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2011-第1课 嵌入式系统概述


嵌入式系统
An Introduction to Embedded System
第1课 嵌入式系统概述
邹润民
rmzou@mail.csu.edu.cn 民主楼234# 2011年4月
1

提纲
? 本课程教学要求

? 嵌入式系统应用领域
? 嵌入式系统概念

? 嵌入式系统发展历程
? 嵌入式系统构成要素

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教材与教学安排 国内优秀教材和规划教材为主、外文教材为指导
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《嵌入式系统原理及应用开发》

陈渝,韩超,李明,机械工业出版社,2008年
?

《嵌入式系统原理与设计》

王志英、李宗伯等,高等教育出版社,2007年
?

《ARM嵌入式系统基础教程(第2版)》

周立功,北京航空航天大学出版社,2008年

课程共设32课时,理论课26学时,实验课6学时
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教材

主教材

参考教材

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网络资源

电子工程专辑,http://www.eetchina.com 电子设计技术,http://www.ednchina.com 嵌入开发网,http://www.embed.com.cn High Performance Embedded Computing, http://www.ll.mit.edu/HPEC

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教学内容 嵌入式硬件组成

ARM体系结构
嵌入式软件开发基础

嵌入式操作系统移植
嵌入式Linux驱动开发

嵌入式系统的应用程序开发

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实验平台 EasyARM2103开发平台

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课程考核方式 出勤、课堂讨论等平时成绩:约30%

实验报告质量与成绩:
期终考查(或考试)成绩:

约30%
约40%

有特色贡献者可以在以上总分的基础上再加分。

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提纲
? 本课程教学要求

? 嵌入式系统应用领域
? 嵌入式系统概念

? 嵌入式系统发展历程
? 嵌入式系统构成要素

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1.嵌入式系统概述
经过几十年的发展,嵌入式系统已经在很大程度上改变了 人们的生活、工作和娱乐方式,并且这种改变还在加速。 嵌入式系统具有无数的种类,每类都具有自己独特的个性。 例如,MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。

在日常生活中,人们使用各种嵌入式系统,但未必知道它 们。事实上,几乎所有带有一点“智能”的家电(全自动 洗衣机、恒温空调、电脑电饭煲?)都是嵌入式系统。

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1.1嵌入式技术的应用-手机
? 普通手机 ? 智能手机
与PDA结合 Nokia手机户外音响

内置 DVB-H 移动电视手机

韩国电信手机/电视遥 Sony Ericsson超小型手机电

脑手机放在底座上成为电脑

控器二合一产品
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1.1嵌入式技术的应用-智能家居
? 智能家居 ? 智能家电
DangerBomb 闹钟 不起床就爆炸啰

智能型垃圾桶 i.Master

Roto-Rooter的 Pimped Out John 组合笔记本/ipod/冰 箱/Xbox360/健身

高科技的捕鼠器

遮断红外线光束掉下笼子

配备电子食谱 的锅铲coo.boo
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1.1嵌入式技术的应用-PDA

? 个人信息助理 ? 掌上电脑

Nokia 6110 四频 HSDPA / GPS 导航器

SONY GPS导航器

Map-Star的GPS定位设备

PDA 手机 + GPS 导航= Dopod U1000,且支持SkyPE

华硕GPS导航器
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1.1嵌入式技术的应用-PMP
Meizu M8

? Portable Media Player
Nike的 iPod 帽

iLuv可即时将视频录制到iPod/ 闪存卡上,与以前技术相反

Ipod nano

XtremeMac开发的iPod音箱

IPEVO支持Skype电话

Archos带 Wifi的704

Sony家用影音综合设备
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1.1嵌入式技术的应用-办公用品
? 录音笔 ? FLY数字笔
能“看懂”在专用纸上所写的内 容 能“阅读”写作和纠正语法错误 完成简单的算术运算 将英文互相翻译成西班牙文等

? Genius数字便笺
存储100页便笺 2000LPI分辨率 32MB板载内存 可通过USB连接电脑 笔迹识别软件

? Polymer Vision手机书
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1.1嵌入式技术的应用-手表
? Martin Frey手表
日程表 和手机联动 获取网络连接和GPS定位信息

