1嵌入式系統設計2第1章嵌入式系統基礎你所要知道的嵌入式系統，就在你的身邊，就在你的手頭本章內容31.1嵌入式系統簡介11.2嵌入式系統的歷史與發展21.3嵌入式操作系統31.4嵌入式操作系統的選型原則44本章主要內容主要內容：什么是嵌入式系統嵌入式系統的組成與特點嵌入式系統的發展歷史與應用領域常見的幾種典型嵌入式操作系統介紹如何進行嵌入式系統選型的。基本要求：認識、理解嵌入式系統無處不在的特點，初步掌握嵌入式系統的組成結構，激發學習嵌入式系統的興趣。本章主要內容51.1嵌入式系統簡介什么是嵌入式系統嵌入式系統的組成嵌入式系統的特點嵌入式系統的分類嵌入式系統與PC機的區別1.1嵌入式系統簡介61.1.1什么是嵌入式系統（1）廣義上對嵌入式系統的定義：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。（2）根據IEEE(國際電氣電子工程師協會)對嵌入式系統的定義：“用于控制、監視或者輔助設備、機器或甚至工廠操作的裝置”（原文為：DevicesUsedtoControl,MonitororAssisttheOperationofEquipment,MachineryorPlants）。（3）國內普遍認同的嵌入式系統的定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適合于應用系統對其功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面嚴格要求的專用計算機系統。（4）應用上對嵌入式系統通俗的定義：嵌入式系統是一種專用于某個應用或者產品的基于計算機的系統。該系統可以結合處理器的系統電路和專屬軟件，成為一個獨立的系統或者更大的系統的一部分。71.1.2嵌入式系統的組成從宏觀上講，嵌入式系統也是由硬件結構和軟件結構組成。硬件結構包括核心處理器、定時器、存儲器等一系列微電子芯片與器件，軟件結構是由嵌入在存儲器中的嵌入式操作系統（EmbeddedOperatingSystem，簡稱EOS）和控制應用軟件組成。從應用上講，嵌入式系統是硬件和軟件結構相結合的綜合體，共同實現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各種自動處理任務。簡言之，嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成，它是可獨立工作的“器件”。1.1.2嵌入式系統的組成8嵌入式系統的組成結構9嵌入式系統硬件結構嵌入式系統硬件結構的核心是嵌入式處理器，其作用是控制、輔助系統運行的硬件單元。嵌入式處理器分為：嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)嵌入式微控制器(Micro

ControllerUnit，

MCU)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)嵌入式片上系統（SystemOnChip，SOC）10嵌入式處理器分類11（1）嵌入式微處理器（MPU）相同點：MPU的作用與通用計算機中的CPU類似不同點：在具體應用時只保留了與嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除了冗余功能在實際應用中，MPU裝配在專門設計的電路板上俗稱“核心板”優點體積小、重量輕、成本低、可靠性高流行類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。12（2）嵌入式微控制器（MCU）MCU俗稱單片機，是將微處理器、存儲器(少量的RAM，

ROM或兩者都有)和其它外設封裝在同一片集成電路內MCU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。有代表性微控制器有MCS-8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167系列以及

MCU8XC930/931、C540、C541系列，還有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。13（3）嵌入式DSPDSP是專門用于信號處理方面的嵌入式處理器DSP特點是對離散時間信號進行極快地處理與計算，提高了編譯效率和執行速度。DSP已經在數字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域發揮著巨大作用。廣泛應用的是TI公司的TMS320C2000/C5000／C6000系列，Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用對象。14（4）嵌入式片上系統（SOC）SOC指的是在單個芯片上集成嵌入式處理器內核、存儲器以及外圍電路等構成一個完整的嵌入式系統，包含了嵌入式軟件的全部內容。SOC最大特點是直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊，成功實現了軟硬件無縫結合，系統特別簡潔。SOC芯片在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中的作用巨大典型的SOC產品是Philips的SmartXA，Siemens的TriCore，Motorola的M-Core等。15嵌入式處理器小結硬件可裁減特性，方便擴展處理器結構，軟件固化特性，具有很強的存儲區保護功能，避免了在軟件模塊之間出現錯誤，同時也有利于軟件診斷；支持實時和多任務能力，較短的中斷響應時間，內部代碼運行時間和實時操作系統的執行時間可減少到最低限度；低功耗，功耗能達到mW級。16ARM簡介ARM（AdvancedRISCMachines）是嵌入式系統業界著名品牌和技術。專門從事基于RISC技術芯片設計開發的公司名字，該公司主要出售芯片設計技術的授權。在全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，也代表了嵌入式處理技術。ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，使整個系統成本降低，產品更容易進入市場被消費者所接受，具有競爭力。ARM微處理器約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。ARM微處理器已遍及消費類電子產品、工業控制、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場。17嵌入式系統軟件結構嵌入式操作系統和應用軟件。嵌入式操作系統不僅起到管理協調嵌入式處理器、存儲器、電源等硬件資源的作用，還為應用軟件提供統一服務。嵌入式應用軟件則是根據對象設備或產品編制出來的解決具體任務的專用代碼，由用戶直接開發或提出開發要求。嵌入式系統上的應用軟件通常是暫時不變的，所以常稱為“固件”。181.1.3嵌入式系統的特點嵌入性。是指在某個對象體系中嵌入了計算機系統內核。

