嵌入式系統工程與應用第三章嵌入式技術與嵌入式系統工程第一節嵌入式技術與嵌入式系統工程當我們滿懷憧憬與希望跨入二十一世紀大門的時候，計算機技術也開始進入一個被稱為后PC技術的時代。區別于PC機，我們將非PC的計算機應用系統稱之為嵌入式系統（Embeddedsystem）。

嵌入式技術與嵌入式系統工程圖3-1嵌入式系統應用舉例一、基于嵌入式技術產品的特點嵌入式技術與嵌入式系統工程一、基于嵌入式技術產品的特點嵌入式技術與嵌入式系統工程嵌入式系統可以稱為后PC時代和后網絡時代的新秀。與傳統的通用計算機，數字產品相比，利用嵌入式技術開發的產品有其自己的特點：（1）嵌入式系統通常是面向特定應用的。（2）嵌入式系統是將計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，是一門綜合技術學科。一、基于嵌入式技術產品的特點嵌入式技術與嵌入式系統工程（3）嵌入式系統是一個軟硬件高度結合的產物。（4）為適應嵌入式分布處理結構和應用上網需求，面向21世紀的嵌入式系統要求配備標準的一種或多種網絡通信接口。（5）因為嵌入式系統往往和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。（6）嵌入式系統是典型的計算機系統，更是計算機應用系統。二、嵌入式系統的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術與嵌入式系統工程二、嵌入式系統的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術與嵌入式系統工程嵌入式系統的組成軟硬兼施，互利互惠，融為一體，成為產品。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具備以下4個特點：二、嵌入式系統的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術與嵌入式系統工程1、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心的執行時間減少到最低限度。2、具有功能很強的存儲區保護功能。3、可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應的最高性能的嵌入式微處理器。4、嵌入式微處理器必須功耗很低二、嵌入式系統的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術與嵌入式系統工程早在80年代，國際上就有一些IT組織、公司，開始進行商用嵌入式系統和專用操作系統的研發，主要表現在嵌入式系統的核心——嵌入式微處理器的研發。為了搶占這個無限廣闊的市場，各大硬件廠商競相推出產品，包括Intel，FreeScale，NXP，AMD等公司均不甘示弱，幾乎每個月都有新產品出現。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。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術特點和區別嵌入式技術與嵌入式系統工程三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術特點和區別嵌入式技術與嵌入式系統工程單片機作為最典型的嵌入式處理器，它的成功應用推動了嵌入式系統的發展。單片機以體積小、功能強、可靠性好、性能價格比高等特點，已成為實現工業生產技術進步和開發機電一體化和智能化測控產品的重要手段。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術特點和區別嵌入式技術與嵌入式系統工程ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。ARM架構是面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機的行業標準，它提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案，四個功能模塊可供生產廠商根據不同用戶的要求來配置生產。目前ARM在手持設備市場占有90以上的份額，可以有效地縮短應用程序開發與測試的時間，也降低了研發費用。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術特點和區別嵌入式技術與嵌入式系統工程DSP（digitalsignalprocessor）是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統，是以數字信號來處理大量信息的處理器。DSP實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術特點和區別嵌入式技術與嵌入式系統工程FPGA是英文FieldProgrammableGateArray（現場可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，并非是一種處理器。用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現用戶的邏輯。FPGA能完成任何數字器件的功能。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程（一）嵌入式系統高級語言編程特點隨著嵌入式系統應用范圍的不斷擴大和嵌入式實時操作系統RTOS（RealTimeOperatingSystem）的廣泛使用，高級語言編程已是嵌入式系統設計的必然趨勢。高級語言編程具有許多優勢。四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程（1）通用性強。（2）容易編程。（3）容易閱讀。（4）可移植性好。（5）可維護性好。（6）直接支持中斷管理。四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程（二）C/C++、Java與嵌入式系統在小型嵌入式系統中，通常只有一個微處理器，并且其主要工作往往不是計算，而是控制，應選擇控制能力較強的語言。在大型嵌入式系統中，往往會有多個微處理器或計算機并行工作，構成多機系統。它們中有些工作于真正的嵌入式模式，有的則為純粹的信息處理。此時，對系統的編程就變得相當復雜，不同的任務可能會用不同的語言編程。四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程目前，在嵌入式系統開發過程中使用的語言種類很多，但僅有少數幾種語言得到了比較廣泛的應用如C/C++和Java等。C語言是由DennisRichie于1972年在AT&Bell實驗室研究成功并投入使用的系統編程語言。C++是由Bjarne

