嵌入式系統徐迎暉yhhsu@139.combeddedSystem課程意義課程設置的必要性：電子產品應用需求越來越復雜微處理器技術快速發展嵌入式技術成為核心教學內容與目標：理解嵌入式系統的概念和基本要素掌握嵌入式系統軟硬件設計的基本方法實踐嵌入式系統項目的開發流程為深入開展嵌入式系統相關項目奠定基礎嵌入式課程體系本課程內容嵌入式系統基礎知識：

概述、硬件、軟件、開發方法

PSoC5LP開發板：

基礎知識、小實驗

μC/OS-III嵌入式實時操作系統：

基礎知識、小實驗項目開發基礎：大實驗

成績評定平時實驗（40%）：4個小實驗，報告+設計文件大實驗（20%）：1個綜合設計性實驗期末考試（40%）：筆試開卷，基礎知識+實驗過程中的知識第一講嵌入式系統概述1.嵌入式系統基本概念2.嵌入式系統特點3.嵌入式系統發展4.嵌入式系統應用5.嵌入式系統組成6.嵌入式處理器7.嵌入式操作系統第一講嵌入式系統概述一嵌入式系統基本概念第一講嵌入式系統概述第一階段：始于五十年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型機。第二階段：始于七十年代的個人計算機。第三階段：計算機正邁入下一個充滿機遇的階段——“后PC時代”或“無處不在的計算機”階段。計算機發展的三大階段全世界的計算機科學家正在形成一種共識:

計算機不會成為科幻電影中的那種貪婪的怪物,而是將變得小巧玲瓏,無處不在。他們藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能強大,卻又無影無蹤。人們將這種思想稱為:“無所不在的計算機”。

無所不在彼此互連顯示器主機鼠標鍵盤諸如主機、顯示器、鍵軟件看得見的計算機：如PC、服務器、大型計算機SmartDust（智能塵埃）http:///~pister/SmartDust/

1mm3的計算機密歇根州大學

“提到CPU我們很直覺地會聯想到PC，但事實上CPU的應用領域、范圍及采用的數量都遠遠超過PC的范圍。以數量來看，x86的CPU，包含Intel及AMD公司所生產的，加起來也抵不過其它種類CPU總消耗量的0.1%(其中應用數量最大的是在嵌入式系統)。數量之大說明了嵌入式系統應用的范圍之廣。這也意味沒有什么所謂典型的嵌入式系統應用。嵌入式CPU還包括微控制器及信號處理器等等”。－JimTurley@2000嵌入式系統國際會議

CPU——計算機的核心嵌入式系統的定義第一講嵌入式系統概述IEEE:

Embeddedsystemsaredevicesusedtocontrol,monitororassisttheoperationofequipment,machineryorplant.Theterm"embedded"meansthattheyareanintegralpartofthesystem.Theyaremicroprocessorsorincludemicroprocessors,butdon'tresemble"classic"computers.Theyareeithersingleormultipurposecomputerizeddevicesliterallyembeddedintolargerpieceofequipmentorproductandcanbeusedtoprocessdatarelatedinformation.

Embeddedsystemsareusedinequipment,devicesandmachineryfoundinhomes,hospitals,buildings,plants,facilitiesandcomputersystems.第一講嵌入式系統概述簡單地講·嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環境要求·專用性：軟、硬件按對象要求裁減·計算機：實現對象的數據處理及智能化功能就是嵌入到對象體中的專用計算機系統三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統的特點:由三要素引出第一講嵌入式系統概述廣義地說一個嵌入式系統就是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件集合體。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。嵌入式系統發展的最高形式——片上系統（SOC）第一講嵌入式系統概述嵌入式系統的分類▲芯片級嵌入（含程序或算法的處理器）▲模塊級嵌入（系統中的某個核心模塊）▲系統級嵌入按表現形式分（硬件范疇）：正成為主流發展趨勢高度復雜的、高速的嵌入式系統已開始采用目前已大量應用▲8位嵌入式系統▲16位嵌入式系統▲32位嵌入式系統▲64位嵌入式系統按處理器位數分（硬件范疇）：▲硬實時系統：系統對系統響應時間有嚴格的要求，如果系統響應時間不能滿足，就要引起系統崩潰或致命的錯誤。

