2018/11/15,1,嵌入式(Embedded)系统基础,电子信息工程系,2018/11/15,2,20年前的手机,2018/11/15,3,苹果 iPhone,手机是一个 典型的嵌入式系统,2018/11/15,4,嵌入式产品种类多样,带4个轮子的计算机,2018/11/15,5,2006,2010,10X Growth in Embedded,2018/11/15,6,goReader Internet eBook,Samsung AnyWeb Internet Screen Phone,eRemote Intelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital Album Digital Photo Album,一些典型的嵌入式系统应用实例,2018/11/15,7,嵌入式系统的应用, 嵌入式技术 是未来数字 产品创新设 计和增值的 关键因素， 未来市场竞 争力的重要 体现,2018/11/15,8,全世界23亿个手机每天消耗的电力能源约为100 Mega-Watts 相当于2个大型风力发电场,全世界10亿个PC平均每天工作9小时 需要的电力能源95,000 Mega-Watts 相当于 114个大型煤电厂(835MW),* US PCs are on for 9.2 hours per day - www.itfacts.biz,2018/11/15,9,Not all Growth is Good,Al Gore, former Vice President of the United States author of “An Inconvenient Truth”,2018/11/15,10,本讲内容,一、嵌入式系统概念 二、嵌入式处理器 三、嵌入式操作系统 四、嵌入式系统开发方法,2018/11/15,11,一、嵌入式系统概念,1、嵌入式系统的定义 2、嵌入式系统的组成 3、嵌入式系统的特点 4、嵌入式系统的分类 5、嵌入式系统的应用 6、嵌入式技术的发展,2018/11/15,12,1、嵌入式系统的定义,嵌入式系统是将计算机直接嵌入至应用系统中，是信息技术IT的最终产品，可创新出各种新型的应用产品 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的快速发展，人们进入了后PC时代，后PC时代是一个嵌入式系统（Embedded System）的网络时代，嵌入式技术将主宰后PC时代。 “嵌入式系统”实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。 对“嵌入式系统” 有各种不同的定义。,2018/11/15,13,1、什么是嵌入式系统： 来自IEEE的定义,“Embedded system is devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”. IEEE （电气和电子工程师协会） 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置” 上述定义主要从应用上加以定义。 可以看出：嵌入式系统是软硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。,2018/11/15,14,1、什么是嵌入式系统： 广义上,嵌入式系统是一种应用系统，它至少包含一个可编程的计算机（通常是某种形式的微控制器、微处理器或数字信号处理芯片（DSP）且使用该系统的人一般并未意识到该系统是基于计算机的。,2018/11/15,15,1、什么是嵌入式系统： 国内的经典定义,嵌入式系统是 “以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统” 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。,2018/11/15,16,可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。 即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,17,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。 这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,18,Palm OS之所以在PDA领域占有70以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理； 而风河的vxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,19,嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,20,同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给它下一个准确的定义。,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,21,三要素：嵌入、专用、计算机 嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求 专用性：软、硬件按对象要求裁减 计算机：实现对象的智能化功能,1、嵌入式系统的定义,2018/11/15,22,1、嵌入式系统的定义,传统嵌入式系统 :应用于军事、工业控制和仪器仪表等 新型嵌入式系统 : 3C ( Computer, Consumer & Communication ) 和信息家电 IA ( Information Appliance ) 美国科学家预言：嵌入式是继PC 和网络之后的最伟大发明，未来45年会成为主流技术。,2018/11/15,23,2、嵌入式系统的组成,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”。,2018/11/15,24,嵌入式系统的架构,IP级 ： SoC(System on Chip) 建立IP单元库。 SoC：根据应用的要求把相应IP配置成在一块芯片中。 嵌入式软件也可以以IP的方式集成在芯片中。 芯片级：芯片(MCU、EDSP或EMPU)应用系统 根据IT的产品（应用系统）要求，可选用相应处理器（MCU、EDSP 、 EMPU)，RAM，ROM (EPROM/ EEPROM/Flash) 及I/O接口等芯片配置成相应的嵌入式系统，把相应系统软件/应用软件以固件形式固化在ROM中。这是目前嵌入式系统最常见形式。,2018/11/15,25,嵌入式系统的架构,模块级：SoM(System on Module) 以嵌入处理器配置成的计算机系统各部件以模块形式嵌入到应用系统中SoM，并把操作系统OS改造为实时多任务OS。此种嵌入式系统较多出现在工业控制和仪器仪表中。,2018/11/15,26,嵌入式系统的体系结构,一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分： 处理器、存储器、 输入输出(I/O)、 软件 多数嵌入式设备的应 用软件和操作系统都 紧密结合，这也是 嵌入式系统和Windows 系统的最大区别 。,软件,处理器,存储器,输入,输出,2018/11/15,27,粗略划分： 嵌入式处理器 外围设备 嵌入式操作系统(可选) 嵌入式应用软件,稍细划分： 嵌入式处理器 外围设备 驱动程序 嵌入式操作系统 应用接口 嵌入式应用软件,2、嵌入式系统的组成,2018/11/15,28,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,2018/11/15,29,嵌入式系统的软/硬件框架,2018/11/15,30,2018/11/15,31,嵌入式系统的硬件组成要素,嵌入式处理器系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口部件。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适用于系统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。,2018/11/15,32,典型嵌入式系统基本组成硬件,2018/11/15,33,典型嵌入式系统基本组成硬件,2018/11/15,34,典型嵌入式系统基本组成硬件,嵌入式系统基本硬件架构主要包括有处理器、外围电路及接口和外部设备三大部分。其中外围电路一般包括有时钟、复位电路、程序存储器、数据存储器和电源模块等部件组成。外部设备一般应配有USB、显示器、键盘和其他等设备及接口电路。硬件架构的核心部件是微处理器。 在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（ROM和RAM等），就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。,2018/11/15,35,嵌入式系统的组成要素,嵌入式软件系统 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver Application） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application),2018/11/15,36,典型嵌入式系统基本组成软件,2018/11/15,37,典型嵌入式系统基本组成软件,2018/11/15,38,嵌入式系统的组成要素,嵌入式软件系统 嵌入式系统的开发工具 （1）硬件开发工具包括 ：仿真器等 ；其它（示波器等） （2）软件开发工具包括 ：编译、连接、定位软件，通常使用C语言；调试软件。,2018/11/15,39,嵌入式系统的组成要素,嵌入式软件系统 中间层 它将系统软件与底层硬件部分格里，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象层HAL和板极支持包BSP。HAL是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，既可以通过程序来控制所有硬件电路入CPU、I/O、存储器等的操作，提高了系统的可移植性。HAL一般包含相关硬件的初始化、数据的输入输出操作硬件设备的配置操作等功能。,2018/11/15,40,嵌入式系统的组成要素,嵌入式软件系统 应用层 BSP介于主板硬件和操作系统中驱动程序曾程序之间，一般认为它属于操作系统的一部分，主要是先对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器函数包，方便主板运行。BSP一般实现1）系统启动是完成对硬件的初始化；2）为驱动程序提供访问硬件的手段，即为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。,2018/11/15,41,3、嵌入式系统特点,嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1、嵌入式系统通常是面向特定应用的。 嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。,2018/11/15,42,3、嵌入式系统特点,2、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 3、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品