嵌入式系統及應用南京郵電大學電氣工程系課程簡介

課程性質（考試-閉卷）課時安排：28(授課)+12(上機)+16(線上自學)成績評定：

期末（60%）＋平時（40%）教材：顧亦然，《嵌入式系統及應用》，人民郵電出版社.參考書：高鋒，《單片微型計算機原理與接口技術》(第3版)，科學出版社課程內容

第一部分基礎篇嵌入式系統概述嵌入系統硬件設計基礎

第二部分MCS51技術篇

MCS51單片機基本結構單片機指令系統單片機功能模塊80C51功能擴展第三部分STM32技術篇基于Contex-M3的STM32的基本結構

Contex-M3指令系統與編程技術

STM32的主要功能模塊第1章嵌入式系統概述1.1嵌入式系統的基本概念1.1.1嵌入式系統的定義1.1.2嵌入式系統的特點1.1.3嵌入式系統的組成1.1.4嵌入式系統的分類1.2嵌入式系統的應用領域1.3本章小結、習題1.1嵌入式系統的基本概念嵌入式系統的定義嵌入式系統的特點嵌入式系統的組成計算機系統分為嵌入式計算機系統（簡稱嵌入式系統）和通用計算機系統。通用計算機系統具有計算機的標準形態，可以安裝不同的應用軟件，應用在社會的各個方面，其典型產品為PC（PersonalComputer，個人計算機）。嵌入式計算機系統則是以嵌入式的形式隱藏在各種裝置、產品和系統中，如Kindle、iPad和Tesla汽車。正是“看不見”這一特性將嵌入式計算機系統與通用計算機系統區分了開來。1.1嵌入式系統的基本概念1.1.1嵌入式系統的定義1．IEEE的定義【定義1-1】嵌入式系統是一種用于控制、監視或者輔助操作機器設備的裝置（Devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）【定義1-2】嵌入式系統是以嵌入式應用為目的的計算機系統，可分為系統級、板級、片級。系統級：各種類型的工控機板級：各種類型的帶CPU的主板、PC104片級：各種以單片機、DSP、微處理器為核心的產品2．微機學會的定義【定義1-3】嵌入式系統（EmbeddedSystem）是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。3．一般定義可從以下幾個方面來理解：（1）嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優勢，即嵌入式系統是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用。（2）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與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。（3）嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行裁減，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。通常，帶有微處理器的專用軟硬件系統都可以稱之為嵌入式系統。嵌入式系統融合了計算機軟硬件技術、通信技術和半導體微電子技術，采用“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入各種應用系統中。嵌入式的概念反映了嵌入式系統通常是更大系統中的一個完整的部分，更大系統稱為“嵌入的系統”，“嵌入的系統”中可以共存多個嵌入式系統。嵌入式系統的構架可以分成4個部分：處理器、存儲器、輸入/輸出（Input/Output，I/O）和軟件。1.1.2嵌入式系統的特點小型化與有限資源與應用密切相關系統軟硬件設計的協同一體化軟件開發需要交叉開發環境1.1.3嵌入式系統的組成1．嵌入式系統的體系系統架構圖1-1嵌入式系統體系結構框架

2．嵌入式系統的組成圖1-2嵌入式系統組成

1．嵌入式系統的硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（RAM、ROM、Flash）、USB和A/D、D/A等。硬件層通常是一個以嵌入式處理器為中心的，包含電源電路、時鐘電路和存儲器電路的電路模塊，其中操作系統和應用程序都固化在模塊的ROM中。2．嵌入式系統的組成2．嵌入式系統的中間層硬件層與系統軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級支持包（BoardSupportPackage，BSP），它將上層系統軟件與底層硬件分離開來，使系統的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發人員無須關心底層硬件的具體情況，根據中間層提供的接口即可進行開發。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數據的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。2．嵌入式系統的組成中間層特點：①硬件相關性：因為嵌入式實時系統的硬件環境具有應用相關性，而作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，中間層需要為操作系統提供操作和控制具體硬件的方法。②操作系統相關性：不同的操作系統具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統具有特定的硬件接口形式。2．嵌入式系統的組成設計一個完整的中間層需要完成兩個部分的工作：（1）嵌入式系統的硬件初始化

