第一章 嵌入式系統(tǒng)1

1嵌入式系統(tǒng)原理主講：王涌2學(xué)院：計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究所：計算機智能系統(tǒng)研究所辦公室：屏峰校區(qū)廣C209辦公電話：85290366手機-MAIL：wy@3課程介紹教材——《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程》（田澤編著）北京航空航天大學(xué)出版社參考書——《嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)》（陳雙龍等）、《嵌入式系統(tǒng)原理》（李慶誠等）、《嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計》（王勇等）教學(xué)要求和實驗安排理論48學(xué)時，4學(xué)分，要求：平時30%，考試70%上課點名、提問、作業(yè)、實驗研究生助教：張鵬驗（16學(xué)時）：廣C425陳琦老師電話：85290509138674619084次大實驗，每次半天，雙休日重過程！5課程特點1.實用性、應(yīng)用型、普遍性2.軟硬結(jié)合，嵌入式工程師3.就業(yè)、深造、創(chuàng)業(yè)6資深嵌入式人才行業(yè)需求三星華為中興飛利浦飛思卡爾銀江、?？?、中控、士蘭微、網(wǎng)新、大華、思科、運營商（移動、電信、聯(lián)通）等一大批上市的行業(yè)領(lǐng)頭知名企業(yè)等等。7現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)8現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)9嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)10馬達控制器車燈嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)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)11研究所正在從事的科研工作12課程主要內(nèi)容圍繞32位嵌入式CPU核ARM展開采用SAMSUNG公司的S3C44B0X為硬件平臺（基于ARM7TDMI）13課堂計劃安排第1章嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)——6課時第2章ARM體系及組成——12課時第3章基于ARM的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)基礎(chǔ)ARM指令集、Thumb指令集——12課時匯編程序設(shè)計、C語言程序設(shè)計、混合程序設(shè)計——12課時第4章基于S3C44B0X的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實例——6課時14第一章 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)

嵌入式計算機的歷史由來嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的基本特點嵌入式系統(tǒng)的分類及應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)軟硬件各部分組成嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢等建立嵌入式系統(tǒng)的整體概念！151.1.1嵌入式計算機在電子計算機發(fā)展的初期，計算機一直是“供養(yǎng)”在特殊的機房中的大型、昂貴的專用設(shè)備，主要是實現(xiàn)一些特殊的數(shù)值計算。16第一臺機械式計算機183425,000partsCost:￡17,470Decimalnumber+、-、*、/、store、executePipeline(+)17

ENIAC

ENIAC:第一臺通用電子計算機February14rd,1946MooreSchool,Univ.ofPennsylvania18,000

vacuumtubes5000ADD/sec30Ton140kWMTBF（Meantimebetweenfailure）:7min18FirstTransistorOnDecember23rd,1947,thesemiconductorresearchteamofBelllaboratoryhadinventedthefirstNPNGetransistor1949SchockleyBipolartransistor19TraitorousWilliamShockleyTraitorous81955FairchildSemiconductor,1959,GordonMoore,SheldonRoberts,EugeneKleiner,RobertNoyce,VictorGrinich,JuliusBlank,JeanHoerni,

JayLast20直到20世紀70年代微處理器的出現(xiàn)，計算機應(yīng)用才出現(xiàn)了歷史性的變化。使計算機摘掉神圣的光環(huán)走下了神壇，步入平民化的時代。21Intel4004Micro-ProcessorFirstMicroprocessor40041971-721000transistors1MHzoperation22經(jīng)過發(fā)展，到80年代初微處理器及微控制器各自已發(fā)展為一個龐大的家族，以Intel公司x86為主流的應(yīng)用于個人計算機PC的微處理器格局已形成23Microprocessor80808086802868038680486PentiumPentiumProPentiumIIIItaniumPentiumIV24概括25微處理器表現(xiàn)出的智能化水平引起了設(shè)備制造、機電控制等專業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個控制對象的體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。26

嵌入式計算機為了區(qū)別于原有使用在PC的通用計算機，把嵌入到對象體系中、實現(xiàn)對象體系智能化控制的微控制器的計算機，稱作嵌入式計算機。27

嵌入式計算機這標(biāo)志著計算機進入了通用計算機與嵌入式計算機兩大分支、并行發(fā)展時代，從而導(dǎo)致20世紀末，計算機應(yīng)用的高速發(fā)展并由此引發(fā)了計算機分類方式的變化。28Today’sProcessorsinOurWorldDesktopprocessor29Today’sProcessorsinOurWorldEmbeddedprocessorseverywhere30Today’sProcessorsinOurWorld在發(fā)達國家,人均擁有的微處理器數(shù)量為100，其中絕大部分為嵌入式微處理器！預(yù)計到2012年，人均擁有量為10，000（根據(jù)摩爾定律）31Briefhistoryofprocessordesktopprocessorembeddedprocessorroot321.1.2嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)?；疽兀呵度?、專用性、計算機331.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點是“專用”的計算機系統(tǒng)；運行環(huán)境差異很大；比通用PC系統(tǒng)資源少得多；具有低功耗、體積小、集成度高、成本低等特點；具有系統(tǒng)測試和可靠性評估體系，保證嵌入式系統(tǒng)高效、可靠、穩(wěn)定工作；具有較長的生命周期；嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)代碼通常是固化在非易失性存儲器（ROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH）芯片中；34

