嵌入式系统简介

1. 嵌入式系统简介 主讲：杨海马 上海理工大学

2. 课程简介 课程安排： 32学时 配套教材：《例说STM32》、数据手册 论坛资料、神舟开发板 要求：多交流，多上网，多动手 考核形式：1、试卷 2、报告 3、报告+答辩

3. 引子 • 2011年1月6日，微软公司宣布，下一版Windows将正式支持ARM处理器。 • 1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。 • 1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

4. 引子 • 1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6M Hz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。 • 早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。

5. 引子 • 1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。 • 20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。但是进入21世纪之后，由于手机的快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占领了全球手机市场。2006年，全球ARM芯片出货量为20亿片，2010年预计将达到45亿片。

6. 引子 • 2007年底，ARM的雇员总数为1728人，持有专利700项（另有900项正在申请批准中），全球分支机构31家，合作伙伴200家，年收入2.6亿英镑。

7. 引子

8. 第一章 嵌入式系统绪论 提纲 1 何谓嵌入式系统 2 何谓嵌入式操作系统 3 嵌入式系统的应用领域 4 未来嵌入式系统的发展趋势 5 ARM公司及架构

9. 何谓嵌入式系统 嵌入式技术无处不在 • 处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机 • 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

10. 何谓嵌入式系统 国际芯片市场来看 • 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。

11. 何谓嵌入式系统 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。

12. 何谓嵌入式系统 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。

13. 何谓嵌入式系统 后PC时代产品的蓬勃发展

14. 何谓嵌入式系统 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）。

15. 何谓嵌入式系统 简单地讲 • 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

16. 何谓嵌入式系统 广义地说 • 一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。 • 即以应用为中心、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 。 • 嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）

17. 嵌入式系统的分类 何谓嵌入式系统 • 按表现形式分（硬件范畴） ： ▲芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） ▲模块级嵌入（系统中的某个核心模块） ▲系统级嵌入 • 按实时性要求分（软件范畴） ： • ▲非实时系统（PDA） • ▲软实时系统（消费类产品） • ▲硬实时系统（工业和军工系统）

18. 嵌入式处理器的分类和现状 何谓嵌入式系统 • 微控制器（MCU） • 数字信号处理器（DSP） • 片上系统（SOC） • 可编程片上系统（SPOC）

19. MCU 何谓嵌入式系统 • 嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种８位的电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 • 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。

20. MCU处理能力非常有限 何谓嵌入式系统 • MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。

21. MPU 何谓嵌入式系统 • 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit) • MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，80386－80387 • 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

22. DSP 何谓嵌入式系统 • DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 • DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。

23. SOC 何谓嵌入式系统 • SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。 • SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。

24. SOPC 何谓嵌入式系统 • 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统： • 首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； • 其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

25. 操作系统 适用于计算中心等较大的计算机系统 监 控 程 序 操 作 系 统 多道批处理操作系统 适用于多个用户共享系统资源 分时操作系统 适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中 实时操作系统 用户程序 操作系统 硬件驱动 硬件 何谓嵌入式系统 • 操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。 时 间 先 后

26. 前台后台 后台 前台 中断服务程序 ISR 时 间 ISR ISR ISR 何谓嵌入式系统 循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。后台的处理在及时性上比实际可以做到的要差。 中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。

27. 实时操作系统 何谓嵌入式系统 实时操作系统(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使计算机能及时响应外部事件的请求在规定的严格时间内完成对该事件的处 理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统要追求的目标是：对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。 因此实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确性,还取决于输出结果的时间.

28. 何谓嵌入式系统 • 实时性 • 实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。 • 任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。 • 实时系统 • 实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。 • 嵌入式系统≠实时系统 • 有些嵌入式系统没有实时性要求

29. 何谓嵌入式系统 • 硬实时软实时 • “软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果，而对于硬实时系统来说却是灾难性的 • 从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常（隐含的和错误的）与系统的时间精度有关：由于这个原因，典型的，软实时任务的调度精度必须大于千分之一秒，而硬实时任务为微秒级。

30. 何谓嵌入式系统 • 按收费模式划分 • 商用型 • Vxworks, Nucleux ，PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OS • 免费型 • Linux, μCLinux,μC/OS-Ⅱ,eCos,uITRON • 按实时性划分 • 硬实时 • Vxworks • 软实时 • WinCE,RTLinux • 无实时 • Embedded Linux

