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嵌入式系統AnIntroductiontoEmbeddedSystem第一課嵌入式系統概述2

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域3課程概述計算機應用領域的劃分桌面通用型高端服務型小型專用型4課程設置的預期目標對嵌入式系統設計技術有比較全面的了解，具備一定的設計實踐能力，為進一步深入開展相關工作奠定基礎。理解并掌握嵌入式系統中的硬件設計與軟件部分，包括ARM處理器、ATOM處理器、嵌入式調試嵌入式實時操作系統、嵌入式軟件開發理論、方法與技術。熟悉基于嵌入式Linux的嵌入式系統開發技術。5課程教材理論教材：嵌入式系統技術，張曉林，高等教育出版社，2008.10，ISBN：7040247206實驗教材：嵌入式系統開發原理與實踐，陳文智，清華大學出版社，2005.8，ISBN:7302116002009年本課程的PPT參考了北航張曉林、楊昕欣兩位老師的課件，特此感謝6參考書目嵌入式系統ARM嵌入式系統基礎教程(第2版)，周立功，北京航空航天大學出版社(2008-09出版)嵌入式系統設計的藝術(英文版.第2版)，Jackganssle，人民郵電出版社(2009-03出版)ARM嵌入式系統結構與編程，邱鐵，清華大學出版社(2009-03出版)操作系統嵌入式Linux應用開發完全手冊，韋東山，人民郵電出版社(2008-08出版)ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解，楊水清等，電子工業出版社(2008-11出版)WindowsCE嵌入式系統何宗鍵，北京航空航天大學出版社(2006-09出版)嵌入式系統設計與實例開發--基于ARM微處理器與uC/OS-II實時操作,王田苗，清華大學(2007-07出版)嵌入式軟件嵌入式軟件調試技術，陳云川，電子工業出版社(2009-01出版)嵌入式圖形系統設計，怯肇乾，北京航空航天大學出版社(2009-03出版)7實驗平臺SAMSUNGS3C2410實驗板，英蓓特，2009年ATOMZ530實驗板，聞亭公司，2009年8

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域9什么是嵌入式系統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:devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants。）10嵌入式系統的含義含義通俗的說，嵌入系統就是將計算機的硬件或軟件嵌入其它機、電設備或應用系統中去，所構成了一種新的系統，即嵌入式系統。構造原則嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，采用可剪裁軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。11嵌入式系統適用場合檢測、控制小型化、微型化器件、設備大吞吐量信號處理移動媒體信息處理多機電協同工作數控機床、單機電、儀表通訊、醫療、移動辦公視頻流處理DV、MP4、MID汽車電子、航空電子12嵌入式系統與桌面通用系統的區別(1/7)嵌入式系統中運行的任務是專用且比較確定的心臟監視器只需運行信號輸入、信號處理、心電圖顯示任務如要更改任務，需要對整個系統進行重新設計或在線維護升級桌面通用系統需要支持大量的、需求多樣的應用程序：對系統中運行的程序不作假設程序升級、更新等方便13嵌入式系統與桌面通用系統的區別(2/7)嵌入式系統往往對實時性提出較高的要求。實時系統：指系統能夠在限定的響應時間內提供所需水平的服務。（POSIX1003.b

