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嵌入式系统概述. 电信学院 嵌入式技术与应用专业 赵家华 2011 年 8 月 8 日. 一 . 什么是嵌入式系统. 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 ）。 从上面的定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。. 简单的讲 : 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。
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嵌入式系统概述 电信学院 嵌入式技术与应用专业 赵家华 2011年8月8日
一. 什么是嵌入式系统 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）。 从上面的定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。
简单的讲: 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。 三要素：嵌入、专用、计算机 嵌入式系统的特点:由三要素引出 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
嵌入式技术的应用与发展现状 嵌入式技术无处不在 各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。
嵌入式技术的应用与发展现状 嵌入式技术典型应用：
嵌入式技术的应用与发展现状 嵌入式技术典型应用
国内一般定义 “以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。” 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。 可以这样理解上述三个方面的含义，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。
嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪，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。嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪，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。由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。
嵌入式系统本身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，很难给它下一个准确的定义。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。嵌入式系统本身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，很难给它下一个准确的定义。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（BSP层，板级支持包）连接。
嵌入式系统的几个重要特征 （1）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。 我们用的sitsang平台，移植的linux2.4.19内核不包括文件系统851.3k。包括之后是39M。
（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。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 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 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OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，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，必须使用多任务操作系统（5）嵌入式软件开发走向标准化，必须使用多任务操作系统 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 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。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。
5、典型嵌入式系统基本组成－硬件 外围电路 电源 模块 Flash 微处理器 RAM 时钟 MPU 复位 ROM 外设 Keyboard USB LCD Other
6、典型嵌入式系统基本组成－软件 应用程序 软件结构 操作系统 输入 输出 处理器 硬件结构 存储器
嵌入式系统与智能化电子系统 嵌入式系统涉及的四个学科基础 电子技术 ： 应用与技术推进 微电子技术 ：集成电路基础 计算机技术 ：计算机工程方法 对象学科 ： 应用基础
二. 为什么嵌入式系统重要？ Engineering reasons – Why does a satellite need a Windows prompt ? – Does the McDonald’s POS (point-of-sale) terminal need MacOS? – Any device that needs to be controlled can be controlled by a microprocessor •Market reasons – The general-purpose computing market is in billions of US $ 5% – The embedded systems market is also in billions of $ 95% – In year 2000, about $2,700 of every car went to electronics •Pedagogical reasons – General-purpose system designers specialize – HW vs. SW •Embedded system designers are often – jackofmanytrades – Need to know hardware, software, and some combination of networking, control theory and signal processing – business models
国际芯片市场 据统计每年只有10-20%的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的。 嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10-20亿片。每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。 如：手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部，而到今年时预计将为6340万部。
中国信息家电市场 2001年达到500亿～ 700亿元，今年有望达到3500亿～ 5000亿元。国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和7000多万台VCD／DVD机。 业内分析，未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期，10年总量可望达到1～1.5亿台，总产值在600～1500亿元人民币之间。仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到10～15亿元。
消费电子 工业控制 军事国防 军事电子 信息家电 工控设备 智能玩具 嵌入式应用 智能仪表 通信设备 汽车电子 移动存贮 网络设备 电子商务 嵌入式系统应用领域：
嵌入式技术的发展趋势 嵌入式技术将成为后PC时代的主宰 嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。 使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。 嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。
三. ARM嵌入式技术 ARM嵌入式技术 ARM（Advanced RISC Machines）是英国知识产权核（IP）设计公司，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可 。
ARM嵌入式技术 ARM知识产权的应用
ARM 微处理器的特点 ARM 微处理器的特点 • 采用RISC体系结构 • RISC体系结构具有如下特点： • 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式简单； • 使用单周期指令，便于流水线操作执行； • 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。
大量的寄存器 ARM嵌入式技术 ARM 处理器共有37个寄存器，被分为若干个组，这些寄存器包括： － 31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均为32位的寄存器； － 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位。
高效的指令系统 ARM嵌入式技术 ARM微处理器支持两种指令集： ARM指令集和Thumb指令集 ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
ARM嵌入式技术 ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔 基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。 绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。
ARM嵌入式技术的应用与需求 (ARM市场的需求) 应用一：工业控制 工业设备是机电产品中最大一类。 过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是８位单片机。 随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。
信息家电 ARM嵌入式技术的应用与需求 应用二： 信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。 只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。 具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。
ARM嵌入式技术的应用与需求 应用三：消费类电子 智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。
ARM嵌入式技术的应用与需求 应用四：交通管理、环境监测 • 交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元 • 水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。 • 加油站、停车场管理 • ……
ARM嵌入式技术的应用与需求 应用五：智能玩具与机器人
ARM嵌入式技术的应用与需求 应用六：嵌入式Internet应用
四 嵌入式系统与PC之间的区别 嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台 嵌入式系统的资源比PC少得多 嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多 嵌入式系统一般采用实时操作系统 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求 嵌入式系统得到多种微处理体系的支持 嵌入式系统需要专用的开发工具
从工程角度看计算机：就要涉及内存及编译的性能从工程角度看计算机：就要涉及内存及编译的性能 • Measured by: Performance - Compilers matter too... 最简化地看计算机：看CPU性能 • Measured by: - Performance
更进一步会涉及性能、价格及操作系统如何 • Measured by: Performance, Cost Compilers & OS matters
作为嵌入式系统看待时：具体使用什么（人机）接口。以及电源、工具、市场等方面的考虑。作为嵌入式系统看待时：具体使用什么（人机）接口。以及电源、工具、市场等方面的考虑。 • Measured by: Cost, I/O connections, Memory Size, Performance Man-Machine Interface
– Reduced Cost – Increased Functionality – Improved Performance – Increased Overall Dependability A Customer View
需求分析 体系结构设计 硬件/软件设计 系统集成与测试 固化 嵌入式系统的开发流程 • 需求分析。这个阶段的主要任务是：确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式指导设计和验收的标准。 • 体系结构设计。需求分析完成后，根据提炼出的设计规格说明书，进行系统定义和体系结构的设计。 • 硬件、软件设计与实现。构件设计包括对系统的硬件、软件进行详细的设计。 • 系统集成与测试。对软件、硬件集成后的完整系统，进行调试。 • 固化。固化是指软件的固化，嵌入式系统开发完后，需要将软件写入到Flash中固化。即将调试通过的程序编译成一可执行文件，利用烧写程序烧写到Flash中，这样就完成了整个的系统开发。
GPS移动地图系统:示例 • 详见
嵌入式系统设计开发流程 需求分析 体系结构设计 硬件/软件设计 系统集成 固化 以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。
一、需求分析与规格说明 在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段，我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。 在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实际的期望，表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户的需求中整理形成正式的规格说明。
用户需求的格式 实际系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输人／输出信号、工作方式、时序等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、尺寸和重量等因素，在这一步我们对需设计的系统功能、性能的描述，一般不涉及系统的组成。明确的客户需求，可降低这一部分所占开发周期比例。但在需求分析的同时要考虑客户潜在的后续应用，在设计系统硬件时尽可能留出余量。
