第一章嵌入式系統(tǒng)概述北京航空航天大學(xué)電工電子中心2025年1月嵌入式系統(tǒng)概述電工電子中心劉敬猛辦公地點：主北104電話/p>

郵箱：ljmbuaa110@163.com學(xué)生培養(yǎng)要求1本課程理論課48學(xué)時（3學(xué)分），實驗課32學(xué)時（1學(xué)分）。2能夠設(shè)計基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)。3熟悉常用的接口，能夠設(shè)計接口電路。4熟悉Linux，能夠在嵌入式平臺下做Linux驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)。提綱嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，采用可剪裁軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。IEEE定義：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置。（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）.嵌入式系統(tǒng)定義計算機應(yīng)用領(lǐng)域的劃分桌面通用型高端服務(wù)型小型專用型嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(1/7)嵌入式系統(tǒng)中運行的任務(wù)是專用而確定的心臟監(jiān)視器只需運行信號輸入、信號處理、心電圖顯示任務(wù)如要更改任務(wù)，需要對整個系統(tǒng)進行重新設(shè)計或在線維護桌面通用系統(tǒng)需要支持大量的、需求多樣的應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)中運行的程序不作假設(shè)程序升級、更新等方便嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(2/7)嵌入式系統(tǒng)往往對實時性提出較高的要求。實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)。（POSIX1003.b

）嵌入式實時系統(tǒng)可分為：強實時型：響應(yīng)時間μs～ms級；一般實時：響應(yīng)時間ms～s級；弱實時型：響應(yīng)時間s級以上。嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(3/7)嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)一般是實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)數(shù)量眾多，如：VxWorksWindowsCEpSOSQNXuc／OS國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)，如：HOPENDeltaOS。。。OS嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(4/7)嵌入式系統(tǒng)運行需要高可靠性保障，比桌面系統(tǒng)的故障容忍能力弱很多嵌入式系統(tǒng)需要忍受長時間、無人值守條件下的運行嵌入式系統(tǒng)運行的環(huán)境惡劣嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(5/7)嵌入式系統(tǒng)大都有功耗約束。如：珍貴文物微氣象環(huán)境監(jiān)測要求1分鐘采樣一次，每個采樣節(jié)點采用電池供電，1年更新一次。采用常規(guī)的方法，能量只能持續(xù)工作5天！引入間歇工作方式，從而降低功耗，節(jié)省能量。WSN（無線傳感網(wǎng)）節(jié)點一般能工作1-2年嵌入式系統(tǒng)比桌面通用系統(tǒng)可用資源少得多為降低系統(tǒng)成本，降低功耗，嵌入式系統(tǒng)的資源配置遵循夠用就行！因此早年的嵌入式系統(tǒng)的主題是“裁剪”隨著集成化模塊化趨勢，目前某些領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，如刀片式路由器，其可用資源接近甚至超過桌面通用系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要專用工具和特殊方法：開發(fā)：交叉編譯、交叉鏈接調(diào)試：仿真器、虛擬機更新：在線升級等嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(6/7)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項綜合的計算機應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：狀態(tài)控制器、中斷控制器處理匯編語言：操縱外圍設(shè)備、端口操作系統(tǒng)：設(shè)置運行任務(wù)、通訊、互斥編譯原理：交叉編譯、bootloader加載嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(7/7)提綱嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀60年代，40多年來隨著計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各項技術(shù)蓬勃發(fā)展，市場迅猛擴大，已深入生產(chǎn)和生活的各個角落。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個階段嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起（1960－1970）嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（1971－1989）嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展（1990－至今）嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起第一代電子管計算機(1946～1957年)，無法滿足嵌入式計算所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實時性強等一系列要求。60年代，第二代晶體管計算機系統(tǒng)開始應(yīng)用：第一臺機載專用數(shù)字計算機是美國海軍艦載轟炸機“民團團員”號研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。1962年美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制。1965～1970年，第三代集成電路化計算機系統(tǒng)應(yīng)用：第一次使用機載數(shù)字計算機控制：1965年發(fā)射的Gemini3號第一次通過容錯來提高可靠性：1968年阿波羅4號、土星5號。17嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟、硬件日臻完善嵌入式系統(tǒng)的大發(fā)展是在微處理問世之后：1971年11月，Intel公司推出了第一片微處理器Intel4004。