? 手表手机:M300
1英寸的显示屏 USB接口 可播放音乐 支持蓝牙

? Nike的Speed+手表
结合 iPod 和运动计测

? 韩国防性罪犯的电子手镯
可追踪罪犯的定位和坐标

? 爱国者视频MP4手表
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1.1嵌入式技术的应用-运动玩具游戏
? GTX公司定位的运动跑鞋
内置的GPS接收器和可充电电池

? 遥控蜻蜓 ? 次世代三大主流
三款主机Xbox 360,WII,PS3

GameCube

Wii, 手柄, 手套, 枪

PS3

XboX360
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1.1嵌入式技术的应用-摄像器材

? 数码相机 ? DV

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1.1嵌入式技术的应用-多媒体终端
? IP电话 ? 视频会议 ? 可视电话

基于H.323协议族 的网络视频电话

基于视频电话 的小型视频会 议系统(MCU)

语音识别电话

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1.1嵌入式技术的应用-家庭音响

? 引入计算机技术的音响

LG HD DVD/蓝光播放器

iPhone

Motorola支持M卡的 HD DVR 录像机

配备B&O与Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院

Sonos ZP80无线音响
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1.1嵌入式技术的应用-电视
? 高清电视 ? 数字电视 ? 立体显示技术

LG内置数字录像机的 LCD TV

能输出 1080p 高画质 影像的 iPod Dock

AppleTV:
Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of L2 高速缓存 nVidia G72M 显示卡 64MB DDR2 内存 内置的 40GB 硬盘 播放 iTunes
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数字电视机顶盒

1.1嵌入式技术的应用-通讯设备
? 有计算机能力的各种通讯设备 ? 路由器/交换机/防火墙等

VPN产品

千兆网关防火墙

Buffalo 路由器 / USB 网卡套装
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1.1嵌入式技术的应用-仪器仪表
? ? ? ? ? DCG (动态心电图仪) 便携式多参数监护仪 中医指套传感器脉象虚拟仪器 推拿手法测试仪 电动机故障状态监测保护系统

手持仪

监控仪
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1.1嵌入式技术的应用-交通相关
? 汽车电子
处理器个数可达三位数 车载
娱乐,定位等

中国版月球车

车控
ABS、EBD等

? 其他

汽车立体声音 响HD Radio扩展包
改装遮阳板 DVD / TV / MP3
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1.1嵌入式技术的应用-军工
? 武器控制系统 ? 数字化单兵系统
有苛刻要求
尺寸和重量 功率消耗 震动和冲击 温度和湿度

21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统 夜视扫描、全球定位、指挥通信

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1.1嵌入式技术的应用-新兴硬件

可服用的 RFID 芯片 GPS/蓝牙双拼模块芯片 Intel进入 二十倍数 时代,五 年后给我 们八十核 心处理器

龙芯2号增强型处理器芯片

Intel Tolapai计划要把南北桥做在芯片中
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提纲
? 本课程教学要求

? 嵌入式系统应用领域
? 嵌入式系统概念

? 嵌入式系统发展历程
? 嵌入式系统构成要素

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1.2.1嵌入式系统的定义(1)
IEEE(国际电气和电子工程师协会) 给出的定义: 嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助装置、机器 或者设备运行的装置。 Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.
通常执行特定功能

以微电脑和外围构成核心
严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环
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1.2.1嵌入式系统的定义(2)
从技术的角度定义:以应用为中心、以计算机技术为基 础、 软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 从系统的角度定义:嵌入式系统是设计完成复杂功能的 硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术 语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整 的部分,称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个 嵌入式系统。

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1.2.2计算机应用领域的划分

服务器

服务器

服务器

小型专用型

桌面通用型

高端服务型

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(1/7)
?

嵌入式系统中运行的任务是专用而确定的
心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务 如要更改任务,需要对整个系统进行重新设计或在线维护

?

桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序
对系统中运行的程序不作假设 程序升级、更新等方便

31

1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7)
?

嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。
实时系统:指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的 服务。(POSIX 1003.b) 嵌入式实时系统可分为:
强实时型:响应时间μs~ms级; 一般实时:响应时间ms~s级; 弱实时型:响应时间s级以上。

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(3/7)
? ?

嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统 嵌入式实时操作系统数量众多,如:
VxWorks (Wind River) Windows CE pSOS (被Wind River兼并)

QNX
?