）嵌入式實時系統可分為：強實時型：響應時間μs～ms級；一般實時：響應時間ms～s級；弱實時型：響應時間s級以上。桌面通用系統：以性能、價格的最優為追求原則面向多任務性能均衡14嵌入式系統與桌面通用系統的區別(3/7)嵌入式系統中使用的操作系統一般是實時操作系統嵌入式實時操作系統數量眾多，如：VxWorks、WindowsCE、pSOS、QNX、uc/OS嵌入式Linux、RTLinux國產嵌入式實時操作系統，如：HOPENDeltaOSSmartOS(/smartos)桌面操作系統Linux、Windows系列15嵌入式系統與桌面通用系統的區別(4/7)嵌入式系統運行需要高可靠性保障，比桌面系統的故障容忍能力弱很多嵌入式系統需要忍受長時間、無人值守條件下的運行嵌入式系統運行的環境惡劣16嵌入式系統與桌面通用系統的區別(5/7)嵌入式系統大都有功耗約束如：珍貴文物微氣象環境監測要求1分鐘采樣一次，每個采樣節點采用電池供電，1年更新一次。采用常規的方法，能量只能持續工作5天！引入間歇工作方式，從而降低功耗，節省能量WSN（無線傳感網）節點一般能工作1-2年17嵌入式系統與桌面通用系統的區別(6/7)嵌入式系統比桌面通用系統可用資源少得多為降低系統成本，降低功耗，嵌入式系統的資源配置遵循夠用就行！因此早年的嵌入式系統的主題是“裁剪”隨著集成化模塊化趨勢，目前某些領域的嵌入式系統，如刀片式路由器，其可用資源接近甚至超過桌面通用系統嵌入式系統的開發需要專用工具和特殊方法：開發：交叉編譯、交叉鏈接調試：仿真器、虛擬機更新：在線升級等18嵌入式系統與桌面通用系統的區別(7/7)

嵌入式系統開發是一項綜合的計算機應用技術系統結構：狀態控制器、中斷控制器處理匯編語言：操縱外圍設備、端口操作系統：設置運行任務、通訊、互斥編譯原理：交叉編譯、bootloader加載19

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域20嵌入式系統的發展歷程嵌入式系統出現于20世紀60年代，40多年來隨著計算機技術、電子信息技術的發展，嵌入式系統的各項技術蓬勃發展，市場迅猛擴大，已深入生產和生活的各個角落。嵌入式系統發展的三個階段嵌入式系統的出現和興起（1960－1970）嵌入式系統走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（1971－1989）嵌入式系統應用走向縱深化發展，富有挑戰（1990－至今）21嵌入式系統的出現和興起第一代電子管計算機(1946～1957年)，無法滿足嵌入式計算所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實時性強等一系列要求。第一個被大家認可的現代嵌入式系統麻省理工學院儀器研究室的查爾斯·斯塔克·德雷珀開發的阿波羅導航計算機。在兩次月球飛行中他們在太空駕駛艙和月球登陸艙都是用了這種慣性制導系統。在計劃剛開始的時候，阿波羅導航計算機被認為是阿波羅計劃風險最大的部分。為了減小尺寸和重量而使用的當時最新的單片集成電路加大了這種風險。22嵌入式系統的出現和興起60年代，第二代晶體管計算機系統開始應用：第一臺機載專用數字計算機是美國海軍艦載轟炸機“民團團員”號研制的多功能數字分析器(Verdan)。第一款大批量生產的嵌入式系統1961年發布的民兵I導彈上的D-17自動導航控制計算機。是由獨立的晶體管邏輯電路建造的，帶有一個作為主內存的硬盤。民兵II導彈在1966年開始生產，D-17第一次使用大量集成電路的計算機。民兵計算機:制導算法能夠在項目后期重新編程以獲得更高的導彈精度，并且計算機能夠測試導彈，從而節省電纜和接頭的重量。1962年美國乙烯廠實現了工業裝置中的第一個直接數字控制。1965～1970年，第三代集成電路化計算機系統應用：第一次使用機載數字計算機控制：1965年發射的Gemini3號第一次通過容錯來提高可靠性：1968年阿波羅4號、土星5號。23嵌入式系統走向繁榮，軟、硬件日臻完善嵌入式系統的大發展是在微處理問世之后：1971年11月，Intel公司推出了第一片微處理器Intel4004。

