嵌入式系统架构技术分析

提高阶段：1——ARM部分电气工程系赵志衡目的1

这一阶段的授课内容为：介绍嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，了解嵌入式编程技术。介绍ARM微处理器和实时操作系统

C/OSll

学习基础：C语言、微控制器原理及应用系统设计、操作系统

嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，它正在成为信息技术（IT）产业争夺的重点之一。

每年只有少量的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，每年有超过1万个新的嵌入式系统计划产生。

未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。1嵌入式技术发展现状

嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括

微机原理、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。

理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。

通过有关课程的学习，可提升嵌入式系统设计的专业知识和实际设计能力。

这一阶段的授课只是对其基本知识加以介绍，引领大家入门，以后应用时还需要同学们加倍努力。1对提高专业知识和实践能力大有帮助本节提要1545嵌入式系统的发展趋势为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域IEEE定义根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices

used

to

control,monitor,or

assist

the

operation

of

equipment,machinery

or

plants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。1一般定义1“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统的架构处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构1硬件结构嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下几个特点

对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，存储区保护功能避免在软件模块之间出现错误的交叉作用。

嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有

mW甚至μW级。1嵌入式处理器嵌入式微处理器全世界只有约4%的计算机处理芯片用于计算机中嵌入式微处理器Average

car

has

about

15

microprocessors.Mercedes

S-class:

63

microprocessors

!!32-bit16-bit8-bit4-bit250

million1

billion1

billion1

billion125

million

PCsIntel,

AMDMotorola,ARM,MIPS,i960,x86,…其中只有4%的微处理器1嵌入式处理器分类1（1）嵌入式微控制器1

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种

８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。

单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串

行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash

RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。1（2）嵌入式DSP处理器1

DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。

目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C6000系列，AD、和Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。

与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。1（3）嵌入式微处理器和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power

PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等1SoC就是System

on

Chip，片上系统。

它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM

RISC、MIPS

RISC、DSP或是

其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、

GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝

牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。同时具有操作系统1（4）嵌入式片上系统RTOS是32位嵌入式CPU的软件基础1RTOS内核提供CPU的管理硬件初始化，MMU，定时器，中断RTOS内核提供任务，内存管理RTOS提供设备管理，文件和网络的支持RTOS提供C/C++，JAVA，图形模块等编程接口常见的嵌入式操作系统1实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和免费型。

商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。

免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和μC/OS，稳定性

与服务性存在挑战。VxWorks1

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun

Sparc、Motorola

MC68xxx、MIPS、POWER

PC等等。Windows

Embedded1

Windows

CE

3.0：一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。

针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，

WindowsCE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，由于其Windows背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。嵌入式Linux1

嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的API，并且能够方便地

与众多第三方的软硬件沟通。

Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。

Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86

CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。本节提要15423嵌入式系统的发展趋势为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统与单片机、PC嵌入式系统的应用领域三、嵌入式系统与单片机、PC机1目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同嵌入式系统 PC机1

嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具本节提要15426嵌入式系统的发展趋势为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域

它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。

PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等

自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。1嵌入式系统应用领域嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务工业控制工控设备1网络嵌入式技术在电子通讯中的应用1手机、智能手机嵌入式系统在信息家电中的应用1信息家电（InformationAppliance，IA）。一般可认为，那些低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割或替代PC的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或讯息的产品可统称为信息家电。信息家电的分类及特点1信息家电的分类网络电视（NetTV）网上游戏机（Internet

gaming

device）智能掌上型设备(Internet

smart

handheld

device)(4)网络电话（Internet

screen

Phone）(5)Consumer

NC

client等。信息家电技术特点：处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。整合数字与模拟处理的技术。较PC更强调通讯能力。利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键)嵌入式技术在汽车电子中的应用VOLVO

S80汽车的CAN总线网络1—（18个嵌入式控制模块）—CAN总线网络阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。1嵌入式技术在军事方面的应用嵌入式Internet应用1嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用1

交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元

水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。加油站停车场管理……智能机器人1基于VXworks的火星探路者12004年“勇气号”再次登陆火星1“好奇号”火星实验室1本节提要15440嵌入式系统的发展趋势为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域五、嵌入式系统技术发展趋势1软件设计比重日益突出组件设计技术SOC硬件软件化—经济性计算机要很便宜，让更多的人能买得起；—小型化（笔记本、PDA）人们携带方便；—可靠性（汽车VCD）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行；高速度（飞机刹车系统）能够迅速地完成数据计算或数据传输；智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）使人们用起来更习惯，对人