1嵌入式系统简介
第1章嵌入式系统概述
2、SiM3U1xx（80MHZ USB）系列（M3）
1.4 STM32系列微控制器简介 STM32为意法半导体(ST)公司生产的ARM处理器。
Flash Size (bytes)
512K
256 K
STM32 prod Q2/08 Samples Dec 07 Prod Q2/08
未来 发展方向
64 K 32 K
STM32 Samples NOW Prod Oct 07
72 MHz CORTEX- M3 CPU Wide offer
• 32KB-512KB Flash • 6Kb-64KB RAM
0K 48 pins 64 pins 100 pins
144 pins
LQFP
LQFP
LQFP
LQFP
(7x7) (10x10) (14x14)/BGA (20x20)/BG
machinery or plants”.
1.嵌入式系统简介
目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种 比较合理定义：
●从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧 密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一 个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
ADC
16 channels /
Tem1pMSsepns sor
Power Supply Reg 1.8V
POR/PDR/PV XTDAL
oscillators 3I2nKt.HRzC+ o4s~c1il6lMatoHrzs 32KHz +
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？答:嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
特点：（1）通常是面向特定应用，低功耗、体积小、集成度高；（2）是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统；（3）软硬件必须高效率地设计，根据应用需求量体裁衣，去除冗余；（4）与具体应用有机结合，具有较长的生命周期；（5）为提高执行速度和系统可靠性，软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中；（6）本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
2. 嵌入式系统的BooTLoader的功能是什么？答： 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，即引导加载程序。
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。
3. 什么是嵌入式操作系统？为何要使用嵌入式操作系统？答：嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。
4. 目前嵌入式操作系统有哪些？答：（1）Windows CE（2）VxWorks（3）pSOS（4）QNX（5）Palm OS（6）嵌入式Linux 5. 构造嵌入式开发环境有哪几种形式？答：（1）交叉开发环境（2）软件模拟环境（3)评估电路板6. 嵌入式系统开发的基本流程?答：（1）系统定义与需求分析（2）规格说明（3）系统结构设计（4）构件设计（5）系统集成7. 什么是可编程片上系统？答：用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,称作可编程片上系统PSOC.它是一种特殊的嵌入式系统，首先它是SOC，即由单个芯片实现整个系统的主要逻辑功能，具有一般SOC基本属性；其次，它又具备软硬件在系统可编程的功能，是可编程系统，具有可裁剪、可扩充、可升级等灵活的设计方式。
8. 有时要使用Thumb技术的原因?答：16位Thumb指令集是32位ARM指令集的子集，用16位代码密度的指令获得32位处理器的性能既节省存储空间及成本，又不降低处理性能，低功耗，小体积，低成本。
第1章 嵌入式系统基础(新)1
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嵌入式系统及其应用
2、嵌入式操作系统
• 嵌入式操作系统具有通用操作系统的 一般功能，如向上提供对用户的接口 （如图形界面、库函数API等），向下 提供与硬件设备交互的接口（如硬件 驱动程序等），管理复杂的系统资源， 同时，它还在系统实时性、硬件依赖 性、软件固化性以及应用专用性等方 面，具有更加鲜明的特点。
嵌入式系统及其应用
无线便携式考场信息管理终端 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
基于ECX平台的变电站值班机器人 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
嵌入式系统的存在形式
嵌入式系统的存在形式通常有两种： 一种，是作为一个大系统中功能和结构相 对独立但又和其它部分密不可分的形式而 存在。
靠性高、体积小、成本低、功耗小的专用 计算机系统。
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嵌入式系统及其应用
随着信息技术的发展，嵌入式系统在很多 的产业得到了非常广泛的应用并有力的推动 了这些产业的发展。例如在各种消费电子产 品、车载电子产品、办公自动化产品、智能 家电产品、工业自动化产品以及国防、航天 等众多领域中都可以找到嵌入式系统的应用 实例。