国产嵌入式实时操作系统,如:
HOPEN

DeltaOS
。。。OS

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7)
嵌入式系统运行需要高可靠性保障,比桌面系统的故障 容忍能力弱很多 嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行 嵌入式系统运行的环境恶劣

?

? ?

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7)

?

嵌入式系统大都有功耗约束。
如:珍贵文物微气象环境监测 要求1分钟采样一次,每个采样节点采用电池供电,1年更新 一次。采用常规的方法,能量只能持续工作5天! 引入间歇工作方式,从而降低功耗,节省能量。

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7)

?

嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多
为降低系统成本,降低功耗,嵌入式系统的资源配置遵循够用 就行!

?

嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法:
开发:交叉编译、交叉链接 调试:仿真器、虚拟机 更新:在线升级等

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1.2.3嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7)
嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术
系统结构:状态控制器、中断控制器处理 汇编语言:操纵外围设备、端口 操作系统:设置运行任务、通讯、互斥

?

编译原理:交叉编译、bootloader加载

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通用计算机与嵌入式系统对比
特征 形式和类型 ? ? 通用计算机 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和 结构规模等因素分为大、中 、小型机和微机。 ? ? 嵌入式系统 看不见的计算机。 形式多样,应用领域广 泛,按应用来分。

组成

? 通用处理器、标准总线和外 设。 ? 软件和硬件相对独立。

? 面向应用的嵌入式微处 理器,总线和外部接口 多集成在处理器内部。 ? 软件与硬件是紧密集成 在一起的。
? 采用交叉开发方式,开 发平台一般是通用计算 机,运行 平台是嵌入式 系统。 一般不能再编程

开发方式

?

开发平台和运行平台都是通 用计算机

二次开发性

?

应用程序可重新编制

?

提纲
? 本课程教学要求

? 嵌入式系统应用领域
? 嵌入式系统概念

? 嵌入式系统发展历程
? 嵌入式系统构成要素

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1.3嵌入式系统的发展历程

?

嵌入式系统出现于20世纪60年代,40多年来随着计算机技 术、电子信息技术的发展,嵌入式系统的各项技术蓬勃发 展,市场迅猛扩大,已深入生产和生活的各个角落。 嵌入式系统发展的三个阶段
嵌入式系统的出现和兴起 (1960-1970)

?

嵌入式系统走向繁荣,软件、硬件日臻完善(1971-1989) 嵌入式系统应用走向纵深化发展 (1990-至今)

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1.3.1嵌入式系统的出现和兴起
?

第一代电子管计算机(1946~1957年),无法满足嵌入式 计算所要求的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实 时性强等一系列要求。 60年代,第二代晶体管计算机系统开始应用:
第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员” 号研制的多功能数字分析器(Verdan)。 1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。

?

?

1965~1970年,第三代集成电路化计算机系统应用:
第一次使用机载数字计算机控制:1965年发射的Gemini3号
第一次通过容错来提高可靠性:1968年阿波罗4号、土星5号。

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嵌入式系统开始走向繁荣
嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后
1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的微处理 器 , 包 括 Intel 8080/8085 , Motorola 的 6800/6802,Zilog的Z80和Rockwell的6502。 微处理器不单用来组成微型计算机,而且用来制造 仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式 系统。
仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其中大部 分是用于嵌入式工业控制应用。

嵌入式系统开始走向繁荣
微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用 市场,计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提 供工业控制计算机系统外,开始大量地以插件方式 向用户提供OEM产品,再由用户根据自己的需要构 成专用的工业控制微型计算机,嵌入到自己的系统 设备中。 为了灵活兼容,形成了标准化、模块化的单板机系 列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、 Zilog公司的MCB等。 由于兼容的要求,这就导致了工业控制微机系统总 线的诞生。

嵌入式系统开始走向繁荣
1976 年 Intel 推 出 Multibus , 1983 年 扩 展 为 带 宽 达 40MB/S的MultibusⅡ。 1978年Prolog设计简单的STD总线广泛用于小型嵌入式 系统。

1981年Motorola推出的VME_Bus则与MultibusⅡ瓜分高 端市场。
目 前 在 工 业 控 制 领 域 , 嵌 入 式 PC 、 PC104 、 CPCI (Compact PCI)总线已广泛应用到工业控制领域。

