嵌入式系統及應用山東理工大學計算機學院李業德教授2014.10.13主要內容什么是嵌入式系統嵌入式系統的歷史與現狀嵌入式系統的發展及應用領域嵌入式系統的特征嵌入式系統的硬件組成嵌入式系統的軟件系統1．嵌入式系統的基本定義IEEE定義根據IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義：

嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定義是從應用上考慮的，嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。Embeddedsystem個人電腦≠嵌入式系統簡單的講，嵌入式系統是指操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中。廣義的講，可以認為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可以稱為嵌入式系統微機學會的定義

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、片級系統級：各種類型的工控器、PC104模塊板級：各種類型的帶CPU的主板及OEM產品片級：各種以單片機、DSP、微處理器為核心的產品《單片機與嵌入式系統應用》定義

嵌入式系統是嵌入到對象體系內部的專用計算機系統嵌入式系統本身是一個相對模糊的定義。實際上，嵌入式系統本身是一個外延極廣的名詞，凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫嵌入式系統，而且有時很難以給它下一個準確的定義。現在人們講嵌入式系統時，某種程度上指具有操作系統的嵌入式系統。目前嵌入式系統已經滲透到我們生活中的每個角落，工業、服務業、消費電子……，而恰恰由于這種范圍的擴大，使得“嵌入式系統”更加難于明確定義。通用定義

“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。”2．嵌入式系統的歷史與現狀嵌入式系統的發展歷史

雖然嵌入式系統是近幾年才風靡起來的，但是這個概念并非新近才出現。從20世紀七十年代單片機的出現到今天的嵌入式微處理器，微控制器的大規模應用，嵌入式系統已經有了近30年的發展歷史。作為一個系統，往往是在硬件和軟件交替發展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩定和成熟，嵌入式系統也不例外。嵌入式系統的出現最初是基于單片機的。使得汽車、家電、工業機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用８位的芯片，執行一些單線程的程序，還談不上“系統”的概念。最早的單片機是Intel公司的8048。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產品中有著非常廣泛的應用。發展現狀

隨著信息化，智能化，網絡化的發展，嵌入式系統技術也將獲得廣闊的發展空間。美國著名未來學家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能（電腦)工具將是PC和因特網之后最偉大的發明。進入20世紀90年代，嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向。歐洲的DVB（數字電視廣播）技術已在全球大多數國家推廣。數字音頻廣播（DAB）也已進入商品化試播階段。目前對于企業專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，這種小型手持嵌入式系統將發揮巨大的作用。ATM機，自動售貨機，工業控制等專用設備，移動通訊設備、GPS、嵌入式系統同樣可以發揮巨大的作用。近期的ADSL產品，結合網絡，控制，信息，這種智能化，網絡化將是家電發展的新趨勢。

硬件方面：不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學習和研發的各種配套開發包。目前低層系統和硬件平臺經過若干年的研究，已經相對比較成熟，實現各種功能的芯片應有盡有。而且巨大的市場需求給我們提供了學習研發的資金和技術力量。

軟件方面講：也有相當部分的成熟軟件系統。同時由于是研究熱點，所以我們可以在網上找到各種各樣的免費資源，從各大廠商的開發文檔，到各種驅動，程序源代碼，甚至很多廠商還提供微處理器的樣片。這對于我們從事這方面的研發，無疑是個資源寶庫。今天嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統大會(EmbeddedSystemConference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。福特公司的高級經理也曾宣稱，“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的規模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統大會上，基于RTOS的EmbeddedInternet成為一個技術新熱點。