（工業和軍工系統）▲軟實時系統：系統對系統響應時間有要求，但是如果系統響應時間不能滿足，不會導致系統出現致命的錯誤或崩潰。

（消費類產品）按確定性要求分（軟件范疇為主）：▲強實時系統：其系統響應時間在毫秒或微秒級?！话銓崟r系統：其系統響應時間在秒級,其實時性的要求比強實時系統要差一些?！鯇崟r系統：其系統響應時間更長。這種系統的響應時間可能隨系統負荷的輕重而變化。按處理速度分（軟件范疇為主）：▲循環輪詢系統▲有限狀態機系統▲前后臺系統▲單處理器多任務系統▲多處理器多任務系統按嵌入式系統軟件復雜程度分：信息家電類移動終端類通信類汽車電子類工業控制類按應用來分：第一講嵌入式系統概述二嵌入式系統特點

由于嵌入式系統是應用于特定環境下，針對特定用途來設計的系統，所以不同于通用計算機系統。

它的硬件和軟件都必須高效率地設計，“量體裁衣”、去除冗余，力爭在較少的資源上實現更高的性能。它與通用的計算機系統相比具有以下顯著特點：(1).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的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。第一講嵌入式系統概述(2).系統精簡嵌入式系統通?！扒度搿钡綄ο蟮捏w系中，其軟硬件系統都必須高效率地設計，在保證穩定、安全、可靠的基礎上量體裁衣、去除冗余，確保系統具有低功耗、小體積、高集成度和低成本等優勢，力爭用較少的軟硬件資源實現較高的性能。(4).高可靠性嵌入式系統一般要求具有出錯處理和自動復位功能，特別是對于一些在極端環境下運行的嵌入式系統而言，其可靠性設計尤其重要。在大多數嵌入式系統中一般都包括一些機制，如看門狗定時器，內存保護和重啟動機制。(3).高實時性高實時性是嵌入式軟件的常見要求，而且軟件代碼要求高質量、高可靠性，必須固化存儲，以提高代碼執行速度和可靠性。第一講嵌入式系統概述(5).操作系統內核小、可裁剪、實時可靠、可固化

由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置，系統資源相對有限，所以內核較之傳統的操作系統要小很多。如Enea公司的OSE分布式系統，內核只有5KB，而Windows的內核則要大很多。(6).開發工具和開發環境的專用性

嵌入式系統本身一般不具備自主開發能力，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和各種儀器設備。開發時往往有宿主機和目標機的概念，宿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。(7).關注成本嵌入式系統通常需要注意的成本是系統成本，特別是量大的消費類數字化產品，其成本是產品競爭的關鍵因素之一。嵌入式系統的成本包括:一次性的開發成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本產品成本：硬件BOM、外殼包裝和軟件版稅等批量產品的總體成本=NRE成本+每個產品成本*產品總量每個產品的最后成本=總體成本/產品總量=NRE成本/產品總量+每個產品成本三嵌入式系統發展第一講嵌入式系統概述無操作系統階段嵌入式系統最初的應用是基于單片機的，大多以可編程控制器的形式出現，具有監測、伺服、設備指示等功能，通常用于各類工業控制和飛機、導彈等武器裝備中，一般沒有操作系統的支持，只能通過匯編語言對系統資源的直接控制，運行結束后再清除內存。這些裝置雖然已經初步具備了嵌入式的應用特點，但僅僅只是使用8位的CPU芯片來執行一些單線程的程序，因此嚴格地說還談不上"系統"的概念。這一階段嵌入式系統的主要特點是：系統結構和功能相對單一，處理效率較低，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統使用簡便、價格低廉，因而在工業控制等領域得到了非常廣泛的應用。但卻無法滿足現今對執行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等場合的需要。

第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述簡單操作系統階段

20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統統集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設計的微處理器，并一舉成為嵌入式系統領域中異軍突起的新秀。與此同時，嵌入式系統的程序員也開始基于一些簡單的“操作系統”開發嵌入式應用軟件，大大縮短了開放周期、提高了開放效率。這一階段嵌入式系統的主要特點是：出現了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU(如PowerPC等)。各種簡單的嵌入式操作系統開始出現并得到迅速發展，用于控制系統負載以及監控應用程序的運行，初步具備了一定的兼容性和擴展性，內核精巧且效率高。第一講嵌入式系統概述實時操作系統階段

