1、嵌入式系統概述嵌入式系統的概念嵌入式系統的特點嵌入式系統的演變嵌入式系統的基本組成嵌入式系統的應用嵌入式系統的開發過程嵌入式系統研究熱點嵌入式系統原理與應用 20081. 嵌入式系統的概念1.1 計算機系統分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機、大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機) 是以嵌入式系統的形式隱藏在各種裝置、產品和系統中計算機系統不僅僅是:嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的概念1.2 嵌入式系統的范圍嵌入在電子設備內部的計算系統任何包含一個或多個專用的計算機、微處理器或微控制器的電子設備能執行特定功能的

2、計算機硬件和軟件的結合體嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的概念A “short list” of embedded systemsAnti-lock brakesAuto-focus camerasAutomatic teller machinesAutomatic toll systemsAutomatic transmissionAvionic systemsBattery chargersCamcordersCell phonesCell-phone base stationsCordless phonesCruise controlCurbside check-in syste

3、msDigital camerasDisk drivesElectronic card readersElectronic instrumentsElectronic toys/gamesFactory controlFax machinesFingerprint identifiersHome security systemsLife-support systemsMedical testing systemsModemsMPEG decodersNetwork cardsNetwork switches/routersOn-board navigationPagersPhotocopier

4、sPoint-of-sale systemsPortable video gamesPrintersSatellite phonesScannersSmart ovens/dishwashersSpeech recognizersStereo systemsTeleconferencing systemsTelevisionsTemperature controllersTheft tracking systemsTV set-top boxesVCRs, DVD playersVideo game consolesVideo phonesWashers and dryers嵌入式系統原理與應

5、用 2008嵌入式系統的概念1.3 英國電機工程師學會的定義: “嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠操作的裝置”通常執行特定功能以微電腦和外圍構成核心嚴格的時序和穩定性要求全自動操作循環嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的概念1.4 精確定義: 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、功耗嚴格要求的專用計算機系統 嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的概念

6、1.5 嵌入式系統的的其它定義嵌入式系統的簡單定義嵌入式系統是指操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中。可以認為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可以稱為嵌入式系統嵌入式系統的狹義定義使用嵌入式微處理器構成獨立系統，具有自己的操作系統并且具有某些特定功能的系統微處理器專指32位以上的微處理器廣義定義:任何一個非計算機的計算系統嵌入式系統原理與應用 20082. 嵌入式系統的特點2.1 嵌入式系統的特點:系統內核?。阂话銘糜谛⌒碗娮友b置。系統精簡：無系統軟件和應用軟件的明顯區別。專用性強：軟硬件結合緊密、針對硬件進行系統的移植。資源有限：通常要求產品廉價、耗電少、體積小、速度快等。實時性：

7、實時多任務的操作系統、合理調度多任務專門的開發工具和環境。2.2 嵌入式系統軟件的特征:軟件要求固態化存儲 軟件代碼高質量、高可靠性 系統軟件(OS)的高實時性是基本要求 多任務操作系統是知識集成的平臺和走向工業標準化道路的基礎嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的特點MicrocontrollerCCD preprocessorPixel coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus interfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital cam

8、era chiplensCCD一個嵌入式系統的典型例子 數碼相機嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的特點2.3 嵌入式系統具有的產品特征:面向用戶、面向產品、面向應用 升級換代也是和具體產品同步 、具有較長的生命周期軟件和硬件結合緊密嵌入式處理器的發展也體現出穩定性普通處理器18月嵌入式處理器8-10年2.4 嵌入式系統工業的特點和要求嵌入式系統工業是不可壟斷的高度分散的工業 PC由WINTEL壟斷嵌入式系統工業的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發。嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的特點2.5嵌入式系統開發的特點嵌入式系統開發需要開發工具和環境通用計算機具有

9、完善的人機接口界面嵌入式系統本身不具備自舉開發能力這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。 嵌入式系統軟件需要RTOS開發平臺通用計算機具有完善的操作系統和應用程序接口(API)，但一般不是實時的。嵌入式系統則不同，應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行。但為了保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。需要選配RTOS開發平臺嵌入式系統原理與應用 20083. 嵌入式系統的演變3.1 計算機用于控制設備或嵌入系統的歷史幾乎與計算機自身的歷史一樣長計算機控制系統單片機掀起電子化浪潮微處理器高速發展推動了嵌入式系統3.2 嵌入式系統

