應用第7頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 1.系統內核小 由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置，系統資源相對有限，所以內核較傳統的操作系統要小得多。第8頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 2.專用性強 嵌入式系統通常是面向特定任務的，相對于一般通用PC計算平臺，嵌入式系統的個性化很強，其中軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行軟件系統的移植。第9頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 3.運行環境差異大 嵌入式系

4、統使用范圍極為廣泛，其運行環境差異很大。第10頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 4.可靠性要求高 嵌入式系統不能像通用PC機一樣，“死機”時通過手動重啟計算機予以容忍。嵌入式系統往往要長期在無人值守的環境下運行，甚至是常年運行，因此對可靠性的要求特別高。第11頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 5.系統精簡和高實時性操作系統 一是許多嵌入式系統應用具有實時性要求，嵌入式任務往往是時間關鍵性約束的，必須在某個時間范圍內完成。 二是由于嵌入式系統比通用PC系統資源少得多，要求嵌入式操作系統核心部分的體積必須盡可能地小。 三是為了適應各種應用需求的變化，嵌入式操作系統還應該具有可裁減性、可伸縮

5、性和易移植性的特點。第12頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 6.具有固化在非易失性存儲器中的代碼 為了系統的初始化，幾乎所有系統都要在非易失性存儲器中存放部分代碼（啟動代碼）。為了提高執行速度和系統可靠性，常常把所有代碼（或其壓縮代碼）固化存放在存儲器芯片或處理器的內部存儲器件中。第13頁/共43頁1.2 嵌入式系統的特點 7.嵌入式系統開發工作和環境 由于嵌入式系統本身不具備自主開發能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發工具和環境才能進行開發。 第14頁/共43頁主要內容 1.1 什么是嵌入式系統 1.2 嵌入式系統的特點 1.3 嵌入式系統的

6、體系結構 1.4 嵌入式系統的分類 1.5 嵌入式系統的應用第15頁/共43頁1.3 嵌入式系統的體系結構 早期嵌入式系統包含三個部分： 自底向上為： 硬件平臺 嵌入式實時操作系統（RTOS） 嵌入式實時應用程序第16頁/共43頁1.3 嵌入式系統的體系結構早期嵌入式系統的體系結構第17頁/共43頁1.3 嵌入式系統的體系結構 經過不斷的發展，原先嵌入式系統的三層結構逐步演化成為一種四層結構： 新增加的中間層次位于操作系統和硬件之間，通過特定的上層接口與操作系統進行交互，向操作系統提供底層的硬件信息；并根據操作系統的要求完成對硬件的直接操作。 這個中間層次叫做硬件抽象層(Hardware Ab

7、straction Layer，HAL)第18頁/共43頁1.3 嵌入式系統的體系結構嵌入式系統的體系結構第19頁/共43頁1.3 嵌入式系統的體系結構1.3.1 硬件平臺 嵌入式系統的硬件平臺以嵌入式處理器為核心，由存儲器、I/O單元電路、通信模塊、外部設備等必要的輔助接口組成的。 不同的應用通常有不同的硬件環境，硬件平臺的多樣性是嵌入式系統的一個主要特點。第20頁/共43頁嵌入式系統的體系結構嵌入式系統硬件基本組成 第21頁/共43頁嵌入式系統的體系結構1.3.2 硬件抽象層 硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）是位于操作系統內核與硬件電路之間的接口層

8、，其目的是將硬件抽象化，即可以通過程序來控制所有硬件電路（如CPU、I/O設備、存儲器等）的操作。 第22頁/共43頁 硬件抽象層通過硬件抽象層接口向操作系統以及應用程序提供對硬件進行抽象后的服務。 硬件抽象層一般應包含相關硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作、硬件設備的配置操作等功能。 第23頁/共43頁嵌入式系統的體系結構 硬件抽象層接口的特點：硬件抽象層具有與硬件的密切相關性；硬件抽象層具有與操作系統的無關性；接口定義的功能應包含硬件或系統所需硬件支持的所有功能；具有定義簡單明了，太多接口函數會增加軟件模擬的復雜性；具有可測性的接口設計有利于系統的軟硬件測試和集成。第24頁/共43頁嵌入式