嵌入式系統(tǒng)的特點使用的操作系統(tǒng)一般是實時操作系統(tǒng)（RTOS），系統(tǒng)有實時約束；需要專用開發(fā)工具和方法進行設(shè)計；嵌入式微處理器通常包含專用調(diào)試電路；嵌入式系統(tǒng)是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)；351.1.5嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍消費電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)36

嶄新的數(shù)字世界多彩的嵌入式應(yīng)用

無線電的發(fā)展BTH礦石收音機

單二極管Bush收音機

7個晶體管

單二極管EvokeDAB收音機

1億個晶體管

2-3個嵌入式處理器37

電話的發(fā)展電話

無晶體管BTDECT1千萬個晶體管

3個處理器諾基亞手機

超過7億個晶體管

(多數(shù)用于存儲器)

5-6個處理器38計算機的發(fā)展+=AppleMacintosh

黑白顯示器

1MIP處理器AcornArchimedes

彩色顯示器

10MIP處理器

…RISC集惠普－康柏掌上電腦

彩色顯示

200MIP處理器64MB內(nèi)存

…袖珍型39航海儀器的發(fā)展地圖、時鐘、指南針

印刷及磁技術(shù)

無晶體管Raytheon

船用航海儀器GarminGPS定位器

約1億個晶體管

2-3個處理器

…+4個人造衛(wèi)星!40

日用電器的發(fā)展AppleIPOD

100張CDs

袖珍型四處理器HP1315

照片質(zhì)量彩色打印機雙處理器GameBoyAdvance

手持式彩色聯(lián)網(wǎng)型雙處理器41

其他產(chǎn)品發(fā)展SeagateCheetahX15DisconKeySagemMorphoSmartKonicaRevio42

我們正步入一個嶄新的“數(shù)字世界”嵌入式應(yīng)用431.1.6嵌入式技術(shù)是中國IT發(fā)展的難得機遇當(dāng)前信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展和后PC（Post-PC）時代到來，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中。

后PC時代，即非PC信息設(shè)備大顯神通的時代，嵌入式系統(tǒng)正是非PC設(shè)備的主體，由于其應(yīng)用廣、領(lǐng)域特色突出，誰也無力獨吞這一市場。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在世界范圍的擴展和中國通信事業(yè)的高速發(fā)展，已為我國開發(fā)嵌入式產(chǎn)品造就了廣大市場，此外我國是人口大國，素有智力優(yōu)勢。441.2嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.2.1嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹1.2.2嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu) 1.2.3啟動程序BootLoader介紹

451.2.1嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹 嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖下半部分所示。嵌入式系統(tǒng)是“量身定做”的“專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)”。硬件配置非常精簡，除了微處理器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可以“裁剪”、“定制化”（Customize）。

46

嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)介紹

DSP——數(shù)字信號處理器SoC——Systemonchip可編程片上系統(tǒng)SOPC(SystemOnProgrammableChip)?，F(xiàn)代嵌入式設(shè)計是以處理器/SoC/SOPC為核心，完成系統(tǒng)設(shè)計的。471.2.2嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)當(dāng)設(shè)計一個簡單的應(yīng)用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)計較復(fù)雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)（OS）來管理、控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等等。嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包含四個層面：設(shè)備驅(qū)動層、實時操作系統(tǒng)（RTOS）、應(yīng)用程序接口（API）層、實際應(yīng)用程序?qū)?。對于功能簡單僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序。48

嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次驅(qū)動層程序?qū)崟r操作系統(tǒng)（RTOS）操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API）應(yīng)用程序491.2.3啟動程序BootLoader介紹BootLoader——開機程序相當(dāng)于PC機中的BIOS（BasicInput/OutputSystem）系統(tǒng)加電復(fù)位后，幾乎所有的CPU都從由復(fù)位地址上取指令。因此在系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將首先執(zhí)行BootLoader

程序。50

啟動程序BootLoader介紹BootLoader是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序運行之前，首先必須運行的一段程序代碼。對于嵌入式系統(tǒng)來說，有的使用操作系統(tǒng)，也有的不使用操作系統(tǒng)，但在系統(tǒng)啟動時都必須運行BootLoader。511.3嵌入式系統(tǒng)硬件組成

1.3.1嵌入式處理器 1.3.2典型嵌入式處理器介紹 1.3.3嵌入式SoC 1.3.4可編程片上系統(tǒng)—SOPC 1.3.5嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口

521.3.1嵌入式處理器嵌入式微處理器(Microprocessor）嵌入式微控制器

(MicrocontrollerUnit)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)53

嵌入式微處理器嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應(yīng)的CPU。目前的嵌入式處理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola68000、ARM、MIPS系列等等。54

嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里。常見的有8051。單片機≠8051，單片機>8051.微控制器的特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。55

嵌入式DSP

嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)展方向：單片化設(shè)計——嵌入式DSP處理器和嵌入式處理器集成，片上增加豐富的外設(shè)成為具有高性能DSP功能的SoC；是在通用微處理器、微控制器或SoC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。CPUDSPCPUDSP協(xié)處理器561.3.2典型嵌入式處理器介紹MIPS處理器

PowerPC處理器

Sparc處理器

ARM處理器

571.3.3嵌入式SoC20世紀90年代后，“集成電路”級設(shè)計——“集成系統(tǒng)”級設(shè)計“IC”——“IS”目前嵌入式系統(tǒng)已進入單片系統(tǒng)SoC的設(shè)計階段，并開始逐步進入實用化、規(guī)范化階段，集成電路已進入SoC的設(shè)計流程。58嵌入式SoC新產(chǎn)品在市場上的生命大為縮短，平均從36月到縮短為15-9月，要求產(chǎn)品的設(shè)計周期也大大縮短。性能要求——高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗。特別是低功耗。成本價格、可靠性。59嵌入式SoC進入二十一世紀后，集成電路設(shè)計進入了高度集成的SoC時代。SoC設(shè)計技術(shù)優(yōu)點：大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性減少系統(tǒng)的面積和功耗降低系統(tǒng)成本極大地提高系統(tǒng)的性能價格比。60嵌入式SoC單片系統(tǒng)設(shè)計要從整個系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，并通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。61

嵌入式SoC舉例HMS30C7202是韓國現(xiàn)代公司開發(fā)的基于ARM720T內(nèi)核、主頻為70MHz、功能非常強大高集成度的片上系統(tǒng)，它片內(nèi)外設(shè)的資源很多，廣泛應(yīng)用于PDA、智能電器、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、音頻設(shè)備、電子圖書、POS等。6263AdvancedEmbeddedSystemsSystemonChipAnembeddedsystemonachip64651.3.4可編程片上系統(tǒng)－SOPC

用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作可編程片上系統(tǒng)SOPC

。66SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)

是SOC具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能可裁剪可擴充可升級671.3.5嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口

根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類

存儲器通信接口輸入輸出設(shè)備設(shè)備擴展接口電源及輔助設(shè)備681.4嵌入式操作系統(tǒng)

1.4.1嵌入式操作系統(tǒng) 1.4.2嵌入式實時操作系統(tǒng) 1.4.3典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

691.4.1嵌入式操作系統(tǒng)計算機由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件；操作系統(tǒng)可以解釋或理解為補平硬件差異的界面或是說隱藏硬件，讓應(yīng)用程序可以在上面運行。通過由操作系統(tǒng)統(tǒng)一所提供出來的系統(tǒng)界面來寫應(yīng)用程序，無須考慮到不同硬件所造成的差異，讓程序設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂谒瞄L領(lǐng)域的開發(fā)。

70

嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)一般具有實時特點。所謂實時系統(tǒng)，是指一個優(yōu)先等級高的任務(wù)能夠獲得立即的、沒有延遲的服務(wù)，它不需要等候任何其它任務(wù)。而且在得到CPU的使用權(quán)后，它可以一直執(zhí)行到工作結(jié)束或是有更高等級的進程出現(xiàn)為止。71

嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)相對于一般操作系統(tǒng)而言，僅指操作系統(tǒng)的內(nèi)核（或者微內(nèi)核），其他的諸如窗口系統(tǒng)界面或是通訊協(xié)議等模塊，可以另外選擇，目前大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)必須提供以下管理功能：多任務(wù)管理

存儲管理

周邊資源管理

中斷管理

721.4.2嵌入式實時操作系統(tǒng)大多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在實時環(huán)境中，因此嵌入式操作系統(tǒng)跟實時（Real-Time）操作系統(tǒng)密切聯(lián)系在一起。

實時操作系統(tǒng)可以根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境的要求對內(nèi)核進行剪裁和重新配置，組成可根據(jù)實際的不同應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。但以下幾個重要組成部分是不太變化的：實時內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組件、文件系統(tǒng)和圖形接口等。73應(yīng)用程序驅(qū)動程序、硬件抽象層、板級支持包文件系統(tǒng)/圖形用戶接口驅(qū)動層OS層應(yīng)用層擴展模塊基本模塊進程調(diào)度內(nèi)存管理調(diào)度文件管理進程調(diào)度OS核圖形驅(qū)動數(shù)據(jù)庫模塊應(yīng)用程序接口（API）

硬件（Hardware）網(wǎng)絡(luò)模塊調(diào)度圖1-4RTOS體系結(jié)構(gòu)圖OS核741.4.3典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，但大體上可分為兩種——商用型和免費型。商用型的操作系統(tǒng)主要有VxWorks、WindowsCE、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等

免費型的操作系統(tǒng)主要有Linux和μC/OS-II75

典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

Linux操作系統(tǒng)VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)

WinCE操作系統(tǒng)

μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核

76

uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux

2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等