10、的演變8031/8051單片機系統，自行編寫程序；68360/386EX控制系統，自己編寫簡單的操作系統；32位嵌入式處理器pSoS嵌入式操作系統tcp/ip協議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設備server以及各種復雜網絡協議棧GUI圖形界面無線模塊現代可移動的網絡智能設備3.3 后PC技術的時代小到mp3、PDA等微型數字化產品，大到網絡家電、智能家電、車載電子設備嵌入式系統是這個后PC時代的擎天之柱世界電子產品產值已超過數萬億美元，并且逐年遞增嵌入式系統原理與應用 20084. 嵌入式系統基本構成嵌入式硬件系統嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口

11、控制器及接插件嵌入式軟件系統板級支持包（BSP）設備驅動（Device Driver）操作系統（OS/RTOS）協議棧（Protocol Stack）應用程序（Application）存儲器及外圍電路嵌入式處理器嵌入式操作系統應用軟件嵌入式系統原理與應用 20084.1嵌入式系統的硬件基本構成嵌入式系統原理與應用 20084.2 嵌入式系統的軟件基本構成嵌入式操作系統設備驅動及一些中間件協議棧（JAVA VM/JITs)應用軟件板級支持包（BSP）Windows CE,Pocket PC,Palm,Symbian and Linux編譯器、調試器和仿真器嵌入式系統原理與應用 20084.3 嵌

12、入式處理器嵌入式處理器:嵌入式微處理器（MPU)ARM（本課程使用ARM920T) Dragonball MC9328 Mx1嵌入式微控制器(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等 嵌入式DSP處理器嵌入式片上系統（SOC-System On Chip）嵌入式可編程片上系統（EPSOC）嵌入式系統原理與應用 20084.3.1 嵌入式微控制器（MCU）主要是指單片機片內集成ROM/EPROM、RAM、FLASH/EEPROM、總線、定時器、計算器、看門狗、I/O、串行口、PWM（脈寬調制輸出）、A/D、D/A、等各種必要功能和外設一般來講具有以下特點可

13、單片完成功能，片內可有ROM/RAM/FLASH，并帶所需的通信接口，I/O等，外設資源豐富，適于控制體積小，功耗低，成本低，可靠性高仍是嵌入處理器主流，占70左右典型器件：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微控制器（MCU）嵌入式系統原理與應用 20084.3.2 嵌入式DSP處理器系統結構和指令算法經過特殊設計

14、，增強了數字信號處理能力（數字濾波、FFT、譜分析等）適于運算量大，特別是向量運算、指針線性尋址較多的智能算法實現 主要應用于帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實時語音壓解系統，虛擬現實顯示等 代表產品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000通用DSP與嵌入式DSP的區別通用DSP的制造商主要是Agree、ADI、Motorola和TI四大廠商;而嵌入式DSP的供應商超過100家,產品種類繁多;通用DSP主要完成高速數據處理的功能;而嵌入式DSP則更多地與ASIC、ASSP、FPGA、MCU等共處一體;目前,

15、通用DSP的應用更集中在通信領域;而嵌入式DSP是消費類電子產品的主要選擇;嵌入式DSP由于應用的要求,具備相對較低的功耗。 嵌入式系統原理與應用 20084.3.3 嵌入式SOCSystem On Chip,片上系統/系統芯片將很多功能模塊集成到單個芯片上各種通用處理器內核作為SOC設計公司的標準庫，用VHDL等語言描述除個別無法集成外，嵌入式系統的大部分集成到一或幾片芯片中優點可利用降低片內工作電壓，減少功耗減少芯片對外引腳數，使系統板簡潔，減小體積減少原來芯片間的信號傳遞，提高了處理速度；減少了信號傳遞過程中可能造成的干擾，提高了可靠性軟硬件無縫結合，可直接在片內嵌入操作系統代碼模塊嵌入

