1、主講人：莊春興 江南大學物聯網學院n教師姓名：莊春興教師姓名：莊春興n辦公地點：信息辦公地點：信息b207nemail：n課程組成：n授課信息：（0801-0803班）u授課時間：周二授課時間：周二35節節u授課地點：授課地點：1教教1b108 u實驗地點：信息樓實驗地點：信息樓4樓嵌入式系統實驗室樓嵌入式系統實驗室n考試成績組成：概述概述本課程的主要內容本課程的主要內容參考資料n賈智平賈智平, ,張瑞華張瑞華, ,嵌入式系統原理與接口技術嵌入式系統原理與接口技術, ,清華大學出版清華大學出版社社,2005 ,2005 n王田苗王田苗, ,嵌入式系統設計與實例開發嵌入式系統設計與實例開發- -

2、基于基于armarm微處理器與微處理器與cos-iicos-ii實時操作系統實時操作系統, ,清華大學出版社清華大學出版社, 2003, 2003,第第2 2版版n杜春雷杜春雷, ,armarm體系結構與編程體系結構與編程, ,清華大學出版社清華大學出版社, 2003 , 2003 n田澤田澤, ,嵌入式系統開發與應用嵌入式系統開發與應用, ,北京航空航天大學出版北京航空航天大學出版社社,2005 ,2005 n周立功周立功, ,armarm嵌入式系統基礎教程嵌入式系統基礎教程, ,北京航空航天大學出版北京航空航天大學出版社社,2005 ,2005 narm limited,arm limit

3、ed, arm architecture reference manual arm architecture reference manual ，http:/ ,嵌入式系統開發圣經嵌入式系統開發圣經, ,中國青年出版社中國青年出版社,2002 ,2002 n邵貝貝邵貝貝, ,c/os-iic/os-ii源代碼公開的實時嵌入式操作系統源代碼公開的實時嵌入式操作系統, ,中國中國電力出版社電力出版社,2001,2001 網絡資源n嵌入式資訊網，嵌入式資訊網，http:/ http:/ 嵌入式開發網，嵌入式開發網，http:/ n嵌入式控制技術研究室嵌入式控制技術研究室 ，http:/ system

4、）。）。u嵌入式系統是計算機技術、半導體技術、微電子技術、嵌入式系統是計算機技術、半導體技術、微電子技術、制造技術等多種先進技術的高度融合。制造技術等多種先進技術的高度融合。u嵌入式技術是繼網絡技術之后，又一主流技術。嵌入式技術是繼網絡技術之后，又一主流技術。u嵌入式系統已經滲透到人類社會的每個角落，如科學教嵌入式系統已經滲透到人類社會的每個角落，如科學教育、工業生產、軍事國防、航空航天、醫療衛生、汽車電育、工業生產、軍事國防、航空航天、醫療衛生、汽車電子、網絡設備、消費電子、信息家電等等，無不都在廣泛子、網絡設備、消費電子、信息家電等等，無不都在廣泛地、深入地應用著嵌入式系統。地、深入地應用

5、著嵌入式系統。u例如，小到微型機器人、手機、例如，小到微型機器人、手機、pda等，大到飛機、導彈、等，大到飛機、導彈、航天器等，其中都嵌入著一個乃至多個獨立的航天器等，其中都嵌入著一個乃至多個獨立的“嵌入式系嵌入式系統統”。u計算機系統有兩大分支：通用計算機系統和嵌入式計算計算機系統有兩大分支：通用計算機系統和嵌入式計算機系統（簡稱嵌入式系統）。機系統（簡稱嵌入式系統）。l通用計算機系統采用通用計算機系統采用標準化設計標準化設計：例如：例如pc機。機。l嵌入式計算機系統是嵌入式計算機系統是非標準化設計非標準化設計：l（3要素：嵌入性、專用性、計算機要素：嵌入性、專用性、計算機）u1.ieee（

6、國際電機工程師協會）的定義（國際電機工程師協會）的定義l嵌入式系統是嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。）。u2.國內的定義國內的定義l嵌入式系統是嵌入式系統是“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件/硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積

7、、功耗嚴格要求的專用計算機系統耗嚴格要求的專用計算機系統”。u3.行業的定義行業的定義lamd認為認為“除桌面微型電腦與筆記微型電腦之外，其它的都除桌面微型電腦與筆記微型電腦之外，其它的都叫做嵌入式產品叫做嵌入式產品”。顯然，這個定義極為寬泛。在這種定義之。顯然，這個定義極為寬泛。在這種定義之下，下，x86系列的嵌入式產品市場變得巨大，因此對生產系列的嵌入式產品市場變得巨大，因此對生產x86體體系結構系結構cpu的廠商更加實用。的廠商更加實用。u4.本書的注解本書的注解l實際上，嵌入式系統是一個外延極廣的名詞。本書認為凡是實際上，嵌入式系統是一個外延極廣的名詞。本書認為凡是結合產品功能的、含有

8、嵌入式處理器的、運行嵌入式操作系統結合產品功能的、含有嵌入式處理器的、運行嵌入式操作系統的、設計專門化的計算系統都叫嵌入式系統。的、設計專門化的計算系統都叫嵌入式系統。l一般而言，嵌入式系統的構架可以分成四個部分：處理器、一般而言，嵌入式系統的構架可以分成四個部分：處理器、存儲器、存儲器、io控制器和軟件（包括操作系統和應用軟件）。這控制器和軟件（包括操作系統和應用軟件）。這樣的定義更便于讀者明確對嵌入式系統學習的目標、方向、內樣的定義更便于讀者明確對嵌入式系統學習的目標、方向、內容等。容等。u一個嵌入式系統開發者，需要具有如下知識結構：一個嵌入式系統開發者，需要具有如下知識結構：l1.以嵌入