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步飛速發展，而面向實時信號處理算法的DSP產品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統的軟件規模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務操作系統(RTOS)，并開始成為嵌入式系統的主流。這一階段嵌入式系統的主要特點是：操作系統的實時性得到了很大的改善，具有高度的模塊化和可擴展性，能夠運行在各種不同類型的微處理器上。此時的嵌入式操作系統已經具備了文件和目錄管理、設備管理、多任務、網絡、圖形用戶界面(GUI)等功能，并提供了大量的應用程序接口(API)，從而使得應用程序的開發變得更加簡單。第一講嵌入式系統概述面向Internet階段

21世紀無疑是一個網絡的時代，隨著Internet的進一步發展，以及Internet技術與信息家電、工業擴展技術等的結合日益緊密，嵌入式設備與Internet的結合是嵌入式技術的真正未來。信息時代和數字時代的到來，為嵌入式系統的發展帶來了巨大的機遇，同時也對嵌入式系統廠商提出了新的挑戰。目前，嵌入式技術與Internet技術的結合正在推動著嵌入式技術的飛速發展，嵌入式系統的研究和應用產生了如下新的顯著變化：

(1).新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統自身結構的設計更加便于移植，能夠在短時間內支持更多的微處理器；

(2).嵌入式系統的開發成了一項系統工程，開發商不僅要提供嵌入式軟硬件系統本身，同時還要提供強大的硬件開發工具和軟件支持包；第一講嵌入式系統概述(3).通用計算機上使用的新技術、新概念開始逐步移植到嵌入式系統中，如嵌入式數據庫、移動代理、實時CORBA等，嵌入式軟件平臺得到進一步完善；(4).各類嵌入式Linux操作系統迅速發展，由于具有源代碼開放、系統內核小、執行效率高、網絡結構完整等特點，很適合信息家電等嵌入式的需要；(5).網絡化、信息化的要求隨著Internet技術的成熟和寬帶的提高而日益突出，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，結構變得更加復雜，網絡互聯成為必然趨勢；(6).精簡系統內核，優化關鍵算法，降低功耗和軟硬件成本；(7).提供更加友好的多媒體人機交互界面。第一講嵌入式系統概述四嵌入式系統應用應用領域

社會經濟的發展產生了新的需求，同時促進了嵌入式技術的廣泛應用。中國成為世界制造大國，在工業應用、網絡設備、軍事國防、消費電子……等領域都有嵌入式系統的應用。第一講嵌入式系統概述嵌入式技術刺激了許多新的應用需求嵌入式技術發展又在不斷刺激新的技術產生－信息家電、醫療電子病歷、微小型智能武器……消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子影音設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網絡通信工業軍事國防電子商務網絡第一講嵌入式系統概述工業控制工業設備過去在工業過程控制、數控機床、電力系統、電網安全、設備監測、石油化工系統等方面，大部分低端型設備主要采用的是８位單片機。隨著技術發展，目前許多設備除了進行實時控制，還須將設備狀態，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。第一講嵌入式系統概述通信設備應用示例——手機中的嵌入式系統第一講嵌入式系統概述手機（三星S500）中的嵌入式系統第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述手機（YAKUMO）中的嵌入式系統第一講嵌入式系統概述信息家電只有按鈕、開關的電器顯然已經不能滿足人們的日常需求。具有用戶界面，能遠程控制、智能管理的電器是未來的發展趨勢，如冰箱、空調等的網絡化、智能化等。第一講嵌入式系統概述智能儀表遠程數據采集終端第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述消費類電子智能消費類產品坐姿測試椅[MIT]仿生運動鞋[Adidas]情緒類裝飾品[NYU]

第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述交通管理、環境監測

交通管理：車輛導航、視頻監控、流量控制、高速收費、停車場管理……目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓家庭。

環境監測：水文資料實時監測，防洪體系及水土質量監測、堤壩安全，地震監測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染PM2.5監測。第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述智能玩具與機器人第一講嵌入式系統概述高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統:RT-Linux

