Embedded System 嵌入式系统Embedded System 嵌入式系统Date1第一讲参考书 ARM嵌入式处理器结构与应用基础，马忠梅 等，北京航空航天大学出版社 2002年2月 嵌入式系统设计与实例开发（第二版） -基于ARM微处理器与uC/OS-II实时操作系统王田苗 清华大学出版社 嵌入式系统开发与应用实验教程 田泽 著北京航空航天大学 2004年6月Date2第一讲第一讲，嵌入式系统概述 一、什么是嵌入式系统 二、嵌入式系统的特征 三、嵌入式系统组成 四、嵌入式系统应用Date3第一讲一、什么是嵌入式系统 Embedded system 个人电脑嵌入式系统 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的 定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者 辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。Date4第一讲计算机工业的分类 以往计算机分类：大型计算机、中型机 、小型机和微计算机 目前计算机分类：超级计算机，大型计 算机、工作站、微计算机、亚微计算机 亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式 系统的形式隐藏在各种装置、产品和系 统中Date5第一讲历史 电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几 乎与电脑自身的历史一样长 计算机控制系统 单片机掀起电子化浪潮 微处理器高速发展推动了嵌入式系统Date6第一讲嵌入式系统的演变 8031/8051为裸机，组成单片机系统时，自 行编写程序； 68360/386EX控制系统，自己编写简单的操 作系统； 32位嵌入式处理器pSoS+嵌入式操作系统 tcp/ip协议栈； 各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式 Web 设备server以及各种复杂网络协议栈 GUI图形界面无线模块现代可移动的网 络智能设备。Date7第一讲后PC技术的时代 小到mp3，PDA等微型数字化产品，大 到网络家电，智能家电，车载电子设备 ； 嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之 柱； 1999年世界电子产品产值已超过12000 亿美元，2000年达到13000亿美元，预 计2005年，销售额将达18000亿美元。Date8第一讲嵌入式简单定义 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集 成于计算机硬件系统之中 广义的讲可以认为凡是带有微处理器的 专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统 任何一个非计算机的计算系统Date9第一讲狭义定义 使用嵌入式微处理器构成独立系统，具 有自己的操作系统并且具有某些特定功 能的系统 微处理器专指32位以上的微处理器Date10第一讲嵌入式系统的定义 以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能 、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统 Date11第一讲二、嵌入式系统的特征 和通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特征： 1、用于特定的任务（专用的计算机系统）2、比通用PC系统资源少3、极其关注成本、大多有功耗的要求、集成度高体积小4、运行环境广泛5、软件硬件可靠性要求更高（具有系统测试和可靠性评估体系）6、相关产品具有较长的生命周期 7、软件要求固态化存储 （ROM、EPROM、EEPROM或 FLASH）8、有实时的要求（使用RTOS）9、需要专用开发工具和方法进行设计10、片上包含专用调试电路.Date12第一讲嵌入式系统的特征(2) 嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不 是以磁盘为载体可以随意更换。 各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很 少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调 可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存 在相当长的时间时间 。一个体系结结构及其相关的片上外设设、开 发发工具、库库函数、嵌入式应应用产产品是一套复杂杂的知识识系统统 ，用户户和半导导体厂商都不会轻轻易地放弃一种处处理器。 Date13第一讲嵌入式系统的特征模糊化 通用计算机系统，嵌入式计算机系统在 一些产品上出现融和。嵌入式 计算机 系统领 域多功能、在线可升级通用计 算机系 统领域性能、功耗、功能PDA产品、多功能 手机、掌上电脑、 网络TV等Date14第一讲三、嵌入式系统的基本组成 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、 相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用 软件系统等组成，它是集软硬件于一体 的可独立工作的“器件”。Date15第一讲交叉学科 先进的计算机技术 半导体技术 电子技术 各个行业 面向具体应用Date16第一讲嵌入式系统的组成要素（4个） 嵌入式处理器及其硬件平台 嵌入式软件系统 嵌入式操作系统（可选）-实时操作系统RTOS I/O接口系统以嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式操作系统嵌入式应用软件系统 应用系 统的I/O 接口Date17第一讲应用程序文件系统/图形用户应用程序接口设备驱动程序、HAL、BSP应用层OS层驱动层SoC/SOPC处理器/ARM核DSP/浮点运算协处理器GPIOIISUSBLCDADC/DACFPGA/CPLDUAET和TrDAMMU/CacheTimer/RTCCAN以太网DMA电源管理内 存FlashEEPROMSDRAMSRAM看门狗及 复位电路人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标输 入 、输 出 接 口 软件硬件功能层软件层中间层Date18第一讲嵌入式系统硬件组成Date19第一讲嵌入式系统软件组成Date20第一讲（一）嵌入式系统硬件组成1 嵌入式处理器 2 外围接口电路和设备接口Date21第一讲1. 