第1章 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用南京郵電大學(xué)電氣工程系課程簡(jiǎn)介

課程性質(zhì)（考試-閉卷）課時(shí)安排：28(授課)+12(上機(jī))+16(線上自學(xué))成績(jī)?cè)u(píng)定：

期末（60%）＋平時(shí)（40%）教材：顧亦然，《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》，人民郵電出版社.參考書(shū)：高鋒，《單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》(第3版)，科學(xué)出版社課程內(nèi)容

第一部分基礎(chǔ)篇嵌入式系統(tǒng)概述嵌入系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第二部分MCS51技術(shù)篇

MCS51單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)單片機(jī)指令系統(tǒng)單片機(jī)功能模塊80C51功能擴(kuò)展第三部分STM32技術(shù)篇基于Contex-M3的STM32的基本結(jié)構(gòu)

Contex-M3指令系統(tǒng)與編程技術(shù)

STM32的主要功能模塊第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義1.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3本章小結(jié)、習(xí)題1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)）和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，可以安裝不同的應(yīng)用軟件，應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC（PersonalComputer，個(gè)人計(jì)算機(jī)）。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則是以嵌入式的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中，如Kindle、iPad和Tesla汽車。正是“看不見(jiàn)”這一特性將嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)區(qū)分了開(kāi)來(lái)。1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義1．IEEE的定義【定義1-1】嵌入式系統(tǒng)是一種用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器設(shè)備的裝置（Devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）【定義1-2】嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)。系統(tǒng)級(jí)：各種類型的工控機(jī)板級(jí)：各種類型的帶CPU的主板、PC104片級(jí)：各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品2．微機(jī)學(xué)會(huì)的定義【定義1-3】嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3．一般定義可從以下幾個(gè)方面來(lái)理解：（1）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。（2）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。（3）嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁減，滿足應(yīng)用系統(tǒng)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(tǒng)都可以稱之為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)，采用“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入各種應(yīng)用系統(tǒng)中。嵌入式的概念反映了嵌入式系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分，更大系統(tǒng)稱為“嵌入的系統(tǒng)”，“嵌入的系統(tǒng)”中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成4個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（Input/Output，I/O）和軟件。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)小型化與有限資源與應(yīng)用密切相關(guān)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的協(xié)同一體化軟件開(kāi)發(fā)需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成1．嵌入式系統(tǒng)的體系系統(tǒng)架構(gòu)圖1-1嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架

2．嵌入式系統(tǒng)的組成圖1-2嵌入式系統(tǒng)組成

1．嵌入式系統(tǒng)的硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（RAM、ROM、Flash）、USB和A/D、D/A等。硬件層通常是一個(gè)以嵌入式處理器為中心的，包含電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路的電路模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都固化在模塊的ROM中。2．嵌入式系統(tǒng)的組成2．嵌入式系統(tǒng)的中間層硬件層與系統(tǒng)軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級(jí)支持包（BoardSupportPackage，BSP），它將上層系統(tǒng)軟件與底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)須關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)中間層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。2．嵌入式系統(tǒng)的組成中間層特點(diǎn)：①硬件相關(guān)性：因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟件與硬件平臺(tái)之間的接口，中間層需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。②操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。2．嵌入式系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)一個(gè)完整的中間層需要完成兩個(gè)部分的工作：（1）嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化

嵌入式系統(tǒng)初始化過(guò)程可以分為3個(gè)主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為片級(jí)、板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)初始化。（2）設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)

中間層的另一個(gè)主要功能是設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化通常是一個(gè)從高到低的過(guò)程。與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是中間層設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中另一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。2．嵌入式系統(tǒng)的組成系統(tǒng)軟件層由嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GraphicUserInterface，GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊等組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。3．嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件層（1）嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、高效性、硬件相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用專用性等方面具有較為突出特點(diǎn)。

嵌入式操作系統(tǒng)是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言的，它除了具有一般操作系統(tǒng)最基本的功能，例如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點(diǎn)：★可裁減性；★強(qiáng)實(shí)時(shí)性；★操作方便、簡(jiǎn)單且友好的圖形用戶界面，易學(xué)易用；★強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；★強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性；★固化代碼；★良好的移植性。3．嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件層（2）文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)稱為文件管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：與文件管理有關(guān)的軟件、被管理的文件以及實(shí)施文件管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（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(jì)算機(jī)用戶操作接口。嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的基本設(shè)計(jì)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(tǒng)的系統(tǒng)軟件層（4）應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件層由基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制功能。應(yīng)用軟件是在嵌入式操作系統(tǒng)支持下通過(guò)調(diào)用API（ApplicationProgrammingInterface，應(yīng)用程序接口）函數(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)用軟件層1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類

按實(shí)時(shí)性能分類按軟件結(jié)構(gòu)分類

按實(shí)時(shí)性能分類按是否具有實(shí)時(shí)性能分為嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)(1)嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正確性僅僅依賴于計(jì)算處理的邏輯結(jié)果，與結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間無(wú)關(guān)這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算和一般實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，如掌上電腦、電子詞典等(2)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能夠?qū)ν獠渴录谙薅〞r(shí)間內(nèi)做出及時(shí)響應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)這類系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中占有很大比例，如過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、通信等領(lǐng)域嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)除具有嵌入式系統(tǒng)的基本特征外，還具有以下重要特點(diǎn)：①實(shí)時(shí)性②可靠性①實(shí)時(shí)性衡量嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能主要有以下性能指標(biāo)：確定性（Determinism）確定性要求系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)時(shí)間必須是確定的和可重復(fù)的，不管當(dāng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)如何，都是可預(yù)測(cè)的。該性能指標(biāo)反映系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行情況的最好和最壞等情況做出精確估計(jì)的能力。它是實(shí)時(shí)系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一。