Stroustrup

于1995年在Bell實驗室研制成功并投入使用的。Java語言是SunMicrosystems公司于1995年在Internet上發布的面向對象的程序設計語言。Java是網絡語言，而嵌入式系統則在功能、價格、體積、功耗、上市時間等方面有特殊要求。四、嵌入式系統高級編程語言嵌入式技術與嵌入式系統工程Java不僅是一門語言，更是一種思想。它將使軟件開發在設計風格、設計方法、設計目標、設計過程等方面發生根本性變化。它將成為軟件再實現的基礎，未來OS的核心，各種應用軟件的開發平臺和實現環境。但Java并不是萬能的，它有自己的應用范圍，在網絡管理、網絡應用、面向對象的應用、可視化操作、交互式應用領域Java是優秀的；但在實時控制領域，如火箭控制、傳感器控制、宇宙飛行器的方位控制等方面C或匯編語言依然是最佳選擇。五、嵌入式系統工程及應用領域總結嵌入式技術與嵌入式系統工程五、嵌入式系統工程及應用領域總結嵌入式技術與嵌入式系統工程嵌入式系統工程是一門面向嵌入式系統應用的綜合性系統工程，它涉及到嵌入式系統的通用技術和基本原理、嵌入式產品開發方法等內容。包括嵌入式系統的基本概念、開發原理及原則、軟件和硬件結構的設計、嵌入式操作系統及網絡協議棧的總體架構。嵌入式系統典型應用技術及實例如表3-1所示。五、嵌入式系統工程及應用領域總結嵌入式技術與嵌入式系統工程在消費類電子產品中應用，如AV產品在兵器和國防工業中應用，如導彈技術在移動電話中應用在安全系統中應用，如智能監控系統在智能家電中應用在智能機器人中應用在智能玩具中應用在農業技術中應用在多媒體中應用在網絡工程中應用在車輛與交通工程中應用在控制系統中的應用，如數控技術在智能金融器具中應用在智能傳感器中應用在光學系統中應用在智能儀器儀表中應用在氣象預報中應用在智能卡中應用表3-1嵌入式系統典型應用領域單片機技術及應用第二節一、單片機及應用概述單片機技術及應用一、單片機及應用概述單片機技術及應用二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數人卻不怎么熟悉，這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機。一、單片機及應用概述單片機技術及應用單片機（Microcontrollor）是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的單片微型計算機。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。一、單片機及應用概述單片機技術及應用圖3-2單片機系統組成一、單片機及應用概述單片機技術及應用單片機是大規模集成電路技術發展的產物。單片機具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩定可靠、應用廣泛、通用性強等突出優點。單片機的設計目標主要是增強“控制”能力，滿足實時控制(就是快速反應)方面的需要。因此，它在硬件結構、指令系統、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨特之處，其最顯著的特點之一就是具有非常有效的控制功能。因此，單片機又常常被人稱為微控制器(MCU或μC)。單片機體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。二、典型單片機產品單片機技術及應用二、典型單片機產品單片機技術及應用當今單片機產品琳瑯滿目，性能各異，但是8位內核單片機仍占主要市場，比較流行的8位內核單片機有基于MCS51及改進系列單片機，Atmel的AVR單片機、Microchip公司的PIC單片機和Motorola公司的68HC系列等。二、典型單片機產品單片機技術及應用MOTOROLA是世界上最大的單片機廠商。其半導體部已經分離出來，就是Freescale公司。MCS51是指由美國INTEL公司生產的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括眾多品種，其中8051是最早最典型的產品，該系列其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減、改變而來的。INTEL公司將MCS51的核心技術授權給了很多其它公司，其中常用機型AT89C、AT89S系列是美國ATMEL公司開發生產的片上Flash單片機。二、典型單片機產品單片機技術及應用Microchip單片機是市場份額增長最塊的單片機。AVR是ATMEL于1997年由A及V先生共同研發的RISC單片機，AVR單片機吸取PIC及MCS51系列單片機的優點，采用Harward結構，工作于1MHz時性能高達1MIPS。二、典型單片機產品單片機技術及應用16位嵌入式計算機具有較高性能的有FreeScale的DSP56800/E系列，凌陽的μ’nSPTM系列，Microchip公司的dsPIC30和dsPIC33系列，以及TI的TMS320系列DSP和MSP430系列單片機等。三、單片機發展趨勢單片機技術及應用三、單片機發展趨勢單片機技術及應用現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數不勝數，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢。三、單片機發展趨勢單片機技術及應用（一）低電壓與低功耗——CMOS化（二）高度集成——單片化（三）主流與多品種共存（四）生命周期長（五）8位、16位、32位單片機共同發展（六）單片機的速度越來越快（七）低噪聲與高可靠性技術（八）OTP與掩膜（九）MTP向OTP挑戰四、如何成為單片機開發高手單片機技術及應用四、如何成為單片機開發高手單片機技術及應用單片機應用技術是實踐性很強的一門技術，有人說“單片機是玩出來的”，只有多“玩”，也就是多練習、多實際操作，才能真正掌握它。在沒有學會單片機之前應該只去研究一種單片機，不要觀望，防止徘徊不前，一事無成。堅定信念后：四、如何成為單片機開發高手單片機技術及應用首先，掌握單片機的應用開發需要一個過程。其次，單片機的開發應用還涉及到硬件擴展接口和各類傳感器，更重要的是必須盡可能地了解各學科中適應單片機完成的控制項目以及控制過程。再次，學習單片機的C語言編程，是成為單片機高手的必經之路。還有，軟件的開發是建立在硬件之上，軟硬件設計的巧妙結合是項目開發質量保證的關鍵。最后，請不要做浮躁的單片機工程師。DSP技術及應用第三節DSP技術及應用數字信號處理（DigitalSignalProcessing，DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興交叉性前沿學科。數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP技術及應用數字信號處理是圍繞著數字信號處理的理論、實現和應用等幾個方面發展起來的。數字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。DSP芯片的誕生及發展對近20年來通信、計算機、控制等領域的技術發展起到十分重要的作用。一、DSP系統