人們再也不必為設計一臺專用機而研制專用的電路、專用的運算器了，只需以微處理器為基礎進行設計。1976年，第一個單片機Intel8048出現。微控制器：許多以前是外部系統的元件被集成到同一個處理器芯片。1美元以下，使得嵌入式系統的大規模應用成為可能1982年，第一個DSP出現，比同期的CPU快10～50倍。80年代后期，第三代DSP芯片出現。八十年代末期，嵌入式系統已經出現在幾乎所有的電子設備軟件技術的進步使嵌入式系統日臻完善：早期嵌入式系統：采用匯編語言，基本不采用操作系統隨著硬件的提升、軟件技術發展：高級語言+操作系統24嵌入式系統應用走向縱深化發展應用充分普及：工業控制、數字化通訊、數字化家電汽車：50個到300個嵌入式微處理器飛機：70個以上嵌入式系統嵌入式微處理器32位、64位、128位嵌入式實時操作系統使用比率越來越高早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％嵌入式系統開發工具越來越豐富嵌入式系統產業鏈形成嵌入式系統時效性越來越明顯25嵌入式系統產業鏈26嵌入式系統市場規模及平均增長率（2003－2006）27嵌入式軟件系統生命周期發展28嵌入式系統發展趨勢軟硬件系統整合SOC設計：體積小、散熱好、低功耗、可靠性高應用領域拓展：傳感器網絡、普適計算內容服務增加29嵌入式系統目前的挑戰出現挑戰的起因嵌入式系統的目的：適應計算機向傳統電子產品迅速推進原因一：嵌入式系統發展與計算機技術發展越行越遠嵌入式系統與計算機技術，走了兩條獨立的道路嵌入式系統將計算機技術實用化，電子化，產品化嵌入式系統依賴于硬件推進帶動軟件升級，嵌入式軟件構件化困難形成兩類技術路線ARM為基礎的嵌入式硬件技術，定制軟件X86為基礎的計算機硬件技術，通用軟件兩者之間共享性極差，成果難以共享人員培養的困難，互相交集很少嵌入式工程師，一般通曉軟硬件；國內出現嵌入式系計算機工程師、架構師、程序員/軟件工程師，分工細致；30嵌入式系統目前的挑戰原因二：計算機技術逐步以通用化戰勝專用化通用處理器模塊化降低了成本超級計算機大規模使用通用處理器通用處理器可以IP復用甚至開源SUN開源了2款通用處理器源碼通用處理器功耗已經到0.65瓦，逼近0.5瓦的門檻通用處理器也走RISC路線與SOC路線，降低了功耗接口豐富虛擬化技術、云計算，抹平了硬件差異性通用計算機以USB對抗GPIO，豐富外圍設備接口開發通用設備硬件資源雖然浪費，但是硬件開發成本低軟件成本更低，人力成本、軟件復用31嵌入式系統目前的挑戰原因三：嵌入式技術逐步桌面化軟件Linux操作系統嵌入式WindowsXP硬件通用處理器用于MID、UMPC多核廠家計算機廠家、互聯網廠家介入嵌入式產品以手機革命為例2007年：蘋果iPhone2008年：谷歌gPhone革了誰的命?桌面也在嵌入式化移動計算機32

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域33嵌入式系統結構嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統（可選），以及用戶的應用軟件系統等四個部分組成

34一個典型的嵌入式系統應用35嵌入式微處理器1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）36外圍硬件設備（1/2）片外總線：連接系統各個部件，進行互連和傳輸信息的信號線。ESIA總線、SCSI總線、PCI總線AMBA總線：ARM研發的總線規范專用總線CompactPCI總線：工業控制CAN總線：汽車電子總線1553B總線：航空工業總線電子盤：采用flash芯片存儲數據，體積小、功耗低、抗震DOC：DiskonChipDOM：IDE電子盤CF：CompactFlashSM：SmartMediaMS：MemoryStickSSD：RAID方式的FLASH37外圍硬件設備（2/2）I/O設備A/D、D/A中斷控制器UARTLCD通訊設備有線通訊：IEEE1394、USB無線通訊：IrDA、Bluetooth、802.11b/g38嵌入式實時操作系統典型的嵌入式實時操作系統（RTOS）近200種操作系統，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS面向SOC的操作系統：Symbian的Epoc、ExpressLogic的ThreadX、ATI的Nucleus開放源碼的操作系統：Linux系列、uC/OSII典型性能指標內核大小：幾K～幾百K；調度時間片：1ms；實時任務響應時間：20～40微妙一般任務響應時間：20微妙～幾百毫秒39

