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课程介绍

课程介绍. 课程简介 教师简介 课程考核. 课程简介. 类似于操作系统，又不同 嵌入式系统的一个引入 理论和实践同样重要. 课程考核. 考试课 48 学时，（ 24 实验学时 +24 理论学时） 3 、 7 开 笔试. 嵌入式系统无处不在. 即使远在火星. 土星探测.

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  1. 课程介绍 • 课程简介 • 教师简介 • 课程考核

  2. 课程简介 • 类似于操作系统，又不同 • 嵌入式系统的一个引入 • 理论和实践同样重要

  3. 课程考核 • 考试课 • 48学时，（24实验学时+24理论学时） • 3、7开 • 笔试

  4. 嵌入式系统无处不在

  5. 即使远在火星

  6. 土星探测

  7. “小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。“小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。 “哥伦比亚”号，整个系统的起飞重量达2000吨，高56米。

  8. Smart Dust智能微尘

  9. 军事应用 • 美国五角大楼希望在战场上放置这种微小的无线传感器，以秘密监视敌军的行踪。 • 智能微尘还可以用于防止生化攻击——智能微尘可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。

  10. 第1章 嵌入式系统概述

  11. 提纲 • 关于嵌入式系统 • 嵌入式系统设计 • 嵌入式微处理器ARM • 嵌入式操作系统 • 嵌入式系统开发

  12. 1.1 关于嵌入式系统

  13. 1.嵌入式系统概念 • IEEE的定义：嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂运行的装置。 • 嵌入式系统具备下列特性： • 通常只执行特定功能。 • 以微型计算机与周边器件构成核心，其规模可在很大范围内变化。 • 严格的时序和稳定性要求。 • 全自动操作循环。

  14. 嵌入式系统的定义 • 定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

  15. 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序四个部分组成。 • 嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。

  16. 2.嵌入式系统历史与现状 • 嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： • 无操作系统阶段 • 简单操作系统阶段 • 实时操作系统阶段 • 面向Internet阶段

  17. 3.嵌入式体系结构

  18. 嵌入式系统的特点 • 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。 • 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。 • 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。

  19. 嵌入式系统的特点 • 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行 • 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 • 嵌入式系统本身并不本身不具备自举开发能力 。 • 嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。

  20. 4.应用领域和发展方向 • 嵌入式系统的应用领域主要有： • 信息电器 • 移动计算设备 • 网络设备 • 工控、仿真、医疗仪器等

  21. 信息电器 • 信息电器是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品。 • 具有信息服务功能，如：网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事物管理等；又应该简单易用、价格低廉、维护简便。

  22. 移动计算设备 • 包括手机，PDA，掌上电脑等各种移动设备。 • 中国拥有世界最大的手机用户群，而智能手机等手持设备由于其强大的功能及易于携带的优点，未来几年将得到快速发展。 • 新的手持设备将使无线互联访问成为更加普遍的现象。

  23. 网络设备 • 包括路由器、交换机、Web server、网络接入盒等各种网络设备。 • 基于Linux等的网络设备价格低廉，将为企业提供更为廉价的网络方案。 • 设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式Internet网络路由器已成为嵌入式Internet时代的关键和核心技术。

  24. 工控、仿真、医疗仪器等 • 工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求。 • 我国的工业生产在智能化数字化改造、自动控制等方面的需要为嵌入式系统提供了很大的市场。

  25. 1.2 嵌入式系统设计 • 嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和实现 • 硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等

  26. 1.嵌入式系统设计的过程 • 分析阶段是确定要解决的问题及需要完成的目标，也常常被称为需求阶段； • 设计阶段主要是解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求； • 实现阶段主要是解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。

  27. 2. 硬件平台的选择 • 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。 • 处理器的选择要考虑的主要因素有： • 处理性能 • 技术指标 • 功耗 • 软件支持工具 • 是否内置调试工具 • 供应商是否提供评估板