由此可見，嵌入式系統技術發展的空間真是無比廣大。

3．嵌入式系統的發展及應用領域嵌入式技術是后PC時代的技術春天

事實上，嵌入式技術無處不在,計算機技術也開始進入一個被稱為后PC技術的春天，美國正在啟動一項計劃，網絡無線介入平臺。我們不僅擁有那種放在桌上處理文檔、進行工作管理和生產控制的計算機“機器”，而且一個普通人也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術的電子產品：MP3、PDA、手機、智能玩具等；電子病歷，德國血壓儀，無線收費超市,RF物流，網絡家電等；智能車載電子設備，安全監控、GPS、倒車雷達等。高級酒店，電話、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL、KEY、無線集成；在工業和服務領域中，大量嵌入式技術也已經應用于工業控制、數控機床、智能工具、工業機器人、服務機器人等各個行業，正在逐漸改變著傳統的工業生產和服務方式。飛機的電子設備，巴黎、東京、漢城等城市地鐵買票系統。嵌入式系統的應用領域一些典型的嵌入式系統應用實例嵌入式系統的應用家用方面：數字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設備的核心。家庭智能管理系統社區建筑的水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，遠程點菜器等。

社會發展方面：嵌入式Internet應用嵌入式應用——汽車電子汽車電子產品（18個嵌入式控制模塊）——CAN總線網絡ECM:enginecontrolmodule的縮寫TCM:transmissioncontrolmodule的縮寫(汽車變速箱系統控制模塊的簡稱)ETM:自動跟蹤變速箱SAS:汽車安全預警系統ABC車身主動控制系統DD缸內直噴式柴油發動機

DSC車身穩定控制系統SDi自然吸氣式超柴油發動機

VSC車身穩定控制系統TA-Turbo（渦輪增壓）

TRC牽引力控制系統NOS氧化氮氣增壓系統

TCS牽引力控制系統MA機械增壓

ABS防抱死制動系統FF前輪驅動

ASR加速防滑系統FR后輪驅動

LCD限滑差速器Ap恒時全輪驅動

BAS制動輔助系統Az接通式全輪驅動DCS車身動態控制系統ASM動態穩定系統

EBA緊急制動輔助系統AYC主動偏行系統

EBD電子制動力分配系統ST無級自動變速器

EDS電子差速鎖AS轉向臂

ESP電子穩定程序系統QL橫向擺臂

HBA液壓剎車輔助系統DQL雙橫向擺臂

HDC坡道控制系統LL縱向擺臂

HAC坡道起車控制系統SL斜置擺臂

DAC下坡行車輔助控制系統ML多導向軸

A-TRC車身主動循跡控制系統SA整體式車橋

SRS雙安全氣囊DD德迪戎式獨立懸架后橋

SAHR主動性頭枕VL復合穩定桿式懸架后橋

GPS車載衛星定位導航系統FB彈性支柱

i-Drive智能集成化操作系統DB減震器支柱智能玩具與機器人嵌入式技術應用——工業控制

工業方面：機床、冶金、電子、交通、航空航天等行業技術升級的重要基礎；軍事偵察反恐防暴2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發生槍擊事件，造成至少7人死亡，數十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體空中飛行器微型飛行器---“黑寡婦”嵌入式系統與機器人技術圖:卡耐基梅隆大學和瑞士EPFL研制的機器人控制器（采用卡西歐PDA和WindowsCE）基于WinCE的移動機器人平臺

基于RTLinux的仿人機器人基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號”再次登陸火星4.嵌入式系統的幾個重要特征（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的，系統資源相對有限，所以內核較之傳統的操作系統要小得多。 比如ENEA公司的OSE分布式系統，內核只有5K，而Windows的內核則要大得多。嵌入式系統的幾個重要特征（２）專用性強

嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的移植。 即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。 同時針對不同的任務，往往需要對系統進行較大更改，程序的編譯下載要和系統相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。嵌入式系統的幾個重要特征（３）系統精簡

嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于控制系統成本，同時也利于實現系統安全。嵌入式系統的幾個重要特征（４）高實時性OS

這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性、實時性。嵌入式系統的幾個重要特征（5）嵌入式軟件開發走向標準化

嵌入式系統的應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行。 為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。嵌入式系統的幾個重要特征（6）嵌入式系統需要開發工具和環境 由于其本身不具備自主開發能力，即使設計完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發工具和環境才能進行開發。 這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發，目標機作為最后的執行機，開發時需要交替結合進行。嵌入式系統的幾個重要特點