DSP技術及應用一、DSP系統

DSP技術及應用（一）DSP系統構成xa(t)

x(n)

y(n)

ya(t)前置預濾波器A/D變換器數字信號處理器D/A變換器模擬濾波器圖3-3典型的DSP系統一、DSP系統

DSP技術及應用輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣，然后進行A/D（AnalogtoDigital）變換將信號變換成數字比特流。根據奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍。DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數字信號，DSP芯片對輸入的數字信號進行某種形式的處理，如進行一系列的乘累加操作（MAC）。（一）DSP系統構成一、DSP系統

DSP技術及應用數字信號處理系統是以數字信號處理為基礎，因此具有數字處理的全部優點：(1)接口方便(2)編程方便(3)穩定性好(4)精度高(5)可重復性好(6)集成方便（二）DSP系統的特點一、DSP系統

DSP技術及應用數字信號處理的實現方法一般有以下幾種：(1)在通用的計算機（如PC機）上用軟件（如C語言）實現；(2)FPGA上實現；(3)用通用的單片機（如MCS-51、ARM系列等）實現；(4)用通用的可編程DSP芯片實現。第1種方法的缺點是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種方法存硬件實現，是數字信號處理實時應用的最理想載體；第3種方法只適用于實現簡單的DSP算法；只有第4種方法才使數字信號處理的應用打開了新的局面。（三）DSP系統的設計過程一、DSP系統

DSP技術及應用（三）DSP系統的設計過程DSP算法設計軟硬結合實現方法設計硬件實現方法設計

實現

實現C語言硬件描述語言圖3-4DSP系統的設計流程一、DSP系統

DSP技術及應用在設計DSP系統之前，首先必須根據應用系統的目標確定系統的性能指標、信號處理的要求，通常可用數據流程圖、數學運算序列、正式的符號或自然語言來描述。第二步是根據系統的要求進行高級語言的模擬。在完成第二步之后，接下來就可以設計實時DSP系統，實時DSP系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。DSP硬件和軟件設計完成后，就需要進行硬件和軟件的調試。系統的軟件和硬件分別調試完成后，就可以將軟件脫離開發系統而直接在應用系統上運行。（三）DSP系統的設計過程二、DSP型處理器DSP技術及應用二、DSP型處理器DSP技術及應用DSP型處理器概述，也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：(1)在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

