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嵌入式系统概论
1. 嵌入式系统概述 2. 嵌入式系统的基本知识 3. 嵌入式系统的设计原则及方法

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1.1什么是嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为 基础,且软硬件可裁减,适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计 算机系统。它一般由以下几部分组成: n 嵌入式微处理器 n 外围硬件设备 n 嵌入式操作系统 n 特定的应用程序
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1.2嵌入式系统的特点
特点: n 应用的特定性和广泛性 n 技术、知识、资金的密集性 n 高效性 n 较长的生命周期 n 高可靠性 n 软硬一体,软件为主 n 无自举开发能力
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1.3嵌入式系统与PC的不同
1. 一般专用于特定的任务,而PC是一个通用计算机。 2. 使用多种类型的处理器和处理器体系结构。 3. 及其关注成本 4. 有实时约束 5. 使用实时多任务操作系统 6. 软件故障造成的后果比PC系统更严重 7. 大多有功耗约束 8. 经常在极端的环境下运行 9. 系统资源比PC少的多 10. 通常所有的目标代码存放在ROM中 11. 需要专用工具和方法进行开发设计 12. 嵌入式系统的数量远远超过PC
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1.4嵌入式系统的应用领域

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1.4嵌入式系统的应用领域

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1.5嵌入式系统的产品
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网络设备:交换机、路由器,MODEM 消费电子:手机、MP3、PDA 、可视电话、 电视机顶盒、数字电视、数码照相机、 数码摄像机、信息家电 办公设备:打印机、传真机、扫描仪 汽车电子:ABS(防死锁刹车系统)、供油 喷射控制系统、车载GPS。 工业控制:各种自动控制设备
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我们正步入一个崭新的“数字世界”
嵌入式应用

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1.6嵌入式系统的历史
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20 世纪70 年代:单片机出现 嵌入式系统最初的应用是基于单片机。汽车,工 业机器,通信装置等成千上万种产品通过内嵌电子装 置获得更佳的使用性能。 20 世纪80 年代:嵌入式操作系统出现 商业嵌入式实时内核包含传统操作系统的特征, 使得开发周期缩短,成本降低,效率提高促使嵌入式 系统有了更为广阔的应用空间。 20 世纪90 年代:实时多任务操作系统 软件规模的不断上升,对实时性要求的提高,使 得实时内核逐步发展为实时多任务操作系统,并作为 一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。
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1.7巨大的市场
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计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳 米微电子技术的突破,正有力推动着21 世纪 工业生产,商业活动科学试验和家庭生活等领 域自动化和信息化进程。 嵌入式产品的巨大商机--全过程自动化产品 制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实 验以及现代化家庭起居。 你接触的每一样东西将装有芯片和嵌入式软件。
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1.8创新的机遇
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通用计算机产业是垄断的。 嵌入式系统与技术是一个分散的工业,充满竞 争、机遇与创新。 没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断 全部市场即便在体系结构上存在着主流,但各 不相同的应用领域决定了不可能有少数公司, 少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域 的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个 行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。
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2.嵌入式系统的基本结构
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嵌入式系统的构架 嵌入式微处理器 嵌入式操作系统 启动程序BootLoader介绍

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2.1嵌入式系统的构架
API(Application Programming Interface)

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2.2嵌入式系统的硬件基本结构

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2.3嵌入式处理器
分类:

1. 支持实时多任务. 2. 较短的中断响应 时间 3. 存储区保护功能 4. 可扩展的处理器 结构 5. 较低的功耗

★嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit) ★嵌入式DSP处理器 EDSP(Embedded Digital Signal Processor) ★嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit) ★嵌入式片上系统 SOC(System On Chip)

