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 丁男

2. 本章内容 1.1 嵌入式系统的概述 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 嵌入式系统的概述 嵌入式系统是将硬件系统和软件系统结合起来构成的一个专门的装置。 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。 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存在各种不同的结构组成。

4. 一般定义 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。 例如：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。 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。

5. IEEE定义 IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义： 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”。 此定义是从工业控制领域考虑的，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. 嵌入式系统的发展（1） 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。）

7. 嵌入式系统的发展（2） 80年代初，微处理器(CPU) 及微控制器(MCU) 各自已发展为一个庞大的家族。 微处理器(CPU) 微控制器(MCU) 以Intel公司x86为主流的应用于个人计算机PC的微处理器格局已形成。 极大的促进了控制领域的发展，极大的提高了系统的可控性和智能化。

8. 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 嵌入式技术的发展趋势

9. 1.2.1 嵌入式技术的现状（1） 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。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。 ---美国著名学者尼葛 洛庞帝，1999年1月访华时。

10. 1.2.1 嵌入式技术的现状（2） 在硬件方面： 市场上各大公司生产的各种微处理器芯片,以及各种配套的开发工具包。 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。 在软件方面: 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。

11. 物联网给嵌入式带了新机遇

12. 嵌入式是物联网最核心的技术之一

13. 国家经济社会和科技发展的重大需求 中国《创新2050：科技革命与中国的未来》 八大经济社会基础和战略体系之一 --无处不在的信息感知 (任何人，任何时间，任何地方，任何物的互联、互感、互知)

14. 优先发展的重点建设领域 物联网技术与工程 • 信息物理系统 • 物联网拓扑结构基础研究 • 计算动态系统理论 • 传感网与嵌入式技术 • 物联网与智能交通 • 物联网信息支撑与决策 • 多源信息融合技术 优先发展的7个研究方向

15. 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。

16. 1.2.2 嵌入式技术的发展趋势 • 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。

17. 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；

18. （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

19. （2）网络成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用的网络需求，通常配备一种或多种网络通信接口。 例如：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)、实验现场仪器的协调工作等. 网络通讯接口： IEEE1394、USB、CAN、RS232/RS485、Bluetooth、IrDA； 以太网（TCP/IP协议）、802.11x、Zigbee等。

20. （3）高效的操作系统与算法 设备实现小尺寸、低功耗和低成本--精简系统内核、算法。 硬件方面： 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 软件方面： 这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。

21. （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，友好的人机交互界面。 人们与信息终端交互要求以GUI屏幕（彩色LCD屏、触摸屏）为中心的多媒体界面。 目前：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。 未来：人体行为感知、多元输入方式、多维触点等

22. 1.3 嵌入式系统组成简介 1.3.1 嵌入式系统的组成 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

23. 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 引导程序（Bootloader） 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

24. 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

25. 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 EEPROM 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

26. （一）嵌入式系统硬件系统

27. 嵌入式系统的硬件基本组成

28. 嵌入式系统组成原理架构

29. （二）嵌入式系统的软件系统 嵌入式软件系统

30. （三）嵌入式系统的重要特征和特点 • 系统内核小 • 专用性强 • 系统精简和高实时性OS • 高效率地设计 • 较长的生命周期 • 嵌入式软件开发的非标准化 • 嵌入式系统开发的交叉编译

31. 特点一：系统内核小 • 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 • 这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 • 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OS分布式系统，内核只有5KB；ucos内核仅为10几K

32. 特点二：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。 • 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， 嵌入式系统的系统升级和通用软件的“升级”是完全不同的概念。

33. 特点三：系统精简和高实时性OS • 嵌入式系统一般系统软件和应用软件的区分不明显，这样既利于控制系统成本，又利于实现系统安全。 • 软件要求固态存储，以提高速度。 • 需要不断地对所处环境的变化做出反应，不能延迟 软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。

