嵌入式系統嵌入式系統的概述嵌入式系統的硬件架構嵌入式系統的軟件基礎嵌入式系統的應用主要內容1.1嵌入式系統的過去、現在與將來1.2嵌入式系統的基本概念1.嵌入式系統的概述嵌入式系統的發展已經有30年的歷史；在微型機出現之后，由于其廉價、小型、可靠性高而受到了人們的關注；基于微型機的艦船自動駕駛儀、輪機狀態監測系統等等，就是嵌入式系統的最初形式；嵌入式系統最初的發展與通用計算機的發展緊密聯系；1.1嵌入式系統的過去、現在和將來單片機的出現使得嵌入式系統的發展走上了獨立的道路，成為計算機應用領域的一個獨立分支－專用計算機系統。經過多次“蛻變”，嵌入式系統終于修成正果，可以稱得上是“如日中天”；嵌入式系統的身影遍及金融、電信、網絡、信息家電、醫療、工業生產、服務、消費電子、家居生活、國防軍事、航空航天等各個領域...1.1

嵌入式系統的過去、現在和將來技術角度SOC將是嵌入式系統發展的一個歸宿；產品細分，會有功能、性能更強大的產品出現；8/16位的所謂“低端產品”也不會就此消失；應用領域嵌入式系統將會覆蓋各個電子應用領域；經濟角度嵌入式系統是后PC時代的主角，掌握其核心技術將受益無窮。1.1

嵌入式系統的過去、現在和將來嵌入式系統到底是指什么？嵌入式系統與“ARM”、“DSP”、“單片機”等名詞之間有何聯系？嵌入式系統是IEEE“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.

1.2嵌入式系統的基本概念一般定義：嵌入式系統是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件綜合體，即以應用為中心、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。

簡言之，嵌入式系統就是嵌入到對象體中的一種專用計算機系統。1.2嵌入式系統的基本概念

三要素：嵌入性嵌入到對象體系中，面向用戶、面向產品、面向應用計算機系統實現對象的智能化功能專用性根據應用需求幾KB到幾十KB的微內核1.2嵌入式系統的基本概念

物聯網決定嵌入式的發展趨勢：多功能、低功耗和微型化智能灰塵網絡化數據連續、動態、非連續化1.2嵌入式系統的基本概念系統內核小：應用于小型電子裝置，系統資源有限，內核較傳統的操作系統要小的多。專用性強：軟、硬件按對象要求裁剪，兩者結合緊密；軟件的編譯下載與系統相結合；通用、升級的概念一般不適用；系統精簡：

沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分；1.3嵌入式系統的特點高實時性的系統軟件

固態存儲，要求高質量和高可靠性多任務的操作系統

可以沒有操作系統；合理調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口；實時性、可靠性、并減少開發時間；1.3嵌入式系統的特點6、嵌入式系統開發需要開發工具和環境用戶對其中程序功能進行修改需要一套開發工具和環境；開發工具一般基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種輔助儀器；交互式開發：主機：用于程序的開發；目標機：最后的執行機；仿真編程器。1.3嵌入式系統的特點1.4嵌入式系統的組成：1、硬件層1）嵌入式微處理器。是嵌入式系統硬件層的核心。它與通用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CPU組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.諾伊曼體系或哈佛體系結構；指令系統可以選用精簡指令系統（RISC）或復雜指令系統（CISC）馮－諾依曼體系結構與哈佛體系結構補充內容：相關基本知識馮－諾依曼體系結構特點：數據和指令都存儲在同一存儲器中。通用PC。哈佛體系結構特點：數據存儲器和程序都存儲分開；數據存儲器的帶寬較寬；DSP、ARM9

嵌入式系統與ARM的關系是什么？

ARM指什么？

ARM＝AdvancedRISCMachinesLtd.ARM＝ARM技術

ARM＝ARM微處理器內核

ARM≠嵌入式系統

ARM是一種目前應用最為廣泛的嵌入式微處理器核。嵌入式系統與ARM根據嵌入式微處理器的配置情況，可以分為：嵌入式微處理器（EMPU）微控制器（MCU）數字信號處理器（DSP）片上系統（SOC）嵌入式處理器的分類來自于通用處理器，核心只保留了與嵌入式應用有關的功能，并在功耗、功能配置、封裝形式、可靠性等方面進行改進；優點：體積小、功耗低、成本低、可靠性高；缺點：片內周片電路不足，必須配備ROM，RAM，總線接口，各種外設接口等；代表：AM186/88、386EX、PowerPC、某些ARM嵌入式微處理器(EMPU)即單片機，以某種微處理器為核心，芯片內集成了ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時/計數器、I/O、串行口等各種必要功能和外設接口，也可集成A/D、D/A轉換接口。優點：單片化、體積小、功耗和成本低、可靠性高；缺點：總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統就更難。代表：MCS51/96、S1C33、MSP430等。微控制器(MCU)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、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。優點：在信號處理方面有得天獨厚的優勢；缺點：DSP是運算密集處理器，一般用在快速執行算法，做控制比較困難；不適合運行操作系統，核心代碼使用匯編。代表：TMS320系列。數字信號處理器（DSP）SOC可分為通用和專用兩類通用：TriCore、M-core、某些ARM；專用：SmartXA（Philips）優點：可通過改變內部工作電壓，降低芯片功耗；減少了芯片的外管腳數，簡化了制造過程；減少了外圍驅動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快了微處理器的數據處理速度；增強了抗干擾能力。片上系統（SOC）2）存儲器包含高速緩沖存儲器（Cache)、主存、輔存。①Cache容量小、速度快。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。這樣提高了微處理器和主存之間的數據傳輸速率，改善了系統性能。在嵌入式系統中，Cache全部被集成在嵌入式微處理器內，可分為數據Cache、指令Cache和混合Cache。②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。③輔助存儲器

