1、嵌入式系統概論1. 嵌入式系統概述2. 嵌入式系統的基本知識3. 嵌入式系統的設計原則及方法1.1什么是嵌入式系統嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由以下幾部分組成:n嵌入式微處理器n外圍硬件設備n嵌入式操作系統n特定的應用程序1.2嵌入式系統的特點特點：n應用的特定性和廣泛性n技術、知識、資金的密集性n高效性n較長的生命周期n高可靠性n軟硬一體，軟件為主n無自舉開發能力1.3嵌入式系統與PC的不同1. 一般專用于特定的任務，而PC是一個通用計算機。2. 使用多種類型的處理器和處理器體系結

2、構。3. 及其關注成本4. 有實時約束5. 使用實時多任務操作系統6. 軟件故障造成的后果比PC系統更嚴重7. 大多有功耗約束8. 經常在極端的環境下運行9. 系統資源比PC少的多10. 通常所有的目標代碼存放在ROM中11. 需要專用工具和方法進行開發設計12. 嵌入式系統的數量遠遠超過PC1.4嵌入式系統的應用領域1.4嵌入式系統的應用領域1.5嵌入式系統的產品n網絡設備:交換機、路由器,MODEMn消費電子:手機、MP3、PDA 、可視電話、電視機頂盒、數字電視、數碼照相機、數碼攝像機、信息家電n辦公設備:打印機、傳真機、掃描儀n汽車電子:ABS(防死鎖剎車系統)、供油噴射控制系統、車載

3、GPS。n工業控制:各種自動控制設備我們正步入一個嶄新的“數字世界”嵌入式應用嵌入式應用1.6嵌入式系統的歷史n20 世紀70 年代：單片機出現嵌入式系統最初的應用是基于單片機。汽車，工業機器，通信裝置等成千上萬種產品通過內嵌電子裝置獲得更佳的使用性能。n20 世紀80 年代：嵌入式操作系統出現商業嵌入式實時內核包含傳統操作系統的特征，使得開發周期縮短，成本降低，效率提高促使嵌入式系統有了更為廣闊的應用空間。n20 世紀90 年代：實時多任務操作系統軟件規模的不斷上升，對實時性要求的提高，使得實時內核逐步發展為實時多任務操作系統，并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統的主流。1.7巨大的

4、市場n計算機應用的普及、互聯網技術的實用以及納米微電子技術的突破，正有力推動著21 世紀工業生產，商業活動科學試驗和家庭生活等領域自動化和信息化進程。n嵌入式產品的巨大商機全過程自動化產品制造、大范圍電子商務活動、高度協同科學實驗以及現代化家庭起居。n你接觸的每一樣東西將裝有芯片和嵌入式軟件。1.8創新的機遇n通用計算機產業是壟斷的。n嵌入式系統與技術是一個分散的工業，充滿競爭、機遇與創新。n沒有哪一個系列的處理器和操作系統能夠壟斷全部市場即便在體系結構上存在著主流，但各不相同的應用領域決定了不可能有少數公司，少數產品壟斷全部市場。因此嵌入式系統領域的產品和技術，必然是高度分散的，留給各個行業

5、的中小規模高技術公司的創新余地很大。2.嵌入式系統的基本結構n嵌入式系統的構架n嵌入式微處理器n嵌入式操作系統n啟動程序BootLoader介紹 2.1嵌入式系統的構架API(Application Programming Interface)2.2嵌入式系統的硬件基本結構2.3嵌入式處理器1. 支持實時多任務.2. 較短的中斷響應時間3. 存儲區保護功能4. 可擴展的處理器結構5. 較低的功耗分類：嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）嵌入式DSP處理器EDSP(Embedded Digital Signal Processor)嵌入式微處理器(Embedded Micr

6、oprocessor Unit) 嵌入式片上系統SOC(System On Chip)2.3.1嵌入式微處理器特點:n功能和微處理器基本一樣,是具有32位以上的處理器,具有較高的性能.n具有體積小,功耗少,成本低,可靠性高的特點.n有的可提供工業級應用.流行的嵌入式微處理器:nARM/Strong (ARM公司)nPowerPC (MOTOROL公司)n68000 (MOTOROL公司)nMIPS(MIPS公司)MIPSMIPS處理器處理器MIPS技術公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS的意思是“無內鎖流水段微處理器”（

7、Microprocessor without interlocked piped stages），最早是在80年代初期由美國斯坦福大學Hennessy教授領導的研究小組研制出來的。 1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型號。之后，MIPS公司的戰略發生變化MIPSMIPS處理器處理器此外，24K微架構能符合各種新興的服務趨勢，為寬頻存取以及還在不斷發展的網絡基礎設施、通訊協議提供軟件可編程的彈性。在嵌入式方面，MI