34. 特点四：高效率地设计 嵌入式系统的 硬件系统 嵌入式系统的 软件系统 量体裁衣、去除冗余 在同样的硅片面积上实现更高的性能，结合具体应用，充分发挥嵌入式处理器性能

35. 特点五：较长的生命周期 • 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 • 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微处理器中，而不是存贮于磁盘等载体中。

36. 特点六：嵌入式软件的非标准化 应用、需求的专用性 嵌入式硬件系统 的专用性 嵌入式软件系统 的专用性 多任 务调 度机制 嵌入 式处 理器 专家 系统 用户 程序 用户 接口 功能 模块

37. 特点七：嵌入式系统开发的交叉编译 嵌入式系统本身不具备自主开发能力。 即使设计通用计算机上的软硬件设备以及各种完成以后，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。 开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿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。

38. 交叉式的开发环境示意图 嵌入式系统开发所需的开发工具和环境

39. 嵌入式系统与单片机的区别（1） • 嵌入式系统  单片机系统 • 嵌入式系统是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计，支持多任务调度，支持网络协议TCP/IP等复杂的应用需求。 • 单片机系统多为4位、8位、16位，它们不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能； 凌阳16位单片机 32位嵌入式处理器

40. 嵌入式系统与单片机的区别（2） • 嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计。 • 单片机大多采用软硬件流水设计； • 嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量）； • 单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。 • 单片机的开发通常是由一个电子工程师完成电路设计和软件编程开发工作； • 嵌入式系统不仅硬件系统的开发比单片机复杂，更最要的是在系统中采用了操作系统，其应用软件的开发转变为使用操作系统标准接口的计算机工程领域的应用软件开发。

41. 嵌入式系统与PC机之间的区别(1) • 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；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；有成本、功耗的要求；得到多种微处理体系的支持并需要专用的开发工具。

42. 嵌入式系统与PC机之间的区别(2) • 通用PC机系统要求的是高速、海量的数值运算。在技术发展上追求总线速度不断提升、存储容量不断扩大。 • 而嵌入式系统要求的是对象体系的智能化控制能力，在技术发展方向追求对特定对象系统的嵌入性、专用性和智能化。其计算能力和数据存储能力都受到资源的限制。外形、尺寸、功能和功耗都受限于应用对象的设计要求。

43. 1.3.2 典型嵌式系统的硬件组成 嵌入式系统基本硬件架构主要包括有处理器、外围电路及接口和外部设备三大部分。 外围电路一般包括有时钟、复位电路、程序存储器、数据存储器和电源模块等部件组成。 接口与外部设备一般指USB、显示器、键盘和其他等设备及接口电路。

44. 典型嵌式系统的硬件组成（1） 外围电路 电源 模块 Flash 微处理器 RAM 时钟 MPU 复位 ROM 外设 Other USB LCD Keyboard

45. 典型嵌式系统的硬件组成（2） 嵌入式核心控制模块：硬件架构的核心部件，操作系统和应用程序的运行和存储。 电源 模块 Flash 微处理器 RAM 时钟 MPU 复位 ROM

46. （一）嵌入式处理器的特点（1） （1）对实时多任务有很强的支持能力 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。 （2）具有功能很强的存储区保护功能 可以避免在软件模块之间、任务与任务之间出现错误的交叉作用；同时也有利于软件诊断。

47. （一）嵌入式处理器的特点（2） （3）可扩展的处理器结构 以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 （4）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或W级。

48. （二）嵌入式处理器的分类 嵌入式微控制器 （MCU） 嵌入式DSP处理器 (DSP) 嵌入式处理器 嵌入式微处理器 (MPU) 嵌入式片上系统 (System On Chip)

49. （1）嵌入式微控制器MCU（1） 嵌入式MCU的典型代表是单片机，目前主要包括：4位、8位、16位。 目前在工业、智能家电等领域广泛应用，由于适合于控制，因此称为微控制器。 主要特点：单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

50. （1）嵌入式微控制器MCU（2） 单片机芯片内部通常集成： FlashROM 、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出等必要功能和外设。