第一章 嵌入式系统概况

1. 第一章 嵌入式系统概况 大连理工大学 马洪连

2. 本章内容 1.1 嵌入式系统的定义 1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势 1.3 嵌入式系统组成简介

3. 1.1、嵌入式系统的定义 1. 概述 嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来构成的一个专门的装置，这个装置可以完成一些特定的功能和任务，能够在没有人工干预的情况下独立地进行实时监测和控制。 另外，由于被嵌入对象的体系结构、应用环境不同，所以各个嵌入式系统也可以由各种不同的结构组成。

4. 2. 发展历史 嵌入式系统已有近40年的历史，它是以硬件和软件交替双螺旋式发展的。 • 1971年第一款微处理器是Intel的4004 • 20世纪80年代初，Intel研制成功了MCS8051系列单片机。 • 1981年世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32）诞生（包含许多操作系统的特征，如任务管理、任务间通信、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。）

5. 3.IEEE定义 IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义原文：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. 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”。可以看出，此定义是从应用上考虑的，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。

6. 4. 一般定义 “以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3、MP4和一个PC104小型工控机都可以认为是嵌入式系统。 总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中。

7. 1.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势 1.2.1 嵌入式技术的现状 1.2.2 嵌入式技术的应用领域 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势

8. 1.2.1 嵌入式技术的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也将获得广阔和发展空间。美国著名学者尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言，4至5年后嵌入式智能工具将是PC和Internet网络之后最伟大的发明。 在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的各种微处理器芯片,还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。目前，嵌入式底层系统和硬件平台已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有，巨大的市场需求给我们提供了学习嵌入式技术的机遇。

9. 1.2.1 嵌入式技术的现状 在软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外的嵌入式操作系统有Windows CE、Linux、ucOS、VxWorks等。我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银京城（CoreTek）公司的DeltaSystem开发平台，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。 嵌入式系统技术的发展，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶段，如单片机；简单操作系统阶段，如Power PC；实时操作系统阶段，如DSP；面向Internet阶段。

10. 1.2.2 嵌入式技术的应用领域 嵌入式技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网络及电子商务；环境监测；机器人等领域。 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。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。

11. 嵌入式系统的应用领域示意图 军事国防 消费电子 军事电子 工业控制 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 网络

12. Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes Nixvue Digital Album Digital Photo Album eRemote Intelligent Home Controller goReader Internet eBook Samsung AnyWeb Internet Screen Phone 一些典型的嵌入式系统应用实例

13. 3. 其他方面的应用举例 ARM技术的IP（知识产权）在许多领域已经取得了很大的成功。 比如，目前绝大部分的无线设备（如手机等）和PDA之类的无线设备中都采用了嵌入式技术。在数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中也得到了更广泛的应用。典型的嵌入式系统应用实例如下图所示：

14. 典型的嵌入式系统应用实例

15. 嵌入式系统的具体应用 • 家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。

16. 嵌入式系统的具体应用 家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。

17. 嵌入式系统的具体应用 社会发展方面：嵌入式Internet应用

18. 嵌入式系统的具体应用 • 汽车电子：汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络。 VOLVO S80汽车的CAN总线网络

19. 嵌入式系统的具体应用 智能玩具与机器人

20. 嵌入式系统的具体应用 智能机器鱼技术研究

21. 嵌入式系统的具体应用 仿人型机器人 Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defense Technology in 1999 Institute of Technology in 2002

22. 基于Win CE的移动机器人平台

23. 嵌入式系统的具体应用 军事侦察 阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。

24. 嵌入式系统的具体应用 反恐防暴 2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。

25. 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-掌上电脑 • CPU:intel PXA255 400MHz • FLASH:64M • SDRAM:64M • Bluetouth • 影音 • Compact Flash • 电源管理 • 红外线接口

26. 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-基于RTLinux的仿人机器人 高 48 cm重: 6 kg灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通

27. 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-工程机械智能监控系统

28. 嵌入式系统的具体应用 产品介绍-基于VXworks的火星探路者

29. 结论： 事实上，嵌入式技术无外不在，计算机应用技术也开始进入一个被称为后PC技术的春天。

30. 1.2.3 嵌入式技术的发展趋势 1）目前的发展 • 经济性 计算机要很便宜，让更多的人能买得起； • 小型化 （笔记本、PDA）人们携带方便； • 可靠性 （汽车VCD，跳动问题); • 稳定性 能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行； • 高速度 （飞机刹车系统） • 实时性 能够迅速地完成数据计算或数据传输； • 智能性 （知识推理、模糊查询、识别、感知运动） • 实用性 使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。