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2.3.1嵌入式微处理器
特点: n 功能和微处理器基本一样,是具有32位以上的 处理器,具有较高的性能. n 具有体积小,功耗少,成本低,可靠性高的特 点. n 有的可提供工业级应用. 流行的嵌入式微处理器:
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ARM/Strong (ARM公司) PowerPC (MOTOROL公司) 68000 (MOTOROL公司) MIPS(MIPS公司)
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MIPS处理器
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MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌 入式32位和64位处理器的厂商。在RISC处理器方面 占有重要地位。 MIPS的意思是“无内锁流水段微处理器” (Microprocessor without interlocked piped stages),最早是在80年代初期由美国斯坦福大学 Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。 1986年推出R2000处理器,1988年推出R3000处理 器,1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。 之后,又陆续推出R8000(于1994年)、R10000 (于1996年)和R12000(于1997年)等型号。之 后,MIPS公司的战略发生变化
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MIPS处理器
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此外,24K微架构能符合各种新兴的服务趋 势,为宽频存取以及还在不断发展的网络基础 设施、通讯协议提供软件可编程的弹性。 在嵌入式方面,MIPS 系列微处理器是目前仅 次于ARM的用得最多的处理器之一(1999年以 前MIPS是世界上用得最多的处理器),其应用 领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上 电脑等各个方面。MIPS的系统结构及设计理念 比较先进,在设计理念上MIPS强调软硬件协同 提高性能,同时简化硬件设计。

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PowerPC处理器
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PowerPC架构的特点是可伸缩性好,方便灵活。 PowerPC处理器品种很多,既有通用的处理器,又 有嵌入式控制器和内核,应用范围非常广泛,从高 端的工作站、服务器到桌面计算机系统,从消费类 电子产品到大型通信设备,无所不包。 处理器芯片主要型号是PowerPC 750,它于1997年 研制成功,最高的工作频率可以达到500MHz,采 用先进的铜线技术。该处理器有许多品种,以便适 合各种不同的系统。包括IBM小型机、苹果电脑和 其他系统。 嵌入式的PowerPC 405(主频最高为266MHz)和 PowerPC 440(主频最高为550MHz)处理器内核可 以用于各种SoC设计上,在电信、金融和其他许多 行业具有广泛的应用。
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2.3.2嵌入式微控制器
嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬 件集成到一块芯片中,芯片内部集成ROM/EPROM,RAM,总 线,总线逻辑,定时/计数器,Watchdog,I/O,串行口等各 种必要功能和外设.其特点为: 一个系列的微控制器具有多种衍生产品; 单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高; 是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统70%的份额; 多是8位和16位处理器 流行的嵌入式微控制器
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通用系列:8051,MCS251,MCS-96/196/296 半通用系列:支持I2C,CAN BUS,LCD及众多专用MCU和兼容系列
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2.3.3嵌入式DSP
嵌入式DSP处理器有两个发展方向:
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是嵌入式DSP处理器和嵌入式处理器经 过单片化设计,片上增加丰富的外设成 为具有高性能DSP功能的SoC; 是在通用微处理器、微控制器或SoC中 增加DSP协处理器,例如TI的达芬奇系列 和Siemens的TriCore。
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2.3.4 嵌入式外围接口电路 和设备接口
根据外围设备的功能可分为以下5类 存储器类型 通信接口 输入输出设备 设备扩展接口 电源及辅助设备
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存储器类型:
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存储器是嵌入式系统中存储数据和程序 的功能部件,目前常见的存储设备按使 用的存储器类型分为:
静态易失型存储器(RAM,SRAM); 动态存储器(DRAM); 非易失性存储器ROM(ROMEPROM, EEPROM,FLASH); 硬盘、软盘、CD-ROM等。
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通信接口
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目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有 其广泛的应用,应用最为广泛的接口设备包括 RS-232接口(串口UART) USB接口(通用串行总线接口) IrDA(Infra Red Data Association-红外线接口)、 SPI(串行外围设备接口)、 I2C、CAN总线接口、 蓝牙接口(Bluetooth) Ethernet(以太网接口)、 IEEE1394接口和通用可编程接口GPIO。

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输入输出设备
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CRT、LCD和触摸屏等,构成了嵌入式 系 统中重要的信息输入输出设备,应用 广泛。 触摸屏可以方便的实现鼠标和键盘功 能。