8、PS 系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。MIPS的系統結構及設計理念比較先進，在設計理念上MIPS強調軟硬件協同提高性能，同時簡化硬件設計。 PowerPC PowerPC處理器處理器PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內核，應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統，從消費類電子產品到大型通信設備，無所不包。處理器芯片主要型號是PowerPC 750，它于1997年研制成

9、功，最高的工作頻率可以達到500MHz，采用先進的銅線技術。該處理器有許多品種，以便適合各種不同的系統。包括IBM小型機、蘋果電腦和其他系統。嵌入式的PowerPC 405（主頻最高為266MHz）和PowerPC 440（主頻最高為550MHz）處理器內核可以用于各種SoC設計上，在電信、金融和其他許多行業具有廣泛的應用。2.3.2嵌入式微控制器嵌入式微控制器就是將整個計算機系統的主要硬件集成到一塊芯片中,芯片內部集成ROM/EPROM,RAM,總線,總線邏輯,定時/計數器,Watchdog,I/O,串行口等各種必要功能和外設.其特點為:n一個系列的微控制器具有多種衍生產品;n單片化,體積大

10、大減小,功耗和成本降低,可靠性提高;n是目前嵌入式工業的主流,約占嵌入式系統70%的份額;n多是8位和16位處理器n流行的嵌入式微控制器n通用系列:8051,MCS251,MCS-96/196/296n半通用系列:支持I2C,CAN BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列2.3.32.3.3嵌入式嵌入式DSPDSP嵌入式嵌入式DSPDSP處理器有兩個發展方向：處理器有兩個發展方向：是嵌入式DSP處理器和嵌入式處理器經 過單片化設計，片上增加豐富的外設成為具有高性能DSP功能的SoC； 是在通用微處理器、微控制器或SoC中增加DSP協處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的Tr

11、iCore。2.3.4 嵌入式外圍接口電路和設備接口 根據外圍設備的功能可分為以下根據外圍設備的功能可分為以下5類類 存儲器類型通信接口輸入輸出設備 設備擴展接口 電源及輔助設備 存儲器類型：存儲器類型：n存儲器是嵌入式系統中存儲數據和程序的功能部件，目前常見的存儲設備按使用的存儲器類型分為：n 靜態易失型存儲器（RAM，SRAM）；n 動態存儲器（DRAM）；n 非易失性存儲器ROM（ROMEPROM，EEPROM，FLASH）；n 硬盤、軟盤、CDROM等。 通信接口通信接口 目前存在的所有計算機通信接口在嵌入式領域中都有其廣泛的應用，應用最為廣泛的接口設備包括 RS-232接口（串口UA

12、RT） USB接口（通用串行總線接口） IrDA（Infra Red Data Association紅外線接口）、 SPI（串行外圍設備接口）、 I2C、CAN總線接口、 藍牙接口（Bluetooth） Ethernet（以太網接口）、 IEEE1394接口和通用可編程接口GPIO。 輸入輸出設備輸入輸出設備 CRT、LCD和觸摸屏等，構成了嵌入式系 統中重要的信息輸入輸出設備，應用廣泛。 觸摸屏可以方便的實現鼠標和鍵盤功能。 設備擴展接口設備擴展接口 簡單的嵌入式系統如具有簡單的記事本、備忘錄以及日程計劃等功能的PDA，它所需要存儲的數據量并不需要很大的內存。由于目前的嵌入式系統功能越來越

13、復雜，需要大容量內存，大的內存使得系統成本和體積加大。目前一些高端的嵌入式系統都會預留可擴展存儲設備接口，為日后用戶有特別需求時，可購買符合擴展接口規格的裝置直接接入系統使用。 常用的擴展卡還有各種CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系統都留有一定的擴展卡接口。 電源及輔助設備電源及輔助設備 嵌人式系統力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長，例如移動電話或PDA，體積較大或者過重的機型已經被淘汰。目前發展的目標是體積小、易攜帶和外觀設計新穎等。在便攜式嵌入式系統的應用中，必須特別關注電源裝置等輔助設備。 2.4嵌入式操作系統嵌入式操作系統是嵌入式應用軟件的基礎和開發平

14、臺.嵌入式系統的出現,解決了嵌入式軟件開發標準化的難題.嵌入式系統具有操作系統的最基本的功能:n進程調度n內存管理n設備管理n文件管理n操作系統接口(API調用)嵌入式操作系統具有的特點:n系統可裁減,可配置.n系統具備網絡支持功能n系統具有一定的實時性2.4.1嵌入式操作系統的分類n按照對實時系統的定義,嵌入式系統可分為實時嵌入式系統與非實時嵌入式系統:n實時系統的定義：能夠對外部事件做出及時響應的系統。響應時間要有保證。n對外部事件的響應包括n事件發生時要識別出來n在給定時間約束內必須輸出結果實時操作系統:VxWorks，WinCE，QNX,Nucleus非實時操作系統:嵌入式Linux2