9、式處理器為核心的知識體系：包括計算機組成與結以嵌入式處理器為核心的知識體系：包括計算機組成與結構、具體嵌入式微處理器（如構、具體嵌入式微處理器（如arm、mips等）、數字電子技等）、數字電子技術、匯編語言程序設計、硬件描述語言等。術、匯編語言程序設計、硬件描述語言等。l2.以嵌入式操作系統為核心的知識體系：操作系統原理、具以嵌入式操作系統為核心的知識體系：操作系統原理、具體嵌入式操作系統（如體嵌入式操作系統（如c/os-ii、clinux等）、等）、c/c+語語言程序設計、數據結構等。言程序設計、數據結構等。l3.以產品應用為核心的知識體系：模擬電子技術、傳感器技以產品應用為核心的知識體系：

10、模擬電子技術、傳感器技術、與應用相關的專業知識（如機械原理、醫療技術等）等。術、與應用相關的專業知識（如機械原理、醫療技術等）等。l4.以設計技術為核心的知識體系：硬件設計技術、軟件設計以設計技術為核心的知識體系：硬件設計技術、軟件設計技術、軟硬件協同設計方法學、編譯技術等。技術、軟硬件協同設計方法學、編譯技術等。l本書的注解不在于對嵌入式系統定義的標準化，而是注重定本書的注解不在于對嵌入式系統定義的標準化，而是注重定義的通俗性、功能性、層次性和知識性，便于初學者依照自己義的通俗性、功能性、層次性和知識性，便于初學者依照自己的知識體系來理解和學習。的知識體系來理解和學習。u嵌入式系統的課程體系

11、結構嵌入式系統的課程體系結構嵌入式系統方向課程體系結構圖嵌入式系統方向課程體系結構圖嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統嵌入式操作系統信號處理原理信號處理原理嵌入式系統接口設計嵌入式系統接口設計嵌入式驅動程序開發嵌入式驅動程序開發dsp設計技術設計技術嵌入式系統綜合實踐與畢業設計嵌入式系統綜合實踐與畢業設計嵌入式系統方向課程體系結構嵌入式系統方向課程體系結構嵌入式系統基礎課程：嵌入式系統基礎課程：aitiumdesigner,verilog hdl,matlab,c/c+soc設計技術與應用開發設計技術與應用開發基礎層課程：基礎層課程：核心層課程：核心層課程：應用層課程：應用層課程：實踐層課

12、程：實踐層課程：u從整體上看，嵌入式系統包括嵌入式處理器、定時器、從整體上看，嵌入式系統包括嵌入式處理器、定時器、控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件和嵌控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件和嵌入在存儲器中的嵌入式操作系統、控制應用軟件組成，實入在存儲器中的嵌入式操作系統、控制應用軟件組成，實現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各種自動化處理任務。種自動化處理任務。u以應用為中心，以微電子技術、控制技術、計算機技術以應用為中心，以微電子技術、控制技術、計算機技術和通訊技術為基礎，強調硬件軟件協同性與整合性，軟件和

13、通訊技術為基礎，強調硬件軟件協同性與整合性，軟件與硬件可剪裁，以滿足系統對功能、成本、體積和功耗等與硬件可剪裁，以滿足系統對功能、成本、體積和功耗等要求。要求。u1.嵌入性：嵌入到嵌入性：嵌入到“特定對象體系特定對象體系”中的實體。中的實體。u2.系統性：嵌入式系統是一個計算系統。系統性：嵌入式系統是一個計算系統。u3.智能性：嵌入式系統的核心是嵌入式處理器。智能性：嵌入式系統的核心是嵌入式處理器。u4.專用性：是為專用性：是為“特定對象體系特定對象體系”專門設計的。專門設計的。u5.實時性：要有很好的實時性，滿足對象的要求。實時性：要有很好的實時性，滿足對象的要求。u6.恰適性：要恰好滿足恰

14、適性：要恰好滿足“特定對象體系特定對象體系”的需要。的需要。u7.系統設備電子化系統設備電子化u8.編程語言低級化編程語言低級化u9.操作系統實時化操作系統實時化u10.系統性能可測化系統性能可測化u11.開發系統專用化開發系統專用化u嵌入式系統可有許多不同的分類方法。嵌入式系統可有許多不同的分類方法。u按照嵌入式系統的復雜度分類；按照嵌入式系統的復雜度分類；u按照嵌入式系統的組成分類；按照嵌入式系統的組成分類；u按照嵌入式處理器的位數分類；按照嵌入式處理器的位數分類；u按照嵌入式系統的實時性分類；按照嵌入式系統的實時性分類；u按照嵌入式系統的應用領域分類等。按照嵌入式系統的應用領域分類等。u

15、簡單嵌入式系統的軟硬件復雜度都比較低。例如，常用簡單嵌入式系統的軟硬件復雜度都比較低。例如，常用的有的有8位或位或16位單片機系統，不使用操作系統，只有一個位單片機系統，不使用操作系統，只有一個監控程序和應用程序。監控程序和應用程序。u復雜嵌入式系統的軟硬件復雜度都比較高。通常，在硬復雜嵌入式系統的軟硬件復雜度都比較高。通常，在硬件上需要使用件上需要使用32微處理器，在軟件上含有嵌入式操作系統，微處理器，在軟件上含有嵌入式操作系統，這類嵌入式系統集成度高、接口豐富、功能強大。這類嵌入式系統集成度高、接口豐富、功能強大。u 硬實時系統硬實時系統l硬實時系統是指系統要確保在最壞情況下的服務時間，即

