第一章 嵌入式系统概述

第一章 嵌入式系统概述

1 什么是嵌入式系统？

1.1 嵌入式系统定义

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制、监视、管理等功能！

1.2 嵌入式系统应用领域的特点

1、通常没有外接电源供电，需用电池供电，对功耗要求高；

2、相对于通用计算机，应用环境恶劣，对可靠性要求高；

3、对体积、成本要求高；

4、”量体裁衣“

2 嵌入式系统发展历史

• 出现：20世纪60年代，以 晶体管、磁芯存储 为基础的计算机开始用于航空等军用领域；

• 兴起：在1965-1970年，计算机已经开始采用集成电路（第三代计算机）；

• 走向繁荣：微处理器问世以后（不单用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统）、单板机、系统总线的诞生；

• 走向繁荣：单片机（把嵌入式系统所需的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM集成的面向IO设计的微控制器）、DSP的出现（用于高速实时信号处理的数字信号处理器）；

• 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善；

• 80年代初，嵌入式实时操作系统和各种开发工具的出现推动了嵌入式系统的发展；

3 嵌入式系统常用处理器

嵌入式系统结构

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成。

嵌入式微处理器

嵌入式处理器：

• 嵌入式微控制器：MCU
• 嵌入式DSP处理器：DSP
• 嵌入式微处理器：MPU
• 嵌入式片上系统：System On Chip（SOC）

外围硬件设备：

1. 片外总线：连接系统各个部件，进行互联和传输信息的信号线
   • ESIA总线、SCSI总线、PCI总线
   • AMBA总线：ARM研发的总线规范
   • 专用总线：CompactPCI总线用于工业控制，CAN（汽车电子总线），1553B（航空工业总线）
2. 电子盘：采用flash芯片存储数据，体积小、功耗低、抗震
   • DOC：Disk on Chip
   • DOM：IDE电子盘
   • CF：Compact Flash
   • SM：Smart Media
   • MS：Memory Stick
3. I/O设备
   • A/D、D/A
   • 中断控制器
   • UART
   • LCD
4. 通讯设备
   • 有线通讯：IEEE1394、USB
   • 无线通讯：IrDA、Bluetooth、802.11b/g

单片机

• 单片机也称微控制器（MicroController Unit），常用缩写MCU标识单片机，最早被用在工业控制领域；
• 单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中， 使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。

ARM

• ARM的全称是Advanced RISC Machines，采用了 RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集)指令结构
• ARM处理器内核虽然由英国ARM公司设计，但该公司并不生产芯片，仅为全球众多集成电路厂商提供设计方案(亦称为知识产权核IP CORE)和开发工具。 因此用户购置的具体芯片往往是某集成电路厂商将外围功能电路与ARM内核集成之后的产品

DSP

• DSP(digital signal processor) 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
• DSP微处理器一般具有以下优点：
  • 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
  • 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
  • 片内具有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问；
  • 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
  • 快速的中断处理和硬件I/O支持；
  • 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
  • 可以并行执行多个操作；
  • 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重复执行

FPGA

• FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程们阵列，是一种可编程、可配置的数字集成电路
• “现场”意味着FPGA这个芯片的功能可能是在实验室中进行配置的，也可以是对一个应用于实际设备，已具备某种功能的FPGA的进一步设计和改造
• FPGA实现可编程的技术：
  • 1、熔丝连接技术
  • 2、乘积项技术
  • 3、LUT查找表

3 嵌入式操作系统概述

嵌入式软件系统体系结构

基于多任务操作系统的嵌入式软件的运行流程

嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统上的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要由：

• 可固化
• 可配置，可裁剪
• 独立的板极支持包、可修改
• 不同的CPU有不同的版本
• 应用的开发需要有集成的交叉开发工具

嵌入式实时操作系统（RTOS）

典型的嵌入式实时操作系统：

• 近200种操作系统，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS
• 面向SOC的操作系统:Symbian的Epoc、Express Logic的 ThreadX、ATI的Nucleus
• 开放源码的操作系统:Linux系列、uC/OS

典型的性能指标：

• 内核大小：几K~几百K
• 调度时间片：1ms
• 实时任务响应时间：20-40us
• 一般任务响应时间：20us-几百毫秒