(2)程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；

(3)片內具有快速

RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；

1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術及應用(4)具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持；

(6)具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；

(7)可以并行執行多個操作；

(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術及應用世界上第一個單片

DSP芯片應當是1978年AMI公司發布的

S2811。1979年美國Intel公司發布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。1980年，日本

NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用

DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當數美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產品。2.DSP處理器芯片的發展二、DSP型處理器DSP技術及應用2.DSP處理器芯片的發展表3-2TIDSP芯片發展比較表（典型值）年份

1982年

1992年

1999年

制造工藝

MIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz內部RAM144字

1K字

32K字

內部ROM1.5K字

4K字

16K字

價格

$150.00＄15.00$5.00~$25.00功耗

250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶體管數

50K500K

二、DSP型處理器DSP技術及應用（1）按基礎特性分這是根據DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。（2）按數據格式分這是根據DSP芯片工作的數據格式來分類的。（3）按用途分3.DSP芯片的分類二、DSP型處理器DSP技術及應用（1）DSP芯片的運算速度。1）指令周期：即執行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位。2）MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間。3）FFT執行時間：即運行一個N點FFT程序所需的時間。4）MIPS：即每秒執行百萬條指令。5）MOPS：即每秒執行百萬次操作。6）MFLOPS：即每秒執行百萬次浮點操作。7）BOPS：即每秒執行十億次操作。4.DSP芯片的選擇二、DSP型處理器DSP技術及應用（2）DSP芯片的價格（3）DSP芯片的硬件資源（4）DSP芯片的運算精度（5）DSP芯片的開發工具（6）DSP芯片的功耗（7）其他。除了上述因素外，選擇DSP芯片還應考慮到封裝的形式、質量標準、供貨情況、生命周期等。4.DSP芯片的選擇三、DSP技術應用DSP技術及應用三、DSP技術應用DSP技術及應用DSP芯片的應用主要有：(1)信號處理——如數字濾波、自適應濾波、快速傅立葉變換、相關運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產生等；(2)通信——如調制解調器、自適應均衡、數據加密、數據壓縮、回波抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、可視電話等；(3)語音——如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音存儲等；三、DSP技術應用DSP技術及應用(4)圖形/圖像——如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等；(5)軍事——如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航、導彈制導等；(6)儀器儀表——如頻譜分析、函數發生、鎖相環、地震處理等；三、DSP技術應用DSP技術及應用(7)自動控制——如引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等；(8)醫療——如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監護等；(9)家用電器——如高保真音響、音樂合成、音調控制、玩具與游戲、數字電話/電視等。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術及應用四、DSP和MCU的深度融合DSP技術及應用單片機（MCU）和數字信號處理器（DSP）曾各自為營，但現在卻呈現出融合式的發展，為以最低成本完成各種消費類和工業類任務提供最佳解決方案。混合型產品的應用可以分為不同的兩類，一類側重于DSP功能對完成主要任務極為重要的特殊應用領域；第二類是為8位和16位單片機用戶提供向上發展途徑的通用應用領域。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術及應用MicrochipTechnology公司的dsPIC30系列和dsPIC33系列是具有DSP指令的高性能單片機，均具有30MIPS的性能，并可以在工業溫度范圍和擴展的溫度范圍內工作。TexasInstruments公司的TMS320系列中的C2000系列也是典型混合型產品。Freescale公司的56800系列混合處理器在業界也有很高的聲譽。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術及應用AnalogDevices公司同樣將其Blackfin處理器定在達到高水平的處理能力上，其最近推出的產品包括時鐘速率高達750MHz的雙內核器件。多內核體系結構是在同一塊芯片上支持DSP任務和控制任務的另一種方法。嵌入式操作系統與電子設計應用第四節嵌入式操作系統與電子設計應用計算機是由硬件和軟件組成的，缺了任何一樣都無法運行。操作系統是現代電腦必不可少的系統軟件，是計算機的靈魂所在。現代的計算機都是通過操作系統來解釋人們的命令，從而達到控制電腦的目的。操作系統的理論是計算機科學中一個古老而又活躍的分支，而操作系統的設計與實現則是軟件工業的基礎與核心。一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用操作系統(OperatingSystem)是用戶和計算機之間的界面。一方面操作系統管理著所有計算機系統資源，另一方面操作系統為用戶提供了一個抽象概念上的計算機。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬件資源的分配、調度工作，控制并協調并發活動，具有一般操作的基本功能，如任務調度、同步機制、中斷處理，同時它必須體現其所在系統的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。嵌入式操作系統是以庫的形式提供給用戶，用戶可以通過操作系統的