9、系統的體系結構 板級支持包（Board Support Package，BSP）是現有的大多數商用嵌入式操作系統實現可移植性所采用的一種方案，是硬件抽象層的一種實現。 BSP隔離了所支持的嵌入式操作系統與底層硬件平臺之間的相關性，使嵌入式操作系統能夠通用于BSP所支持的硬件平臺，從而實現嵌入式操作系統的可移植性和跨平臺性，以及通用性、復用性。 第25頁/共43頁嵌入式系統的體系結構 BSP是相對于操作系統而言的，不同的操作系統對應于不同定義形式的BSP。 BSP實現的功能主要有兩個方面：系統啟動時，完成對硬件的初始化; 為驅動程序提供訪問硬件的手段。第26頁/共43頁嵌入式系統的體系結構1.3

10、.3 實時操作系統 實時多任務操作系統（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）簡稱實時操作系統，主要用來完成嵌入式實時應用的任務調度和控制等核心功能。 實時操作系統可根據實際應用環境的要求對內核進行裁剪和重新配置，根據不同的應用，其組成有所不同。第27頁/共43頁嵌入式系統的體系結構RTOS的體系結構圖 第28頁/共43頁嵌入式系統的體系結構1.3.4 實時應用程序 實時應用程序運行于操作系統之上，利用操作系統提供的實時機制完成特定功能的嵌入式應用。 不同的系統需要設計不同的嵌入式實時應用程序。 應用程序是面向被控對象和用戶的，當需要用戶操

11、作時，往往需要提供一個友好的人機界面。第29頁/共43頁主要內容 1.1 什么是嵌入式系統 1.2 嵌入式系統的特點 1.3 嵌入式系統的體系結構 1.4 嵌入式系統的分類 1.5 嵌入式系統的應用第30頁/共43頁1.4 嵌入式系統的分類1.4.1 按嵌入式微處理器的位數分類 嵌入式系統可分為4位、8位、16位、32位和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入式系統已經獲得了大量應用，32位嵌入式系統正成為主流發展趨勢，而一些高度復雜和要求高速處理的嵌入式系統已經開始使用64位嵌入式微處理器。第31頁/共43頁1.4 嵌入式系統的分類1.4.2 按軟件實時性需求分類 嵌入式系統可分為： 非實時

12、系統（如PDA）; 軟實時系統（如消費類產品）; 硬實時系統（如工業實時控制系統）。第32頁/共43頁1.4 嵌入式系統的分類 硬實時系統是指系統對響應時間有嚴格要求，如不能滿足響應時限、響應不及時或反應過早，都會引起系統崩潰或致命錯誤，甚至導致災難性的后果。 軟實時系統是指系統對響應的時間有一定要求，如在系統負荷較重的時候，響應時間不能滿足，會導致系統性能退化，但不會造成太大的危害。第33頁/共43頁1.4 嵌入式系統的分類1.4.3 按嵌入式系統的復雜程度分類 小型嵌入式系統：采用一個8位或者16位的微控制器設計的，硬件和軟件復雜度很小，需要進行板級設計。 中型嵌入式系統：采用一個16位或

13、者32位的微控制器、DSP或者精簡指令集計算機（RISC）設計的；硬件和軟件復雜度都比較大。 復雜嵌入式系統：軟件和硬件都非常復雜，需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列。第34頁/共43頁主要內容 1.1 什么是嵌入式系統 1.2 嵌入式系統的特點 1.3 嵌入式系統的體系結構 1.4 嵌入式系統的分類 1.5 嵌入式系統的應用第35頁/共43頁1.5 嵌入式系統的應用嵌入式應用嵌入式應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備通信設備移動存貯移動存貯工控設備工控設備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網絡設備網絡設備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務電子商務

14、網絡網絡工業控制工業控制第36頁/共43頁1.5 嵌入式系統的應用 工業過程控制 網絡通信設備 消費電子產品 航空航天設備 軍事電子設備和現代武器第37頁/共43頁一些典型的嵌入式系統應用實例MP3 機頂盒機頂盒 數碼相機數碼相機 手機手機 藍牙設備藍牙設備 第38頁/共43頁一些典型的嵌入式系統應用實例 Kolibri黑寡婦黑寡婦MicroBat微型飛行器微型飛行器 第39頁/共43頁一些典型的嵌入式系統應用實例“機遇機遇”號火星車號火星車美軍美軍packbotpackbot反狙擊機器人反狙擊機器人 第40頁/共43頁本章小結 嵌入式系統是一個硬件和軟件的集合體，包括硬件和軟件兩部分。 嵌入式系統具有系統內核小、專用性強、運行環境差異大、可靠性要求高、系統精簡、高實時性操作系統、部分代碼固化在非易失性存儲器中、系統開發需要專門的開發工具和環境等特點。 嵌入式系統的體系結構通常自底向上包含四個部分：硬件平臺、硬件抽象層、嵌