1嵌入式技術基礎主講:王超中南民大計算機科學學院2ARM嵌入式系統-課程特點專業技術基礎課硬件系列課程之一計算機組成原理微機原理及接口技術嵌入式系統計算機體系結構指定選修課以技術為主面向應用軟硬件相結合課程特點3ARM嵌入式系統-先修課程計算機文化課基礎(全面了解)數字邏輯提供硬件基礎計算機組成原理確立計算機部件功能掌握計算機工作原理高級語言程序設計熟悉C語言程序設計的方法掌握基本程序設計思想先修課程41.嵌入式系統2.嵌入式系統組成3.嵌入式處理器4.嵌入式操作系統嵌入式系統概述51.1嵌入式系統1.1.1現實中的嵌入式系統嵌入式系統的應用：工業自動化、國防、運輸和航天領域。

例如神州飛船和長征火箭中嵌入式系統，導彈的制導系統中的嵌入式系統，高檔汽車中也有多達幾十個嵌入式系統。

在日常生活中，幾乎所有帶有一點“智能”的家電（全自動洗衣機、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統。嵌入式系統廣泛的適應能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設備中到處都有嵌入式系統。

嵌入式系統的誕生于微型計算機時代，隨其誕生現代計算機領域中出現了通用計算機與嵌入式計算機的兩大分支。通用計算機：按照高速、海量的技術發展；

嵌入式計算機系統：則為滿足對象系統嵌入式智能化控制要求發展。6現實中的嵌入式系統7

嵌入式技術無處不在處理文檔、進行工作管理和生產控制的計算機嵌入式技術的電子產品，如：MP3、PDA、手機、智能玩具，網絡家電、智能家電、車載電子設備等在工業和服務領域中，大量嵌入式技術也已經應用于工業控制、數控機床、智能工具、工業機器人、服務機器人等各個行業，正在逐漸改變著傳統的工業生產和服務方式8嵌入式系統示例——汽車控制系統9馬達控制器車燈嵌入式系統示例——汽車控制系統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10消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網絡設備工業軍事國防電子商務網絡嵌入式系統的應用領域11工業控制、工業設備過去在工業過程控制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、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。