響應周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通智能機器魚第一講嵌入式系統概述電源子系統CPLD脈寬調制系統單片機伺服電機組仿水魚外皮魚體骨架小魚子系統的實物圖工控機不能直接應用。單板機很難實時處理多任務，檢測、控制、協調、通訊等。第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述嵌入式Internet應用第一講嵌入式系統概述汽車電子（VOLVOS80汽車的CAN總線網絡,18個嵌入式控制模塊）馬達控制器車燈尾燈控制系統后車門控制系統前車門控制系統座椅控制系統發動器控制系統所有的控制系統都是一個完整的嵌入式系統第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述軍事國防領域阿富汗參加反恐作戰的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶12架攝像機，發揮了很好作用。微型飛行器---“黑寡婦”第一講嵌入式系統概述6英尺、80g（2克相機、2克視頻發射機、5克無線電控制系統與、0.5克驅動裝置）1.8公里通信距離30分鐘續航第一講嵌入式系統概述航天領域第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述未來嵌入式系統的發展趨勢互聯網的普及半導體技術的改善3C（Computer,Communication,ConsumerElectrics）技術的快速融合滿足使用者的大量需求信息服務應用生活化可穿戴式應用第一講嵌入式系統概述技術的滲透性和融合性第一講嵌入式系統概述設備的關聯性第一講嵌入式系統概述AnyTime,AnyWhere,AnyMedium,AnyContent第一講嵌入式系統概述五嵌入式系統組成

一般而言，嵌入式系統的組成架構可以分成三層，四個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和應用程序。嵌入式硬件平臺嵌入式處理器嵌入式外圍設備嵌入式操作系統應用程序應用程序與操作系統的接口

操作系統與硬件的接口四層結構也常見：嵌入式硬件平臺、硬件抽象層（HAL）、嵌入式操作系統、應用程序。嵌入式硬件平臺硬件抽象層（HAL）應用程序嵌入式操作系統應用程序與操作系統的接口操作系統與HAL的接口HAL與硬件的接口第一講嵌入式系統概述增加硬件抽象層HAL（HardwareAbstractionLayer）也稱為板級支持包BSP（BoardSupportPackage），主要目的是屏蔽下層硬件，使操作系統不再直接面對具體的硬件環境。HAL通過特定的上層接口與操作系統進行交互，向操作系統提供底層硬件信息，并根據操作系統的要求完成對硬件的直接操作。HAL的引入大大推動了嵌入式系統的通用化，為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能。第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述典型嵌入式系統組成應用軟件系統軟件硬件第一講嵌入式系統概述嵌入式處理器嵌入式系統的核心部件，大多工作在為特定用戶群所專門設計的系統中，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部，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。嵌入式處理器包括：低端的嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)中高端的嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU)用于計算機通信領域的嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)高度集成的嵌入式片上系統(SystemOnChip，SOC)嵌入式處理器的體系結構經歷了從CISC(復雜指令集)到RISC(精簡指令集)和CompactRISC的轉變，位數則由4位、8位、16位、32位逐步發展到64位。第一講嵌入式系統概述目前，幾乎每個大的半導體制造商都生產嵌入式處理器，全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，流行的體系結構也有30多個系列，其中以ARM、PowePC、X86、MIPS等使用得最為廣泛。第一講嵌入式系統概述嵌入式外圍設備在嵌入式系統的硬件中，除了中央控制部件(MCU、DSP、EMPU、SOC)以外，用于完成存儲、通信、顯示等配套功能的其它硬件部件，都可以算作嵌入式外圍設備。常用的嵌入式外圍設備按功能可分為：存儲設備、通信設備和顯示設備三大類。第一講嵌入式系統概述目前存在的絕大多數通信接口都可以直接應用于嵌入式系統中，包括UART接口(通用異步串行通信接口)、IrDA(紅外線接口)、SPI(串行外圍設備接口)、I2C(INTER

IC

總線接口)、USB(通用串行總線接口)、Ethernet(以太網接口)、CAN(現場總線)等。對于嵌入式系統中的顯示設備，根據應用場合的特點，通常使用的是數碼管(LED)、液晶顯示器(LCD)和觸摸顯示屏(TouchPanel)等顯示設備。存儲設備主要用于各類數據的存儲，常用的有靜態隨機存儲器(SRAM)、動態存儲器(DRAM)和非易失存儲器(ROM、UVEPROM、EEPROM、FLASH)三種，其中FLASH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，在嵌入式領域得到了廣泛應用。硬件抽象層HAL硬件抽象層通過HAL接口向操作系統和應用程序提供對抽象后的硬件的服務。它是一套軟件。

板級支持包(BSP)是商用嵌入式操作系統實現可移植性所采用的一種方案，是硬件抽象層的一種實現。BSP是介于硬件和操作系統中驅動層程序之間的一層，有時也可認為屬于操作系統一部分。BSP實現了對操作系統的支持，為上層的驅動程序提供訪問硬件設備寄存器的函數包。