應用的特定性和廣泛性技術、知識的密集性高效性較長的生命周期高可靠性軟硬一體，軟件為主無自舉開發能力5.嵌入式系統的架構馮·諾依曼體系結構模型哈佛體系結構CISC與RISC的數據通道CISC與RISC的對比CISC和RISCCISC：復雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令確保數據通道快速執行每一條指令使CPU硬件結構設計變得更為簡單從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。其中從單片機、DSP、FPGA到ARM有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。

6.嵌入式系統的分類嵌入式處理器

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度。具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷。可擴展的處理器結構，以能最迅速地開發出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。嵌入式微處理器分類（1）嵌入式微控制器（CPU）嵌入式微控制器的典型代表是單片機，這種８位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設。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。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。嵌入式微處理器分類（2）嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。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用。DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。目前最為廣泛應用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。嵌入式微處理器分類（3）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，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嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微處理器分類（4）嵌入式片上系統(SystemOnChip)SoC就是SystemonChip，SoC嵌入式系統微處理器就是一種電路系統。它結合了許多功能區塊，將功能做在一個芯片上，像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是通用串行端口（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。新的發展方向：SOC基于軟件系統的分類從軟件方面劃分，主要可以依據操作系統的類型。目前嵌入式系統的軟件主要有兩大類：實時系統和分時系統。其中實時系統又分為兩類：硬實時系統和軟實時系統。實時嵌入系統是為執行特定功能而設計的，可以嚴格的按時序執行功能。其最大的特征就是程序的執行具有確定性。在實時系統中，如果系統在指定的時間內未能實現某個確定的任務，會導致系統的全面失敗，則系統被稱為硬實時系統。而在軟實時系統中，雖然響應時間同樣重要，但是超時卻不會導致致命錯誤。一個硬實時系統往往在硬件上需要添加專門用于時間和優先級管理的控制芯片，而軟實時系統則主要在軟件方面通過編程實現時限的管理。比如WindowsCE就是一個多任務分時系統，而Ucos-II則是典型的實時操作系統。7.嵌入式系統與單片機、PC相比的優勢

性能方面：采用32位RISC結構微處理器，主頻從30MHz到200MHz以上，處理能力大大超出單片機系統，接近PC機的水平，但體積更小，能夠真正地“嵌入”到設備中；

實性性方面：嵌入式機控制器內嵌實時操作系統（RTOS），能夠完全保證控制系統的強實時性；

人機交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，提供功能強大的圖形用戶界面，這方面與PC機相比毫不遜色；

系統升級方面：嵌入式控制器可為控制系統專門設計，其功能專一，成本較低，而且開放的用戶程序接口（API）保證了系統能夠快速升級和更新。嵌入式系統與單片機、PC機的區別

嵌入式系統≠單片機系統 目前嵌入式系統的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設計和基于實時操作系統（RTOS）的軟件設計 單片機系統多為4位、8位、16位機，不適合運行操作系統，難以進行復雜的運算及處理功能嵌入式系統強調基于平臺的設計、軟硬件協同設計，單片機大多采用軟硬件流水設計 嵌入式系統設計的核心是軟件設計（占70%左右的工作量），單片機系統軟硬件設計所占比例基本相同嵌入式系統與單片機、PC機的區別嵌入式系統≠PC機嵌入式系統一般是專用系統，而PC是通用計算平臺嵌入式系統的資源比PC少得多嵌入式系統軟件故障帶來的后果比PC機大得多嵌入式系統一般采用實時操作系統嵌入式系統大都有成本、功耗的要求嵌入式系統得到多種微處理體系的支持嵌入式系統需要專用的開發工具8.嵌入式系統組成一個嵌入式系統裝置一般都由嵌入式計算機系統和執行裝置組成。嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統發出的控制命令，執行所規定的操作或任務。執行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的震動電機；也可以很復雜，如SONY智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器。嵌入式系統的基本框架嵌入式系統的軟/硬件框架嵌入式系統組成-硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。

（1）嵌入式微處理器

嵌入式系統硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結構；指令系統可以選用精簡指令系統（ReducedInstructionSetComputer，RISC）和復雜指令系統CISC（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數據通道快速執行每一條指令，從而提高了執行效率并使CPU硬件結構設計變得更為簡單。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數據總線寬度，或集成了不同的外設和接口。據不完全統計，目前全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導市場，僅以32位的產品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據具體的應用而決定的。（2）存儲器