16、式系統原理與應用 2008嵌入式SOC大致分為通用和專用兩類通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola聯合研制的Neuron專用Philips的SmartXA例如 ARM+DSP,ARM+ARM嵌入式系統原理與應用 20084.3.4 嵌入式SOPCSOPC可編程片上系統技術基礎超大規?？删幊踢壿嬈骷捌溟_發工具的成熟FPGA晶體管集成密度提高FPGA成本足以與ASIC抗衡FPGA的設計、綜合、仿真、測試工具性能已達到相當高水平微處理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IP Core的開發理念逐漸深入，標準IP庫日益豐富信號處理算法、軟件算法和

17、控制邏輯等均以IP核的形式體現目前已比較成熟的SOPC開發平臺：Xilinx Spartan II FPGA和MicroBlaze軟處理器IP CoreXilinx Virtex II pro FPGA和PowerPC硬處理器IP CoreAltera XA1/XA10/Nois FPGA和處理器IP Core嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式SOPC嵌入式系統原理與應用 20084.3.5 嵌入式微處理器MPU由通用計算機的CPU發展而來與通用CPU區別：只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分以最低功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求與工業控制計算機相比，嵌入式處理器體

18、積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU目前主要嵌入式微處理器有：MIPSX86系列Am186/188、386EX開發方便，移植容易體積大、功耗高、實時性差ARM系列小體積、低功耗、低成本、高性能支持16/32位雙指令集全球眾多的合作伙伴PowerPC系列， Motorola和IBM聯合開發的微處理器核另外還有SPARC、68000,SC-400等嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - MIPS典型的嵌入式微處理器MIPS:MIPS公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位

19、MIPS于80年代處開始RISC處理器設計，90年代中后期開始將戰略重點放在嵌入式處理器設計1999年，MIPS發布了MIPS 32和MIPS 64架構標準，為MIPS處理器的開發奠定了基礎MIPS公司開發了32位高性能，低功耗的處理器內核MIPS 32 4Kc和64位的處理器內核MIPS 64 5Kc應用范圍：機頂盒、視頻游戲機、Cisco路由器、激光打印機嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - PowerPC典型的嵌入式微處理器PowerPC:PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活既有通用處理器，也有嵌入式微控制器和內核，應用范圍非常廣泛，從高端服務器、工作站到PC

20、，從消費類電子到通信設備基于PowerPC架構的處理器有IBM開發的PowerPC 405 GP，集成了10 /100M以太網控制器、串行和并行接口、內存控制器以及其他外設的高性能嵌入式處理器MPC823e是一款高度綜合的片上系統（SOC）嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU X86典型的嵌入式微處理器x86由8086系列處理器發展而來典型產品Am186/188,386EXNS Geode GX1 300MHZ主要特點開發容易方便移植體積大，功耗高，實時性差嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARMARM嵌入式微處理器ARM（Advanced RISC Mac

21、hines)公司是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產權（IP）設計供應商。ARM轉讓他的RISC微處理器、外圍和系統芯片設計技術給合作伙伴生產各種用途的處理器芯片。ARM已成為移動通信、手持設備、多媒體數字消費電子設備的嵌入式解決方案的RISC標準。ARM處理器有三大特點體積小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb 16/32位雙指令系統全球眾多的合作伙伴嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARMCISC vs. RISCCISCComplex Instruction Set Computer ,復雜指令集Intel, IA (Intel Architectu

22、re) 32架構AMDRISCReduced Instruction Set Computer，精簡指令集SPARC ,Sun與TI開發PA-RISC, HP開發Alpha, Compaq開發PowerPC ，IBM與Motorola開發MIPSARM二者在軟件和硬件上都不兼容嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARMRISC體系結構的特點:采用固定長度的指令格式，指令規整、簡單（ARM指令為32位）使用單周期指令，便于流水線操作大量使用寄存器（ARM共有37個寄存器），數據處理指令只對寄存器操作，訪問存儲器只使用Load/Store指令。嵌入式系統原理與應用 2008嵌入

23、式微處理器MPU - ARM典型的ARM微處理器:Intel公司的StrongARM系列：SA-110/1100/1101/1110/1111,用于Palm Pocket PC和網絡Intel公司的XScale系列：PXA210/220/250/255Cirrus Logic公司的ARM系列：EP7209/7211/7212/7312/9312,PS7500FE，用于MP3Samsung公司的ARM系列：S3C44B0,S3C2400,S3C4510，用于ADSL和PDAMotorola半導體的DragonBall MX1，用于PDA和藍牙Qualcomm 公司的MSP1000 、MSM300