BSP隔離了所支持的嵌入式操作系統與硬件平臺之間的相關性，使操作系統通用于BSP所支持的硬件平臺，實現了嵌入式操作系統的可移植性、跨平臺性、通用性和復用性。第一講嵌入式系統概述不同的操作系統要求不同定義形式的BSP

例如，對同一個CPU來說，要實現同樣的功能，VxWorks的BSP和Linux的BSP的寫法和接口定義完全不同。

BSP一定要按照具體操作系統BSP的定義形式來寫（或在某個成型的BSP模板上修改），保障與上層操作系統的正確接口，良好地支持上層操作系統。BSP直接操作硬件，因此不同的板卡、不同的硬件配置將不同程度地影響BSP。第一講嵌入式系統概述嵌入式操作系統為了使嵌入式系統的開發更加方便和快捷，需要有專門負責管理存儲器分配、任務調度、中斷處理等功能的軟件模塊，這就構成了嵌入式操作系統。嵌入式操作系統是用來支持嵌入式應用的系統軟件，是嵌入式系統極為重要的組成部分，通常包括系統內核、硬件相關的底層驅動程序、設備驅動接口、通信協議、圖形用戶界面等。第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理復雜的系統資源，能夠對硬件進行抽象，能夠提供庫函數，驅動程序、開發工具等。但與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應用專業性等方面具有著鮮明的特點。嵌入式操作系統根據應用場合可分為兩大類：一類是面向消費電子產品的非實時操作系統，這類設備包括個人數字助理(PDA)、移動電話、機頂盒(STB)等；另一類則是面向控制、通信、醫療等領域的實時操作系統，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系統軟件公司的QNX等。

實時系統是一種能夠在指定或者確定時間內完成系統功能，并且對外部和內部事件在同步或者異步時間內能作出及時響應的系統。第一講嵌入式系統概述第一講嵌入式系統概述應用程序應用程序(APP)是針對特定應用領域，基于某一固定的硬件和操作系統平臺，用來達到用戶預期目標的計算機上層軟件。由于用戶任務可能有時間和精度上的要求，因此，有些嵌入式應用程序需要特定嵌入式操作系統的支持。嵌入式應用程序和普通應用程序有一定的區別，不僅要求它在準確性、安全性和穩定性等方面滿足實際應用的需要，而且還要盡可能地進行優化，以減少對系統資源的消耗，降低硬件成本。第一講嵌入式系統概述六嵌入式處理器目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行的體系結構包括MCU、MPU等類型的30多個系列。從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。第一講嵌入式系統概述嵌入式處理器一般具有以下四個特點：

對實時多任務操作系統具有很強的支持能力。能夠實現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小到最低程度;處理器結構可擴展。能夠快速開發出滿足各種應用和高性能的嵌入式處理器;具有功能很強的存儲區保護功能。由于嵌入式系統的軟件結構一般為模塊化，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，同時也有利于軟件故障診斷;

低功耗。尤其是在便攜式的無線及移動計算和通信設備的嵌入式系統中，其功耗可以達到mW級，甚至uW級。第一講嵌入式系統概述

近年來，嵌入式處理器的主要發展方向是小體積、高性能、低功耗。專業分工也越來越明顯，出現了專業的IP(IntellentualPropertyCore,知識產權核)供應商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優質、高性能的嵌入式微處理器內核，由各個半導體廠商生產面向各個應用領域的芯片。嵌入式處理器通常分為四類：嵌入式處理器嵌入式微控制器MCU嵌入式微處理器MPU嵌入式DSP處理器DSP嵌入式片上系統SOC第一講嵌入式系統概述MCU嵌入式微控制器的典型代表是8位單片機，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、總線邏輯、I/O口、定時/計數器、串行通信口、A/D、D/A、看門狗等各種常用功能和外設。第一講嵌入式系統概述MCU處理能力有限