API（ApplicationProgrammingInterface）使用嵌入式操作系統。一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用1.嵌入式操作系統基本功能（1）任務調度——就是決定該輪到哪個任務運行了。多數實時內核是基于優先級調度的，每個任務根據其重要程度的不同被賦予一定的優先級；（2）任務管理——建立任務、刪除任務、改變任務的優先級、掛起和恢復任務，以及獲得有關任務的信息；一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用（3）時間管理——用戶提供定時中斷，也叫時鐘節拍來實現延時與超時控制等功能；（4）任務間的通信與同步——在實際系統的應用中有時需要任務間的或中斷服務與任務間的信息傳遞，這種信息傳遞被稱為任務間的通信；（5）內存管理——嵌入式操作系統把連續的大塊內存按分區來管理，每個分區中包含有整數個大小相同的內存塊，在一個系統中可以有多個內存分區，用戶的應用程序可以從不同的內存分區中得到不同大小的內存塊。一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用2.嵌入式操作系統特點（1）可裁減性——操作系統可定制、可裁減，以有效減少操作系統所需的存儲空間；（2）高可靠性——可靠性主要有兩個方面含義。一是硬件本身要連續穩定運行；二是系統檢查出故障后要有保持安全狀態的能力；一、嵌入式操作系統概述嵌入式操作系統與電子設計應用（3）實時性——實時性指系統對響應時間的嚴格要求，指能在確定的時間內執行其功能，能對外部的異步事件做出快速正確的響應；（4）多任務操作系統——嵌入式應用程序的設計過程包括如何把問題分割成多個任務，多任務的操作系統是嵌入式系統發展的必然要求；（5）可移植性——針對不同的嵌入式應用系統，都可以把系統內核移植到不同的嵌入式處理器中。二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用1.VxWorksVxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用2.WindowsCEWindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優勢。它是一個完整的可攜式操作系統，Microsoft打算以此為基礎，發展廣泛的商業與消費設備，包括新的無線通訊設備、DVD播放器、InternetTV、數字信息裝置盒及網絡電話等。二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用3.嵌入式Linux這是嵌入式操作系統的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協議，在近一年多以來成為研究熱點，據IDG預測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統份額的50%。二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用4.μC/OS-II

μC/OS-II是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應用設計的，可用于8位、16位和32位單片機或DSP。

它的主要特點如下：（1）公開源代碼，很容易就能把操作系統移植到各個不同的硬件平臺上；（2）可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；