24、0 、MSM5000、MSM6000，用于 CDMA Philips 公司的SAA7750、VWS22100、VCS94250、VWS26001，用于 MP3,GSM ,3G,BTTriscend 公司的ARM產品：A7 嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARMARM 應用廣泛嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARMARM 用于無線設備嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式微處理器MPU - ARM例：嵌入處理器應用于GSM商務手機嵌入式系統原理與應用 20084.4 嵌入式軟件技術發展現狀與趨勢近十年來，嵌入式操作系統發展飛速， 支持處理器不斷豐富，

25、功能不斷增強。嵌入式操作系統支持微處理器：芯片從8位到16位、32位甚至64位。從支持單一品種的CPU芯片到支持多品種的。支持強大的核外功能，如文件系統，TCP/IP網絡系統，窗口圖形系統等。未來五年，嵌入式操作系統內核向微型化、高可靠可信、強實時、構件組件化發展；支撐開發環境向集成化、可調試化、支持模型驅動設計發展；支持無線通信和能源管理功能將日益重要行業性開放系統日趨流行；面向領域特制的嵌入式操作系統走向開放、標準規范化、平臺化 行業嵌入式軟件形成了不同行業的標準，例如中國手機軟件聯盟制定了手機API標準。統一的行業標準具有開放、設計技術共享、軟硬件重用、構件兼容、維護方便和合作生產的特點

26、，是增強行業性產品競爭能力的有效手段，例如，歐共體汽車產業聯盟規定以OSEK標準。嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式軟件技術發展現狀與趨勢自由開源的軟件技術在嵌入式應用上尤其備受青睞，Linux漸成主流之一；以J2ME/JINI為代表的嵌入式技術將對嵌入式軟件的發展產生深遠影響。嵌入式軟件的技術領域不斷擴大并逐成體系相關技術包括，實時系統，仿真工具，編譯技術等，形成包括嵌入式操作系統、數據庫、中間平臺軟件在內的嵌入式軟件體系。嵌入式軟件與互聯網、普適計算、SOC的結合趨勢加劇 迅猛發展的SOC再次推進了嵌入式軟件與硬件系統進一步融合嵌入，嵌入式軟件是其的靈魂與核心。嵌入式IP構件庫技術，正在

27、造就一個新興的軟件行業?；ヂ摼W的“深度”聯網，“動態自組”的傳感器網絡，推動嵌入式技術與互聯網技術的“深層次”結合。對具有無所不在、自適應、游牧的、永恒的普適計算的嵌入式軟件研究，將成為極為重要領域嵌入式系統原理與應用 20085. 嵌入式系統的應用goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album嵌入式系統

28、原理與應用 20085.1 無所不在的嵌入式系統嵌入式系統的應用遠遠超過了各種通用計算機一臺通用計算機的外部設備中就包含了5-10個嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網卡、聲卡、打印機、掃描儀、數字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的在制造工業、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。嵌入式系統原理與應用 2008無所不在的嵌入式系統嵌入式系統原理與應用 2008無所不在的嵌入式系統嵌入式系統原理與應用 20085.2 嵌入式系統的市場5.2 嵌入式系統的市場家用市場機頂盒、掌上電腦、D

29、VD、MP3、數碼相機、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調、家庭網關、智能家用電器、車載導航器系統等通信市場電話交換系統，電纜系統，衛星和全球定位系統（L3D），數據交換設備，移動電話等工業市場制造工廠，污水處理系統，發電站和電力傳輸系統，自動化工廠，控制系統開發，維護和測試的工具，石油提煉和相關的貯運設施，建筑設備，計算機輔助制造系統，能源控制系統，核電站，機器人系統等商業和金融市場自動柜員機，信用卡系統，售貨端系統，安全系統等 嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統的市場辦公市場電話系統，傳真系統，復印機，計時系統，照相機和攝象機運輸市場 航空、鐵路、公路運輸系統，燃料服務，航空管