16、對硬實時系統是指系統要確保在最壞情況下的服務時間，即對于事件響應時間的截止期限必須得到滿足，而且其響應時間時于事件響應時間的截止期限必須得到滿足，而且其響應時間時刻計算的。比如汽車、艦船、飛機、導彈、衛星的控制等就是刻計算的。比如汽車、艦船、飛機、導彈、衛星的控制等就是這樣的系統；通常，工業控制系統也是實時系統。這樣的系統；通常，工業控制系統也是實時系統。u 軟實時系統軟實時系統l軟實時系統就是那些從統計的角度來說，一個任務能夠得到軟實時系統就是那些從統計的角度來說，一個任務能夠得到確保的處理時間，到達系統的事件也能夠在截止期限前得到處確保的處理時間，到達系統的事件也能夠在截止期限前得到處理，

17、但違反截止期限并不會帶來致命的錯誤。如手機就是一種理，但違反截止期限并不會帶來致命的錯誤。如手機就是一種軟實時系統；軟實時系統；mp3等媒體播放器也是軟實時系統。等媒體播放器也是軟實時系統。u 非實時系統非實時系統l系統對實時性沒有明確的要求，也就是說沒有事件響應時間系統對實時性沒有明確的要求，也就是說沒有事件響應時間的截止期限，對事件的響應完全由系統自身工作狀態所決定。的截止期限，對事件的響應完全由系統自身工作狀態所決定。u嵌入式處理器是嵌入式系統的硬件核心。嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統的硬件核心。嵌入式處理器一般可分為一般可分為8位、位、16位、位、32位嵌入式處理器。那么，嵌入位

18、嵌入式處理器。那么，嵌入式系統一般也可根據所采用的嵌入式處理器分為式系統一般也可根據所采用的嵌入式處理器分為8位、位、16位、位、32位嵌入式系統。位嵌入式系統。u8位和位和16位的嵌入式系統通常是以位的嵌入式系統通常是以8位和位和16位微控制器位微控制器（單片機）為核心構成的簡單嵌入式系統，廣泛地應用于（單片機）為核心構成的簡單嵌入式系統，廣泛地應用于控制系統、家用電器、汽車電子等。控制系統、家用電器、汽車電子等。u32位嵌入式系統通常是以位嵌入式系統通常是以32位微處理器或微控制器為核位微處理器或微控制器為核心構成的復雜嵌入式系統，廣泛地應用于需要進行手機、心構成的復雜嵌入式系統，廣泛地應

19、用于需要進行手機、消費電子、醫療電子、網絡設備等。消費電子、醫療電子、網絡設備等。u嵌入式系統是嵌入式計算系統。按照其組成，可分為嵌嵌入式系統是嵌入式計算系統。按照其組成，可分為嵌入式系統硬件和嵌入式系統軟件兩大構建。入式系統硬件和嵌入式系統軟件兩大構建。u 嵌入式系統硬件嵌入式系統硬件l以嵌入式處理器為核心，以豐富的功能接口部件為外圍擴展以嵌入式處理器為核心，以豐富的功能接口部件為外圍擴展層構建的。外設接口部件一般是以其接口控制器芯片（如層構建的。外設接口部件一般是以其接口控制器芯片（如usb控制器）為核心搭建的，通過標準的擴展總線與嵌入式處理器控制器）為核心搭建的，通過標準的擴展總線與嵌入

20、式處理器實現連接。在嵌入式系統硬件設計中，通常只要把處理器和控實現連接。在嵌入式系統硬件設計中，通常只要把處理器和控制器進行物理連接就可以實現外設接口擴展了。制器進行物理連接就可以實現外設接口擴展了。l嵌入式處理器又以處理器核（如嵌入式處理器又以處理器核（如arm核）為核心，片內集成核）為核心，片內集成適當的接口控制器（稱為片內外設）構成的。例如，基于適當的接口控制器（稱為片內外設）構成的。例如，基于arm核處理器核處理器s3c44b0x的內部就封裝了的內部就封裝了cache、i2c、uart、usb、lcd控制器等十幾種片內外設。在嵌入式系統設計中，控制器等十幾種片內外設。在嵌入式系統設計中

21、，所需要的外圍接口電路越來越少。所需要的外圍接口電路越來越少。u 嵌入式系統軟件嵌入式系統軟件l嵌入式系統軟件一般來說是由嵌入式操作系統和應用軟件兩嵌入式系統軟件一般來說是由嵌入式操作系統和應用軟件兩部分組成的。本書中的嵌入式系統軟件可以分成啟動代碼部分組成的。本書中的嵌入式系統軟件可以分成啟動代碼（bootloader）、操作系統內核與驅動、文件系統與應用程）、操作系統內核與驅動、文件系統與應用程序等幾部分。序等幾部分。lbootloader是嵌入式系統的啟動代碼，主要用來初始化處是嵌入式系統的啟動代碼，主要用來初始化處理器、必須使用的控制器、傳遞內核啟動參數給嵌入式操作系理器、必須使用的控

22、制器、傳遞內核啟動參數給嵌入式操作系統內核，使得內核可以按照所設定的參數要求啟動。操作系統統內核，使得內核可以按照所設定的參數要求啟動。操作系統內核則主要有內核則主要有4個任務：進程管理、進程間通信與同步、內存個任務：進程管理、進程間通信與同步、內存管理及管理及i/o資源管理。驅動程序主要提供給上層應用程序，是資源管理。驅動程序主要提供給上層應用程序，是處理器、外設接口控制器和外部設備進行通信的一個媒介。文處理器、外設接口控制器和外部設備進行通信的一個媒介。文件系統則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統。應用件系統則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統。應用程序才是真正針對需求的、才有

