《嵌入式系统原理及应用》课件第1章.ppt

1、第1章 嵌入式系统概论 1.1 嵌入式系统1.2 嵌入式系统的发展1.3 嵌入式系统的特点1.4 嵌入式系统的基本分类1.5 嵌入式系统的组成结构1.6 嵌入式处理器1.7 嵌入式系统的发展趋势1.8 嵌入式系统的相关研究领域本章小结习题与思考题第1章 嵌入式系统概论 1.1 嵌嵌入入式式系系统统1.1.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 以嵌入式计算机为技术核心的嵌入式系统是继网络技术之后，又一个IT领域新的技术发展方向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业具体应用等突出特征，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等各个领域。第1章 嵌入

2、式系统概论 嵌入式系统的广泛应用可以说是无所不在。就我们周围的日常生活用品而言，各种电子手表、电话、手机、个人数字助理(PDA)、洗衣机、电视机、电饭锅、微波炉、空调都有嵌入式系统的存在。可以毫不夸张地说我们生活在一个充满嵌入式系统的世界。据统计，一般家用汽车的嵌入式计算机在24个以上，豪华汽车在60个以上。美国福特汽车公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的(汽车的)计算能力已超过了IBM(计算机)”，由此可见嵌入式计算机的应用规模、应用深度和应用广度。第1章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器也进而得到前所未

3、有的飞速发展。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1500多种，流行体系结构也有近百个系列，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。第1章 嵌入式系统概论 嵌入式处理器技术的基础是通用计算机技术。现在许多嵌入式处理器也是从早期PC机的应用发展演化过来的，如早期PC机TRS-80、Apple 和所用的Z80和6502处理器，至今仍为低端的嵌入式应用。在应用中，嵌入式处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式处理器目前主要有386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM等系列。第1章 嵌入式系统概论

4、 嵌入式系统具有芯片集成度高、硬件软件最小化、高度自动化、响应速度快以及性能可靠等基本特点，特别适合于要求实时和多任务的场合。从应用角度考察，目前相当一部分嵌入式产品都具有计算机、通信和消费电子一体化融合的特征。从本质上来说，嵌入式系统和嵌入式设备是有区别的。嵌入式系统是一个比PC更加小型化的计算机系统，只是它通常被嵌入到应用设备或应用系统中成为一个专用的计算机系统；而嵌入式设备是指某一包含嵌入式系统的专用设备。通常，在典型的嵌入式设备中几乎感觉不到计算机系统的存在。我们日常所见的PDA、手机、微波炉等都属于嵌入式设备。第1章 嵌入式系统概论 1.1.2 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式

5、系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通信技术为基础，强调硬件、软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等的要求。第1章 嵌入式系统概论 最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的ROM中仅有实现单一功能的控制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理(PDA)、手持电脑(HP

6、C)等，具有与PC几乎一样的功能。实质上其与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应用软件嵌入在ROM、RAM或Flash存储器中，而不是存储于磁盘等载体中。很多复杂的嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。第1章 嵌入式系统概论 关于嵌入式系统的定义有很多。例如，“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”，它强调嵌入式系统的三个基本要素：嵌入性、专用性与计算机系统；又例如，“一种用于控制、监测或协助特定机器和设备正常运转的计算机”，它强调的是嵌入式计算机的功能。国内流行的较为完整和规范的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件与硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗

7、严格要求的专用计算机系统。第1章 嵌入式系统概论 嵌入式技术也是产业界和学术界常用的术语，它指的是嵌入式系统在研发和应用过程中使用的芯片技术、硬件技术和软件技术。由于嵌入式系统日益普及，人们往往还使用更为简洁的术语“嵌入式”，它是嵌入式系统、嵌入式技术或者嵌入式产品的简称，具体含义视场合而定。第1章 嵌入式系统概论 1.2 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展嵌入式系统这一术语并不是近几年出现的新名词，它已经存在了大约半个世纪之久。在早期的工业控制领域，计算机就已经嵌入到应用对象中了。在20世纪60年代，它被用于对电话交换进行控制，当时被称为存储程序控制系统。但由于那时的计算机无论是体积、功耗还是

8、价格都难以满足各种设备尤其是小型设备的需求，因此，严格意义上的嵌入式系统应该从微处理器的出现开始算起。纵观嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：第1章 嵌入式系统概论 第一阶段是以8位单片机为核心的嵌入式系统低层次阶段。这些系统早已广泛应用于各个领域。其特点是以微控制器为核心，与一些简单的传感器、监测设备、伺服控制、指示、显示设备等配合，实现一定的测量、显示、信息处理及控制等功能。在一些工业控制、汽车电子和智能家居等多机应用中，有时为了实现多个微控制器构成的系统间的信息交流，通常利用CAN(Controller Area Network，控制器局域网)、RS-232、RS-485等总线

9、将微控制器组网。但这种网络的应用空间有限，相关的通信协议也比较单一。第1章 嵌入式系统概论 第二阶段是以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。随着嵌入式设备与Internet的广泛结合，手机、PDA、路由器、调制解调器等复杂的高端应用对嵌入式处理器的性能提出了更高的要求。虽然以8位单片机为核心的嵌入式技术不断发展，性能也不断提高，但由于其性能的局限性，已无法满足未来高性能嵌入式技术的发展要求。激烈的市场、技术的竞争要求不断提高嵌入式系统的性价比；同时，也要求缩短嵌入式系统的开发周期。第1章 嵌入式系统概论 自从20世纪70年代初出现嵌入式系统的概念以来，嵌入式系统大都不采用操作系统

