《嵌入式系统概述》PPT课件.ppt

嵌嵌嵌嵌 入入入入 式式式式 系系系系 统统统统 概概概概 述述述述 本节提纲：Ø 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统Ø 嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征Ø 嵌入式系统的组成（重点介绍）嵌入式系统的组成（重点介绍）u嵌入式微处理器嵌入式微处理器Ø 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用什么是嵌入式系统•Embedded system•个人电脑≠嵌入式系统•简单的讲，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嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义•以应用为中心以应用为中心、、以计算机技术为基础以计算机技术为基础、、软件硬件软件硬件可裁剪可裁剪、、适应应用系统对功能、可靠性、成本、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求体积、功耗严格要求的的专用计算机系统专用计算机系统 本节提纲：Ø 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统Ø 嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征Ø 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成u嵌入式微处理器（重点介绍）嵌入式微处理器（重点介绍）Ø 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用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2、极其关注成本3、大多有功耗的要求4、有实时的要求6、软件要求固态化存储 7、软件硬件可靠性要求更高8、相关产品具有较长的生命周期 ……嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（（1）系统内核小）系统内核小–由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

–比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多（２）专用性强（２）专用性强–嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植–同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念（３）系统精简（３）系统精简–嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全４）高实时性（４）高实时性OS–这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度软件代码要求高质量和高可靠性、实时性（（5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化–嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行–为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量（（6））嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统开发需要开发工具和环境-- 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是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。

-- 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等本节提纲：Ø 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统Ø 嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征Ø 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成u嵌入式微处理器（重点介绍）嵌入式微处理器（重点介绍）Ø 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用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”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典型嵌入式系统基本组成－硬件典型嵌入式系统基本组成－硬件典型嵌入式系统基本组成－软件典型嵌入式系统基本组成－软件重点介绍：重点介绍：Ø嵌入式微处理器嵌入式微处理器–基本知识–微处理器的特点、分类Ø嵌入式系统软件嵌入式系统软件–基本知识–嵌入式操作系统微处理器相关知识•冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构•CISC与RISC•指令流水线•存储器系统冯冯·诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型哈佛体系结构CISC和RISCCISC：复杂指令集：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）–具有大量的指令和寻址方式–大多数程序只使用少量的指令就能够运行RISC：精简指令集：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)–8/2原则：80%的程序只使用20%的指令–在通道中只包含最有用的指令–确保数据通道快速执行每一条指令–使CPU硬件结构设计变得更为简单指令的执行周期1）取指令（Instruction Fetch)：IFt2）指令译码（Instruction Decode）：IDt3）执行指令（Instruction Execute）：IEt4）存储（Storage）：St每条指令的执行周期：T= IFt+IDt+IEt+St指令流水线技术RISC流水线技术：–几个指令可以并行执行–提高了CPU的运行效率–内部信息流要求通畅流动存储器系统•RAM：随机存取存储器SRAM：静态随机存储器DRAM：动态随机存储器1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗电多3）DRAM存储密度比SRAM高得多（体积）4）DRAM需要周期性刷新•ROM：只读存储器•FLASH：闪存重点介绍：重点介绍：Ø嵌入式微处理器嵌入式微处理器–基本知识–嵌入式微处理器的特点、分类嵌入式微处理器的特点、分类Ø嵌入式系统软件嵌入式系统软件–基本知识–嵌入式操作系统嵌嵌 入入 式式 微微 处处 理理 器器 嵌入式系统的嵌入式系统的核心核心是是嵌入式微处理器嵌入式微处理器。

嵌入式嵌入式微处理器一般就具备以下微处理器一般就具备以下4个特点个特点: –对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度–具有功能很强的存储区保护功能这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断–可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器–嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级嵌入式微处理器的特点嵌入式微处理器的特点嵌入式微处理器的分类•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、可靠性提高微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

微控制器是目前嵌入式系统工业的主流嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（MCU））•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•DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，处理器是专门用于信号处理方面的处理器，它在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处理器上•现在的DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

嵌入式嵌入式DSP处理器处理器 嵌入式微处理器（ MPU ），典型代表就是ARM处理器，它是由通用计算机中的CPU演变而来的，与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求 嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（ MPU ）） 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等其中基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处理器作为内核生产芯片的公司最多SoC，就是System on Chip–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 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC)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 XA重点介绍：重点介绍：Ø嵌入式微处理器嵌入式微处理器–基本知识–微处理器的特点、分类微处理器的特点、分类Ø嵌入式系统软件嵌入式系统软件–操作系统的基本概念以及分类–嵌入式实时操作系统操作系统的基本概念•OS是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在OS之上OS将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时间操作系统的分类（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行如DOS操作系统2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序如UNIX（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权嵌入式操作系统•由于通常具有实时性的要求，又称为实时操作系统RTOS（Real-Time Operating System）•为什么使用RTOS？–支持多任务–简化应用软件的开发难度实时操作系统（RTOS）RTOS的基本特征：–高效的任务管理–快速灵活的任务间通信–高度的可剪裁性–动态链接与部件增量加载–快速有效的中断和异常事件处理–优化的浮点支持–动态内存管理–系统时钟和定时器几种最常见的RTOS•软实时RTOS –嵌入式Linux Win CE•硬实时RTOS –VxWorks OSE Nuclear•著名的open RTOS –uC/OS-II RTEMS•自主知识产权的RTOS –HOPEN Delta OS关于嵌入式操作系统的进一步的学习包括理论的学习以及嵌入式操作系统的移植都将在后面的课程中给予详细的讲解。

本节提纲：Ø 什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统Ø 嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征Ø 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成Ø嵌入式微处理器嵌入式微处理器 Ø 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌入式系统应用•远远超过了各种通用计算机•一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器：–键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的•在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。