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嵌入式系统及其应用
2、基于单片机的 锅炉控制系统的解决方案
• 现在有一些生产企业使用基于单片机的锅 炉控制系统，这种系统由8位MCU、控制执 行机构、LED数码管、发光二极管、按键 等组成，完成以下功能：实时准确检测锅 炉的运行参数；综合分析及时发出控制指 令；诊断故障与报警管理;历史记录运行参 数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳 定运行。
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嵌入式系统及其应用
• 图1.7 服务器软件结构
第一章 嵌入式系统概述1
土星探测
自1997年10月15日发射以来， 经历了7年35亿公里航程的卡西 尼号太空船在2004年7月1日10 时30分进入土星轨道，开始进 行人类有史以来对土星及其31 颗已知卫星最详尽的探测。
嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用。
无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超 过100:1的阶段 无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系 统 在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非 通用计算机
形式多样、面向特定应用
一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须 高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通 用计算机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等 特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完 成的任务集成在芯片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件 的一体化程序。
即使远在火星和土星
火星与地球， 这一对在星空 中遥遥相望的 “兄弟”，将 迎来6万年来 “最亲密的接 触”，在2003 年8月27日这 一天，火星距 离地球最近达 到55756622(5 千多万)公里。 勇气号 面对6万年才有一次 的机会，科学家们 积极行动起来—— —从6月开始，先后 有欧洲的“火星快 车”、美国“勇气 号”和“机遇号” 等三颗火星探测器 飞往火星，而日本 一颗本已在太空 “迷失方向”的火 星探测器也在关键 时刻及时“醒”来， 开始了久违的火星 之旅。
处理器和处理器体系结构类型多
通用计算机采用少数的处理器类型和体 系结构，而且主要掌握在少数大公司手 里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和 处理器体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、 面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、 芯片的制造已形成巨大的产业。大家分 工协作，形成多赢模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌 入式微处理器体系结构可以选择。
嵌入式系统简介
§1.1.2 嵌入式系统的应用
4.通信
电话交换机、卫星和全 球定位系统（GPS）、 移动电话等。
5.办公设备
电话系统、传真系统、 复印机、照相机和摄像 机、商用电脑、掌上电 脑等。
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§1.1.2 嵌入式系统的应用
6.银行和金融
自动柜员机、信用卡 系统、验钞机、点钞 机、安全系统等。
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由上面的定义，可以看出嵌入式系统的一些特征：
1.嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机 系统。
电子计算机是为解决海量数值计算而发明和 发展起来的。 而微型机一旦进入对象体系中后，便失去了 通用计算机的形态和功能，变成了形形色色的 自动化系统。 从而导致了现代计算机技术的两大分支：通 用计算机系统与嵌入式计算机系统。
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§1.1.1 嵌入式系统的概念与特点
一、嵌入式系统（Embedded System）定 义：
嵌入式系统是指用于实时控制、监视、管理 或辅助其他设备运行的设备，可以是专用或多 用途（但一般具有可编程的特性）的设备，“ 嵌入”意味着这些系统本身与所控制和管理的 系统融为一体的，是其中的一个有机组成部分 ，是各种控制系统的基本构造单元。
7.医疗诊断监视系统
心脏起搏器、理疗控 制系统、热疗机、X光 设备、电磁成像系统 等。
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§1.1.2 嵌入式系统的应用
8.家庭中的应用
*每个家庭使用的嵌入式处 理器约30～40个;
*一台PC机中就可能使用 了10来个嵌入式处理器;
*其他家电中，电冰箱、微 波炉、洗衣机、录像机、电 子钟、洗碗机、DVD播放机 、电视机、音响设备、通用 遥控器、电子玩具、电子宠 物等.