10、，它们只是为了实现某个控制功能，使用简单的循环控制来对外界的控制请求进行处理。随着嵌入式系统的快速发展，当应用系统越来越复杂、使用范围越来越广泛时，每增加一项新的应用功能，都可能需要从头开始设计软件，没有操作系统已成为其最大缺陷。但目前在8位单片机上运行嵌入式操作系统尚有一定困难，因此，以32位微处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心已是嵌入式系统技术发展的必然趋势。第1章 嵌入式系统概论 第三阶段是20世纪90年代后，嵌入式系统设计从以嵌入式微处理器/DSP为核心的IC(Integrated Circuit)级设计，逐渐转向IS(Integrated System)级设计，提出了系统芯片SoC

11、(System on Chip)的基本概念。这种设计是把各种通用处理器内核作为SoC设计公司的标准库，即和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI(Very Large Scale Integration)设计中一种标准的器件，用标准的VHDL(Very Hardware Descriptiong Language)等语言描述、存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，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整洁。目前，嵌入式系统已进入以SoC为核心的设计阶段，并开始逐步实用化、规

12、范化。第1章 嵌入式系统概论 第四阶段是以基于Internet接入为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支持Internet接入功能的嵌入式系统，如手机、PDA，甚至电视机、电冰箱等传统家电都需要上网，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今后的发展趋势 第1章 嵌入式系统概论 1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统也是一个计算机系统，但与通用计算机系统相比，它具有以下一些特点：(1)与应用密切相关，执行特定功能。任何一个嵌入式系统都和特定应用相关，用途固定。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，要具备良好的

13、软、硬件可裁剪性，力争在满足应用目标的前提下使系统最精简。第1章 嵌入式系统概论(2)具有实时约束。嵌入式系统都是实时系统，都有时限要求。若违反实时约束则可能使系统瘫痪或不可用。特别是对于一些强实时嵌入式系统，如军事电子、飞机控制、核电控制等，如违反实时约束有可能会造成非常严重的后果。(3)嵌入式操作系统一般为多任务实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)。由于嵌入式系统处理的外部事件通常有多个，而且具有分布和并发的特点，因此要求嵌入式操作系统必须是多任务实时操作系统。第1章 嵌入式系统概论(4)系统可靠性要求高。嵌入式系统使用环境不定，甚至要在非常恶劣的

14、环境下工作，但嵌入式系统对软件故障的容错能力比PC差很多，因此需要有相应的可靠性保障机制，如看门狗定时器等。(5)具有功耗约束。很多嵌入式系统采用电池供电，因此对功耗有严格要求，从而使得嵌入式系统的硬件和软件必须精心设计以满足其功耗约束。第1章 嵌入式系统概论(6)需要交叉开发环境和调试工具。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使在设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发和测试。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的硬件设备、逻辑分析仪、混合信号示波器以及专门的软件开发和调试工具等。(7)系统资源紧缺。由于对成本、体积、功耗有严格要求，使得嵌入式

15、系统的资源(如内存、I/O接口)都非常紧缺，因此软、硬件都需精心设计以充分利用有限的系统资源。第1章 嵌入式系统概论 1.4 嵌入式系统的基本分类嵌入式系统的基本分类嵌入式系统广泛应用于人类社会的各个行业和领域，其数量大、品种多、规格复杂。科学地对嵌入式系统进行分类，有助于有效、简明地描述一个具体的嵌入式产品的属性和特征。为此，我们按照以下方式对嵌入式系统分类。第1章 嵌入式系统概论 1按嵌入式系统的用途分类按嵌入式系统的用途分类按照应用领域可以把嵌入式系统分为军用、工业用和民用三大类。其中，军用和工业用嵌入式系统对运行环境的要求比较苛刻，往往要求耐高温、耐湿、耐冲击、耐强电磁干扰、耐粉尘、耐

16、腐蚀等。民用嵌入式系统的需求特点往往体现在另外一些方面，如易于使用、易维护和标准化程度高。第1章 嵌入式系统概论 2按嵌入式系统的技术复杂度分类按嵌入式系统的技术复杂度分类根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为两类：(1)小型操作系统控制的嵌入式系统。(2)大型操作系统控制的嵌入式系统。第1章 嵌入式系统概论 小型操作系统控制的嵌入式系统一般指的是硬件主体由8位/16位单片机或者32位处理器构成，其控制软件主要由一个小型嵌入式操作系统内核和一个小规模的应用程序组成。小型嵌入式操作系统内核的源代码一般不超过1万行。这类嵌入式系统的操作系统功能模块不齐备，并且无法为应用程序开发提供一个较为完备的应用程序编程接口。此外，它没有图形用户界面(GUI)或者图形用户界面功能较弱，数据处理和联网通信功能也比较弱。第1章 嵌入式系统概论 大型操作系统控制的嵌入式系统的硬件主体通常由32位/64位处理器、32位软核处理器或者32位片上系统组成，控制软件通常包含一个功能齐全的嵌入式操作系统(例如VxWorks、RTLinux、Symbian、Windows CE、ECOS等)以及封装良好的API