需要性能更高的控制系統。12嵌入式系統應用領域－信息家電信息家電將成為嵌入式系統最大的應用領域。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。13嵌入式系統應用領域－消費類電子14消費類電子—智能玩具、手持通訊的核心15機器人16波士頓動力公司為美軍研制的世界最先進人形機器人“阿特拉斯”（希臘神話中的大力神）。該機器人高1.83米，重149.7公斤，鋁鈦合金材質，可執行多種動作，包括走路、體操和操作者編程的動作。1722歲的法國患者FlorianLopes在試用仿生手。Lopes在一次事故中失去了三根手指，他是第一位試用該仿生手的法國人，它的造價是4.2萬歐元。18法國南部的Velaxu城，在國際應急管理學會的年會上，一部MVF-5多功能機器人滅火系統正在向一輛燃燒的汽車噴水。192013年3月19日，法國里昂，在機器人峰會Innorobo2013展會上，一名男子拿著一個TelenoidR1遠端臨場機器人。20美國“大狗”機器人，由波士頓動力公司為美國軍方研制。機器人的長度為1米，高70厘米，重量為75千克，機動性強，可在戰場的復雜地形中攜帶重物奔跑。21日本東京的一家機器人主題餐廳內，一個機器人在表演。224月13日，一臺特殊武器與戰術（SWAT）機器人在美國Sanford城展出。23美國新奧爾良大學應屆畢業生拿著自己發明的機器人鰻魚。該機器可以進入危險水域而幾乎不會產生噪音。這讓它可以躲避敵方的雷達，偵測水雷。244月22日，在白宮舉辦的科技展上，美國總統奧巴馬與學生發明家發明的機械手握手。251月24日，德國，一條巨龍向圣誕樹噴火。266月20日，在一場汽車拉力賽上，攝像機器人在拍攝駛過的賽車。279月24日，美國弗吉尼亞州海軍基地，機器人移動靶子。281月12日，哈爾濱，機器人服務員。這家機器人餐廳的服務員是20臺這樣的機器人。29美國洛克希德·馬丁公司研發的移動魚類圍欄系統。該系統用于檢測水質和海床變化帶來的影響，裝備有衛星通信系統、指揮控制和情境感知軟件。302月15日，日本橫濱，東芝公司研發的除污機器人在一座核電站內工作。318月16日，丹麥科學家HenrikScharfe（右）展示自己的復制品、最逼真的人形機器人Geminoid-DK，該機器人可遠程操作。323月26日，美國宇航局公布的圖片：國際空間站準備釋放一顆SpaceXDragon-2飛船。該飛船的濺落點將在加州海岸的太平洋上。332012年11月4日，美國芝加哥，31歲的美國工程師ZacVawter打算用世界上首個神經控制仿生腿攀爬WillsTower的第103樓。341月26日，科威特駱駝賽跑俱樂部裝有機器人騎手的駱駝在賽跑。355月10日，美國宇航局最新的地球車GROVER在格陵蘭島最高處進行科學探測活動。367月26日，德國東部，機器人招待Carl向顧客打招呼。37美國X-47B無人機在喬治·華盛頓號航母上完成了第一次降落，隨后起飛。38阿特拉斯在打太極396月13日，日內瓦機場的領路機器人。40美國宇航局的“機遇”號火星車已經在火星上服役將近十年。411月15日，工廠自動化系統公司的合伙人兼總裁RosserPryor坐在一臺高性能的工業機器人旁邊。金融危機以來，該公司已經裁員40%，但現在利潤卻更高。425月15日，北京，37歲的中國發明家陶向禮用廢品做成了一個機器人。機器人能作出抬腿、揮手扭脖子等各種動作，甚至連它的眼睛都能眨動。當陶相禮在機器人前方作出不同的動作時，機器人也能跟著模仿。43東芝公司展示其四腿救災機器人。該機器人能在不平整的路面上行走，避開障礙物，內置攝像頭和輻射儀。444月22日，在墨西哥城北約60公里的特奧蒂瓦坎古城遺址，一部機器人在廢墟中考察。這是拉美國家第一次將機器人用于考古領域，它的名字叫TlalocII，它在廢墟底部發現了一個古老密室。4510月17日，“不可思議的仿生人”亮相美國華盛頓史密森國家航空航天博物館。這是世界上第一臺使用了假肢和人造器官的仿生機器人。46交通管理、環境監測交通管理在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭水文資料實時監測，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，水源和空氣污染監測。加油站、停車場管理47嵌入式在Internet中的應用48軍事國防領域49航天領域50·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：實現對象的智能化功能三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統的特點:由三要素引出1.1.2嵌入式系統的定義及特點根據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”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。簡單講，就是嵌入到對象體中的專用計算機系統。51嵌入式系統的概念

目前，對嵌入式系統的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義：從技術的角度定義：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。從系統的角度定義：嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。52嵌入式系統的歷史

單片機模式和計算機模式53嵌入式系統的相關技術與發展趨勢互聯網的普及半導體技術的改善3C（Compute,Communication,ConsumerElectronic

）技術的快速融合使用者的需求信息服務應用生活化相關技術：多學科交叉，計算機、電子技術、微電子技術、集成電路設計等54未來嵌入式系統的發展趨勢551.嵌入式系統2.嵌入式系統組成3.嵌入式處理器4.嵌入式操作系統嵌入式系統概述561.2嵌入式系統的組成微處理器、外圍硬件、嵌入式操作系統、應用程序以及開發環境(軟件分3層：HW/FM/AP，HW硬件驅動或接口操作；FM中間層；AP應用層）57外圍硬件:

嵌入式系統處理器以外的硬件，為系統提供運行條件(時鐘和電源部件)和部分功能(內存、各種通訊端口等)。1.2

嵌入式系統的組成微處理器：是嵌入式系統的核心。嵌入式微處理器一般都具有較高的集成度。嵌入式操作系統:：為應用程序提供必要運行環境（任務調度），附加任務通訊、內存管理等功能。需移植和配置方可使用。嵌入式應用程序：在沒有操作系統的情況下，嵌入式的應用程序需要直接訪問寄存器或者設備的地址來操作硬件。開發環境：開發過程中起著至關重要的作用，并不是嵌入式系統產品的一部分，不同嵌入式系統開發環境不同。581.3嵌入式處理器