嵌入式系統需要存儲器來存放和執行代碼。嵌入式系統的存儲器包含：Cache主存輔助存儲器。

Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數據。在需要進行數據讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數據，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統的性能，提高了微處理器和主存之間的數據傳輸速率。Cache的主要目標就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。在嵌入式系統中Cache全部集成在嵌入式微處理器內，可分為數據Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統和用戶的程序及數據。它可以位于微處理器的內部或外部，其容量為256KB-1GB，根據具體的應用而定，一般片內存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。

常用作主存的存儲器有：

ROM類：NORFlash、EPROM和PROM等。RAM類：SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NORFlash憑借其可擦寫次數多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數據量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統中常用的外存有：硬盤、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。NORFlash的特點是芯片內執行（XIP，eXecuteInPlace），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。Nand-flash內存其內部采用非線性宏單元模式，為固態大容量內存的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用于大量數據的存儲

（3）通用設備接口和I/O接口

嵌入式系統和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備的或傳感器的連接來實現微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內置芯片中。外設的種類很多，可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的802.11無線設備。目前嵌入式系統中常用的通用設備接口有A/D（模/數轉換接口）、D/A（數/模轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。嵌入式系統組成-中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級支持包（BoardSupportPackage，BSP），它將系統上層軟件與底層硬件分離開來，使系統的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發人員無需關心底層硬件的具體情況，根據BSP層提供的接口即可進行開發。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。

硬件相關性：因為嵌入式實時系統的硬件環境具有應用相關性，而作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統相關性：不同的操作系統具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統具有特定的硬件接口形式。實際上，BSP是一個介于操作系統和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統中大部分與硬件聯系緊密的軟件模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統的硬件初始化以及BSP功能，設計硬件相關的設備驅動。

（1）嵌入式系統硬件初始化-BIOS

系統初始化過程可以分為3個主要環節，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統級初始化。片級初始化：完成嵌入式微處理器的初始化，包括設置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。板級初始化：完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設備的初始化。另外，還需設置某些軟件的數據結構和參數，為隨后的系統級初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環境。系統初始化：該初始化過程以軟件初始化為主，主要進行操作系統的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權轉交給嵌入式操作系統，由操作系統完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關的設備驅動程序，建立系統內存區，加載并初始化其他系統軟件模塊，如網絡系統、文件系統等。最后，操作系統創建應用程序環境，并將控制權交給應用程序的入口。（2）硬件相關的設備驅動程序

BSP的另一個主要功能是硬件相關的設備驅動。硬件相關的設備驅動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。盡管BSP中包含硬件相關的設備驅動程序，但是這些設備驅動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統初始化過程中由BSP將他們與操作系統中通用的設備驅動程序關聯起來，并在隨后的應用中由通用的設備驅動程序調用，實現對硬件設備的操作。與硬件相關的驅動程序是BSP設計與開發中另一個非常關鍵的環節。

嵌入式系統組成-系統軟件層系統軟件層由實時多任務操作系統（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系統、圖形用戶接口（GraphicUserInterface，GUI）、網絡系統及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。

RTOS是32位嵌入式CPU的軟件基礎RTOS內核提供CPU的管理硬件初時化，MMU，定時器，中斷RTOS內核提供任務，內存管理RTOS提供設備管理，文件和網絡的支持RTOS提供C/C++，JAVA，圖形模塊等編程接口常見的嵌入式操作系統實時嵌入式操作系統的種類繁多，大體上可分為兩種，商用型和免費型。商用型的實操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢，目前主要有Linux和μC/OS，穩定性與服務性存在挑戰。

9.常見的嵌入式操作系統

WindowsCE

WindowsCE：一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設備的模塊化實時嵌入式操作系統。針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統平臺，WindowsCE嵌入但不夠實時，屬于軟實時操作系統，由于其Windows背景，界面比較統一認可。