響應(yīng)時(shí)間（ResponseTime）

系統(tǒng)從識(shí)別一個(gè)外部事件到做出響應(yīng)的時(shí)間。是最重要的性能指標(biāo)之一。對(duì)不同的控制過(guò)程有不同的響應(yīng)時(shí)間要求：對(duì)于慢變化過(guò)程，具有幾分鐘甚至更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間都可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的對(duì)于快速過(guò)程，其響應(yīng)時(shí)間可能要求達(dá)到毫秒、微秒、納秒級(jí)甚至更短。

生存時(shí)間（SurvivalTime）是數(shù)據(jù)有效等待時(shí)間，在這段時(shí)間里數(shù)據(jù)是有效的吞吐量（Throughput）

是在一段給定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù)為實(shí)現(xiàn)以上實(shí)時(shí)性能的要求，嵌入式系統(tǒng)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的支持

應(yīng)用程序代碼量小、執(zhí)行速度快②

可靠性

硬件平臺(tái)的可靠性 體現(xiàn)在對(duì)硬件平臺(tái)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(yè)級(jí)甚至軍品級(jí)嵌入式處理器

軟件采用固態(tài)化存儲(chǔ)只讀存儲(chǔ)器或電子盤而不是磁盤等機(jī)械類訪問(wèn)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(cuò)處理和自動(dòng)復(fù)位功能應(yīng)用程序采用特殊的容錯(cuò)和出錯(cuò)處理措施具有故障診斷和修復(fù)能力在運(yùn)行死機(jī)之后自動(dòng)恢復(fù)先前的運(yùn)行狀態(tài)。

按軟件結(jié)構(gòu)分類按軟件結(jié)構(gòu)分類為嵌入式單線程系統(tǒng)嵌入式循環(huán)輪詢系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)嵌入式事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)嵌入式多處理器系統(tǒng)嵌入式單線程系統(tǒng)包括循環(huán)輪詢系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)適用場(chǎng)合：常見(jiàn)于小型、簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用，其編程簡(jiǎn)單且易于理解，但系統(tǒng)的確定性不能保證(1)嵌入式單線程系統(tǒng)（EmbededSingle-threadSystem）①嵌入式循環(huán)輪詢(PollingLoop)系統(tǒng)在該系統(tǒng)中，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：圖1-21有限狀態(tài)機(jī)示意圖

②有限狀態(tài)機(jī)(FSM，F(xiàn)initeStateMachine)

是能對(duì)外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)包括:

嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)嵌入式多處理器系統(tǒng)(2)嵌入式事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（EmbededEvent-drivenSystem）①嵌入式前后臺(tái)(Foreground/Backgroud)系統(tǒng)該系統(tǒng)又稱為嵌入式中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)組成后臺(tái)是一個(gè)循環(huán)輪詢系統(tǒng)，一直處于運(yùn)行狀態(tài)，通常又稱主程序；前臺(tái)是由一些中斷處理過(guò)程組成的。

運(yùn)行方式圖1-22嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行方式

當(dāng)有一前臺(tái)事件

(外部事件)發(fā)生時(shí)將引起中斷，暫時(shí)中止后臺(tái)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入進(jìn)行前臺(tái)處理，處理完成后又回到后臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行。②嵌入式多任務(wù)（Multitask）系統(tǒng)

適用場(chǎng)合對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)而言，當(dāng)采用中斷處理程序加一個(gè)后臺(tái)主程序這種軟件結(jié)構(gòu)難以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地完成系統(tǒng)功能時(shí)，或存在一些相關(guān)或不相關(guān)的過(guò)程需要在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)處理時(shí)，就需要采用嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)。

運(yùn)行機(jī)制圖1-23嵌入式前多任務(wù)系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)由多個(gè)任務(wù)、中斷處理過(guò)程和嵌入式操作系統(tǒng)組成。每個(gè)任務(wù)按順序或優(yōu)先級(jí)執(zhí)行的，并行性、任務(wù)間的相互通信和同步需要操作系統(tǒng)的支持完成

適用場(chǎng)合當(dāng)某些工作用單個(gè)處理器來(lái)處理難以完成時(shí)，就需要使用多個(gè)處理器同時(shí)處理運(yùn)行機(jī)制多個(gè)任務(wù)可以分別放在不同的處理器上執(zhí)行，宏觀上看是并發(fā)的，微觀上看也是并發(fā)的③嵌入式多處理器/多核系統(tǒng)1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．在應(yīng)用數(shù)量上嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平均每個(gè)家庭使用40個(gè)嵌入式處理器平均每個(gè)汽車需要35個(gè)嵌入式處理器

2001年，Gartner估計(jì)存在70億嵌入式處理器

70億嵌入式處理器占據(jù)了94%處理器市場(chǎng)

IntelPentium、MotorolaPowerPC等通用處理器，僅占6%的處理器市場(chǎng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域2．在應(yīng)用領(lǐng)域方面圖1-5常見(jiàn)消費(fèi)類產(chǎn)品

消費(fèi)產(chǎn)品(ConsumerProduct)

圖1-6智能消費(fèi)類產(chǎn)品圖1-7工程機(jī)械智能控制器

工業(yè)控制

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

通信設(shè)備

(Telecommunication)圖1-10穿刺腫瘤醫(yī)療儀器

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

圖1-11基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)圖1-12基于RTLinux的仿人機(jī)器人圖1-131997年4月在火星表面登陸的火星探測(cè)器（基于VxWorks）圖1-142004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星圖1-15阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中的軍事電子設(shè)備

軍事電子設(shè)備和現(xiàn)代武器圖1-16軍用機(jī)器人（2002