二、幾種嵌入式操作系統比較嵌入式操作系統與電子設計應用（3）可裁剪性，有選擇的使用需要的系統服務，以減少所需的存儲空間；（4）占先式，完全是占先式的實時內核，即總是運行就緒條件下優先級最高的任務；（5）多任務，可管理64個任務，任務的優先級必須是不同的，不支持時間片輪轉調度法；（6）可確定性，函數調用與服務的執行時間具有其可確定性，不依賴于任務的多少；（7）實用性和可靠性，成功應用該實時內核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據。FPGA與SOC技術第五節一、引言FPGA與SOC技術一、引言FPGA與SOC技術集成電路的發展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規律推進。隨著VLSI(超大規模集成電路)工藝技術的發展，器件特征尺寸越來越小，芯片規模越來越大，數百萬門級的電路可以集成在一個芯片上，半導體產業進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現一個復雜的電子系統，諸如手機芯片、數字電視芯片、DVD芯片等。一、引言FPGA與SOC技術SOC為各種應用提供了一個新的實現技術。這種新的電子系統實現技術促使工業界在近3年中發生了巨大的變化，為信息技術的應用提供堅實的基礎，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機技術提供了更廣闊的應用領域，使單片機應用技術發生了革命性的變化。一、引言FPGA與SOC技術現代科學技術應用的重要特點之一，就是技術多樣性、智能多變性和面向對象的系統設計性。SOC正是成為滿足現代科學和工程技術發展的要求而產生的現代應用電子技術。SOC是集成電路發展的必然趨勢，是技術發展的必然，是IC產業未來的發展。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術二、SOC及其特點FPGA與SOC技術SOC的定義多種多樣，由于其內涵豐富、應用范圍廣，很難給出準確定義。一般說來，SOC稱為系統級芯片，也有稱片上系統，意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術從狹義角度講，它是信息系統核心的芯片集成，是將系統關鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SOC是一個微小型系統，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SOC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術國內外學術界一般傾向將SOC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。SOC定義的基本內容主要表現在兩方面：其一是它的構成，其二是它形成過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術系統級芯片SOC是在單片上實現全電子系統的集成，具有以下幾個特點：（一）系統功能集成是SOC的核心技術（二）固件集成是SOC的基礎設計思想（三）嵌入式系統是SOC的基本結構（四）IP是SOC的設計基礎（五）速度高、時序關系嚴密（六）采用超深亞微米(UDSM)、納米集成電路的設計理論和技術（七）外部可以對芯片進行編程三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術具體地說，SOC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SOC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術等，此外還要做嵌入式軟件移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術大規模可編程邏輯器件CPLD(CompexProgrammableLogicDevice)和FPGA(FieldProgrammableGateArry)是當今應用最廣泛的兩類可編程專用集成電路（Application-SpecificIntegratedCircuit，ASIC）（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術由于結構和工藝的改進，可編程ASIC芯片上包含的資源越來越豐富，可實現的功能越來越強，它們已成為當今實現電子系統集成化的重要手段。Altera、Xilinx、Lattice、和Actel等公司是全球著名的可編程邏輯器件供應商。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件，有很多共同特點，但由于CPLD和FPGA結構上的差異，具有各自的特點，特比較如下：（1）CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，FPGA更適合于完成時序邏輯。（2）CPLD的連續式布線結構決定了它的時序延遲是均勻的和可預測的，而FPGA的分段式布線結構決定了其延遲的不可預測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術（3）在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。（4）FPGA的集成度比CPLD高，具有更復雜的布線結構和邏輯實現。（5）CPLD比FPGA使用起來更方便。（6）CPLD的速度比FPGA快，并且具有較大的時間可預測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術（7）在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash存儲器編程，編程次數可達1萬次，優點是系統斷電時編程信息也不丟失。（8）CPLD保密性好，FPGA需要外部配置，保密性差。（9）一般情況下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明顯。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術SOC可采用現場可編程門陣列(FPGA)或專用集成電路(ASIC)實現。開發新型SOC器件需要解決的幾個關鍵問題包括：新的設計工具、先進的工藝技術及半導體IP。盡管在技術上十分先進，基于ASIC的SOC產業仍然面臨著挑戰，甚至會因此難以完全發揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰：（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術（1）系統復雜性不斷增加（2）上市時間壓力更大（3）產品生命周期更短（4）多種業界標準并存（5）可用于不同產品的設計靈活性較差（6）可重配置及現場升級性能缺乏。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術現在，基于FPGA的SOC可以解決以前基于ASIC的SOC無法完成的任務和挑戰，如現場升級、減少產品上市時間、滿足不斷出現和更新的標準要求。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設計FPGA與SOC技術基于FPGA的SOC設計可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉型中受益最多的應用包括：（1）通信及網絡：網絡及無線基礎設施。（2）數據處理：服務器及存儲設備。