用來存放大數據量的程序代碼或信息，它容量大，但讀取速度與主存相比慢很多，可用來長期保存用戶的信息。

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。常用的通用接口有A/D、D/A、RS-232、Ethernet、USB等等。2、中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也成為硬件抽象層（HAL）或板級支持包(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。（1）BSP主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統及硬件驅動，具體功能包括：1.單板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個軟件系統提供底層硬件支持；2.為操作系統提供設備驅動程序和系統中斷服務程序；3.定制操作系統的功能，為軟件系統提供一個實時多任務的運行環境；4.初始化操作系統，為操作系統的正常運行做好準備。（2）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介于操作系統和底層硬件之間的軟件層次，它包括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，即嵌入式系統的硬件初始化以及設計與硬件相關的設備驅動程序。3、系統軟件層

系統軟件層由實時多任務操作系統（RTOS）、文件系統、圖形用戶接口（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。嵌入式系統的操作系統不是必須的；在復雜的應用領域使用操作系統可以簡化開發；操作系統提供了硬件設備的管理功能、用戶程序的接口功能；嵌入式操作系統所使用的技術，基本上是從臺式計算機操作系統下推而來的；由于應用的需要和硬件條件的限制，嵌入式操作系統一般都注重占用空間小和效率高等特點。3.1嵌入式操作系統概述

3.2國內外操作系統（1）國外著名實時操作系統。VxWorks、QNX、PalmOS、WindowsCE等，占據了機頂盒、PDA等絕大部分市場。（2）國內著名的實時操作系統中國自主研發的有DeltaOS(道系統)、HopenOS(女媧計劃)、EEOS、HBOS以及中科院北京軟件工程研究中心開發的CASSPDA等。嵌入式實時系統中主要有三個指標來衡量系統的性能：響應時間(ResponseTime)生存時間(SurvivalTime)吞吐量(Throughput)3.3嵌入式操作系統的指標WindowsCE是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是一個基于掌上型電腦類的電子設備的操作系統；WindowsCE是精簡的Windows95；整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統；它的模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定制；操作系統的基本內核需要至少200K的ROM。3.4嵌入式操作系統——WinCEWindowsCE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，并且在WindowsCE平臺上可以使用Windows95/98/2000上的編程工具、使用同樣的函數、使用同樣的界面風格，使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺上繼續使用；目前主要應用于PDA；缺點：耗系統資源、不穩定、效率不佳等等。3.4嵌入式操作系統——WinCELinux是一個類似于Unix的操作系統；它起源于芬蘭一個名為LinusTorvalds的業余愛好，現已是最流行的一款開放源代碼的操作系統；Linux從1991年問世到現在，已發展成為一個功能強大、設計完善的操作系統，伴隨網絡技術進步而發展起來的LinuxOS已成為Windows95/98的強勁對手。Linux系統不僅能運行于PC平臺，在嵌入式系統方面大放光芒，在各種嵌入式LinuxOS迅速發展，逐漸形成了可與WindowsCE等EOS進行抗衡的局面。3.5嵌入式操作系統——LinuxOS目前正在開發的嵌入式系統中，50%以上的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統；特點：開放原始碼、模塊化設計

Linux采用GPL授權，除了把原始碼公開以外，任何人都可以自由使用、修改、散布，而Linux核心本身采用模塊化設計，讓人很容易增減功能；精簡的內核，性能高、穩定，多任務；適用于不同的CPU，支持多種體系結構，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；3.5嵌入式操作系統——LinuxOSC/OS－MicroOS，是由美國人JeanLabrosse1992年完成；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C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.61；2000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器中。3.6嵌入式操作系統——uCOS公開源代碼可移植性絕大部分

C/OS-II的源碼是用移植性很強的ANSIC寫的。和微處理器硬件相關的那部分是用匯編語言寫的。

C/OS-II可以在絕大多數8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數字信號處理器（DSP）上運行；可固化

C/OS-II是為嵌入式應用而設計的，這就意味著，只要讀者有固化手段，

C/OS-II可以嵌入到產品中；3.6嵌入式操作系統——uCOS可裁剪:可以只使用很少幾個

C/OS-II調用，也可使用了幾乎所有

C/OS-II的功能，這樣可以減少產品中的

C/OS-II所需的存儲器空間（RAM和ROM）；占先式多任務:C/OS-II可以管理64個任務，應用程序最多可以有56個任務；可確定性:全部

C/OS-II的函數調用與服務的執行時間具有可確定性；嵌入式操作系統——uCOS任務棧：

C/OS-II允許每個任務有不同的棧空間，以便壓低應用程序對RAM的需求。中斷管理：