30、理，信令系統，雷達系統，交通指揮系統，停車系統，售票系統，乘客信息系統，檢票系統，行李處理系統，應急設備等建筑市場 電力供應，備用電源和發電機，火警控制系統，供熱和通風系統，電梯和升降系統，車庫管理，安保系統，電子門鎖系統，樓宇管理系統，閉路電視系統，電子保險柜，警鈴等醫療市場心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監視系統，MN光設備，理療控制系統，電磁成像系統等軍事武器控制嵌入式系統原理與應用 20085.3.1 信息家電嵌入式系統原理與應用 2008信息家電FreeScale Digital Home Center Reference Platform 數字媒體(數碼音樂、影視、視頻游戲)等的

31、快速發展和推廣,使得人們迫切需要一個家庭網絡平臺,能夠在家中任何地方自由下載各種音視頻資料,并能實現遠程控制嵌入式系統原理與應用 2008信息家電信息家電應用特點:市場巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機界面友好網絡化嵌入式系統原理與應用 2008信息家電嵌入式系統原理與應用 2008信息家電嵌入式系統原理與應用 2008中國數字電視發展規劃:2002年完成地面廣播傳輸標準的測試；2002年底頒布國家數字電視有線傳輸標準；2003年底前頒布國家數字電視地面廣播標準和相關配套標準，確定數字電視標準體系；2005年在有條件的城市推廣數字電視播出；2008年的北京奧運會上向全世界傳輸數字高清晰度電視

32、節目，主要的大城市開始數字電視商業廣播；2015年數字電視成為我國電視播出的主要方式。嵌入式系統原理與應用 20085.3.2 車載系統嵌入式系統原理與應用 2008車載系統嵌入式系統原理與應用 2008車載系統車載系統應用特點:與汽車工業相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求嵌入式系統原理與應用 2008車載系統FreeScale 68HC908AZ32A: 8-Bit Microcontroller 嵌入式系統原理與應用 2008車載系統FreeScale 68HC908AZ32AFeatures:8.4-MHz internal bus frequency 32K bytes of

33、 FLASH Memory 512 bytes of on-chip EEPROM 1024 bytes of on-chip RAM Serial peripheral interface module (SPI) Serial communications interface module (SCI) 8-Bit, 15-Channel Analog-to-Digital Converter (ADC-15) 16-Bit, 6-Channel Timer Interface Module (TIMA-6) 16-Bit, 2-Channel Timer Interface Module

34、(TIMB) MSCAN Controller (Freescale Scalable CAN) 嵌入式系統原理與應用 20085.3.3 醫療行業應用醫療行業應用特點:市場廣闊進入門檻較高利潤極高影像實時采集子系統影像分析處理子系統影像的查詢、管理和存儲子系統圖文編輯及打印子系統 數字圖像回寫子系統 遠程會診子系統 系統管理子系統嵌入式系統原理與應用 20085.3.4 軍事工業應用特點軍事工業應用特點:市場壟斷性強高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求不高嵌入式系統原理與應用 2008軍事工業應用特點尺寸和重量:在軍事和航天環境中，空間是非常珍貴的。對用于航天器或航空器上的計算機系統的尺寸

35、大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飛機上采用的另一個重要因素，但在工業上應用并不重要。功率消耗:電池壽命自然是設計運動或可攜帶軍事系統和空間設備的關鍵問題。因為發熱與功耗成正比，降低功耗就成了對工作在較高溫度環境中的系統的重要要求。 震動和沖擊:軍事和空間系統要適合在惡劣運動環境中工作和貯存。這些環境包括：大范圍或小范圍的重復運動；芯片、模塊和模板可能部分或全部變位或斷線；由于震動而加重的電化學反應引起的腐蝕，使模板互連金手指管腳的導電性能變差；由于使用硬盤驅動器致使數據的完整性成為難題等。 溫度和濕度:大多數軍事和空間系統是工作在溫度和濕度環境相對不可控的條件下。用于軍事和空間產品的電子產品

36、的可靠工作范圍必須在-40+85。 嵌入式系統原理與應用 2008軍事工業應用特點軍事工業產品數字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統（FBCB2）C4ISR系統(指揮、控制、通訊、電腦、情報、監視、偵察)21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統（FBCB2）作為美國陸軍戰斗指揮系統的一部分，FBCB2應用軟件將在Applique+ V4型計算機上運行，構成旅及旅以下級別陸軍的數字化戰斗指揮信息系統。FBCB2系統將向作戰的士兵和指揮官、戰斗支援部隊以及戰斗服務支援部隊提供在行進中、近實時的事態感知以及指揮和控制信息，使他們在屏幕上就能分辨出友方部隊和敵方部隊