人們再也不必為設(shè)計一臺專用機而研制專用的電路、專用的運算器了，只需以微處理器為基礎(chǔ)進行設(shè)計。1976年，第一個單片機Intel8048出現(xiàn)。1982年，第一個DSP出現(xiàn)，比同期的CPU快10～50倍。80年代后期，第三代DSP芯片出現(xiàn)。軟件技術(shù)的進步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善：早期嵌入式系統(tǒng)：采用匯編語言，基本不采用操作系統(tǒng)硬件的提升、軟件技術(shù)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展應(yīng)用充分普及：工業(yè)控制、數(shù)字化通訊、數(shù)字化家電汽車：50個以上嵌入式微處理器飛機：70個以上嵌入式系統(tǒng)嵌入式微處理器32位、64位、128位嵌入式實時操作系統(tǒng)使用比率越來越高早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具越來越豐富嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈形成馬達控制器車燈尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)兩大分支嵌入式軟件市場規(guī)模全球規(guī)模600億美元，過去三年中，年均增長速度超過12.5%。國內(nèi)，2009年嵌入式軟件規(guī)模300億元以上，過去三年中，年均增長速度超過20%，預(yù)計未來三年高達25%。全球分工與格局美國——掌握了最先進的軟件技術(shù)，控制著軟件開發(fā)平臺和軟件工具，在全球軟件產(chǎn)業(yè)鏈中居于領(lǐng)先地位。日本、英國、法國、德國——充分利用本國信息化的機遇，大力發(fā)展系統(tǒng)軟件、開發(fā)工具軟件以及行業(yè)應(yīng)用軟件，在某些系統(tǒng)軟件領(lǐng)域和軟件應(yīng)用領(lǐng)域具有全球競爭優(yōu)勢。歐盟——在通訊軟件、多媒體技術(shù)等若干重要領(lǐng)域也對美國的競爭優(yōu)勢形成了挑戰(zhàn)。印度、愛爾蘭、韓國、中國——軟件代工主要承擔(dān)國思考：IntelligentSystem提綱嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個部分組成

一個典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)處理核心晶體管邏輯電路中小規(guī)模IC邏輯電路大規(guī)模IC邏輯電路微處理器DSP單片機FPGA技術(shù)ASICSOC演

化嵌入式處理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP處理器（DSP）嵌入式微處理器（MPU）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip）嵌入式微處理器（EmbeddedMicroprocessorUnit，MPU）

以通用處理器（CPU）為基礎(chǔ)。將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能；外接電路必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件；Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）嵌入式微控制器又稱單片機，是將整個計算機系統(tǒng)濃縮集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16。嵌入式DSP處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip）嵌入式處理核實例電子溫度計——無處理器數(shù)字溫度計-LSI、VLSI太陽能溫度控制器計-單片機紅外成像儀-嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備（1/2）片外總線：連接系統(tǒng)各個部件，進行互連和傳輸信息的信號線。ESIA總線、SCSI總線、PCI總線AMBA總線：ARM研發(fā)的總線規(guī)范專用總線CompactPCI總線：工業(yè)控制CAN總線：汽車電子總線1553B總線：航空工業(yè)總線電子盤：采用flash芯片存儲數(shù)據(jù)，體積小、功耗低、抗震DOC：DiskonChipDOM：IDE電子盤CF：CompactFlashSM：SmartMediaMS：MemoryStickSSD：RAID方式的FLASH外圍硬件設(shè)備（2/2）I/O設(shè)備A/D、D/A中斷控制器UARTLCD通訊設(shè)備有線通訊：IEEE1394、USB無線通訊：IrDA、Bluetooth、802.11b/g嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式LinuxWindowsCESymbianAndroiduC/OS-IIVxWorksiOSQNX,PalmOS,LynxOS…嵌入式實時操作系統(tǒng)典型的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）近200種操作系統(tǒng)，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS面向SOC的操作系統(tǒng)：Symbian的Epoc、ExpressLogic的ThreadX、ATI的Nucleus開放源碼的操作系統(tǒng)：Linux系列、uC/OS典型性能指標內(nèi)核大小：幾K～幾百K；調(diào)度時間片：1ms；實時任務(wù)響應(yīng)時間：20～40微妙一般任務(wù)響應(yīng)時間：20微妙～幾百毫秒混合編程模式嵌入式軟件經(jīng)常需要直接控制外設(shè)、進行寄存器操作等，因而較多使用高級語言、匯編語言混合編程：嵌入式匯編直接匯編調(diào)用匯編調(diào)用C語言固定內(nèi)存地址訪問嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常要求去訪問某特定的內(nèi)存位置，如：unsignedshortx;unsignedshort*io_regs;