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域40混合編程模式嵌入式軟件經常需要直接控制外設、進行寄存器操作等，因而較多使用高級語言、匯編語言混合編程：嵌入式匯編直接匯編調用匯編調用C語言41固定內存地址訪問嵌入式系統經常要求去訪問某特定的內存位置，如：

unsignedshortx;unsignedshort*io_regs;

io_regs=(unsignedshort*)0x400000000;x=*io_regs[10];42存儲限定符volatile編譯器優化工作的一個假設在多任務共享變量、中斷與任務共享變量時，必須使用volatile限定符，強制讀取內存中的值。

voidmain(void){

volatileint*p_status;int*p_data;

p_status=(int*)0x4001;p_data=(int*)0x4000;do{}while((*p_status&0x01)==0);……}43代碼共享與可重入在嵌入式系統中，多個任務使用子程序的一個單一拷貝是很常見，這些子程序稱為共享代碼。由于實時系統的任務是可搶占的，因而必須保證共享代碼同時被幾個任務調用而不發生沖突，這就是代碼的可重入。char*strcpy(char*des,constchar*src){

staticchar*save=des;while((*des++=*src++)!=‘\0’);return(save);}任務1執行時間優先級任務2strcpystrcpy任務1strcpy44按位操作嵌入式系統經常要求對變量或寄存器進行位操作。例如：給定一個整型變量a，寫兩段代碼，第一個設置a的bit3，第二個清除a的bit3。在以上兩個操作中，要保持其它位不變。#defineBIT3(0x1<<3)voidset_bit3(int*a){*a|=BIT3;}voidclear_bit3(int*a){*a&=～BIT3;}45看門狗定時器對于要求高可靠性的嵌入式應用場合，系統往往提供看門狗（WATCHDOG）機制，以防止用戶程序進入死循環。程序能夠生成一個看門狗，并交付執行動作，如果應用程序在指定的時間內不能將看門狗置位，將觸發指定的程序。看門狗執行動作包括：系統重啟、任務重啟、跳出循環46

課程大綱課程概述嵌入式系統定義嵌入式系統發展歷程嵌入式系統構成要素獨特的嵌入式軟件技術嵌入式系統應用領域47計算機系統的創新：

桌面計算機平板計算機個人電腦ModBook平板電腦Toshiba平板電腦ClickStartMyFirstComputerViewsonic無線遙控平板人人電腦計劃(OLPC)「雙屏幕」筆記本電腦SamsungU200一體機48計算機系統的創新：UMPCUltra-MobilePC網絡、GPS、鍵盤或屏幕手寫NetbookMID:MobileInternetDeviceHTCAthena大同UMPCoQoSony49嵌入式系統：PDA個人信息助理掌上電腦導航產品與谷歌地圖PDA手機+GPS導航＝DopodU1000，且支持SkyPEMap-Star的GPS定位設備華碩GPS導航器SONYGPS導航器Nokia6110四頻HSDPA/GPS導航器50嵌入式系統：手機普通手機智能手機與PDA結合網絡手機gphone韓國電信手機/電視遙控器二合一產品SonyEricsson超小型手機電腦手機放在底座上成為電腦Nokia手機戶外音響內置DVB-H移動電視手機51嵌入式系統：PMPiLuv可即時將視頻錄制到iPod/閃存卡上，與以前技術相反Sony家用影音綜合設備XtremeMac開發的iPod音箱IPEVO支持Skype電話Nike的