嵌入式系統初始化過程可以分為3個主要環節，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為片級、板級和系統級初始化。（2）設計硬件相關的設備驅動

中間層的另一個主要功能是設計硬件相關的設備驅動。硬件相關的設備驅動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。與硬件相關的驅動程序是中間層設計與開發中另一個非常關鍵的環節。2．嵌入式系統的組成系統軟件層由嵌入式實時操作系統（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系統、圖形用戶接口（GraphicUserInterface，GUI）、網絡系統及通用組件模塊等組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。3．嵌入式系統的系統軟件層（1）嵌入式操作系統

嵌入式操作系統在系統實時性、高效性、硬件相關依賴性、軟件固化以及應用專用性等方面具有較為突出特點。

嵌入式操作系統是相對于一般操作系統而言的，它除了具有一般操作系統最基本的功能，例如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點：★可裁減性；★強實時性；★操作方便、簡單且友好的圖形用戶界面，易學易用；★強大的網絡功能；★強穩定性，弱交互性；★固化代碼；★良好的移植性。3．嵌入式系統的系統軟件層（2）文件系統操作系統中負責管理和存儲文件信息的軟件機構稱為文件管理系統，簡稱文件系統。文件系統由3個部分組成：與文件管理有關的軟件、被管理的文件以及實施文件管理所需的數據結構。（3）圖形用戶接口圖形用戶接口（又稱圖形用戶界面）是指采用圖形方式顯示的計算機用戶操作接口。嵌入式圖形用戶界面系統具有以下幾個方面的基本設計要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等。3．嵌入式系統的系統軟件層（4）應用軟件層應用軟件層由基于實時系統開發的應用程序組成，用來實現對被控對象的控制功能。應用軟件是在嵌入式操作系統支持下通過調用API（ApplicationProgrammingInterface，應用程序接口）函數，結合實際應用編制的用戶軟件，例如智能家居、線上支付等軟件。4．嵌入式系統的應用軟件層1.1.4嵌入式系統的分類

按實時性能分類按軟件結構分類

按實時性能分類按是否具有實時性能分為嵌入式非實時系統嵌入式實時系統(1)嵌入式非實時系統嵌入式非實時系統的正確性僅僅依賴于計算處理的邏輯結果，與結果產生的時間無關這類系統主要應用于科學計算和一般實時性要求不高的場合，如掌上電腦、電子詞典等(2)嵌入式實時系統嵌入式實時系統是能夠對外部事件在限定時間內做出及時響應的嵌入式系統這類系統在嵌入式系統中占有很大比例，如過程控制、數據采集、通信等領域嵌入式實時系統除具有嵌入式系統的基本特征外，還具有以下重要特點：①實時性②可靠性①實時性衡量嵌入式實時系統的性能主要有以下性能指標：確定性（Determinism）確定性要求系統對外部事件的響應時間必須是確定的和可重復的，不管當時系統內部狀態如何，都是可預測的。該性能指標反映系統對運行情況的最好和最壞等情況做出精確估計的能力。它是實時系統最重要的性能指標之一。

響應時間（ResponseTime）

系統從識別一個外部事件到做出響應的時間。是最重要的性能指標之一。對不同的控制過程有不同的響應時間要求：對于慢變化過程，具有幾分鐘甚至更長的響應時間都可以認為是實時的對于快速過程，其響應時間可能要求達到毫秒、微秒、納秒級甚至更短。