io_regs=(unsignedshort*)0x400000000;x=*io_regs[10];存儲限定符volatile編譯器優(yōu)化工作的一個假設(shè)在多任務(wù)共享變量、中斷與任務(wù)共享變量時，必須使用volatile限定符，強制讀取內(nèi)存中的值。voidmain(void){

volatileint*p_status;int*p_data;

p_status=(int*)0x4001;p_data=(int*)0x4000;do{}while((*p_status&0x01)==0);……}代碼共享與可重入在嵌入式系統(tǒng)中，多個任務(wù)使用子程序的一個單一拷貝是很常見，這些子程序稱為共享代碼。由于實時系統(tǒng)的任務(wù)是可搶占的，因而必須保證共享代碼同時被幾個任務(wù)調(diào)用而不發(fā)生沖突，這就是代碼的可重入。char*strcpy(char*des,constchar*src){

staticchar*save=des;while((*des++=*src++)!=‘\0’);return(save);}任務(wù)1執(zhí)行時間優(yōu)先級任務(wù)2strcpystrcpy任務(wù)1strcpy按位操作嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常要求對變量或寄存器進行位操作。例如：給定一個整型變量a，寫兩段代碼，第一個設(shè)置a的bit3，第二個清除a的bit3。在以上兩個操作中，要保持其它位不變。#defineBIT3(0x1<<3)voidset_bit3(int*a){*a|=BIT3;}voidclear_bit3(int*a){*a&=～BIT3;}看門狗定時器對于要求高可靠性的嵌入式應(yīng)用場合，系統(tǒng)往往提供看門狗（WATCHDOG）機制，以防止用戶程序進入死循環(huán)。程序能夠生成一個看門狗，并交付執(zhí)行動作，如果應(yīng)用程序在指定的時間內(nèi)不能將看門狗置位，將觸發(fā)指定的程序。看門狗執(zhí)行動作包括：系統(tǒng)重啟、任務(wù)重啟、跳出循環(huán)提綱嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域計算機系統(tǒng)的創(chuàng)新：桌面計算機平板計算機個人電腦ModBook平板電腦Toshiba平板電腦ClickStartMyFirstComputerViewsonic無線遙控平板人人電腦計劃(OLPC)「雙屏幕」筆記本電腦計算機系統(tǒng)的創(chuàng)新：UMPCUltra-MobilePC網(wǎng)絡(luò)、GPS、鍵盤或屏幕手寫NetbookMID:MobileInternetDeviceHTCAthena大同UMPCSony嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－手機韓國電信手機/電視遙控器二合一產(chǎn)品SonyEricsson超小型手機電腦手機放在底座上成為電腦Nokia手機戶外音響內(nèi)置DVB-H移動電視手機普通手機智能手機與PDA結(jié)合智能家居智能家電Roto-Rooter公司馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb鬧鐘不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶i.Master浙江大學(xué)顯示營養(yǎng)智能果汁機嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－智能家居嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－PDA個人信息助理掌上電腦PDA手機+GPS導(dǎo)航＝DopodU1000，且支持SkyPEMap-Star的GPS定位設(shè)備華碩GPS導(dǎo)航器SONYGPS導(dǎo)航器Nokia6110四頻HSDPA/GPS導(dǎo)航器嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－PMPPortableMediaPlayeriLuv可即時將視頻錄制到iPod/閃存卡上，與以前技術(shù)相反Sony家用影音綜合設(shè)備XtremeMac開發(fā)的iPod音箱IPEVO支持Skype電話Nike的

iPod帽MeizuM8IpodnanoArchos帶Wifi的704嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－辦公用品錄音筆FLY數(shù)字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內(nèi)容能“閱讀”寫作和糾正語法錯誤完成簡單的算術(shù)運算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數(shù)字便箋存儲100頁便箋2000LPI分辨率32MB板載內(nèi)存可通過USB連接電腦筆跡識別軟件PolymerVision手機書嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－手表MartinFrey手表日程表和手機聯(lián)動獲取網(wǎng)絡(luò)連接和GPS定位信息手表手機：M3001英寸的顯示屏USB接口可播放音樂支持藍牙Nike的Speed+手表結(jié)合iPod和運動計測韓國防性罪犯的電子手鐲可追蹤罪犯的定位和坐標愛國者視頻MP4手表嵌入式技術(shù)的應(yīng)用－運動玩具游戲GTX公司定位的運動跑鞋內(nèi)置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓次世代三大主流三款主機Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,槍