37、。嵌入式系統原理與應用 20086.嵌入式系統開發過程任務分析操作系統選擇處理器選擇硬件設計操作系統移植應用程序設計驅動及BSP設計代碼固化嵌入式系統原理與應用 2008嵌入式系統開發過程嵌入式系統原理與應用 20086.1 任務分析6.1 任務分析由于嵌入式系統是以應用為中心，對系統的可靠性、系統的開發周期、體系成本等都有嚴格的要求。因此，嵌入式系統開發首先要對任務進行詳細地分析，使得系統能較好地滿足要求。其中主要包括對系統功能的分析、對系統軟硬件的特殊要求、實時性的水平、系統模塊的分解、要達到的水平等嵌入式系統原理與應用 20086.2 處理器選擇處理器選擇:工作頻率技術指標功耗處理器的核

38、（ARM處理器）片內存儲器容量片內外圍電路及其擴展能力軟件支持工具是否內置調試工具供應商能否提供評估板操作系統選擇:實時性開發周期開發資源等嵌入式系統原理與應用 20086.3 軟硬件開發硬件設計驅動程序及BSP開發處理器供應商可能會提供相關的內容。操作系統的移植將所選的操作系統移植到設計的目標板的過程 應用程序設計代碼固化嵌入式系統原理與應用 20086.4 嵌入式應用開發的調試由于嵌入式系統的可用資源有限，嵌入式開發和調試工作通常要通過高性能的宿主機完成。嵌入式應用軟件通過宿主機上的交叉編譯器，完成交叉編譯和連接后下載到目標機。 宿主機：進行嵌入式軟件開發的主機目標機：將要開發的目標板嵌入

39、式系統原理與應用 20086.5 嵌入式開發的調試方法大致有以下幾種調試方法：模擬調試方式ROM Monitor方式（或Angel方式）在線仿真(ICE)內嵌JTAG仿真嵌入式系統原理與應用 20086.5.1 模擬開發調試方式它通過基于宿主機的軟件，在主機上模擬目標機中處理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模擬器。它雖然簡單可行，但是缺乏在線調試和實時仿真功能。嵌入式系統原理與應用 20086.5.2 ROM Monitor調試方式ROM Monitor方式（或Angel方式）ROM Monitor（或Angel）是運行在目標機的Flash或ROM的一段程序，它主要負責監控目標

40、機上被調試程序的運行情況。通過和宿主機的配合，完成嵌入式系統的調試。它是目前低廉有效的一種調試方式。使用Metrowerks公司的CodeWarrior進行開發調試時要用到的Metro-TRK就屬于這類軟件。嵌入式系統原理與應用 20086.5.3 在線仿真(ICE)調試方式In-Circuit Emulator（實時在線仿真）在線仿真(ICE)它通過在線仿真器，取代目標板的MPU，仿真嵌入式處理器芯片的行為。它支持單步執行、斷點、反匯編、源程序級調試。仿真器通常價格比較昂貴，通常用在ARM硬件開發中，軟件開發則較少用。 嵌入式系統原理與應用 20086.5.4 JTAG仿真調試方式JTAG（

41、Joint Test Action Group）JTAG仿真器 ARM處理器內含Embeded ICE 宏單元，并留有JTAG調試接口，支持在線仿真。它無需目標存儲器，不占用目標系統的端口。 使用集成開發環境配合JTAG仿真器是目前最常用的一種調試方式。宿主機目標板仿真器硬件連接示意圖嵌入式系統原理與應用 2008JTAG仿真調試方式嵌入式系統原理與應用 20086.5.5 常用集成開發環境ARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成開發環境，包括命令行開發工具、圖形開發工具、實用工具和支持軟件4部分，可以進行編輯、編譯及調試C、C+及匯編程序。Multi 2