23、可能是嵌入式軟件工程師完全程序才是真正針對需求的、才有可能是嵌入式軟件工程師完全自主開發的。自主開發的。u嵌入式系統由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。嵌入式系統由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。l硬件平臺主要由嵌入式處理器、外設控制器芯片和硬件設備硬件平臺主要由嵌入式處理器、外設控制器芯片和硬件設備組成；組成；l軟件平臺主要由軟件平臺主要由bootloader、嵌入式操作系統、驅動程序、嵌入式操作系統、驅動程序和應用軟件組成。和應用軟件組成。u隨著芯片技術的不斷發展，嵌入式處理器的主頻也越來隨著芯片技術的不斷發展，嵌入式處理器的主頻也越來越高，多處理器、多核處理器平臺也逐漸應用在嵌入式領越高，多處

24、理器、多核處理器平臺也逐漸應用在嵌入式領域。嵌入式系統的組成也將由單核、低頻設計進入多核、域。嵌入式系統的組成也將由單核、低頻設計進入多核、高頻設計。高頻設計。u圖圖1.1完整地描述了完整地描述了典型嵌入式系統的硬典型嵌入式系統的硬件和軟件的組成結構。件和軟件的組成結構。用戶級片外外設用戶級片外外設/外接口層外接口層協處理器協處理器/邏輯控制邏輯控制芯片級片內外設芯片級片內外設/內接口層內接口層-soc/sopc存儲器存儲器內核層內核層cpu-arm coremmu/cachegpiortcctcintcdmactcp/ipusbcaniiciisuartadc/dacfpga/cpldlcd

25、sramflashsdrameeprommpudspio外設外設鍵盤鍵盤觸摸屏觸摸屏鼠標鼠標顯示器顯示器接口控制器接口控制器總線控制器總線控制器單元電路單元電路電源管理電源管理看門狗看門狗復位電路復位電路功率外設功率外設輸入輸出輸入輸出接口電路接口電路bootloader、設備驅動程序、設備驅動程序實時操作系統實時操作系統-rtos啟動層啟動層應用層應用層os層層軟件軟件硬件硬件圖圖1.典型微處理器的組成結構典型微處理器的組成結構機電接口機電接口應用程序應用程序應用程序接口應用程序接口apiu圖圖1.1完整地描述了典型嵌入式系統的硬件和軟件各部分完整地描述了典型嵌入式系統的硬件和軟件各部分的組

26、成結構。的組成結構。l從硬件上大致可分為：內核層、芯片級外設層、用戶級外設從硬件上大致可分為：內核層、芯片級外設層、用戶級外設層；層；l從軟件上大致可分為：啟動層、操作系統層、應用層。從軟件上大致可分為：啟動層、操作系統層、應用層。l對于一個具體的嵌入式系統，圖對于一個具體的嵌入式系統，圖1.1中的各種資源并不一定中的各種資源并不一定全部使用、是可裁剪的，但是這一切都需要嵌入式系統開發者全部使用、是可裁剪的，但是這一切都需要嵌入式系統開發者根據需求自己去取舍，這就要求嵌入式系統開發者必須同時具根據需求自己去取舍，這就要求嵌入式系統開發者必須同時具有較好的軟硬件知識和專業知識。有較好的軟硬件知識

27、和專業知識。u硬件層大致可分為三層：內核層、芯片級外設層（內接硬件層大致可分為三層：內核層、芯片級外設層（內接口層）、用戶級外設層（外接口層）?？趯樱?、用戶級外設層（外接口層）。u(1)內核層內核層l內核層主要包括嵌入式處理器核、存儲器管理、緩存、調試內核層主要包括嵌入式處理器核、存儲器管理、緩存、調試單元等部件，內核層由處理器核開發商設計。目前，處理器體單元等部件，內核層由處理器核開發商設計。目前，處理器體系結構有系結構有50多個系列：多個系列：l基于基于cisc結構的嵌入式處理器核有結構的嵌入式處理器核有intel公司的公司的x86系列；系列；l基于基于risc結構的嵌入式處理器核有結構的

28、嵌入式處理器核有ibm公司的公司的power pc系系列、列、mips公司的公司的mips系列和系列和arm公司的公司的arm系列等。系列等。larm公司是公司是arm核的生產商，流行的核的生產商，流行的arm核有：核有：arm7tdmi、strong arm、arm9、arm10、xscale、arm11、cortex-a/r/m等。等。u(2)芯片級外設層芯片級外設層l芯片級外設位于嵌入式處理器芯片內部，也稱為片內外設。芯片級外設位于嵌入式處理器芯片內部，也稱為片內外設。芯片級外設層主要包括各種接口控制器、總線控制器、協處理芯片級外設層主要包括各種接口控制器、總線控制器、協處理器、邏輯控制

29、單元等，決定了嵌入式處理器本身的擴展能力。器、邏輯控制單元等，決定了嵌入式處理器本身的擴展能力。l在在arm嵌入式處理器中，嵌入式處理器中，arm公司僅僅提供了基于公司僅僅提供了基于arm核的系核的系統芯片解決方案和技術授權，而芯片級外設是由各個半導體廠統芯片解決方案和技術授權，而芯片級外設是由各個半導體廠商根據自己產品的市場定位和應用領域來設計開發的，其功能商根據自己產品的市場定位和應用領域來設計開發的，其功能是預設計的、可編程的。是預設計的、可編程的。l基于基于soc技術，將內核層和芯片級外設層集成在一個芯片之技術，將內核層和芯片級外設層集成在一個芯片之中，可以形成一個基于應用的解決方案。