31. 何谓嵌入式系统 嵌入式操作系统简介 • 嵌入式Linux • µcLinux • Windows CE • VxWorks • Symbian OS • Palm OS • QNX • OSE • C/OS-II • OSE • Nucleus PLUS

32. 何谓嵌入式系统 嵌入式Linux及应用 • Linux是开放源码和免费使用的，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。 • 嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和CLinux • Linux的内核小、功能强大、API丰富，系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。 • Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。 • 近几年Linux在嵌入式领域异军突起，过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型。

33. 何谓嵌入式系统 µcLinux

34. 何谓嵌入式系统 Windows Embedded • Windows CE：一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩减的Win95）。 • 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，属于软实时操作系统， • 由于其Windows背景，界面比较统一认可。可以使用大多数Windows开发工具（如VB，VC等），大多数Windows应用程序经过移植后就可以运行在WinCE平台上。 • 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。

35. 何谓嵌入式系统 VxWorks • VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有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牢牢占据着一席之地。 • VxWorks所具有的显著特点是： － 可靠性、实时性和可裁减性。 － 它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。 • 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，如火星探测器（1997年7月4日登陆火星表面）。

36. 何谓嵌入式系统 Symbian OS • Symbian由诺基亚、西门子、索尼爱立信等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司，专门研发手机操作系统。Symbian操作系统的前身是EPOC。 • 针对PDA及智能手机的，能够提供良好的软实时的操作系统，目前占有60％的智能手机市场 • 与之竞争的有Windows Mobile、PalmOS以及Linux • 主要版本 • Series 60/90/80/40 • UIQ

37. 何谓嵌入式系统 Palm OS • Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的Palm Computing掌上电脑公司的产品。 • Palm OS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，充分考虑到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以Palm操作系统本身所占的内存很小，基于Palm操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十KB，因此基于Palm操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。 • Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额， Palm OS的市场份额占到将近90%，最近下降70％，目前主要与WIN CE进行激烈竞争。 • 代表性的产品有Palm m505、Palm m500、Palm III等。

38. 何谓嵌入式系统 QNX • 加拿大QNX公司的产品。 • QNX是在X86体系上面开发出来的，这和别的RTOS不一样，别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟，然后再移植到X86体系上面来的。 • QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。

39. 何谓嵌入式系统 C/OS及C/OS-II • C/OS—Micro Controller O S • C/OS简介 • 美国人Jean Labrosse 1992年完成，已应用于数百种产品中。 • 应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 • 1998年C/OS-II，目前的版本C/OS -II V2.72 • 2000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器中 • 是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSI C写的，移植性好。高校教学可免费使用。 • 网站www.ucos-II.com（www.micrium.com)

40. 何谓嵌入式系统 OSE • OSE主要是由瑞典的ENEA Data AB下属的ENEA OSE Systems AB 负责开发和技术服务的，一直以来都充当着实时操作系统以及分布式和容错性应用的先锋，并保持良好的发展态势。 • OSE的客户深入到电信、数据、工控、航空邓领域，尤其在电信方面，该公司已经有了十余年的开发经验，同诸如爱立信、诺基亚、西门子等公司确立了良好的关系。 • 目前手机市场占有率为15％左右，期望在未来3G手机市场占有率达到50％。

41. 何谓嵌入式系统 Nucleus PLUS Nucleus 主要应用:网络设备，例如，路由器，机顶盒等

42. 何谓嵌入式系统 • 嵌入式系统软件的开发模式——交叉开发 • 交叉开发：在一台通用计算机上进行软件的编辑、编译，然后下载到嵌入式设备中运行调试的开发方式。

43. 嵌入式系统的应用领域 应用领域 • 社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用 • 中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用

44. SOPC 何谓嵌入式系统 • 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统： • 首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； • 其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

45. 军事国防 消费电子 军事电子 工业 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 嵌入式系统的应用领域 嵌入式技术刺激了许多新的应用需求 • 嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生－ 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器

46. 嵌入式系统的应用领域 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。

47. 嵌入式系统的应用领域

48. 嵌入式系统的应用领域 信息家电 • 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。

49. 嵌入式系统的应用领域

50. 嵌入式系统的应用领域