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设备扩展接口
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简单的嵌入式系统如具有简单的记事本、备忘录 以及日程计划等功能的PDA,它所需要存储的数 据量并不需要很大的内存。由于目前的嵌入式系 统功能越来越复杂,需要大容量内存,大的内存 使得系统成本和体积加大。 目前一些高端的嵌入式系统都会预留可扩展存储 设备接口,为日后用户有特别需求时,可购买符 合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。 常用的扩展卡还有各种CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩 展卡接口。
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电源及辅助设备
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嵌人式系统力求外观小型化、重量轻以 及电源使用寿命长,例如移动电话或 PDA,体积较大或者过重的机型已经被 淘汰。 目前发展的目标是体积小、易携带和外 观设计新颖等。在便携式嵌入式系统的 应用中,必须特别关注电源装置等辅助 设备。
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2.4嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发 平台.嵌入式系统的出现,解决了嵌入式软件开发标准 化的难题.嵌入式系统具有操作系统的最基本的功能: n 进程调度 n 内存管理 n 设备管理 n 文件管理 n 操作系统接口(API调用) 嵌入式操作系统具有的特点: n 系统可裁减,可配置. n 系统具备网络支持功能 n 系统具有一定的实时性
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2.4.1嵌入式操作系统的分类
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按照对实时系统的定义,嵌入式系统可分为实 时嵌入式系统与非实时嵌入式系统: 实时系统的定义:能够对外部事件做出及时响 应的系统。响应时间要有保证。 对外部事件的响应包括
事件发生时要识别出来 n 在给定时间约束内必须输出结果 实时操作系统:VxWorks,WinCE,QNX,Nucleus,PSOS 非实时操作系统:嵌入式Linux
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2.4.2嵌入式实时操作系统的特点
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实时系统必须产生正确的结果 实时系统的响应必须在预定的周期内完成 这两点同样重要 实时系统是具有确定性的。在这些实时系统 中,响应时间决定事件是有界的。一个确定的 实时系统意味着系统的每个部件都必须具有确 定的行为,使得整个系统是确定性的。

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2.5几种主流的嵌入式操作系统
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Vxworks: 美国WindRiver公司于1983年开发,具有可 靠、实时、可裁减特性。 Windows Embedded:支持具有丰富应用程序和服务的32 位嵌入式系统。主要系列:Windows CE3.0, Windows NT Embedded 4.0和带有Server Appliance Kit的 Windows 2000 Palm OS: Com公司产品,在PDA市场占据很大份额,具 有开放的操作系统应用程序接口(API),可让用户灵活 方便地定制操作系统。 嵌入式Linux:近两年来,Linux在嵌入式领域异军突 起,他的独特性,使其作为开发嵌入式产品的操作系 统具备巨大的潜力。Linux具有一些独特的优势:层次 结构及内核完全开放;强大的网络支持功能;具备一 整套工具链;广泛的硬件支持特性。
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2.6嵌入式系统软件的层次结构
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如当设计一个简单的应用程序时,可以不使用操作系统,但 是当设计较复杂的程序时,可能就需要一个操作系统(OS) 来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。依据系统所提 供的程序界面来编写应用程序,可以大大的减少应用程序员 的负担。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说,嵌入式系统软件结构 一般包含四个层面:设备驱动层、实时操作系统(RTOS)、 应用程序接口(API)层、实际应用程序层。有些资料将应用 程序接口API归属于OS层,如图1-1的上半部分所示的嵌入式 系统的软件结构,是按三层划分的。由于硬件电路的可裁减 性和嵌入式系统本身的特点,其软件部分也是可裁减的。 对于功能简单仅包括应用程序的嵌入式系统一般不使用操作 系统,仅有应用程序和设备驱动程序。现代高性能嵌入式系 统应用越来越广泛,操作系统使用成为必然发展趋势。本节 主要讲述的具有操作系统的嵌入式软件层次。
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嵌入式系统软件的层次结构
具有操作系统的嵌入式软件层次
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驱动层程序 实时操作系统(RTOS) 操作系统的应用程序接口(API) 应用程序
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2.7启动程序BootLoader介绍
对于PC机,其开机后的初始化处理器配置、硬 件 初 始 化 等 操 作 是 由 BIOS ( Basic Input /Output System)完成的,但对于嵌入式系统 来说,出于经济性、价格方面考虑一般不配置 BIOS,因此我们必须自行编写完成这些工作的 程序。这就是所需要的开机程序,在嵌入式中 称为BootLoader程序。 系统加电复位后,几乎所有的 CPU都从由复位 地址上取指令。 因此在系统加电复位后,处理器将首先执行 Boot Loader 程序。
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启动程序BootLoader介绍
BootLoader是系统加电后、操作系统内核或用户应 用程序运行之前,首先必须运行的一段程序代码。 通过这段程序,为最终调用操作系统内核、运行用户 应用程序准备好正确的环境。 对于嵌入式系统来说,有的使用操作系统,也有的 不使用操作系统,但在系统启动时都必须运行 BootLoader,为系统运行准备好软硬件环境。 系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后,对于 有操作系统的情况下,启动操作系统、启动内存管 理、任务调度、加载驱动程序等,最后执行应用程 序或等待用户命令;对于没有操作系统的系统直接 www.chinaeda.cn 执行应用程序或等待用户命令

