最新1-2第一章嵌入式系统概述
第1章 嵌入式系统基础知识概要
地址
数据（十六进制） 数据（二进制）
01100111 01000101 （a）小端存储法 0x6000 0x6001 0x23 01100111 0x45 01000101
0x6002
0x67 00100011
0x6003
0x89 00000001
（b）大端存储法 图1.2.2 大端和小端存储法示例
1.2 嵌入式微处理器体系结构
1.2.1 冯· 诺依曼结构与哈佛结构 1．冯· 诺依曼（Von Neumann）结构 目前使用冯．诺依曼结构的CPU和微控制器品种有很 多，例如Intel公司的8086系列及其他CPU，ARM公司 的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等。 2．哈佛（Harvard）结构 目前使用哈佛结构的CPU和微控制器品种有很多，除 DSP处理器外，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog 公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的 ARM9、ARM10和ARM11等。 1.2.2 精简指令集计算机
3．RTOS调度 RTOS中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足 它们的时间约束，及时对外部请求做出响应。实时调 度技术常用的有以下两种。 （1）抢占式调度和非抢占式调度 抢占式调度通常是优先级驱动的调度。 （2）静态表驱动策略和优先级驱动策略 静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行 前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索 策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只 需根据这张时刻表启动相应的任务即可。
4．RTOS分类 RTOS主要分为强实时（Hard Real-Time）系统和弱实时（Soft Real-Time）系统两类。强实时系统应用在航空航天、军事、核工 业等领域中，弱实时系统如视频点播系统、信息采集与检索系统 等。 5．实时任务分类 实时任务的分类方法有多种，根据任务的周期划分，可以分为周 期任务、偶发任务和非周期任务3类。根据是否允许任务超时， 以及超时后对系统造成的影响，任务又分为强实时任务、准实时 任务、弱实时任务和弱一强实时任务4类。 6．RTOS操作系统和内核 RTOS从单用途专用系统向多用途通用操作系统（如实时Linux等） 发展。RTOS从只支持强实时及其应用发展到既支持强实时也支持 弱实时及其应用方面，如开放实时系统的服务质量（QoS）多媒 体应用、复杂分布式实时系统等。
第一章嵌入式系统简介
三、开发环境建立
1.硬件连接 硬件连接
网线
交换机
网 线
【宿主机】 宿主机】
串口线 HHARM开发板 开发板 假设IP为：192.168.2.120 假设 为 目标板】 【目标板】
电源管理 电源管理 电
GPIO IIS USB LCD ADC/DAC
Timer/RTC 输 入 输 出 接 口 CAN
DSP/ FPGA/CPLD
处理器
DMA
UART IrDA
接口LCD/
、
、
University of Shanghai for Science and Technology 系统
具有操作系统的嵌入式软件层次 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
接 口 器 件 选 择
操 作 系 统 选 择 择 选 环 境 发 开
N
初步设计
与
初步 设计
Y 初步 设计
元 器 件 图 选 绘 择 制 理
原 印 刷 板 设 计
样 硬 板 测 试 制 与 试 功 试 测 终 能 最 件
系 试 软 件 件 测 编 硬 统 制 程 序 导
引 操 作 植 统 移 系
驱 发 程 序 开 试 测 动 件 软
University of Shanghai for Science and Technology
嵌入式计算机
因此，嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时 代; 早期嵌入式计算机是将一个计算机嵌入到一个 具体应用的控制对象的体系中去，这些是嵌入 式系统发展的起点。 这也标志着计算机进入了通用计算机与嵌入式 计算机两大分支、并行发展时代，从而导致20 世纪末，计算机应用的高速发展并由此引发了 计算机分类方式的变化。
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 +
第一章 嵌入式系统
第一章嵌入式系统目录1.1 嵌入式系统的发展 (2)1.2 嵌入式系统概述 (3)1.2.1 嵌入式系统的定义 (3)1.2.2 嵌入式系统的组成 (4)1.2.3 嵌入式系统的分类 (4)1.2.4 嵌入式操作系统简介 (7)1.2.5 嵌入式系统总结 (7)1.3 嵌入式系统的特征 (8)1.1 嵌入式系统的发展1946年，世界上出现了第一台计算机，从此开创了计算机时代，由此深刻改变了人类的生活。
按照应用来分类，计算机又分为嵌入式和通用式两种。
其中通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面；而嵌入式计算机则以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。