專用性。是指嵌入式系統只是被用于解決一項或者幾項特殊任務，每個嵌入式系統都面向一個特定應用。可裁剪性。是軟硬件設計高效、可裁減的完整的計算機體系結構。集成性。是各種先進技術和各行業具體應用相結合的產物。精簡性。系統內核小，沒有明顯的系統軟件與應用軟件區分。交叉編譯。不具備自舉開發能力，需要開發工具和環境支持。開發過程中利用宿主機和目標機思想。生命周期長。嵌入式系統與具體應用有機結合在一起，產品升級換代也是同步進行。1.1.3嵌入式系統的特點191.1.4嵌入式系統的分類根據嵌入式系統的規模和復雜度將嵌入式系統分為小型嵌入式系統、中型嵌入式系統和復雜嵌入式系統。小型嵌入式系統一般采用8位或者16位微控制器設計，硬件與軟件復雜度很小，需要進行板級設計，可以電池驅動。軟件開發時可以使用控制器自帶專用編輯器、匯編器和交叉匯編器。像各類智能IC卡、醫用電子器械、鼠標、打印機控制器、工業溫度記錄儀等。1.1.4嵌入式系統的分類201.1.4嵌入式系統的分類中型嵌入式系統是采用一個16位或者32位的微控制器、微處理器ARM或者DSP設計，硬件與軟件復雜度都比較大，硬件擴充了總線接口、網絡接口，以解決硬件復雜性的問題。對于軟件開發如物理和虛擬設備驅動程序、任務調度優化、中斷處理機制等程序，可以使用專用的編程工具如C語言、RTOS、源代碼設計工具、調試器和集成開發環境(ODE)和軟件調試工具。像計算機互聯網上的各種路由器、交換機、中繼器，圖像處理、模式識別機，手持設備PAD，上網筆記本、銀行系統的ATM機等。211.1.4嵌入式系統的分類復雜嵌入式系統的軟件與硬件都非常復雜，采用可升級的處理器或者片上系統SOC和可編程邏輯陣列FPGA，需要硬件和軟件協同設計。可軟件硬化如加密和解密算法、離散余弦變換和逆變換算法，TCP/IP協議棧和網絡驅動程序功能；也可將某些硬件資源的功能用軟件實現。除了必要的編程工具如C語言、RTOS和其他編程工具等外，這樣的系統還需要十分昂貴開發工具，甚至還必須為這些系統開發專門的編譯器。像實時視頻嵌入式系統、高速網絡接口、無線LAN設備、太空救生艙等。221.1.5嵌入式系統與PC機的區別最根本的區別是嵌入式系統是專用系統，而PC機是公共平臺。在系統資源方面，嵌入式系統資源緊缺，沒有編譯器等相關開發工具；而PC機系統資源充足，有豐富的編譯器、集成開發環境、調試器等。在組成結構上，嵌入式系統是面向特定應用的處理器，總線和外設一般集成在處理器內部，軟硬件緊密結合；而PC機是通用處理器、標準總線和外設，軟硬件相對獨立。在軟件危機方面，嵌入式系統應用軟件一般不能重新編程開發，而PC機應用程序可以重新編程。嵌入式系統軟件故障導致的故障后果比PC大得多。1.1.5嵌入式系統與PC機的區別231.1.5嵌入式系統與PC機的區別在效率性能方面，嵌入式系統大都有成本、功耗和實時性要求，而PC機一般沒有實時性要求；在開發平臺與開發方式方面，嵌入式系統需要專用的開發工具，采用交叉編譯方式，開發平臺一般是通用計算機，運行平臺是嵌入式系統；而PC機開發平臺和運行平臺都是通用計算機。在外觀形式類型上，嵌入式系統是“看不見”的嵌入了計算智能的電子裝置或設備，且形式多樣、應用領域廣，以應用領域分類；而PC機是實實在在的計算機，按其體系結構、運算速度和規模可分為大型機、中型機、小型機和微機。241.2嵌入式系統的歷史與發展嵌入式系統的歷史嵌入式系統的應用領域嵌入式系統的發展趨勢1.2嵌入式系統的歷史與發展251.2.1嵌入式系統的歷史嵌入式系統誕生于微型機時代，可以追溯到20世紀七十年代單片機的產生時期；1976年Intel公司生產出了第一個單片機8048開始，Motorola公司同時推出了68HC05，Zilog公司也推出了Z80系列，嵌入式系統時期；到了80年代初，Intel成功研制了MCS-51單片機，開創了嵌入式系統獨立發展時代；90年代以后，隨著嵌入式系統實時性要求的提高和軟件規模的不斷上升，實時多任務操作系統（RTOS）逐步成為國際嵌入式系統的主流。1.2.1嵌入式系統的歷史261.2.2嵌入式系統的應用領域信息家電家庭智能管理系統POS網絡及電子商務工業控制交通管理環境工程與自然機器人1.2.2嵌入式系統的應用領域271.2.3嵌入式系統的發展趨勢嵌入式系統智能化自然友好的人機界面規模化跨行業協作進一步的網絡支持小尺寸、微功耗、低成本物聯網的應用1.2.3嵌入式系統的發展趨勢28嵌入式系統應用的趨勢291.3嵌入式操作系統嵌入式軟件系統是將所有程序，包括操作系統、驅動程序、應用程序等等的程序代碼全部都燒進一個RAM里，即固化。因此，有人把嵌入式軟件系統形象的比喻為庫(Library)函數，可以在系統執行過程中直接調用，不能修改操作系統的作用301.3嵌入式操作系統Android系統中文俗稱安卓。Android操作系統的內核屬于Linux內核的一個分支，具有典型的Linux周期和功能，是半開源操作系統。