42、000Multi 2000是Green Hills軟件公司（）開發的集成開發環境。它支持C/C+/Ada 95/Fortran編程語言，可運行與Windows和UNIX平臺。Hitool for ARMHitool for ARM是上海祥佑數碼科技的集成開發環境（） Embest IDEEmbest IDE是深圳英蓓特公司（）推出的一個集成開發環境。嵌入式系統原理與應用 20087 嵌入式系統研究熱點國內外的主要研究方向嵌入式系統的硬件軟件協同設計方法； 采用構件、中間件技術的網絡操作系統 分布嵌入式系統的實時性問題 嵌入式系統的多目標交叉編譯和交叉調試工具的研究。嵌入式系統原理與應用 200

43、8嵌入式系統研究熱點國內研究及應用情況:國內無晶圓廠半導體公司：中興集成，購買ARM922T CPU授權，用于生產網絡系統芯片上海華虹集成電路，購買ARM SC100 CPU授權，用于Java智能卡大唐，購買ARM946E CPU授權，用于SCDMA基帶芯片晶圓代工廠中芯國際大學及政府機構清華大學、東南大學、北航等高校上海集成電路研究中心第三方公司（開發工具，解決方案/參考設計，等）周立功、英蓓特、遠峰、量子、微芯力、麥克泰、億道、博創等RTOS公司普天慧信、科銀京成、北京凱思昊鵬、中科紅旗等主要原設備制造商均支持ARM結構GSM、CDMA、PHS等通信終端設備制造商PDA、POS、E-Boo

44、k、GPS等制造商操作系統基本原理 操作系統基本功能控制和管理計算機系統內各種硬件和軟件資源、有效地組織多道程序運行的系統軟件(或程序集合),是用戶與計算機之間的接口。UNIX DOS Linux Windows 98 Windows NT擴充機器功能，方便用戶使用;提高系統效率。存儲器管理、處理機管理、設備管理、文件管理、用戶接口操作系統的形成和發展手工階段批處理多道程序設計技術和多道成批系統分時 操作系統實時操作系統網絡操作系統分布式系統多道程序設計技術和多道成批系統多道程序設計技術:在計算機內存中同時存放幾道相互獨立的程序，它們在管理程序的控制下相互穿插地運行。多道 宏觀上并行 微觀上串

45、行批量操作系統:該系統把用戶提交的作業成批地送入計算機內存，然后由作業調度程序自動地選擇作業運行。優點：縮短作業之間的交接時間，減少處理機的空閑等待時間，提高系統的吞吐量。缺點：用戶響應時間較長。用戶既不能了解自己程序的運行情況，也不能控制計算機。分時 操作系統由于中斷技術的使用，使得一臺計算機能連接多個用戶終端，用戶可通過各自的終端使用和控制計算機，我們把一臺計算機連接多個終端的計算機系統稱為分時計算機系統，或稱分時系統。把處理機的響應時間分成若于個大小相等（或不相等）的時間單位，稱為時間片（如100毫秒），每個終端用戶獲得CPU，就等于獲得一個時間片，該用戶程序開始運行，當時間片到（用完）

46、，用戶程序暫停運行，等待下一次運行。任務 多任務操作系統的特性之一是并發與共享，即在系統中（內存）同時存在幾個相互獨立的程序，這些程序在系統中既交叉地運行，又要共享系統中的資源，這就會引起一系列的問題，包括：對資源的競爭、運行程序之間的通信、程序之間的合作與協同等符。要解決這些問題，用程序的概念已經不能描述程序在內存中運行的狀態，必須引人新的概念進程。任務 多任務行為的一個規則叫做程序，程序在處理機上執行時所發生的活動稱為進程（Dijkstra)。進程是這樣的計算部分，它是可以和其它計算并行的一個計算。(Donovan)進程（有時稱為任務）是一個程序與其數據一道通過處理機的執行所發生的活動。（

47、Alan.C. Shaw)進程是執行中的程序。（Ken Thompson and Dennis Ritchie )進程，即是程序在并發環境中的執行過程 。任務 多任務進程與程序的區別:進程是動態概念；程序是靜態概念進程具有并發性，宏觀上同時運行；程序本身具有順序性，程序的并發執行是通過進程實現的進程具有獨立性，是一個能獨立運行的單位，是系統資源分配的基本單位，是運行調度的基本單位；程序本身沒有此特性進程和程序無一一對應關系，一個進程可順序執行多個程序；一個程序可由多個進程共用進程異步前進，會相互制約；程序不具備此特性進程實體具有一定結構，組成進程映象；程序沒有這種結構任務 多任務一個任務也可以