生存時間（SurvivalTime）是數據有效等待時間，在這段時間里數據是有效的吞吐量（Throughput）

是在一段給定時間內，系統可以處理的事件總數為實現以上實時性能的要求，嵌入式系統一般采用如下方式：采用高速硬件。如高速處理器、高速A/D、D/A等

利用嵌入式處理器提供的中斷功能

需要嵌入式實時操作系統（RTOS）的支持

應用程序代碼量小、執行速度快②

可靠性

硬件平臺的可靠性 體現在對硬件平臺的EMC電磁兼容性能、防震性能、防水性能的要求。例如：往往選擇工業級甚至軍品級嵌入式處理器

軟件采用固態化存儲只讀存儲器或電子盤而不是磁盤等機械類訪問載體FLASH高密度、高效率、高可靠性

減小體積、提高速度、防震性能和使用壽命

軟件具有出錯處理和自動復位功能應用程序采用特殊的容錯和出錯處理措施具有故障診斷和修復能力在運行死機之后自動恢復先前的運行狀態。

按軟件結構分類按軟件結構分類為嵌入式單線程系統嵌入式循環輪詢系統有限狀態機嵌入式事件驅動系統嵌入式前后臺系統嵌入式多任務系統嵌入式多處理器系統嵌入式單線程系統包括循環輪詢系統有限狀態機適用場合：常見于小型、簡單的嵌入式應用，其編程簡單且易于理解，但系統的確定性不能保證(1)嵌入式單線程系統（EmbededSingle-threadSystem）①嵌入式循環輪詢(PollingLoop)系統在該系統中，程序依次檢查系統的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應的處理。狀態轉換圖：圖1-21有限狀態機示意圖

②有限狀態機(FSM，FiniteStateMachine)

是能對外部事件直接響應的系統包括:

嵌入式前后臺系統嵌入式多任務系統嵌入式多處理器系統(2)嵌入式事件驅動系統（EmbededEvent-drivenSystem）①嵌入式前后臺(Foreground/Backgroud)系統該系統又稱為嵌入式中斷驅動系統系統組成后臺是一個循環輪詢系統，一直處于運行狀態，通常又稱主程序；前臺是由一些中斷處理過程組成的。

運行方式圖1-22嵌入式前后臺系統運行方式

當有一前臺事件

(外部事件)發生時將引起中斷，暫時中止后臺運行，轉入進行前臺處理，處理完成后又回到后臺繼續運行。②嵌入式多任務（Multitask）系統

適用場合對于一個復雜的嵌入式系統而言，當采用中斷處理程序加一個后臺主程序這種軟件結構難以實時、準確、可靠地完成系統功能時，或存在一些相關或不相關的過程需要在一個系統中同時處理時，就需要采用嵌入式多任務系統。

運行機制圖1-23嵌入式前多任務系統示意圖

系統由多個任務、中斷處理過程和嵌入式操作系統組成。每個任務按順序或優先級執行的，并行性、任務間的相互通信和同步需要操作系統的支持完成

適用場合當某些工作用單個處理器來處理難以完成時，就需要使用多個處理器同時處理運行機制多個任務可以分別放在不同的處理器上執行，宏觀上看是并發的，微觀上看也是并發的③嵌入式多處理器/多核系統1.2嵌入式系統的應用領域

1．在應用數量上嵌入式系統遠遠超過了通用計算機系統平均每個家庭使用40個嵌入式處理器平均每個汽車需要35個嵌入式處理器

2001年，Gartner估計存在70億嵌入式處理器

70億嵌入式處理器占據了94%處理器市場

IntelPentium、MotorolaPowerPC等通用處理器，僅占6%的處理器市場1.1.2嵌入式系統的應用領域2．在應用領域方面圖1-5常見消費類產品

消費產品(ConsumerProduct)

圖1-6智能消費類產品圖1-7工程機械智能控制器

工業控制

(IndustryControl)圖1-8汽車電子產品圖1-9地震中救命的通信設備

通信設備

(Telecommunication)圖1-10穿刺腫瘤醫療儀器

智能儀器(IntelligentInstrument)圖1-8智能玩具機器人機器人(Robot)

圖1-11基于WinCE的移動機器人平臺圖1-12基于RTLinux的仿人機器人圖1-131997年4月在火星表面登陸的火星探測器（基于VxWorks）圖1-142004年“勇氣號”再次登陸火星圖1-15阿富汗戰爭中的軍事電子設備

軍事電子設備和現代武器圖1-16軍用機器人（2002