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件 目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已 经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中 8051体系的占有多半。现在几乎每个半导体制造商都生 产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计 部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB，处 理速度从0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封装从8个引脚到 144个引脚 品种总量已经超过1000多种，流行体系结构 有30几个系列，其中8051体系的占有多半Date22第一讲主要嵌入式处理器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部 集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog 、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等 各种必要功能和外设。 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能；外接电 路必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件；嵌入式处理器目前主 要有186/188、386EX、SC-400、PowerPC、68K、MIPS、ARM系列等 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000 等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel 的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。 嵌入式片上系统 (System On Chip， SOC) Date23第一讲嵌入式系统硬件主流 32,64位微处理器是目前嵌入式系统的 核心 主要硬件厂商包括Intel，Motorola， Philip，AMD等 每个月都有新产品出现Date24第一讲嵌入式微处理器(EMPU) 通用计算机中的CPU 专门设计的电路板 只保留和嵌入式应用有关的母板功能 增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等 方面 功能与工业控制计算机相似Date25第一讲 嵌入式处理器目前主要有Am186/88、 386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列、MIPS等Date26第一讲嵌入式微控制器(MCU) 又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集 成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、 定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉 宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、 EEPROM等各种必要功能和外设 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减 小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 Date27第一讲 代表性的通用系列包括8051、P51XA、 MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167 、MC68HC05/11/12/16、68300等。 另外还有许多半通用系列如：支持USB 接口的MCU 8XC930/931、C540、C541 ；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专 用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入 式系统约70的市场份额。 Date28第一讲嵌入式DSP处理器(EDSP) DSP处理器对系统结构和指令进行了特 殊设计，使其适合于执行DSP算法，编 译效率较高，指令执行速度也较高。 在数字滤波、FFT、谱线分析等方面 DSP算法正在大量进入嵌入式领域， DSP应用正从在通用单片机中以普通指 令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式 DSP处理器。Date29第一讲 有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系 列。 TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列， 以及性能更高的C6000和C8000系列。 DSP56000目前已经发展成为DSP56000 ，DSP56100，DSP56200和DSP56300等 几个不同系列的处理器。Date30第一讲嵌入式片上系统(SOC) 在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块 或几块芯片中去 应用系统电路板将变得很简洁 Date31第一讲 SOC可以分为通用和专用两类。 通用系列包括Infineon(Siemens)的 TriCore，Motorola的M-Core，某些 ARM系列器件，Echelon和Motorola联 合研制的Neuron芯片等。 专用SOC一般专用于某个或某类系统中 。有代表性的产品是Philips的Smart XADate32第一讲2.嵌入式外围接口电路和设备接口（1）存储器:存储数据和程序的功能部件 静态易失性存储器(RAM、SRAM) 动态存储器（DRAM） 非易失性存储器ROM（MASK ROM、 EPROM、EEPROM、Flash） 硬盘、软盘、CD-ROM等Date33第一讲RAM：随机存取存储器SRAM：静态随机存取存储器DRAM：动态随机存取存储器1）SRAM比DRAM速度快2）SRAM比DRAM耗电多3）DRAM存储密度比SRAM高的得多（体积）4）DRAM需要周期性刷新ROM：只读存储器FLASH：闪存Date34第一讲（2）通讯接口 串口UART USB接口（通用串行总线接口） IrDA（Infra Re