30、以中，可以形成一個基于應用的解決方案。以soc為核心應用最為核心應用最少的外圍部件和連線就能完成一個應用系統，極大地簡化了系少的外圍部件和連線就能完成一個應用系統，極大地簡化了系統設計的復雜度。統設計的復雜度。u(3)用戶級外設層用戶級外設層l用戶級外設是以嵌入式處理器為核心，依據系統功能設計外用戶級外設是以嵌入式處理器為核心，依據系統功能設計外圍接口電路，實現對外設的控制、匹配、驅動等，達到服務于圍接口電路，實現對外設的控制、匹配、驅動等，達到服務于嵌入對象的目標。用戶級外設層一般包括存儲設備、通信接口嵌入對象的目標。用戶級外設層一般包括存儲設備、通信接口設備、擴展設備和機電設備等。這些接口

31、和設備是需要用戶根設備、擴展設備和機電設備等。這些接口和設備是需要用戶根據具體工程要求來具體設計、開發的。據具體工程要求來具體設計、開發的。l例如，用戶選取例如，用戶選取s3c44b0x嵌入式處理器開發一款數據終端嵌入式處理器開發一款數據終端設備，要求系統具有串行口、以太網口、設備，要求系統具有串行口、以太網口、usb口、口、lcd口等?？诘取Ｒ驗橐驗閟3c44b0x具有串行口、具有串行口、lcd口等片內外設，因此用戶只口等片內外設，因此用戶只需要設計電平轉換電路就可以簡單的完成串行口、需要設計電平轉換電路就可以簡單的完成串行口、lcd口的開口的開發；但是發；但是s3c44b0x并不具有以太網

32、口、并不具有以太網口、usb口的片內外設，口的片內外設，用戶必須選擇適當的太網口、用戶必須選擇適當的太網口、usb口控制器，設計用戶級外設口控制器，設計用戶級外設以太網口、以太網口、usb口?？凇軟件層大致可分為三層次：啟動層、操作系統層、應用軟件層大致可分為三層次：啟動層、操作系統層、應用層。層。u(1)啟動層啟動層l嵌入式系統硬件需要進行初始化和管理，這部分工作是由設嵌入式系統硬件需要進行初始化和管理，這部分工作是由設備啟動層來完成的，直接對硬件進行管理和控制，為上層軟件備啟動層來完成的，直接對硬件進行管理和控制，為上層軟件提供所需的驅動支持，類似提供所需的驅動支持，類似pc系統中的系統

33、中的bios和驅動程序。和驅動程序。l參考參考wince中板級支持包中板級支持包bsp（board support package）的定義，啟動層也稱為的定義，啟動層也稱為bsp，一般包括，一般包括bootloader、硬件抽、硬件抽象層象層hal（hardware abstraction layer）、）、oem適配層適配層oal（oem adapter leayer）和設備驅動程序。）和設備驅動程序。l實際上，實際上，bootloader、hal、bsp等概念沒有統一的定義，等概念沒有統一的定義，但都定義了從系統上電啟動到操作系統內核加載之前的功能和但都定義了從系統上電啟動到操作系統內核加

34、載之前的功能和操作，其區別是實現的功能多少不同。操作，其區別是實現的功能多少不同。u(1)啟動層啟動層l bootloader：通過：通過bootloader初始化硬件設備、建立初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，以便為最終調用操作系統內核準備好正確內存空間的映射圖，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。通常，的環境。通常，bootloader 是嚴重地依賴于硬件而實現的。是嚴重地依賴于硬件而實現的。因此，在嵌入式系統中建立一個通用的因此，在嵌入式系統中建立一個通用的bootloader幾乎是不幾乎是不可能的。其主要功能如下：可能的。其主要功能如下：片級初始化：純硬件初始化，把微處理器

35、從上電的默認狀態設置成系片級初始化：純硬件初始化，把微處理器從上電的默認狀態設置成系統要求的工作狀態。統要求的工作狀態。板級初始化：包括硬件和軟件初始化，設置板內的各種控制器的寄存板級初始化：包括硬件和軟件初始化，設置板內的各種控制器的寄存器、設置軟件的數據結構和參數。器、設置軟件的數據結構和參數。加載內核：將嵌入式操作系統和應用程序的映象從加載內核：將嵌入式操作系統和應用程序的映象從flash存儲器復制到存儲器復制到系統內存當中，然后跳轉到操作系統內核的第一條指令處繼續執行。系統內存當中，然后跳轉到操作系統內核的第一條指令處繼續執行。u(1)啟動層啟動層l 設備驅動程序：主要為上層軟件提供設

36、備的操作接口。設備驅動程序：主要為上層軟件提供設備的操作接口。在一個嵌入式系統中，嵌入式操作系統可能有也可能沒有，但是設備在一個嵌入式系統中，嵌入式操作系統可能有也可能沒有，但是設備驅動程序是必不可少的。設備驅動程序，就是一組庫函數，用來對硬件驅動程序是必不可少的。設備驅動程序，就是一組庫函數，用來對硬件進行初始化和管理，并向上層軟件提供良好的訪問接口。大多數設備驅進行初始化和管理，并向上層軟件提供良好的訪問接口。大多數設備驅動程序都具備下面的基本功能：啟動、關閉、讀操作、寫操作。這些功動程序都具備下面的基本功能：啟動、關閉、讀操作、寫操作。這些功能一般用函數的形式來實現，這些函數之間的組織結