iPod帽MeizuM8IpodnanoArchos帶Wifi的704PortableMediaPlayer52嵌入式系統：辦公用品錄音筆FLY數字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內容能“閱讀”寫作和糾正語法錯誤完成簡單的算術運算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數字便箋存儲100頁便箋2000LPI分辨率可通過USB連接電腦筆跡識別軟件PolymerVision手機書使用可卷電子紙的電子書閱讀器53嵌入式系統：手表MartinFrey手表日程表和手機聯動獲取網絡連接和GPS定位信息手表手機：M3001英寸的顯示屏USB接口可播放音樂支持藍牙Nike的Speed+手表結合iPod和運動計測韓國防性罪犯的電子手鐲可追蹤罪犯的定位和坐標愛國者視頻MP4手表電子墨水表54嵌入式系統：運動玩具游戲GTX公司定位的運動跑鞋內置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓防止犯罪的蜻蜓街燈次世代三大主流三款主機Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,槍Scarpar坦克滑板55嵌入式系統：攝像器材數碼相機DV3D攝影機56智能家電智能冰箱（有時稱為網絡冰箱）在冰箱內部裝有攝像頭、RFID接收器或者條碼掃描器可以通過這些設備采集冰箱內部存貨的信息，并通過網絡進行傳輸信息對冰箱的溫度控制韓國一家公司的“網絡冰箱”，門上有一個15英寸液晶顯示器，用戶可以通過冰箱上網、打可視電話和觀看影片網絡微波爐、網絡電飯煲、網絡空調等家電功能現對簡單，可以通過網絡下載食譜，可以通過網絡進行控制57嵌入式系統：智能家居智能家具智能家電Roto-Rooter公司馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb鬧鐘不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶i.Master浙江大學顯示營養智能果汁機58智能割草機、掃地機器人59主要特點

通過顯示屏顯示榨出的果汁的主要營養成分

根據水果的軟硬程度自動調整轉速，最大程度保存營養成分

聯網實時更新程序，享受科技的進步，不會貶值的果汁機

根據不斷變化的個人特點給與實時的營養建議智能營養果汁機60嵌入式系統：多媒體終端IP電話視頻會議可視電話基于視頻電話的小型視頻會議系統(MCU)語音識別電話基于H.323協議族的網絡視頻電話61嵌入式系統：家庭音響引入計算機技術的音響配備B&O與Core2Duo的P.Guerra家庭影院SonosZP80無線音響LGHDDVD/藍光播放器Motorola支持M卡的HDDVR錄像機iPhoneKineticHD家用多媒體播放HTPC機Corei7超強CPU處理器，4個TV調諧，802.11a/b/g/nWiFi無線，一個CreativeX-Fi鈦金屬概念聲卡和WindowsVista系統62嵌入式系統：電視高清電視數字電視立體顯示技術LG內置數字錄像機的LCDTVAppleTV:IntelPentiumM1.0GHz2MBofL2高速緩存nVidiaG72M顯示卡

64MBDDR2內存內置的40GB硬盤播放iTunes能輸出1080p高畫質影像的iPodDock數字電視機頂盒63家居家庭相冊小心病毒遠程寵物喂養器遠程觀看到寵物的行動跟它對話遠程喂養寵物嵌入式枕頭64嵌入式系統：通訊設備有計算機能力的各種通訊設備路由器/交換機/防火墻等Buffalo路由器/USB網卡套裝VPN產品千兆網關防火墻

65嵌入式系統：儀器儀表DCG(動態心電圖儀)便攜式多參數監護儀中醫指套傳感器脈象虛擬儀器推拿手法測試儀電動機故障狀態監測保護系統血壓計手持儀監控儀66嵌入式系統：交通相關汽車電子處理器個數可達三位數車載:娛樂，定位等車控:ABS、EBD等其他中國版月球車汽車立體聲音響HDRadio擴展包改裝遮陽板DVD/TV/MP3月球機器人67嵌入式系統：軍工武器控制系統數字化單兵系統有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震動和沖擊溫度和濕度21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統夜視掃描、全球定位、指揮通信68嵌入式系統：機器人智能機械手CHARLI機器人機械臂首臺中國菜肴烹飪機器人機器人滑板69嵌入式系統：新興硬件無線靜脈識別龍芯上網本服用的RFID芯片IntelTolapai計劃要把南北橋做在芯片中AMDSwift