嵌入式系统开始走向繁荣
单片机、DSP出现
随着微电子工艺水平的提高, 集成电路设计制造商 开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、 A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通通集成到 一个VLSI中, 制造出面向I/O设计的微控制器,就 是我们俗称的单片机。
专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器DSP。

嵌入式系统开始走向繁荣
软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善
在微处理器出现的初期,为了保障嵌入式软件的时 间、空间效率,软件只能用汇编语言编写。
由于微电子技术的进步,对软件的时空效率的要求 不再那么苛刻了,嵌入式计算机的软件开始使用 PL/M、C等高级语言。 对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发 工具外,还需要嵌入式实时操作系统的支持。

嵌入式系统开始走向繁荣
80年代初开始出现了一批软件公司,推出商品化的嵌 入式实时操作系统和各种开发工具。
Ready System(后来的Microtec Research、后来又被Mentor Graphic收购)公司:VRTX操作系统及Xray, Spectra工具
Integrated System Incorporation (ISI,后被WindRiver公 司合并):pSOS操作系统及pRISM工具

WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具
QNX公司:QNX操作系统及工具

商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应 用,使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化 的方向发展,促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。

嵌入式系统应用走向纵深
进入20世纪90年代, 在分布控制、柔性制造、数 字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下,嵌 入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应 用领域进一步扩大。
手机、数码相机、VCD、数字电视、路由器、交换机等 都是嵌入式系统。 大多数豪华轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。 最新的波音777宽体客机上约有1000个微处理器。 在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入 系统在为你服务。

嵌入式系统应用走向纵深
嵌入式系统的硬件
4位、8位、16位微处理器芯片已逐步让位于32位嵌 入式微处理器芯片。
面向不同应用领域的(Application-Specific)、 功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功 耗的32位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用 设备。 DSP向高速、高精度、低功耗发展。

DSP与通用嵌入式微处理器集成(SoC)已成为现实, 并已大量应用于嵌入式系统,如手机、IP电话等。

嵌入式系统应用走向纵深
在工业控制领域,嵌入式PC大量应用于嵌入式系统 中。 PC104、CPCI(Compact PCI)总线因其成本低、兼 容性化也已被广泛应用。

嵌入式系统的软件
随着微处理器性能的提高,嵌入式软件的规模也随 着发生指数型增长。

嵌入式系统应用走向纵深
32位芯片将能够执行 由上百万行C代码构 成的复杂程序,使得 嵌入式应用具备高度 复杂和智能化的功能 软件的实现从某种意 义上说决定了产品的 功能,已成为新产品 成功与否的关键因素。

低价位的 RISC / 32-位 微处理器

产品推向市场的 时间压力

嵌入式 软件 危机

日益复杂的 应用

开发成本的提高

软件体现价值

DVD播放机
功能:视频 + 音频(incl. MP3) 价格:200 – 600元

? iPod MP3播放机
– 功能:MP3 iPod nano – 价格:
iPod nano
iPod iPod 1 GB 1400元

4 GB
30GB 60GB

2200元
2800元 3800元

? ? ?

两者的硬件差异? 两者的价格差异? 核心价值在于:好的软件带给消费者最好的使用体验

嵌入式系统应用走向纵深
为此,嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富,由80年代 只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接 口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等丰 富功能的集合。 此外,嵌入式开发工具更加丰富,其集成度和易用 性不断提高,目前不同厂商已开发出不同类型的嵌 入式开发工具,可以覆盖嵌入式软件开发过程各个 阶段,提高嵌入式软件开发效率。

提纲
? 本课程教学要求

? 嵌入式系统应用领域
? 嵌入式系统概念

? 嵌入式系统发展历程
? 嵌入式系统构成要素

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1.4嵌入式系统结构
?

嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统(可选),以及用户的应用软件系统等四个 部分组成。
编译 应用程序 软件部分

操作系统 开发环境

下载和调试

嵌入式 处理器 外围硬件

硬件部分

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1.4.1嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器一般 都具有较高的集成度。 1000多种硬件处理器,分为MPU 、 MCU、DSP、SOC
ARM RISC (ARM) TMS320 DSP(TI) Trimedia (Philips) StrongARM (Intel) Xscale (Intel) MIPS RISC (MIPS) DragonBall(Motorola)
嵌入式处理器 嵌入式DSP处理器 (DSP) 嵌入式微控制器 (MCU) 嵌入式微处理器 (MPU)