15、.4.2嵌入式實時操作系統的特點n實時系統必須產生正確的結果n實時系統的響應必須在預定的周期內完成n這兩點同樣重要n實時系統是具有確定性的。在這些實時系統中，響應時間決定事件是有界的。一個確定的實時系統意味著系統的每個部件都必須具有確定的行為，使得整個系統是確定性的。2.5幾種主流的嵌入式操作系統nVxworks: 美國WindRiver公司于1983年開發，具有可靠、實時、可裁減特性。nWindows Embedded:支持具有豐富應用程序和服務的32位嵌入式系統。主要系列：Windows CE3.0, Windows NT Embedded 4.0和帶有Server Appliance K

16、it的Windows 2000nPalm OS: Com公司產品，在PDA市場占據很大份額，具有開放的操作系統應用程序接口(API)，可讓用戶靈活方便地定制操作系統。n嵌入式Linux：近兩年來，Linux在嵌入式領域異軍突起，他的獨特性，使其作為開發嵌入式產品的操作系統具備巨大的潛力。Linux具有一些獨特的優勢：層次結構及內核完全開放；強大的網絡支持功能；具備一整套工具鏈；廣泛的硬件支持特性。2.6嵌入式系統軟件的層次結構嵌入式系統軟件的層次結構n如當設計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統，但是當設計較復雜的程序時，可能就需要一個操作系統（OS）來管理、控制內存、多任務、周邊資源等等

17、。依據系統所提供的程序界面來編寫應用程序，可以大大的減少應用程序員的負擔。n對于使用操作系統的嵌入式系統來說，嵌入式系統軟件結構一般包含四個層面：設備驅動層、實時操作系統（RTOS）、應用程序接口（API）層、實際應用程序層。有些資料將應用程序接口API歸屬于OS層，如圖1-1的上半部分所示的嵌入式系統的軟件結構，是按三層劃分的。由于硬件電路的可裁減性和嵌入式系統本身的特點，其軟件部分也是可裁減的。n對于功能簡單僅包括應用程序的嵌入式系統一般不使用操作系統，僅有應用程序和設備驅動程序。現代高性能嵌入式系統應用越來越廣泛，操作系統使用成為必然發展趨勢。本節主要講述的具有操作系統的嵌入式軟件層次。

18、嵌入式系統軟件的層次結構嵌入式系統軟件的層次結構具有操作系統的嵌入式軟件層次驅動層程序 實時操作系統（RTOS） 操作系統的應用程序接口（API） 應用程序 2.7啟動程序啟動程序BootLoader介紹介紹對于PC機，其開機后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（Basic Input /Output System）完成的，但對于嵌入式系統來說，出于經濟性、價格方面考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序。這就是所需要的開機程序，在嵌入式中稱為BootLoader程序。系統加電復位后，幾乎所有的 CPU都從由復位地址上取指令。因此在系統加電復位后，處理器將首

19、先執行 Boot Loader 程序。啟動程序啟動程序BootLoader介紹介紹BootLoader是系統加電后、操作系統內核或用戶應用程序運行之前，首先必須運行的一段程序代碼。通過這段程序,為最終調用操作系統內核、運行用戶應用程序準備好正確的環境。對于嵌入式系統來說，有的使用操作系統，也有的不使用操作系統，但在系統啟動時都必須運行BootLoader，為系統運行準備好軟硬件環境。系統啟動代碼完成基本軟硬件環境初始化后，對于有操作系統的情況下，啟動操作系統、啟動內存管理、任務調度、加載驅動程序等，最后執行應用程序或等待用戶命令；對于沒有操作系統的系統直接執行應用程序或等待用戶命令啟動程序啟動

20、程序BootLoader介紹介紹系統的啟動通常有兩種方式，一種是可以直接從Flash啟動，另一種是可以將壓縮的內存映像文件從Flash（為節省Flash資源、提高速度）中復制、解壓到RAM，再從RAM啟動。當電源打開時，一般的系統會去執行ROM（應用較多的是Flash）里面的啟動代碼。這些代碼是用匯編語言編寫的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必備硬件如內存、中斷控制器等。有時候用戶必須根據自己板子的硬件資源情況做適當的調整與修改。 主流bootloader介紹nU-bootnPPCbootnARMbootnBlobnRedboot3.嵌入式系統的開發方法1. 嵌入式系統的設計準則2. 嵌入式系統的設計流程3. 嵌入式系統的開發方法4. 嵌入式系統的開發模式5. 嵌入式系統的測試3.1嵌入式系統的設計準則嵌入式系統設計不同于桌面系統,它非常受制于功能和具體的應用環境。所以嵌入式系統的設計具有一些特殊的要求。嵌入式系統的設計要求:n并發處理,及時響應n接口方便,操作容易n穩定可靠,維護簡便n功耗管理,降低成本n功能實用,便于升級3.2