  28. 硬件选择的其它因素 • 生产规模 • 开发的市场目标 • 软件对硬件的依赖性 • 只要可能，尽量选择使用普通的硬件

  29. 3. 软件平台的选择 嵌入式软件的开发流程主要涉及到代码编程、交叉编译、交叉连接、下载到目标板和调试等几个步骤 。 整个过程中的部分工作在主机上完成，另一部分工作在目标板上完成。

  30. 嵌入式软件开发流程

  31. 3. 软件平台的选择——操作系统 • 选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑： • 操作系统提供的开发工具 • 操作系统向硬件接口移植的难度 • 操作系统的内存要求 • 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的API • 操作系统是否提供硬件的驱动程序 • 操作系统的可剪裁性 • 操作系统的实时性能

  32. 3. 软件平台的选择——编程语言 • 编程语言的选择主要考虑以下因素： • 通用性 • 可移植性程度 • 执行效率 • 可维护性 • 目前比较广泛应用的高级语言有Ada、C/C++和J2ME等

  33. 3. 软件平台的选择——集成开发环境 • 集成开发环境选择时应考虑以下因素： • 系统调试器的功能，包括远程调试环境 • 支持库函数 • 编译器开发商是否持续升级编译器 • 连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式

  34. 1.3 嵌入式微处理器ARM • 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。 • 根据发展阶段和芯片复杂度的不同，目前常用的嵌入式处理器可以分为四类： • 低端的嵌入式微控制器 • 中高端的嵌入式微处理器 • 用于计算机通信领域的嵌入式DSP处理器 • 高度集成的嵌入式片上系统

  35. 嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU） • 嵌入式微控制器又称单片机，也就是在一块芯片中集成了整个计算机系统。 • 微控制器由于比微处理器体积小，功耗和成本低，可靠性高，因而是目前嵌入式工业的主流，品种和数量都很多。

  36. 嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU） • 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU， • 嵌入式处理器目前主要有ARM系列、MIPS 、PowerPC 和M68000等。

  37. 嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor，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，指令执行速度也快。 • DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，发展到采用嵌入式DSP处理器。

  38. 嵌入式片上系统（System On Chip，SOC） • 所谓的片上系统SOC则是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。 • 各种处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL语言描述，存储在器件库中。

  39. 存储设备 • 存储设备主要用于各类数据的存储，嵌入式系统中使用的内存可以分为ROM(只读存储器)和RAM(可读写存储器)两类。

  40. 嵌入式外围设备 • 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）和存储设备以外，用于完成通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。 • 目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为网络设备、输入设备和显示设备几类。

  41. ARM微处理器 • ARM微处理器及技术的应用已经深入到各个领域： • 工业控制领域 • 无线通讯领域 • 网络应用 • 消费类电子产品 • 成像和安全产品

  42. RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： • 体积小、低功耗、低成本、高性能 • 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件 • 大量使用寄存器，指令执行速度快 • 大多数数据操作都在寄存器中完成 • 寻址方式灵活简单，执行效率高 • 采用固定长度的指令格式

  43. ARM微处理器系列 ARM微处理器以及其它厂商基于ARM体系结构设计的处理器，目前主要包括下面几个系列： • 通用处理器系列：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列； • 专用于安全要求较高的应用：SecurCore系列； • Intel的StrongARM； • Intel的XScale，为本学期选用处理器。

  44. ARM通用微处理器系列 • ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器 • ARM9系列微处理器提供了更高的性能 • ARM9E系列微处理器为综合处理器 • ARM10E系列微处理器由于采用了新的体系结构，支持VFP10浮点处理协处理器，并且内嵌并行读/写操作部件

  45. ARM7系列微处理器 • ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，支持16位Thumb指令集，典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的系统主时钟为20MHz到133MHz，适用于价位低、功耗低的消费类应用。

  46. ARM9系列微处理器 • ARM9系列微处理器提供了更高的性能：流水线级数由ARM7的三级增加到五级； • 支持数据Cache和指令Cache，具备更高的指令和数据处理能力； • 增加了对32位ARM指令集的支持； • 提供全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

  47. ARM9E系列微处理器 • 为综合处理器：使用单一的处理器内核； • 支持VFP9浮点处理协处理器； • 提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。

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