嵌入式片上系统 (System On Chip)

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1.4.1嵌入式微处理器(MPU)
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用 中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留 和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小 系统体积和功耗。 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,但是在电路板上 必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,从 而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。
ROM RAM 外设1 CPU 外设2
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1.4.1嵌入式微控制器(MCU)
嵌入式微控制器又称单片机,它是将整个计算机系统集 成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理 器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线等 各种必要功能和外设。

晶振 部件 /O 部件 中断 部件

和嵌入式微处理器相比,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, 因此称微控制器。
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多,是目前嵌入式 系统工业的主流,占嵌入式系统约70%的市场份额。
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1.4.1嵌入式DSP处理器(DSP)
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,指令执行速度也较 高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大 量进入嵌入式领域。
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系 列和Freescale的DSP56000 系列。另外PHILIPS公司近 年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗 技术上制造的R. E. A. L DSP处理器,特点是具备双 Harvard结构和双乘/累加单元,应用目标是大批量消 费类产品。

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1.4.1嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速 发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已 来临,这就是System On Chip(SOC)。这样除个别无法集 成的器件以外,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,对于 减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的 TriCore、Freescale的M-Core、某些ARM系列器件、 Echelon和Freescale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,不为一般用户所知。
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1.4.2外围硬件
外围硬件是嵌入式系统处理器以外的硬件,它为系统提 供了运行条件和部分功能。 在运行条件方面,最基础的是时钟和电源部件,它们不 可能集成到处理器内部,但它们对于处理器运转是必需 的。 外围硬件也将提供在系统中需要,但是微处理器内部不 具有的功能,如:内存、各种通讯端口、AD/DA等。

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1.4.2外围硬件设备(1/3)
片外总线:连接系统各个部件,进行互连和传输信息的 信号线。
ESIA总线、SCSI总线、PCI总线

?

AMBA总线:ARM研发的总线规范
专用总线
CompactPCI总线:工业控制 CAN总线:汽车电子总线 1553B总线:航空工业总线

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1.4.2外围硬件设备(2/3)
电子盘:采用flash芯片存储数据,体积小、功耗低、抗 震
DOC:Disk on Chip

?

DOM:IDE电子盘
CF:CompactFlash SM:Smart Media MS:Memory Stick

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1.4.2外围硬件设备(3/3)
I/O设备
A/D、D/A 中断控制器 UART LCD
?

?

通讯设备
有线通讯:IEEE1394、USB 无线通讯:IrDA、Bluetooth、802.11b/g

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1.4.3嵌入式操作系统
嵌入式操作系统的作用一般只是为了应用程序提供 必要运行环境(任务调度),附加任务通讯、内存 管理等功能。
嵌入式系统和系统的硬件基础关系紧密,一般都需 要移植和配置才可以使用。嵌入式操作系统让嵌入 式系统的开发利用通用的功能模块,这可以让开发 更加高效。

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1.4.3嵌入式实时操作系统
?

典型的嵌入式实时操作系统(RTOS)
近200种操作系统,VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS 面向SOC的操作系统:Symbian的Epoc、Express Logic的 ThreadX、ATI的Nucleus 开放源码的操作系统:Linux系列、uC/OS

?

典型性能指标
内核大小:几K~几百K; 调度时间片:1ms; 实时任务响应时间:20~40 μs

一般任务响应时间:20 μs ~几百ms

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1.4.3常见的嵌入式操作系统(1/4)
——嵌入式Linux μ Clinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统,完 全开放代码。μ Clinux从Linux 2.0/2.4内核派生而来 ,沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没 有MMU的CPU,并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作 。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器 ,例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的 嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点:稳定、良 好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统 的支持、以及标准丰富的API等。

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1.4.3常见的嵌入式操作系统(2/4)
——Win CE Windows CE是微软开发的一个开放的、可升级的32位 嵌入式操作系统,是基于掌上型电脑类的电子设备操 作,它是精简的Windows 95。Windows CE的图形用户 界面相当出色。Win CE具有模块化、结构化和基于 Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。Win CE 不仅继承了传统的Windows图形界面,并且在Win CE平 台上可以使用Windows 95/98上的编程工具(如Visual Basic、Visual C++等)、使绝大多数的应用软件只需 简单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使 用。
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1.4.3常见的嵌入式操作系统(3/4)
——VxWorks VxWorks操作系统是美国 公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTO S),是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发 展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在嵌 入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可 靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、 航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中,如卫星 通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等,甚至在1997 年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。