37、構主要有兩種：分能一般用函數的形式來實現，這些函數之間的組織結構主要有兩種：分層結構和混合結構。層結構和混合結構。分層結構：包括硬件接口和調用接口。調用接口直接操作和控制硬件，分層結構：包括硬件接口和調用接口。調用接口直接操作和控制硬件，把所有與硬件相關的細節都封裝在硬件接口函數中；調用接口對硬件接把所有與硬件相關的細節都封裝在硬件接口函數中；調用接口對硬件接口進行封裝，為上層軟件提供服務和函數接口。口進行封裝，為上層軟件提供服務和函數接口?；旌辖Y構：在設備驅動程序當中，沒有明確的層次關系，上層調用接混合結構：在設備驅動程序當中，沒有明確的層次關系，上層調用接口和硬件接口混在一起，相互調用。口

38、和硬件接口混在一起，相互調用。u(2)操作系統層操作系統層l操作系統一般是以內核映像的方式下載到目標系統中。以操作系統一般是以內核映像的方式下載到目標系統中。以clinux為例，在系統開發完成后，會將使用到的為例，在系統開發完成后，會將使用到的clinux部分做成內核映像文件，與文件系統一起傳送到目標系統中；部分做成內核映像文件，與文件系統一起傳送到目標系統中；然后通過然后通過bootloader指定的地址運行指定的地址運行clinux內核，啟動內核，啟動已經下載的好的已經下載的好的clinux；再通過操作系統解開文件系統，；再通過操作系統解開文件系統，運行應用程序。運行應用程序。內核中的必須

39、部件包括：進程管理、進程間通信、內存管理等。內核中的必須部件包括：進程管理、進程間通信、內存管理等。常用的嵌入式操作系統有：常用的嵌入式操作系統有：wince、 clinux、 c/os-ii等。等。嵌入式中間件：它是在操作系統內核、設備驅動程序和應用軟件之外嵌入式中間件：它是在操作系統內核、設備驅動程序和應用軟件之外的所有系統軟件，其基本思路是：把原本屬于應用軟件層的一些通用的的所有系統軟件，其基本思路是：把原本屬于應用軟件層的一些通用的功能模塊抽取出來，形成獨立的一層軟件，從而為運行在它上面的那些功能模塊抽取出來，形成獨立的一層軟件，從而為運行在它上面的那些應用軟件提供一個靈活、安全。移植

40、性好、相互通信、協同工作平臺。應用軟件提供一個靈活、安全。移植性好、相互通信、協同工作平臺。u(3)應用層應用層l應用層又可以分為應用程序接口應用層又可以分為應用程序接口api（aplication programming interface）層和應用程序層。）層和應用程序層。lapi層是一系列復雜的函數、消息和結構的集合體；層是一系列復雜的函數、消息和結構的集合體；l應用程序是建立在系統主任務（應用程序是建立在系統主任務（main task）基礎上的，應）基礎上的，應用程序可以調用用程序可以調用api函數，用戶的應用程序也可以創建自己的函數，用戶的應用程序也可以創建自己的任務，任務間的協調主

41、要依賴于系統的消息隊列等。任務，任務間的協調主要依賴于系統的消息隊列等。upc機的核心是機的核心是pc機的中央處理器機的中央處理器cpu，pc機的機的cpu主要主要由由intel、amd等少數公司壟斷生產；等少數公司壟斷生產；u嵌入式系統的核心是嵌入式處理器（嵌入式系統的核心是嵌入式處理器（epu，embedded processor unit）。）。u嵌入式微處理器卻是多種多樣的。例如，嵌入式微處理嵌入式微處理器卻是多種多樣的。例如，嵌入式微處理器已超過器已超過1500余種，幾乎每個半導體生產商都有自己的產余種，幾乎每個半導體生產商都有自己的產品。品。u嵌入式系統應用廣泛，嵌入式處理器種類繁

42、多。嵌入式嵌入式系統應用廣泛，嵌入式處理器種類繁多。嵌入式處理器基本上可以分為：處理器基本上可以分為：嵌入式微控制嵌入式微控制（emcu）嵌入式嵌入式dsp處理器處理器 （edsp）嵌入式微處理器嵌入式微處理器empu嵌入式片上系統嵌入式片上系統（soc）嵌入式處理器嵌入式處理器uempu、emcu、edsp、soc還都可以如下分類：還都可以如下分類：l按數據位數分：可以分為按數據位數分：可以分為8位、位、16位、位、32位、位、64位等。位等。l按存儲結構分：可以分為馮按存儲結構分：可以分為馮諾依曼結構、哈佛結構等。諾依曼結構、哈佛結構等。l按指令系統結構分：可以分為復雜指令集（按指令系統結

43、構分：可以分為復雜指令集（cisc）結構、精）結構、精簡指令集（簡指令集（risc）結構。）結構。u按應用領域分：可以分為應用處理器、通信類、多媒體按應用領域分：可以分為應用處理器、通信類、多媒體類、控制類等。類、控制類等。u按處理器體系結構分：按處理器體系結構分：intel ia x86、powerpc、arm、mips、68k/coldfire等。等。u嵌入式微處理器嵌入式微處理器empu是從通用處理器演變而來的。典型是從通用處理器演變而來的。典型empu核有核有x86系列、系列、arm系列、系列、powerpc系列、系列、mips系列系列等。等。u在以在以empu為核心的嵌入式系統中，系