常見的嵌入式操作系統

QNX---加拿大QNX公司的產品

QNX是一個實時的、可擴充的操作系統，它部分遵循POSIX相關標準，由于QNX具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設備（手掌電腦、手機）、GPS設備的實時操作系統使用。嵌入式Linux

Linux是開放源碼的，內核小、功能強大、運行穩定、系統健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數十種CPU芯片。嵌入式Linux及應用

嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節或幾兆字節的存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統。嵌入式Linux的開發和研究是目前操作系統領域的一個熱點。主要有RTLinux和μCLinux

Linux在嵌入式領域異軍突起不過是近幾年的事情，在未來可能會大量使用Linux作為嵌入式操作系統的開發原型。μC/OS及μC/OS-II

μC/OS——MicroControllerOS，微控制器操作系統, 應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音響設備、發動機控制、高速公路電話系統、自動提款機等. 1998年μC/OS-II，目前的版本μC/OS-IIV2.61，2.72. 2000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器中.Android系統Android，中文稱安卓，是一個以Linux為基礎的半開放原始碼作業系統，主要用于移動設備，由Google成立的OpenHandsetAlliance（OHA，開放手持設備聯盟）持續領導與開發中。Android系統最初由安迪·魯賓（AndyRubin）開發制作，并于2005年8月被Google收購。2007年11月，Google與84家硬件制造商、軟件開發商及電信營運商成立OHA來共同研發改良Android系統。隨后，Google以Apache免費開源許可證的授權方式，發布了Android的源代碼。5.0版本

Android分為四個層，從高層到低層分別是應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫層和Linux內核層。Android平臺優勢

1.開放性：在優勢方面，Android平臺首先就是其開發性，開發的平臺允許任何移動終端廠商加入到Android聯盟中來。2.豐富的硬件：由于Android的開放性，眾多的廠商會推出千奇百怪，功能特色各具的多種產品。功能上的差異和特色，卻不會影響到數據同步、甚至軟件的兼容，如同從諾基亞Symbian風格手機一下改用蘋果iPhone，同時還可將Symbian中優秀的軟件帶到iPhone上使用、聯系人等資料更是可以方便地轉移。3.方便開發：Android平臺提供給第三方開發商一個十分寬泛、自由的環境，不會受到各種條條框框的阻擾，可想而知，會有多少新穎別致的軟件會誕生。但也有其兩面性，血腥、暴力、情色方面的程序和游戲如何控制正是留給Android難題之一

蘋果iOS系統蘋果iOS是由蘋果公司開發的手持設備操作系統。蘋果公司最早于2007年1月9日的Macworld大會上公布這個系統，最初是設計給iPhone使用的，后來陸續套用到iPodtouch、iPad以及AppleTV等蘋果產品上。iOS與蘋果的MacOSX操作系統一樣，它也是以Darwin為基礎的，因此同樣屬于類Unix的商業操作系統。原本這個系統名為iPhoneOS，直到2010年6月7日WWDC大會上宣布改名為iOS。截止至2011年11月，根據Canalys的數據顯示，iOS已經占據了全球智能手機系統市場份額的30%，在美國的市場占有率為43%。目前最新為6.12版本。系統結構

iOS的系統結構分為以下四個層次：

核心操作系統（theCoreOSlayer）；核心服務層（theCoreServiceslayer）；媒體層（theMedialayer）；Cocoa觸摸框架層（theCocoaTouchlayer）。

10.嵌入式系統的發展趨勢（1）．嵌入式開發是一項系統工程，因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身，同時還需要提供強大的硬件開發工具和軟件包支持。（2）．網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。（3）．網絡互聯成為必然趨勢

未來的嵌入式設備為了適應網絡發展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。傳統的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支持TCP／IP協議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統系統內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。（4）．精簡系統內核、算法，降低功耗和軟硬件成本

未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發展先進嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。（5）．提供友好的多媒體人機界面

嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。11.嵌入式系統的學習市場需求－中國具有世界最大嵌入式技術市場，將成為世界第一，手持儀器設備、信息家電、城市建設、工業控制、軍事應用，……，嵌入式技術無處不在。企業人才需求－軟硬件設計人才，應用開發人才，綜合性人才，……技術發展趨勢要求－8位、16位、32位，實時操作系統目前國內外這方面的人都很稀缺