（3）消費類電子產品：數字機頂盒、數字電視和個人攝像機。（二）FPGA與SOC四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術微處理器是現代電子技術應用中的主流技術，特別是在工業和民用的獨立電子系統中，單片機起著系統核心的作用。由于單片機系統特有的固件特性，使單片機在SOC技術中占有重要的地位。四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術（一）SOC中的嵌入式技術隨著電子技術的發展，特別是應用技術的飛速發展，單片機應用系統已經形成了常用的、獨特的嵌入式結構。目前，單片機已經成為CPU和其他輔助電路而形成的。單片機已經成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結構正是SOC的一種重要實現技術和方法。用SOC設計單片機系統嵌入式結構，為設計者提供了現有技術所無法比擬的優越條件。四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術（二）SOC中單片機系統優化目前在單片機應用中，有相當一部分實際上并不能叫做單片機。因為許多應用中需要形成單片機的外部系統總線。因此，單片機資源的充分利用和避免形成外部總線，往往是單片機應用設計的主要追求目標。換句話說，優化問題是單片機應用中的一個重要問題。四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術圖3-6不同單片機應用系統設計方法框圖四、SOC技術與處理器技術深度融合FPGA與SOC技術概括地說，SOC使單片機應用技術發生了革命性的變化，這個變化就是應用電子系統的設計技術，從選擇廠家提供的定制產品時代進入了用戶自行開發設計器件的時代。這標志著單片機應用的歷史性變化，一個全新的單片機應用時代已經到來。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術五、硬件描述語言FPGA與SOC技術隨著EDA技術的發展，使用硬件語言設計CPLD/FPGA成為一種趨勢。硬件描述語言（HarewareDescribeLanguage，HDL）是一種用形式化方法描述數字電路和系統的語言。目前，這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。據統計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進行設計。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術現在，隨著系統級FPGA以及系統芯片的出現，軟硬件協調設計和系統設計變得越來越重要。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發展，出現了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、CynlibC++等等。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、CynlibC++、CLevel等等。雖然各種語言各有所長，但業界對到底使用哪一種語言進行設計，卻莫衷一是，難有定論。目前最主要的硬件描述語言是VHDL和VerilogHDL。而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設計流程中實現級和系統級都具有各自的用武之地。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設計項目，他們愿意選擇哪種方案?結果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和CLevel設計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術為Verilog辯護者認為，開發一種新的設計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認為，系統級芯片SOC快速增長的復雜性需要新的設計方法；C語言的贊揚者認為，Verilog是硬件設計的匯編語言，而編程的標準很快就會是高級語言，CynlibC++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Superlog的捍衛者認為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現有的方法兼容，是一種進化，而不是一場革命。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術1.VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）早在1980年，因為美國軍事工業需要描述電子系統的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發。1987年，由IEEE（InstituteofElectricalandElectro-nicsEngineers）將VHDL制定為標準。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術2.VerilogHDLVerilogHDL是在1983年，由GDA（GateWayDesignAutomation）公司的PhilMoorby首創的。VHDL發展的較早，語法嚴格，而VerilogHDL是在C語言的基礎上發展起來的一種硬件描述語言，語法較自由。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術3.SystemC隨著半導體技術的迅猛發展，SOC已經成為當今集成電路設計的發展方向。SystemC是由Synopsys公司和CoWare公司積極響應目前各方對系統級設計語言的需求而合作開發的。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術1.了解HDL的可綜合性問題HDL有兩種用途：系統仿真和硬件實現。2.用硬件電路設計思想來編寫HDL學好HDL的關鍵是充分理解HDL語句和硬件電路的關系。3.語法掌握貴在精，不在多30%的基本HDL語句就可以完成95%以上的電路設計。（二）學習HDL的幾點重要提示五、硬件描述語言FPGA與SOC技術（1）文本編輯：用任何文本編輯器都可以進行，也可以用專用的HDL編輯環境。（2）功能仿真：將文件調入HDL仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確。（3）邏輯綜合：將源文件調入邏輯綜合軟件進行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達式和信號的連接關系。（三）HDL開發流程五、硬件描述語言FPGA與SOC技術（4）布局布線：將.edf文件調入PLD廠家提供的軟件中進行布線，即把設計好的邏輯安放到PLD/FPGA內。（5）時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數，用仿真軟件驗證電路的時序。（也叫后仿真）（6）編程下載：確認仿真無誤后，將文件下載到芯片中。（三）HDL開發流程嵌入式應用系統舉例——

