粤嵌讲师详解嵌入式系统.docx

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粤嵌讲师详解嵌入式系统

☆粤嵌讲师详解嵌入式系统

嵌入式系统（Embeddedsystem），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会（U.K.InstitutionofElectricalEngineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。

与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。

由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。

嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。

嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。

国内普遍认同的嵌入式系统定义为：

以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。

事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。

嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。

与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。

从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。

70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：

更容易使用、更快、更便宜。

这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。

Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。

之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。

从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。

确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。

其中比较著名的有ReadySystem公司的VRTX、IntegratedSystemIncorporation（ISI）的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等。

这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：

它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。

这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），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。

这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。

除了上面的几家老牌公司以外，还出现了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及国内的Hopen，DeltaOs等嵌入式操作系统。

随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

☆嵌入式系统有啥特点?

一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：

处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别）。

1.系统内核小：

嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的， 

系统资源相对有限， 

所以内核较之传统的操作系统要小得多

2.专用性强：

嵌入式系统的个性化很强， 

其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 

一般要针对硬件进行系统的移植

3.系统精简：

嵌入式系统一般不要求其功能设计及实现上过于复杂， 

这样一方面利于控制系统成本， 

同时也利于系统安全

4.实时性操作系统：

这是嵌入式软件的基本要求， 

而且软件要求固化存储， 

以提高速度， 

软件代码要求高质量和高可靠性,实时性

嵌入式系统的组成：

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、系统软件层和应用软件层组成。

执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。

执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

硬件层

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。

在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。

其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

1、嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（ReducedInstructionSetComputer，RISC）和复杂指令系统CISC（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。

RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。

嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。

据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。

但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

2、存储器

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。

嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。

1>Cache

Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。

在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。

Cache的主要目标就是：

减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。

一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。

2>主存

主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。

它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

常用作主存的存储器有：

ROM类NORFlash、EPROM和PROM等。

RAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NORFlash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

3>辅助存储器

辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。

嵌入式系统中常用的外存有：

硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。

3、通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。

每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。

外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。

系统软件层

系统软件层由实时多任务操作系统（Real-timeOperationSystem，RTOS）、文件系统、图形用户接口（GraphicUserInterface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。

RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

嵌入式操作系统

嵌入式操作系统（EmbeddedOperationSystem，EOS）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和国防系统领域。

EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。

它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。

随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。

嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：

（1）可装卸性。

开放性、可伸缩性的体系结构。

（2）强实时性。

EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。

（3）统一的接口。

提供各种设备驱动接口.

（4）操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用.

（5）提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口.

（6）强稳定性，弱交互性。

嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。

嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。

（7）固化代码。

在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。

辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统.

（8）更好的硬件适应性，也就是良好的移植性.

嵌入式操作系统：

MCU（MicroControlUnit）

微控制单元,是一种芯片类型的统称，（部分场合又称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）或者单片机）,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。

单片机（Microcontrollers）

一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

相当于一个微型的计算机，和标准计算机相比，单片机只缺少了I/O设备（输入输出设备：

例如键盘、鼠标、屏幕）。

MPU（MicroProcessorUnit）微处理器

微机中的中央处理器（CPU）称为微处理器（MPU），是构成微机的核心部件，也可以说是微机的心脏。

它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。

一般而言，MPU的处理性能要高于MCU,单片机大多数属于MCU,嵌入式智能芯片大多数属于MPU.

☆嵌入式系统的开发流程

嵌入式系统开发流程：

1.裸机开发：

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 

2. 带操作系统的开发：

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， 

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

硬件开发—>启动加载程序—>操作系统内核—>根文件系统—>设备驱动—>应用程序

☆Linux系统的嵌入式开发步骤

通常基于linux系统的嵌入式开发步骤：

1.开发目标硬件系统：

如选择微处理器（MPU）、Flash及其它外设等 

2.建立交叉开发环境：

安装交叉编译工具链、安装开发调试工具 

3.开发Bootloader：

移植uboot，vivi 

4.移植linux内核：

如linux3.18.31内核 

5.开发根文件系统：

CRAMFS，YAFFS 

6.开发相关硬件的驱动程序：

led,adc等驱动 

7.开发上层的应用程序：

如QTGUI开发

嵌入式设备实例

1.自动柜员机（ATM）

2.航空电子，例如惯性导航系统、飞行控制硬件和软件以及其他飞机和导弹中的集成系统

3.移动电话和电信交换机

4.计算机网络设备，包括路由器、时间服务器和防火墙

5.办公设备，包括打印机、复印机、传真机、多功能打印机（MFPs）

6.磁盘驱动器（软盘驱动器和硬盘驱动器）

7.汽车发动机控制器和防锁死刹车系统

8.家庭自动化产品，如恒温器、冷气机、洒水装置和安全监视系统

9.手持计算器

10.家用电器，包括微波炉、洗衣机、电视机、DVD播放器和录制器

11.医疗设备，如X光机、核磁共振成像仪

12.测试设备，如数字存储示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪

13.多功能手表

14.多媒体电器：

因特网无线接收机、电视机顶盒、数字卫星接收器

15.个人数码助理（PDA），也就是带有个人信息管理和其他应用程序的小型手持计算机

16.带有其他能力移动电话，如带有蜂窝电话、个人数码助理（PDA）和Java的移动数字助理（MIDP）

17.用于工业自动化和监测的可编程逻辑控制器（PLCs）

18.固定游戏机和便携式游戏机

19.可穿戴设备

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）