44、統板上除了為核心的嵌入式系統中，系統板上除了empu，還必須設計有還必須設計有rom、ram、總線接口、各種外設控制器等、總線接口、各種外設控制器等器件，通常稱之為器件，通常稱之為“單板機單板機”?！皢伟鍣C單板機”不僅降低了系不僅降低了系統的可靠性、技術保密性等，而且存在其體積大、功耗大統的可靠性、技術保密性等，而且存在其體積大、功耗大等缺點。等缺點。u約定：通常把集成了處理器核、存儲器管理器、高速緩約定：通常把集成了處理器核、存儲器管理器、高速緩存的芯片稱之為微處理器。存的芯片稱之為微處理器。empuromram外設1外設2單板計算機u微電子學和集成電路技術的高速發展為解決微電子學和集成電路

45、技術的高速發展為解決“單板機單板機”的缺陷提供了有效的方法，即把的缺陷提供了有效的方法，即把“單板機單板機”集成到一塊集集成到一塊集成電路芯片上，實現成電路芯片上，實現“單板機單板機”單片化，通常稱之為單片化，通常稱之為“單單片機片機”。u單片機單片機的顯著特點是集成了存儲器以及豐富的片上外設，的顯著特點是集成了存儲器以及豐富的片上外設，適合于控制、高可靠性、無人值守等系統，因此與微處理適合于控制、高可靠性、無人值守等系統，因此與微處理器相對應亦稱之為微控制器。在以后的研究中將不再區分器相對應亦稱之為微控制器。在以后的研究中將不再區分單片機和微控制器。單片機和微控制器。u微控制器的特點是微控制

46、器的特點是“單板機單板機”的單片化的單片化。因此，微控制。因此，微控制器必須是以某一種微處理器內核為核心，再器必須是以某一種微處理器內核為核心，再在芯片內部集在芯片內部集成成存儲器、總線、各種必要外設控制器等。存儲器、總線、各種必要外設控制器等。u微控制器分類微控制器分類l在在傳統的嵌入式微控制器傳統的嵌入式微控制器中，通常是以中，通常是以8位或位或16位微處理器位微處理器為 主 ， 內 部 一 般 都 集 成 了 ： 程 序 存 儲 器為 主 ， 內 部 一 般 都 集 成 了 ： 程 序 存 儲 器（rom/eprom/flash）、數據存儲器（）、數據存儲器（ram）、總線、總線）、總線

47、、總線邏輯、定時邏輯、定時/計數器、看門狗、通用計數器、看門狗、通用i/o、串行口、脈寬調制、串行口、脈寬調制輸出（輸出（pwm）、數模）、數模/模數轉換（模數轉換（a/d、d/a）等外設。例如，）等外設。例如，msc-51系列系列是典型的是典型的8位微控制器。傳統的嵌入式微控制器位微控制器。傳統的嵌入式微控制器更多的時候被稱之為單片機。更多的時候被稱之為單片機。l在在現代嵌入式微控制器現代嵌入式微控制器中，通常是以中，通常是以32位位empu為核心，將眾為核心，將眾多的外圍設備控制器（如，存儲器控制器多的外圍設備控制器（如，存儲器控制器mmu、通用串行口總、通用串行口總線控制器線控制器usb

48、、以太網控制器、數模、以太網控制器、數模/模數轉換器、模數轉換器、lcd控制控制器、通用器、通用io口等）集成到一塊芯片中，實現一個定制的口等）集成到一塊芯片中，實現一個定制的“計計算算”系統。系統。u微控制器分類微控制器分類lmsc-51系列系列是典型的是典型的8位微控制器。傳統的嵌入式微控制器位微控制器。傳統的嵌入式微控制器更多的時候被稱之為單片機。更多的時候被稱之為單片機。l常見的常見的32位微控制器有位微控制器有samsung的的s3cxxxx、atmel的的at91samxxx系列、系列、nxp的的lpc2xxx系列、系列、freescale的的mac7100系列、系列、ti的的om

49、ap系列、系列、luminary的的lm3sxxx系列系列等。現代嵌入式微控制器更多的時候被稱之為應用微處理器、等。現代嵌入式微控制器更多的時候被稱之為應用微處理器、通信微處理器等，也有越來越多的生產商更喜歡稱之為通信微處理器等，也有越來越多的生產商更喜歡稱之為32位位單片機。單片機。u約定：通常把集成了微處理器、存儲器和片內外設的芯約定：通常把集成了微處理器、存儲器和片內外設的芯片稱之為微控制器。片稱之為微控制器。復位部件看門狗部件晶振部件i/o部件中斷部件rom部件sram部件定時器部件cpu核 dsp處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，

50、使其適合于執行行dsp算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、fft、譜分析等方面、譜分析等方面dsp算法正在大量進入嵌入式領域，算法正在大量進入嵌入式領域，dsp應用應用正從在通用單片機中以普通指令實現正從在通用單片機中以普通指令實現dsp功能，過渡到采用嵌入式功能，過渡到采用嵌入式dsp處理器。處理器。 嵌入式嵌入式dsp處理器比較有代表性的產品是處理器比較有代表性的產品是texas instruments的的tms320系列和系列和motorola的的dsp56000 系列。系列。tms320系列處理器包系列處理器包括用于控

51、制的括用于控制的 c2000系列，移動通信的系列，移動通信的c5000系列，以及性能更高系列，以及性能更高的的c6000和和c8000系列。系列。dsp56000目前已經發展成為目前已經發展成為dsp56000，dsp56100，dsp56200和和dsp56300等幾個不同系列的處理器。另外等幾個不同系列的處理器。另外philips公司近年也推出了基于可重置嵌入式公司近年也推出了基于可重置嵌入式dsp結構低成本、低結構低成本、低功耗技術上制造的功耗技術上制造的r. e. a. l dsp處理器，特點是具備雙處理器，特點是具備雙harvard結結構和雙乘構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費