启动程序BootLoader介绍
系统的启动通常有两种方式,一种是可以直接 从Flash启动,另一种是可以将压缩的内存映 像文件从Flash(为节省Flash资源、提高速度) 中复制、解压到RAM,再从RAM启动。 当电源打开时,一般的系统会去执行ROM(应 用较多的是Flash)里面的启动代码。这些代 码是用汇编语言编写的,其主要作用在于初始 化CPU和板上的必备硬件如内存、中断控制器 等。 有时候用户必须根据自己板子的硬件资源情况 做适当的调整与修改。
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主流bootloader介绍
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U-boot PPCboot ARMboot Blob Redboot vivi
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3.嵌入式系统的开发方法
1. 2. 3. 4. 5. 嵌入式系统的设计准则 嵌入式系统的设计流程 嵌入式系统的开发方法 嵌入式系统的开发模式 嵌入式系统的测试

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3.1嵌入式系统的设计准则
嵌入式系统设计不同于桌面系统,它 非常受制于功能和具体的应用环境。所以 嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求。 嵌入式系统的设计要求:
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并发处理,及时响应 接口方便,操作容易 稳定可靠,维护简便 功耗管理,降低成本 功能实用,便于升级
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3.2嵌入式系统的设计流程
嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件 综合开发。其原因在于:一方面,任何一个嵌入式 产品都是软件和硬件的结合体;另一方面,一旦嵌 入式产品研发完成,软件就固化在硬件环境中,嵌 入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的,是专 用的。嵌入式系统的这一特点决定了嵌入式应用 开发方法不同于传统的软件工程方法。

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3.2.1 嵌入式系统的开发流程

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3.2.2从生命周期看嵌入式系统 的设计流程

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3.3 嵌入式系统开发方法
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设计过程的明确目标是建造一个有用的产品
产品功能 产品性能 制造成本 功耗特性 上市时间

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嵌入式产品设计需要一个小组的技术人员协作 完成 设计过程会受内外因素的影响而变化
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3.3.1嵌入式系统分层设计模型

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3.3.2嵌入式系统的软硬件并行设计

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3.4嵌入式系统的开发模式
宿主机 目标机 串口线

网线

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3.4嵌入式系统的开发模式
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嵌入式系统的软件使用交叉开发平台进行开发。
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系统软件和应用软件在主机开发平台上开发 系统软件和应用软件在嵌入式硬件平台上运行。

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宿主机(Host)是用来开发嵌入式软件的系统。 目标机(Target)是被开发的目的嵌入式系统。 交叉编译器(Cross-compiler)是进行交叉平 台开发的主要软件工具。它是运行在一种处理 器体系结构上,但是可以生成在另一种不同的 处理器体系结构上运行的目标代码的编译器。
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3.5嵌入式系统的测试
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测试目的:
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找到软硬件设计中的错误 减少风险 节约成本 提高性能

测试什么: n 功能调试(黑盒测试)
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压力测试,边界测试,异常测试 错误测试,随机测试,性能测试 语句测试,判定和分支测试,条件覆盖
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覆盖测试(白盒测试)
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