31. 2）未来发展趋势 • 支持开发的工具和操作系统 • 联网成为必然趋势 • 精简系统内核、算法，设备实现小尺 寸、微功耗和低成本 • 提供精巧的多媒体人机界面

32. （1）支持开发的工具和操作系统 • 软件系统开发工具和软件包 • 采用实时多任务编程技术 • 交叉开发工具技术 • 简化应用程序设计 • 保障软件质量 • 缩短开发周期

33. （2）联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,相应需要TCP/IP协议簇软件支持。由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。

34. （3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。

35. （4）提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和利，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言、同声翻译还有很大距离。

36. 1.3 嵌入式系统组成简介 1.3.1 嵌入式系统的重要特征 1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成 1.3.3 嵌入式系统的软件组成

37. 嵌入式系统的基本组成

38. 嵌入式系统的架构图 应用程序 软件结构 操作系统 存储器 硬件结构 处理器 输出 输入

39. 应用程序 应用层 文件系统/图形用户应用程序接口 软 件 实时操作系统（RTOS） OS层 设备驱动程序、HAL、BSP 驱动层 硬 件 SOC/SOPC 电源管理 输入输出接口 处理器/ARM核 MMU/Cache Timer/RTC GPIO CAN IIS Flash 内存 以太网 USB DSP/浮点运算协处理器 SDRAM DMA LCD SRAM UART和IrDA ADC/DAC FPGA/CPLD 看门狗及复位电路 人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标

40. 硬件 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 软件 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application） 软件硬件基本要素

41. 体系结构 为了有效组织和管理各种不同的设备，可以采用分层的思想，把I/O系统从上到下分为四层，分别为API、设备管理、驱动逻辑和硬件抽象。 API API层 设备管理 设备管理层 中断驱动程序 串口驱动程序 键盘驱动程序 …… 驱动逻辑层 …… 串口卡A 硬件抽象 串口卡B 硬件抽象 硬件抽象层 …… 串口1 串口2 串口3 串口4 串口1 串口2 设备

42. 1）嵌入式系统硬件系统 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。 一般包括有 ：嵌入式处理器; 存储器; I/O系统和外设。

43. 2）嵌入式系统的软件系统 包括 ： 操作系统、应用软件、驱动层软件。 (1)操作系统功能简介 操作系统层包含嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。 作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理使用。嵌入式操作系统掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。

44. 非实时 操作系统 嵌入式 硬实时 操作系统 操作系统 实时 操作系统 软实时 操作系统 (1) 嵌入式操作系统

45. （2）应用程序 应用层软件主要是由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算的任务和通信的任务等，一般由操作系统调度各个任务。应用层要针对不同的应用而编写的程序。

46. （3）中间层（驱动层软件） 使用任何外设都需要有驱动程序的支持，驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，如初始化、中断响应、发送、接收等，而且还要提供完备的错误处理函数。中间层为上层软件提供了设备的操作接口。上层程序只需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设备具体的内部操作。 驱动层软件（中间层）将系统软件与底层硬件部分进行了隔离，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和板级支持包BSP。

47. 1）硬件抽象层HAL 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，可以通过程序来控制所有硬件电路，如CPU、I/O、存储器等的操作，从而使设备驱动程序与硬件无关，提高了系统的可移植性。 在定义抽象层时需要根据系统需求规定统一的软硬件接口标准。在功能上应实现相关硬件的初始化、数据的I/O操作、硬件设备的配置操作等功能。引入抽象层还可以对系统的软硬件进行并行测试。

48. 硬件抽象层 • 是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一层抽象，实现基本的IO操作。 • 所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不是设备的管理逻辑。 • 每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象，为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就可以操作这些设备。

49. 2）板级支持包BSP BSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的功能： ①在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备的中断、CPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。 ②为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一编址的，则可以直接在驱动程序中用C语言的函数进行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函数进行访问。BSP就是为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。

50. BSP小结 当前，实时操作系统的提供商基本上都要提供性能稳定可靠、可移植性好、可配置性好、规范化的板级支持包。作为嵌入式系统的开发者，只需在原来板级支持包基础上作一定改动，就可以适应性的目标硬件环境。