52、類產品。累加單元，應用目標是大批量消費類產品。 u電子系統的設計經歷了從電子系統的設計經歷了從“板級板級”到到“片級片級”。l對于板級設計，通常需要根據設計要求選一個微處理器或微對于板級設計，通常需要根據設計要求選一個微處理器或微控制器和多個外設控制器（如控制器和多個外設控制器（如usb端口、端口、tcp/ip通信單元、通信單元、gprs通信接口、通信接口、gsm通信接口、通信接口、ieee1394、藍牙模塊接口等、藍牙模塊接口等控制器等），然后把所有的集成電路都設計到一塊印刷線路板控制器等），然后把所有的集成電路都設計到一塊印刷線路板上。上。l對于片級設計，就是把微處理器或微控制器和外設控制

53、器都對于片級設計，就是把微處理器或微控制器和外設控制器都集成到一個集成電路芯片中，在一個芯片中實現板級的功能。集成到一個集成電路芯片中，在一個芯片中實現板級的功能。例如，單片機實際上就是一個由廠家設計完成的、固定功能的例如，單片機實際上就是一個由廠家設計完成的、固定功能的片上系統。片上系統。l借助于借助于eda軟件和軟件和fpga，電子工程師可以容易地實現自己設，電子工程師可以容易地實現自己設計的片上系統，把自己設計的片上系統編程下載到計的片上系統，把自己設計的片上系統編程下載到fpga中，中，實現預定的功能，也是一個單片機。實現預定的功能，也是一個單片機。u嵌入式片上系統嵌入式片上系統eso

54、c最大的特點就在于軟件硬件協同設最大的特點就在于軟件硬件協同設計、實現了軟件硬件的無縫集合，可直接在處理器片內嵌計、實現了軟件硬件的無縫集合，可直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊；入操作系統的代碼模塊；在單一塊硅片上集成了處理器、在單一塊硅片上集成了處理器、高密度邏輯電路、模擬和混合信號電路、存儲器和通信電高密度邏輯電路、模擬和混合信號電路、存儲器和通信電路等。路等。u在一個硅片內部運用硬件描述語言，直接在器件庫中調在一個硅片內部運用硬件描述語言，直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準核，實現一個復雜的系統。由于用各種通用處理器的標準核，實現一個復雜的系統。由于絕大部分系統構件都是在系統內

55、部，整個系統就特別簡潔，絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。提高了設計生產效率。u約定：把基于微處理器或微控制器、外設控制器的應用約定：把基于微處理器或微控制器、外設控制器的應用解決方案稱之為片上系統。解決方案稱之為片上系統。u嵌入式操作系統是嵌入式系統的核心軟件部件。嵌入式操作系統是嵌入式系統的核心軟件部件。u嵌入式操作系統（嵌入式操作系統（eos，embedded operation system），通常包括底層驅動程序、系統內核、設備驅），通常包括底

56、層驅動程序、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。u嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬件虛擬化，使有效管理越來越復雜的系統資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序。與通用操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統

57、實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。有較為突出的特點。u嵌入式操作系統經歷了四個比較明顯的發展階段。嵌入式操作系統經歷了四個比較明顯的發展階段。u1.無操作系統的嵌入算法階段。無操作系統的嵌入算法階段。l以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。應用于一些專業性極強的工業控制系統中，通過匯編語言編程對系統進行直接控制，運行結束后清除內存。系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。u2.以嵌入式處理器為基礎、簡單操作系統為核心的嵌入以

58、嵌入式處理器為基礎、簡單操作系統為核心的嵌入式系統。式系統。l嵌入式處理器種類繁多，通用性比較差；系統開銷小，效率高；一般配備系統仿真器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專業，用戶界面不夠友好；系統主要用來控制系統負載以及監控應用程序運行。u3.通用的嵌人式實時操作系統階段。通用的嵌人式實時操作系統階段。l以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。能運行于各種類型的嵌入式處理器上，兼容性好；內核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用程序接口（apl）；嵌入式應用軟件豐富。l4.以基于以基于inte

59、rnet為標志的嵌入式系統。為標志的嵌入式系統。l這是一個正在迅速發展的階段。目前，大多數嵌入式系統還孤立于internet之外，但隨著internet的發展以及internet技術與信息家電、工業控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與internet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。u國際上的嵌入式操作系統已經從簡單走向成熟，有代表國際上的嵌入式操作系統已經從簡單走向成熟，有代表性的產品主要有性的產品主要有vxworks、windows ce、linux、c/os-、qnx、palm os等，占據了嵌入式系統的絕等，占據了嵌入式系統的絕大部分市場。國內的嵌入式操作系統主要有大部分市場。國內的

60、嵌入式操作系統主要有delta os (道系統道系統)、hopen os (女媧計劃女媧計劃)、casspda以及以及hbos等。等。uvxworkslvxworks操作系統是美國操作系統是美國windriver公司于公司于1983年設計開年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（發的一種嵌入式實時操作系統（rtos），是），是tornado嵌入式嵌入式開發環境的關鍵組成部分。開發環境的關鍵組成部分。lvxworks具有可裁剪微內核結構具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的；高效的任務管理；靈活的任務間通訊；微秒級的中斷處理；支持任務間通訊；微秒級的中斷處理；支持posix 10031b實實時