嵌入式系統與智能機器人第六節嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人應該說人類是最聰明、最有智慧的群體。但我們也應看到人類存在的不足。我們的祖先就曾幻想過人類應具有順風耳和千里眼，可以聽世界上的一切聲音，可以看世界上的一切事物；可以有三頭六臂，甚至成為千手觀音；可以上天入地，力大無比。如今，機器人幫助人類實現了很多夢想，但是，機器人的本領不會超過人類，因為機器人是人類發明、創造的，人類是機器人的主人。機器人是嵌入式應用的典型應用領域。一、什么是機器人嵌入式應用系統舉例——嵌入式系統與智能機器人一、什么是機器人嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人實際意義上的機器人，應該是“能自動工作的機器”。有的功能很簡單，有的功能就復雜得多。機器人通常具有3個基本特征。是不是機器人，只需看一看它是否具備以下3個特征：（1）身體：是一種物理狀態，具有一定的形態。（2）大腦：控制機器人的程序。（3）動作：任何機器人都有一定的動作表現。一、什么是機器人嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人在1967年日本召開的第一屆機器人學術會議上，就提出了兩個有代表性的定義：一個定義是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器。”另一個定義是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。一、什么是機器人嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人1988年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人學是指設計能根據傳感器信息實現預先規劃好的作業系統，并以此系統的使用方法作為研究對象。”1987年國際標準化組織對工業機器人進行了定義：“工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。”一、什么是機器人嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。”二、機器人的分類嵌入式應用系統舉例——嵌入式系統與智能機器人二、機器人的分類關于機器人如何分類，國際上沒有制定統一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人分類名稱說

明操作型機器人能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統中。程控型機器人按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教再現型機器人通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業。數控型機器人不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教后的信息進行作業。感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。適應控制型機器人機器人能適應環境的變化，控制其自身的行動。學習控制型機器人機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。表3-3機器人的分類三、機器人對外界信息的感知嵌入式應用系統舉例——嵌入式系統與智能機器人三、機器人對外界信息的感知所有的機器人都裝有傳感器，用于為機器人提供輸入。一些傳感器很像我們人類的感覺器官，能夠“看到”或“感覺到”外界環境的變化。一個機器人的控制程序主要取決于以下幾種因素：（1）使用的傳感器類型和數量。（2）傳感器的安裝位置。（3）可能的外部激勵。（4）需達到的活動效果。（5）可編程積木式。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人三、機器人對外界信息的感知通常，機器人只能簡單地“做”我們談論機器人的“動作”時，就知道人類是怎么理解機器人這一概念的。簡單地說，機器人的“動作”就是：“機器人做什么”。機器人通常是用來完成需要人自己來做的一些工作。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人三、機器人對外界信息的感知機器人必須有“手”，這樣它才能根據電腦發出的“命令”動作。“手”不僅是一個執行命令的機構，它還應該具有識別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”。現在，機器人的手已經具有了靈巧的指、腕、肘和肩胛關節，能靈活自如地伸縮擺動，手腕也會轉動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西的重量，可以說已經具備了人手的許多功能。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人（一）機器人的手三、機器人對外界信息的感知人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取的，能否造出“人工眼”讓機器也能像人那樣識文斷字和看東西，這是智能自動化的重要課題。關于機器識別的理論、方法和技術，稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程。機器識別系統與人的視覺系統類似，由信息獲取、信息處理與特征抽取以及判決分類等部分組成。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人（二）機器人的眼睛三、機器人對外界信息的感知1.機器認字2.機器識圖3.機器識別物體嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人（二）機器人的眼睛三、機器人對外界信息的感知機器人的鼻子也就是用氣體自動分析儀做成的。現在利用各種原理制成的氣體自動分析儀已經有很多種類，廣泛應用于檢測毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監察環境等方面。這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現象有關，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計算機組合起來，就可以做成機器人的嗅覺系統了。嵌入式應用系統舉例 ——嵌入式系統與智能機器人（三）機器人的鼻子三、機器人對外界信息的感知機器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機來做的。被送到太空去的遙控機器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機。用一種叫做鈦酸鋇的壓電材料做成的“耳朵”比人的耳