Google公司免費開源代碼。Android從高層到低四層架構體系：應用程序層。包含了許多應用程序。應用程序框架層。Android開發的基礎。系統運行庫層。系統庫、核心庫與Dalvik虛擬機。系統庫包含一些C/C++庫，通過

Android應用程序框架為開發者提供服務。Android運行時的核心庫是Android的一些核心API，Dalvik虛擬機被設計一個設備，每一個Android應用程序都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。linux核心層。Android是基于Linux2.6內核，其核心系統服務如安全性、內存管理、進程管理、網路協議以及驅動模型都依賴于Linux內核。Android311.3嵌入式操作系統Linux是是自由和開放源碼的類Unix操作系統，用C語言寫成，目前存在著多種Linux版本都是基于Linux內核。Linux內核提供對多種處理器的支持，支持跨平臺，支持多用戶、多任務，是一個先進的操作系統。世界上運算最快的10臺超級計算機運行的都是Linux操作系統，Linux也可以安裝在各種嵌入式系統設備中。Linux321.3嵌入式操作系統μC/OS-II是專門為嵌入式應用設計的實時操作系統。

μC/OS-II絕大部分的代碼是用C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。

μC/OS-II也是源碼公開，便于移植和維護。μC/OS-II331.3嵌入式操作系統WindowsCE是微軟公司嵌入式移動計算平臺的基礎，也是一個可定制，可裁剪的嵌入式操作系統，是基于掌上型電腦類的電子設備操作系統。WindowsCE不開源。基于WindowsCE構建的嵌入式系統大致可以分為四個層次，其中硬件層和OEM層由硬件OEM廠商提供，操作系統層由微軟公司提供，應用層由獨立軟件開發商提供。自底層向上依次是：硬件層OEM層操作系統層應用層341.3嵌入式操作系統VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一款嵌入式實時操作系統，是由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，其核心模塊甚至可以微縮到8KB。

VxWorks具有可裁剪微內核結構，高效的任務管理與通訊，支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網絡協議等。VxWorks操作系統本身以及開發環境都是專有的，價格一般都比較高。早期主要用于軍事領域。VxWorks351.3嵌入式操作系統PalmOS是一種32位的嵌入式操作系統，早期由U.S.Robotics研制的專門用于掌上電腦產品Palm的操作系統，后來IBM、Sony、Handspring等廠商取得授權，在各自旗下產品中使用。PalmOS運行要求內存與處理器資源較小，速度也很快，但不支持多線程，長遠發展受到限制。PalmOS361.4嵌入式系統的選型原則嵌入式系統選型主要依據它們在硬件、操作系統、應用軟件及適用場合等方面進