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1.4.3常见的嵌入式操作系统(3/4)
——μC/OS-II μ C/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、 占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用A NSI C写的,使其可以方便的移植并支持大多数类型的 处理器。μ C/OS-II通过了联邦航空局(FAA)商用航 行器认证。自1992年问世以来,μ C/OS-II已经被应用 到数以百计的产品中。μ C/OS-II占用很少的系统资源, 并且在高校教学使用是不需要申请许可证。

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1.4.4应用程序
在嵌入式系统中,应用程序的层级远远少于通用计算 机。由于控制硬件是嵌入式系统基本的操作,因此嵌 入式应用程序依然与系统的硬件基础关系密切。尤其 在没有操作系统的情况下,嵌入式的应用程序需要直 接访问寄存器或者设备的地址来操作硬件。

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1.4.5开发环境
开发环境并不是嵌入式系统产品的一部分,但是它在 嵌入式系统的产品的开发过程中起着至关重要的作用。 不同嵌入式系统的开发环境差异是很大的。
程序生成: 主机端,交叉编译 程序的载入: 主机到目标机 烧写或其他通讯方式

主机

目标机

嵌入式系统程序的交叉开发
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1.4.6 典型嵌入式系统应用 GPS导航仪
?

需求分析
用户要求;

?

规格说明
做什么;

?

体系结构
如何做;

73

1.4.6 典型嵌入式系统应用

需求分析——用户要求(1)
功能
针对高速公路上的开车用户和类似用户 系统应展示主要道路和其它陆地标志

用户界面
LCD:400*600 控制按钮不多于三个 按下按钮时屏幕弹出菜单,供用户选择

性能
地图应该平滑滚动,系统应在15秒钟内显示当前地图
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1.4.6 典型嵌入式系统应用 需求分析——用户要求(2) 成本
单个设备零售价不高于2000元

功耗
4节5号电池供电,可持续8小时

物理尺寸和重量
设备应该可以非常舒适地放在手上

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1.4.6 典型嵌入式系统应用

用户要求---表格化
名称 目的 输入 输出 功能 性能 成本 功耗 物理尺寸与重量 GPS导航仪 为开车者提供用户级移动地图和定 位信息 三个控制按钮 400*600 LCD 显示当前的位置信息和地图 屏幕刷新时间0.25s 800元 100mW 不大于8cm*20cm,350g
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1.4.6 典型嵌入式系统应用

规格说明
GPS导航仪基本构成
接收GPS卫星数据 地图数据 操作键盘 LCD显示器(集成控制器)

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1.4.6 典型嵌入式系统应用 规格说明——工作框图

78

1.4.6 典型嵌入式系统应用 规格说明——工作框图细化

天线 GPS接收 模块 输入 处理 搜索 引擎 格式 转换 器 LCD 控制 器 LCD

键 盘

键盘 控制 器

地图数据库

GPS导航仪 工作框图

79

1.4.6 典型嵌入式系统应用 体系结构 处理器
CPU核 存储控制器——Flash、SDRAM UART、LCD控制器、GPIO

GPS接收模块
UART接口

键盘(键盘控制器) LCD SD/CF卡
存储地图数据
80

1.4.6 典型嵌入式系统应用 体系结构——硬件结构
嵌入式 处理器 天线 GPS接收 模块 CPU Core UART Flash 存储 控制器 SDRAM

键 盘

键盘 控制器

GPIO

LCD 控制器

LCD

总线 SD/CF卡 读卡器

GPS导航仪 硬件结构
81

1.4.6 典型嵌入式系统应用

体系结构——软件结构
GPS导航仪软件结构
定位信息 输入 处理 按钮信息 时钟 搜索 引擎 格式 转换 器 像素

82

典型嵌入式系统组成
应用 OS 驱动层 电源管理 应用软件/文件系统/GUI/API Linux、u/COS、Wince… 设备驱动/BSP/HAL 软件 硬件

Flash SDRAM SRAM

GPIO USB LCD

处理器
MMU

CAN DMA 以太网

输入 输出

看门狗 复位电路

LCD/触摸屏/鼠标
83


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