與企業計算等應用軟件不同，嵌入式領域人才的工作強度通常低一些（但收入不低）

目前嵌入式人才培養模式當前嵌入式系統學習模式嵌入式系統課程體系常見嵌入式處理器

嵌入式處理器是面向應用、面向用戶的嵌入式系統的核心，由于面向應用、面向行業的特點，針對不同應用和不同半導體工藝，目前各類嵌入式處理器的變種計有1000余種，大致可分為：·嵌入式微處理器：ARM,PowerPC,68000,MIPS,386EX；·嵌入式微控制器：8051,MC68HC05,MC68HC11,68300,Am186,TMS320C2X；·嵌入式DSP處理器：TMS320系列,DSP56000系列；·嵌入式SOC（片上系統）：OMAP,M-Core；

2014年最新的手機處理器性能排名

NO.1-NO.10

蘋果A8四核2.0ghz（iPhone6、iPad6）等

高通805（8084）四核2.5ghz（諾基亞Lumia1820、三星S6）等

高通801（8974AC）四核2.5ghz（三星S5）等

高通800（8974AB）四核2.2ghz（諾基亞Lumia1520、三星S4）等

獵戶座5420八核1.8ghz（三星S4、三星noto3）等

英偉達tegra4四核1.8ghz（HTCOnex）等

蘋果A7雙核1.3ghz（iPhone5S、iPadAir）等

獵戶座5410八核1.6ghz（三星S4）等

高通615（8936）八核1.7ghz（三星S6）等

聯發科6592turbo八核2.0ghz（華為3X）等

高通600（8064T）四核1.7ghz。（小米2S）等

ARM公司和ARM處理器1）ARM是一個CPU內核。ARM公司自己并不生產或銷售芯片，它采用技術授權模式，通過出售芯片技術授權，收取授權費和技術轉讓費。2）基于ARM內核的處理器是目前消費類電子市場中占有量第一的處理器，尤其是手機行業。3）ARM是“AdvancedRISCMachine” 的縮寫，最早的ARM處理器誕生于80年代的英國。ARM處理器的特點RISC指令集Load/Store體系結構固定的32位指令大多數指令單周期完成Thumb\DSP\jazeller功能擴展低功耗ARM11FamilyCache內存管理流水線級ThumbDSPJazelle浮點運算ARM1136J-S4-64kMMU8有有有無ARM1136JF-S4-64kMMU8有有有有ARM1156T2-S可配置9Thumb-2有無無ARM1156T2F-S可配置9Thumb-2有無有注：Thumb是ARM體系結構中一種16位的指令集

Jazelle是ARM體系結構的一種相關技術，用于在處理器指令層次對JAVA加速MMU是MemoryManagementUnit的縮寫，中文名是內存管理單元，它是中央處理器(CPU)中用來管理虛擬存儲器、物理存儲器的控制線路，同時也負責虛擬地址

主流的CPU架構

目前主流的還是基于ARM11,CortexA8和CortexA9的處理器。下面簡單介紹一些這幾個架構。ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構——ARMv6的第一代設計實現，該處理器相對而言處于中低端。ARM公司在經典處理器ARM11以后的產品改用Cortex命名，Cortex系列屬于ARMv7架構，這是ARM公司最新的指令集架構。ARM系列目前最新最先進的指令集，對應的就是ARMCortex-A8/A9系列（A9應該算是改進型ARMV7指令集）。相比較：Cortex-A8：指令集ARMv7-A，13級整數流水線，超標量雙發射，2.0DMIPS/MHz，標配Neon，不支持多核Cortex-A9：指令集ARMv7-A，8級整數流水線，超標量雙發射，亂序執行，2.5DMIPS/MHz，可選配Neon/VFPv3，支持多核主流的智能手機CPU