嵌入式(自动化)实习报告
实习报告学院专业班级学生姓名指导教师2011-2012 学年第二学期一、嵌入式系统简介根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念却很早就已经存在了，从上个世纪70年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近30年的历史。
纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段和面向Internet阶段。
嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。
现在，市场上非常流行的EOS产品，包括开源的u C / O S 、3Com公司下属子公司的Palm OS，Microsoft公司的Windows CE、开放源代码的Linux。
u C / O S 是一种公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，商业应用需要付费。
用户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。
μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB 。
μC/OS-II 已经移植到了几乎所有知名的CPU 上。
嵌入式系统设计与开发教材
集成加密、解密、身份验证等功能的硬件模块，提供安全存储和 运算环境。
电磁屏蔽与干扰防护
采用电磁屏蔽材料和干扰抑全防护策略
安全启动机制
确保系统启动过程中软件的完整性和真实性，防止恶意代 码注入。
访问控制策略
对系统资源进行访问控制，防止未经授权的访问和操作。
应用程序调试方法
介绍应用程序调试的常用方法， 如断点调试、单步执行、变量监 视等，并分析它们的优缺点和适 用场景。
软件调试和测试方法
软件调试方法
详细阐述软件调试的方法， 包括静态调试和动态调试， 以及常见的调试工具和技巧
。
软件测试方法
介绍软件测试的基本概念、 分类和方法，包括单元测试 、集成测试和系统测试等， 并分析它们在嵌入式软件开
汽车电子领域
如车载导航、自动驾驶辅助系 统、智能座舱等，嵌入式系统 的应用不断推动汽车智能化发 展。
航空航天领域
如飞机导航系统、卫星控制系 统等，嵌入式系统的高可靠性
和高性能得到了广泛应用。
02 嵌入式系统硬件设计
处理器选型及原理
常用嵌入式处理器类型
包括微控制器、数字信号处理器、嵌入式微 处理器等。
远程升级和固件更新机制
远程升级协议
制定安全的远程升级协议，确保固件更新过程的可靠性和完整性 。
固件验证机制
对更新的固件进行验证，确保其来源可靠且未被篡改。
断点续传和回滚机制
支持断点续传和回滚功能，确保固件更新过程的稳定性和容错性。
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特点
嵌入式系统通常具有功耗低、体 积小、实时性强、可靠性高等特 点，且软硬件可裁剪，以适应不 同应用需求。
嵌入式系统的例子(一)
嵌入式系统的例子(一)嵌入式系统什么是嵌入式系统嵌入式系统（Embedded System）是集成了计算机硬件和软件，专门用来控制特定功能的计算机系统。
它通常被嵌入到一些特定的物理设备或系统中，不像常见的通用计算机系统那样具备多样化的功能。
嵌入式系统在现代科技中起着重要的作用，应用广泛，包括但不限于：- 汽车 - 手机 - 家电 - 医疗设备 - 无人机 - 工业控制设备等。
嵌入式系统的重要性嵌入式系统之所以如此重要，主要有以下几个原因：1. 特定功能由于嵌入式系统被设计用来控制特定功能，它们可以通过集成硬件和软件满足特定需求。
例如，汽车中的嵌入式系统可以控制车辆的引擎、导航系统和娱乐系统等。
这种特定功能使得嵌入式系统能够在各种复杂的设备中发挥作用。
2. 节省成本和空间相比于传统的计算机系统，嵌入式系统通常更简化、更紧凑。
它们通常集成在设备中的电路板上，不需要额外的外部连接。
这样可以节省空间，并减少设备的成本。
此外，嵌入式系统大多数时候不需要高速处理器和大容量存储器，这也降低了成本。
3. 实时性要求很多嵌入式系统需要实时响应，以满足特定应用的需求。
例如，在工业自动化中，嵌入式系统需要及时地接收和处理传感器数据，从而控制设备的运行。
这种实时性要求使得嵌入式系统能够在高压力、高并发的环境下稳定运行。
嵌入式系统的例子嵌入式系统有非常多的应用场景，下面列举几个常见的例子：1. 智能手机智能手机是目前最常见的嵌入式系统之一。
它们集成了处理器、操作系统、存储器、传感器和通信模块等组件，可以实现通话、上网、拍照和娱乐等功能。
智能手机的嵌入式系统需要满足性能稳定、省电和安全性等要求。
2. 家电现代家电产品如电视、空调、冰箱等，都配备了嵌入式系统。
这些嵌入式系统可以通过用户界面和传感器来实现智能控制和自动化。
例如，智能冰箱中的嵌入式系统可以监测食物的存储情况并提醒用户补货。
3. 无人机无人机也是一种广泛应用嵌入式系统的设备。
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何谓嵌入式系统
SOC
SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用 SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性， 减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地 提高系统的性能价格比。
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。
何谓嵌入式系统
DSP
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、频谱分析等各种仪器上DSP 获得了大规模的应用。
to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or
plants）。
何谓嵌入式系统
简单地讲
就是嵌入到对象体中的专用计算机系统
三要素：嵌入、专用、计算机
嵌入式系统的特点:由三要素引出
·嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求