嵌入式處理器分為以下幾大類：嵌入式微處理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP處理器；嵌入式片上系統（SOC）。嵌入式處理器按應用分：注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應用于PDA等不注重計算的設備；注重嵌入式處理器的性能。應用于路由器等計算密集型的設備；注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格。應用于蜂窩電話等設備；59嵌入式微處理器（EMPU）EmbededMicroprocessorUnit(EMPU),在應用中，為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。嵌入式微處理器優點:體積小、重量輕、成本低、可靠性高，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。CPUROMRAM外設1外設2單板計算機60嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機，一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。嵌入式微控制器種類多，括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、數目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統約70％的市場份額。復位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部件CPU核61嵌入式DSP處理器（數字信號處理）DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是Texas，如DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等。PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的R.E.A.LDSP處理器，62嵌入式片上系統(SystemOnChip,SOC)隨著EDA的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現一個更為復雜的系統的時代已來臨，即SOC，除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去。應用系統變得簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件等。專用SoC一般專用于某個或某類系統中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的SmartXA，它將XA單片機內核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯網如Internet安全方面。SOC下一步向片上網絡（NetworkonChip，NoC）發展631.嵌入式系統2.嵌入式系統組成3.嵌入式處理器4.嵌入式操作系統嵌入式系統概述641.4嵌入式操作系統概述

計算機系統由硬件和軟件組成，初期沒有操作系統這個概念，用戶使用監控程序來使用計算機。隨著計算機技術的發展，計算機系統的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監控程序已不能適應計算機應用的要求。于是在六十年代中期監控程序又進一步發展形成了操作系統(OperatingSystem)。發展到現在，廣泛使用的有三種操作系統：多道批處理操作系統分時操作系統實時操作系統651.4嵌入式操作系統監控程序操作系統實時操作系統分時操作系統多道批處理操作系統

時間先后適用于多個用戶共享系統資源適用于計算中心等較大的計算機系統適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統中實時操作系統是我們介紹的重點661.4嵌入式操作系統實時操作系統的特點IEEE的實時UNIX分委會認為實時操作系統應具備以下的幾點:異步的事件響應（隨機性）切換時間和中斷延遲時間確定優先級中斷和調度搶占式調度（高優先級任務可搶占CPU）內存鎖定（將程序或部分程序鎖定在內存）連續文件（把數據存儲在連續的文件上）同步（協調執行）67實時操作系統的特點實時操作系統是事件驅動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是實時性、可靠性和靈活性,與實時應用軟件相結合成為有機的整體起著核心作用,由它來管理和協調各項工作,為應用軟件提供良好的運行軟件環境及開發環境。從實時系統的應用特點來看實時操作系統可以分為兩種：一般實時操作系統嵌入式實時操作系統。68實時操作系統的特點

一般實時操作系統應用于實時處理系統的上位機和實時查詢系統等實時性較弱的實時系統，并且提供了開發、調試、運用一致的環境。

嵌入式實時操作系統應用于實時性要求高的實時控制系統，而且應用程序的開發過程是通過交叉開發來完成的，即開發環境與運行環境不一致。嵌入式實時操作系統具有規模小(一般在幾K～幾十K內)、

可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數量級上)的特點。691.4嵌入式操作系統基本概念

對基于芯片的開發來說，應用程序一般是一個無限的循環，可稱為前后臺系統或超循環系統。后臺系統：循環中調用相應的函數完成相應的操作，屬于任務級；前臺系統：中斷或異步事件，屬于中斷級；很多基于微處理器的產品采用前后臺系統設計，例如微波爐、電話機、玩具等。在另外一些基于微處理器應用中，從省電的角度出發，平時微處理器處在停機狀態，所有事都靠中斷服務來完成。——前后臺系統70基本概念

中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為，前臺也叫中斷級。時間相關性很強的關鍵操作一定是靠中斷服務程序來保證的。

循環中調用相應的函數完成相應的操作，這部分可以看成后臺行為，后臺也可以叫做任務級。這種系統在處理的及時性上比實際可以做到的要差。ISRISRISRISR后臺前臺中斷服務程序時間——前后臺系統711.4嵌入式操作系統基本概念