德州儀器（TI）德州儀器

(TI)?公司的開放式多媒體應用平臺OMAP(OpenMultimediaApplicationPlatform)是一種為滿足移動多媒體信息處理及無線通信應用開發出來的高性能、高集成度嵌入式處理器。目前市場上手機主要有德州儀器的OMAP3XXX、OMAP4XXX和OMAP5XXX三個系列型號工藝頻率CPUDSPGPUIVA?分辨率OMAP341065nm600MHzARMCortex-A8TMS320C64x無IVA2QVGAOMAP342065nm600MHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2VGAOMAP343065nm600MHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2+XGAOMAP344065nm800MHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2+XGAOMAP361045nm720MHzARMCortex-A8TMS320C64x無IVA2XGA/WXGAOMAP362045nm720MHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2XGA/WXGAOMAP363045nm720MHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2+XGA/WXGAOMAP364045nm1.0GHzARMCortex-A8TMS320C64xPowerVRSGX530IVA2+XGA/WXGA摩托羅拉DroidX、Droid2/里程碑2、Defy/ME525、Defy+，ARCHOS7，諾基亞N9等處理器型號制造工藝最大頻率CPUGPU視頻性能(3D)OMAP443045nm1.0GHzDual-CoreARMCortex-A9PowerVRSGX540@304MHz720p立體3DOMAP446045nm1.5GHzDual-CoreARMCortex-A9PowerVRSGX540@384MHz1080p立體3DOMAP447045nm1.8GHzDual-CoreARMCortex-A9PowerVRSGX544@384MHz1080p立體3DOMAP4460的代表產品有摩托羅拉

DroidRAZR，GALAXYNexus，華為AscendP1S，夏普Aquos104SH，智器T20等處理器型號制造工藝最大頻率CPUGPU內存支持OMAP543028nm2.0GHz雙核ARMCortex-A15MPPOWERVR?SGX544-MPx2xLPDDR2OMAP543228nm2.0GHz雙核ARMCortex-A15MPPOWERVR?SGX544-MPx2xDDR3/DDR3L高通美國高通公司以其CDMA（碼分多址）數字技術為基礎，開發并提供富于創意的數字無線通信產品和服務。Snapdragon（中文品牌驍龍）是高通公司推出的面向移動市場的高度集成化的處理器系列平臺，覆蓋高中低各層次終端產品，全球大多數知名移動終端廠商都是“驍龍”的客戶,目前市場上常見的手機CPU有高通驍龍S1、S2、S3和S4的四個系列。處理器型號工藝CPUGPUModemDSPMSM8960Pro28nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno320WorldModeHexagonQDSP6500MHzAPQ806428nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno320NoModemHexagonQDSP6500MHzMPQ806428nm1.5GHzQuadKraitAdreno225NoModemHexagonQDSP6500MHzMSM896028nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno225WorldModeHexagonQDSP6500MHzMSM8660A28nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno225CMDA/UMTSHexagonQDSP6500MHzMSM8260A28nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno225UMTSHexagonQDSP6500MHzAPQ8060A28nm1.5~1.7GHzDualKraitAdreno225NoModemHexagonQDSP6500MHzMSM893028nm1.2GHzDualKraitAdreno305WorldModeHexagonQDSP6500MHzMSM863028nm1.2GHzDualKraitAdreno305CDMA/UMTSHexagonQDSP6500MHzMSM823028nm1.2GHzDualKraitAdreno305UMTSHexagonQDSP6500MHzAPQ803028nm1.2GHzDualKraitAdreno305NoModemHexagonQDSP6500MHzMSM862728nm1GHzDualKraitAdreno305CDMA/UMTSHexagonQDSP6500MHzMSM822728nm1GHzDualKraitAdreno305UMTSHexagonQDSP6500MHzMSM86251GHzDualARMCortex-A5Adreno203CDMA/UMTSHexagonQDSP5350MHzMSM82251GHzDualARMCortex-A5Adreno203UMTSHexagonQDSP5350MHz使用SnapdragonS4處理器的代表產品有索尼LT29i，HTCOneS等三星Exynos2011年2月，三星電子正式將自家基于ARM構架處理器品牌命名為Exynos三星其實很久以前就開始為自家的設備研發處理器，一些芯片也用在其它品牌的設備上，例如蘋果前三代iPhone。

代表產品有三星GalaxyTab7.7、Galaxy