48、稱為一個進程。每個任務都是整個應用系統的一個部分。每個任務都賦予一定的優先級，有自己一套CPU寄存器和自己的棧空間。典型的每個任務都是一個無限循環，每個任務都存在某種狀態下：休眠態、運行態、掛起態（等待某一個事件發生）和被中斷態。任務 多任務進程描述在系統中一個進程存在： 進程控制塊（數據結構） 進程的執行程序（一個可執行文件） 進程總是位于某個隊列(就緒、等待某事件隊列) 處于某種狀態（運行、就緒、等待） 占用某些系統資源（內存，打開某些文件、處理機、外設）進程描述進程控制塊 PCB (Process Control Block)存放進程的管理和控制信息的數據結構稱為進程控制塊。它是進程管理

49、和控制的最重要的數據結構，在創建時，建立PCB，并伴隨進程運行的全過程，直到進程撤消而撤消。PCB就象我們的戶口。任務狀態休眠態 - 該任務駐留在內存中，但并不被多任務內核所調度。就緒態 - 任務已經準備好，但由于該任務的優先級比正在運行的任務的優先級低，暫時不能運行。運行態 - 該任務掌握了CPU的控制權，正在運行中。掛起態 - 也稱為等待事件態，指該任務正在等待某一個或一些事件的發生。被中斷態 - 由于CPU開始處理中斷請求，使該任務的執行被打斷。任務狀態內核內核負責為每個任務分配CPU時間。內核負責任務間通信。內核負責任務切換工作。負責任務調度，按照一定的策略，在就緒態的任務中選擇一個任

50、務執行。實時內核調度算法基于優先級調度，總是讓處于就緒態的優先級最高的任務先運行。非占先式內核非占先式內核 non-preemptive - 內核要求每個任務自我放棄CPU的所有權。 - 中斷可以使一個高優先級的任務由掛起狀態變為就緒態，但中斷服務以后控制權還是回到原來被中斷的那個任務，直到該任務主動放棄CPU的使用權。 - 更高優先權的任務不能打斷正在執行的較低優先權的任務，直到較低優先權任務主動放棄CPU的控制權。非占先式內核占先式內核占先式內核 preemptive - 最高優先級的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制權。 - 高優先級的就緒任務可以打斷正在執行的較低優先級的任務，進入執行

51、態；被搶占的較低優先級任務進入就緒任務隊列，等待下一次調度。 - 商業上銷售的實時內核都是搶占式內核。占先式內核可重入性可重入性 reentrancy -可重入型函數可以被一個以上的任務調用，而不必擔心數據的破壞。 - 可重入型函數任何時候可以被中斷，一段時間后又可以執行，而相應的數據不會丟失。 - 可重入型函數只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中?？芍厝胄秃瘮挡豢芍厝胄秃瘮禃r間片輪轉調度時間片輪轉調度 round-robin scheduling當兩個或兩個以上的任務具有同樣的優先級，內核運行一個任務運行事先確定的一段時間，叫做時間額度(quantum)，然后切換給另一個任務。

52、滿足下列條件時，把CPU控制權交給下一個就緒任務 - 當前任務無事可作。 - 當前任務的時間片還沒有用完任務就結束了。 - 當前任務的時間片用完了。基于優先級調度根據任務的優先級和狀態決定任務的調度?；趦炏燃墦屨际秸{度?；趦炏燃壏菗屨际秸{度。任務優先級靜態優先級 - 任務在執行過程中優先級不改變，各個任務的優先級在編譯時就確定了。動態優先級 - 任務在執行過程中，優先級是可變的。優先級反轉高優先級的任務在申請已經被低優先級任務占據的資源時，高優先級被迫進入等待態，如果有一個中優先級的任務一直在執行，則高優先級將無法執行。優先級反轉問題實例優先級反轉的解決方法優先級繼承 - 擁有資源的低優先級任務被高優先級搶占。 - 高優先級任務開始申請被低優先級占據的資源。 - 此時，擁有該資源的低優先級任務的優先級上升到高于高優先級的任務。 - 擁有資源的任務得到運行機會，就有機會盡快釋放資源。 - 釋放資源，該任務回到原來的優先