操作系統是計算機中最基本的程序。操作系統負責計算機系統中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協調等并發的活動，提高資源利用率；操作系統提供用戶接口，方便用戶使用；操作系統為用戶擴展新的系統功能提供軟件平臺。——操作系統硬件硬件驅動操作系統用戶程序721.4嵌入式操作系統基本概念

實時操作系統是一段在嵌入式系統啟動后首先執行的背景程序，用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務，RTOS根據各個任務的要求，進行資源管理(包括CPU、存儲器、外設等)、消息管理、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統中，每個任務均有一個優先級，RTOS根據各個任務的優先級，動態地切換各個任務，保證對實時性的要求。

——實時操作系統（RealTimeOperatingSystem,RTOS）731.4嵌入式操作系統基本概念

多任務系統中，內核負責管理各個任務，為每個任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。內核提供的基本服務是任務切換。使用實時內核可以大大簡化應用系統的設計，是因為實時內核允許將應用分成若干個任務，由實時內核來管理它們。內核需要消耗一定的系統資源，比如2％～5％的CPU運行時間、RAM和ROM等。內核提供必不可少的系統服務，如信號量、消息隊列、延時等。——內核741.4嵌入式操作系統基本概念

調度是內核的主要職責之一。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法的。每個任務根據其重要程序的不同被賦予一定的優先級。基于優先級的調度法指CPU總是讓處在就緒態的優先級最高的任務先運行。然而究竟何時讓高優先級任務掌握CPU的使用權，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，是非占先式的還是占先式的內核。——調度751.4嵌入式操作系統

非占先式內核要求每個任務自我放棄CPU的所有權。非占先式調度法也稱作合作型多任務，各個任務彼此合作共享一個CPU。不按優先級安排。——非占先式內核

當系統響應時間很重要時，要使用占先式內核。因此絕大多數商業上銷售的實時內核都是占先式內核。最高優先級的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制權。按優先級安排。——占先式內核761.4嵌入式操作系統

任務的優先級是表示任務被調度的優先程度。每個任務都具有優先級。任務越重要，賦予的優先級應越高，越容易被調度而進入運行態。——任務優先級

中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發生了。中斷一旦被識別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉到專門的子程序，稱為中斷服務子程序（ISR）。中斷服務子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：1.在前后臺系統中，程序回到后臺程序；2.對非占先式內核而言，程序回到被中斷了的任務；3.對占先式內核而言，讓進入就緒態的優先級最高的任務開始運行。——中斷77前后臺系統1.4嵌入式操作系統——中斷ISR任務ISR非占先操作系統任務A任務B任務CISR占先操作系統任務A任務B任務C781.4嵌入式操作系統

時鐘節拍是特定的周期性中斷。可看作是系統心臟的脈動。中斷之間的時間間隔取決于不同應用，一般在10ms到200ms之間。時鐘節拍率越快，系統的額外開銷就越大。——時鐘節拍使用實時操作系統的必要性

嵌入式實時操作系統在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。使用實時操作系統主要有以下幾個因素：嵌入式實時操作系統提高了系統的可靠性。

提高了開發效率，縮短了開發周期。

嵌入式實時操作系統發揮了32位CPU的多任務潛力。

791.4嵌入式操作系統實時操作系統的優缺點

優點：在嵌入式實時操作系統環境下開發實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，簡化了設計；對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統服務，嵌入式實時操作系統使得系統資源得到更好的利用。缺點：但是，使用嵌入式實時操作系統還需要額外的ROM/RAM開銷，2~5%的CPU額外負荷，以及內核的費用。80uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開放代碼。uClinux從Linux

2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元(MemoryManageUnit,MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。它保留了Linux的大部分優點：穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、完備的對各種文件系統的支持、以及標準豐富的API等。1.4嵌入式操作系統常見的嵌入式操作系統——嵌入式Linux811.4嵌入式操作系統常見的嵌入式操作系統

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，是基于掌上型電腦類的電子設備操作，它是精簡的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當出色。WinCE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。WinCE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，并且在WinCE平臺上可以使用Windows95/98上的編程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、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。

——WinCE821.4嵌入式操作系統常見的嵌入式操作系統——VxWorksVxWorks操作系統是美國公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是嵌入式開發環境的關鍵組成部分。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一席之地。它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、