MCU微控制器，數據總線寬度一般為8位或16位，處理速度有限，一般在幾個~幾十個MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統就更難。第一講嵌入式系統概述MPUMPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，80386－80387與通用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。第一講嵌入式系統概述DSPDSP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體系方面進行了針對常用信號處理算法所需的特殊設計，在數字濾波、FFT、頻譜分析等方面DSP獲得了大規模的應用。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。為了追求高執行效率，不適合運行操作系統，核心代碼有時使用匯編。第一講嵌入式系統概述SOCSOC（片上系統）是IC設計的發展趨勢。采用SOC設計技術，可以大幅度地提高系統的可靠性，減少系統的面積和功耗，降低系統成本，極大地提高系統的性能價格比。SOC芯片已經成為提高移動通信、網絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統性能的核心器件。第一講嵌入式系統概述SOPC用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統：首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；其次，它是硬件可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級。用可編程邏輯技術可實現一個內嵌的小型CPU，并具備軟硬件在系統可編程的功能。ARM處理器簡介ARM，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，它是一家微處理器行業的知名企業，其主要業務是設計16位和32位的嵌入式處理器。該公司設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC（精簡指令集）處理器。ARM（AdvancedRISCMachines）處理器是當今最流行的一類微處理器（之一）。將技術授權給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...ARM公司只做設計，本身并不生產和銷售芯片，而是采用技術授權的方式，由合作公司生產各具特色的芯片。世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM處理器芯片進入市場。中部的這些公司就是和ARM公司合作最緊密的公司，他們都是些半導體公司，也是ARM的直接客戶。提供運作環境的。為ARM提供開發工具的。為ARM提供操作系統的。提供ARM培訓和認證的。為ARM提供設計工具的。是ARM公司的應用伙伴。ARM處理器的特點體積小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件大量使用寄存器，指令執行速度快大多數數據操作都在寄存器中完成尋址方式靈活簡單，執行效率高采用固定長度的指令格式

ARM處理器的發展歷程

●第一片ARM處理器是1983年10月到1985年4月間在位于英國劍橋的AcornComputer公司開發。

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1990年，為廣泛推廣ARM技術而成立了獨立的公司。

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20世紀90年代，ARM快速進入世界市場。性能功能和兼容性Cortex-M0Cortex-M1Cortex-M3Cortex-M4Cortex-R4Cortex-A5Cortex-A8Cortex-A9Cortex-A15ARM7ARM9ARM11古典ARM處理器嵌入式Cortex處理器應用程序Cortex處理器ARM不同系列處理器性能之間關系版本ARM處理器核心特點ARMv1ARM1該版體系結構只在原型機ARM1出現過，沒有用于商業產品?；拘阅埽海?）基本的數據處理指令（無乘法）（2）26位尋址ARMv2ARM2和ARM3該版體系結構對ARMv1版進行了擴展，版本ARMv2a是v2版的變種，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加以下功能：（1）32位乘法和乘加指令（2）支持32位協處理器操作指令（3）快速中斷模式ARM體系結構版本及特點ARMv3ARMv3MARM6ARM7DIARM7MARMv3版體系結構對ARM體系結構作了較大改動：（1）尋址空間增至32位（4GB）（2）獨立的當前程序狀態寄存器CPSR和程序狀態保存寄存器SPSR，保存程序異常中斷時的程序狀態，以便于對異常的處理。（3）增加了異常中斷（Abort）和未定義兩種處理器模式（4）增加了MMU支持（5）ARMv3M增加了有符號和無符號長乘法指令ARMv4ARMv4TStrongARMARM7TDMIARM9TARMv4版體系結構在v3版上作了進一步擴充，指令集中增加了以下功能：（1）增加了系統模式（2）增加了16位Thumb指令集（3）完善了軟件中斷SWI指令的功能（4）不再支持26位尋址模式ARMv5TEARMv5TEJARM9EARM10EXscaleARM7EJARM926EJARMv5版體系結構在ARMv4版基礎上增加了一些新的指令，包括：（1）增加ARM與Thumb狀態之間切換的指令（2）增強乘法指令和快速乘累加指令（3）增加了數字信號處理指令（ARMv5TE版）（4）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版體系結構是2001年發布的，首先在ARM11處理器中使用。此體系結構在ARMv5版基礎上增加了以下功能：（1）Thumb2增強代碼密度（2）SIMD增強媒體和數字處理功能（3）TrustZone提供增強的安全性能（4）IEM提供增強的功耗管理功能ARMv7Cortex系列ARMv7版體系結構定義了3種不同的微處理器系列：（1）A系列為面向應用的微處理器核，支持復雜操作系統和用戶應用。（2）R系列為深度嵌入的微處理器核，針對實時系統應用。（3）M系列為微控制核，針對成本敏感的嵌入式控制應用。ARMv8ARMv8是在32位ARM架構上進行開發的，被首先用于對擴展虛擬地址和64位數據處理技術有更高要求的產品領域。ARMv8架構包含兩個執行狀態：AArch64和AArch32。AArch64執行狀態針對64位處理技術，引入了一個全新指令集A64，可以存取大虛擬地址空間，支持TrustZone技術、虛擬化技術及NEONadvancedSIMD技術等；而AArch32執行狀態支持現有的ARM指令集。ARM處理器核——ARMCortex系列ARMCortex發布于2005年，為各種不同性能需求的應用提供了一整套完整的優化解決方案，該系列的技術劃分完全針對不同的市場應用和性能需求。目前ARMCortex定義了三個系列：①“A”系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統和用戶應用；②“R”系列針對實時系統；③“M”系列對微控制器和低成本應用提供優化。ARM處理器核——Cortex-M針對價格敏感應用領域的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集，強調操作的確定性，以及性能、功耗和價格的平衡。是為對開發費用非常敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應用（如微控制器、汽車車身控制系統和各種大型家電）所設計的，主要面向單片機領域，可以說是51單片機的完美替代品。ARM是公司名稱ARM是一種處理器架構ARM是一種標準注：“ARM核”并不是芯片，ARM核與其它部件如RAM、ROM、片內外設組合在一起才能構成現實的芯片。第一講嵌入式系統概述七嵌入式操作系統與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點嵌入式操作系統的出現大大提高了嵌入式系統開發的效率，改變了以往嵌入式軟件設計只能針對具體的應用從頭做起的方式。嵌入式操作系統EOS(EmbeddedOS)：指運行在嵌入式系統中，對整個嵌入式系統所操作、控制的各種資源進行協調、調度和控制的系統軟件。