何谓嵌入式系统MCU处理能来自非常有限MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16 位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一 些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。
何谓嵌入式系统
MPU
嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)
MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变而来的，80386－80387
可编程片上系统（SPOC）
何谓嵌入式系统
MCU
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、 EEPROM等各种必要功能和外设。
·专用性：软、硬件按对象要求裁减
·计算机：实现对象的智能化功能
何谓嵌入式系统
广义地说
一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的 计算机软硬件集合体。
即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统 。
嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SOC）
成本 ▪ 提供精巧的多媒体人机界面
实时系统的体系结构设计
▪ 实时系统的体系结构必须满足
• 1.高运算速度 • 2.高速的中断处理 • 3.高的I/O吞吐率 • 4.合理的处理器和I/O设备的拓扑连接 • 5.高速可靠的和有时间约束的通信 • 6.体系结构支持的出错处理 • 7.体系结构支持的调度 • 8.体系结构支持的操作系统 • 9.体系结构支持的实时语言特性。 • 10.系统的稳定性和容错也非常重要 • 11.还要考虑到实时的分布式应用。
实时操作系统应具有如下的功能
▪ 任务管理（多任务和基于优先级的任务调度） ▪ 任务间同步和通信（信号量和共享内存等） ▪ 存储器优化管理（含ROM的管理） ▪ 实时时钟服务 ▪ 中断管理服务
嵌入式系统发展趋势
▪ 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具 和操作系统的支持。
▪ 联网成为必然趋势 ▪ 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低
嵌入式系统简介
严丽军 E-mail： flying@
Agenda
▪ 嵌入式系统概述 ▪ 嵌入式系统硬件基础 ▪ 嵌入式系统软件基础 ▪ 嵌入式系统开发过程
何谓嵌入式系统
什么是嵌入式系统
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
SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家 电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能 的核心器件。
何谓嵌入式系统
SPOC
用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上， 称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种 特殊的嵌入式系统：
首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成 整个系统的主要逻辑功能；
其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式， 可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统 可编程的功能。
嵌入式系统和实时系统
▪ 嵌入式系统经常被误解为就是实时性系统。 其实，多数嵌入式系统并不需要实时性
▪ Linux是嵌入式操作系统，并非实时操作系统。 ▪ Vxwork、pSOS等是嵌入式实时操作系统
嵌入式系统的分类
按表现形式分（硬件范畴） ：
▲芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） ▲模块级嵌入（系统中的某个核心模块） ▲系统级嵌入
按实时性要求分（软件范畴） ：
▲非实时系统（PDA） ▲软实时系统（消费类产品） ▲硬实时系统（工业和军工系统）
何谓嵌入式系统
嵌入式处理器的分类和现状
微控制器（MCU） 数字信号处理器（DSP） 片上系统（SOC）
实时操作系统中的重要概念
▪ 系统响应时间(System response time ) 系统发出处理要求到系统给出应答信号的时
间。 ▪ 任务切换时间(Context-switching time)
是任务之间切换而使用的时间。 ▪ 中断延迟(Interrupt latency )
是计算机接收到中断信号到操作系统作出响 应，并转入中断服务程序的时间。
实时多任务操作系统与分时多任 务操作系统
▪ 分时操作系统，软件的执行在时间上的要求， 并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾 难性的后果。
▪ 实时操作系统，虽然事件可能在无法预知的 时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能 够在严格的时限内作出响应（系统响应时 间），即使是在尖峰负荷下，也应如此，系 统时间响应的超时就意味着致命的失败。另 外，实时操作系统的重要特点是具有系统的 可确定性，即系统能对运行情况的最好和最 坏等的情况能做出精确的估计。
嵌入式系统与普通系统
▪ 在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖 于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的 时间
▪ 对于实时系统来说最重要的要求就是实时 操作系统必须有满足在一个事先定义好的 时间限制中对外部或内部的事件进行响应 和处理的能力
▪ 此外作为实时操作系统还需要有效的中断 处理能力来处理异步事件和高效的I/O能力 来处理有严格时间限制的数据收发应用