EOS負責嵌入系統的全部軟、硬件資源的分配、調度，控制、協調并發活動。

EOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺，是嵌入式系統極為重要的組成部分，通常包括系統內核、與硬件相關的底層驅動軟件、設備驅動接口、通信協議、圖形界面等。驅動程序HAL/BSP應用程序接口（API）數據庫模塊網絡模塊圖形驅動OS核內存管理任務間通信OS基本模塊擴展模塊任務調度應用程序硬件層第一講嵌入式系統概述資源管理文件系統第一講嵌入式系統概述典型的嵌入式操作系統(1).VxWorks

VxWorks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。是目前嵌入式系統領域中使用最廣泛、市場占有率最高的實時操作系統。它支持多種處理器，如X86,i960,SunSparc,MotorolaMC68k,MIPSRX000,PowerPC,ARM等。由于其良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，在嵌入式實時操作系統領域占據重要的一席之地。

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，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的F-16、FA-18戰斗機、B-2隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。在我國的交換通信設備上，VxWorks幾乎成了嵌入式實時操作系統的標準。第一講嵌入式系統概述(2).Nucleus

NucleusPlus是美國源代碼操作系統商ATI(AcceleratedTechnologyInc.)公司推出的新一代嵌入式操作系統，屬于搶占式實時多任務操作系統內核，其95%的代碼使用ANSIC編寫，非常便于移植于各種處理器家族。從實現的角度來講，不同于傳統嵌入式開發，NucleusPlus是以函數庫的形式鏈接到目標應用程序中，形成可執行目標代碼，下載到目標板上或燒到ROM/FLASHROM中去執行。

NucleusPlus內核在典型的CISC體系結構上占據大約20k空間，而在典型的RISC體系結構上占據空間為40k左右，其內核數據結構占據1.5k字節的空間。NucleusPlus以其實時響應、搶先、多任務以及源代碼開放特性獲得在通訊、國防、工業控制、航空/航天、鐵路、網絡、POS、自動化控制、智能家電等領域的廣泛應用。

第一講嵌入式系統概述(3).QNX

QNX實時操作系統是由位于加拿大渥太華的QNX軟件系統公司開發的一個針對嵌入式應用的，可以使用在嚴實時應用中的高可靠性微內核實時操作系統。能夠運行在x86,PowerPC,ARM,XScale,MIPS,SH-4等一系列硬件平臺上。它由微內核和一組共操作的進程組成，具有高度的伸縮性,可靈活地剪裁，最小配置只占用幾十KB內存。因此，可以廣泛地嵌入到智能機器、智能儀器儀表、機頂盒、通訊設備、PDA等應用中去。2005年7月，QNX被應用到NASA重返太空飛行任務中的Neptec激光攝像機系統中。第一講嵌入式系統概述

(4).WindowsCE