在当前数字技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统的发展已远超出了计算机的范畴，广泛渗透到了科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化娱乐及人们的日常生活等方方面面，已经与人类生产生活紧密结合了。
嵌入式系统至今已有30多年的历史，经历了4个比较明显的阶段：第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。
这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。
这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。
由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。
第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。
这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。
嵌入式系统概述
电源模块 时钟 复位
外围电路
微处理器 MPU
Flash ROM RAM
外设
USB
LCD触摸屏
键盘
其他
1.3.2 硬件抽象层
硬件抽象层通过硬件抽象层接口向操作系 统以及应用程序提供对硬件进行抽象后的服务
它能够通过特定的上层接口与操作系统进行交互 ，向操作系统提供底层硬件信息，并根据操作系统的 要求完成对硬件的直接操作。
1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征
由于引入了一个中间层，屏蔽了底层硬件的多样 性，操作系统不再面对具体的硬件环境，而是面对由 这个中间层次所代表的、逻辑上的硬件环境，因此， 把中间层次叫做硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）。
阶段—“后PC时代”或“无处不在的计算机 ”阶段。
1.1 嵌入式系统定义
❖ 无处不在的计算机
施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为：
“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机 变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中( 象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。 全世界的计算机科学家正在形成一种共识:
引用HAL以后的嵌入式系统。HAL的引入大大推动 了嵌入式实时系统的通用化，从而为嵌入式系统的广 泛应用提供了可能。
1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征
嵌入式系统应用
嵌入式实时操作系统
硬件抽象层 嵌入式系统 硬件平台
应用程序与操 作系统的接口
操作系统与 HAL的接口
HAL与硬件 的接口
1.3.1 嵌入式系统硬件平台
第章嵌入式系统概述
22
未来嵌入式系统的发展趋势
23
嵌入式系统概述
➢ 1.嵌入式系统 ➢ 2. 嵌入式系统组成 ➢ 3.嵌入式处理器 ➢ 4.嵌入式操作系统
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1.2 嵌入式系统的组成
微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统、应用程序以及开发环 境(软件分3层：HW/FM/AP ，HW硬件驱动或接口操作； FM中间层；AP应用层）
10
嵌入式系统应用领域－信息家电
信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领 域。
只有按钮、开关的电器显然已经不能满足 人们的日常需求。
具有用户界面，能远程控制，智能管理的 电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等 的网络化、智能化等。
11
嵌入式系统应用领域－消费类电子
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消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心
●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。
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•嵌入式系统的历史
单片机模式和计算机模式
计算机学科
电子商务
消费电子
信息家电 智能玩具 通信设备 移动存贮
网络 9
工业控制 、工业设备
过去在工业过程控制、数字机床、电力系 统、电网安全、电网设备监测、石油化工 系统等方面，大部分低端型设备主要采用 是８位单片机。
随着技术发展，目前许多设备除了进行实 时控制，还须将设备状态，传感器的信息 等在显示屏上实时显示。 需要性能更高的控制系统。
4
现实中的嵌入式系统
5
第01章、嵌入式系统概述
4
嵌入式系统的例子
手机: 应用最广的嵌入式系统 汽车:电子系统控制 机床：动作监视与控制 洗衣机:旋转控制，水流控制 数码照相机：读写数据卡 打印机：打印强度，颜色，翻页 飞机：参数控制 …
5
1.1.2 嵌入式系统的组成
Vxworks
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Windows CE
WinCE主要应用于PDA，以及智能电话（smart phone）等多媒 体网络产品。微软于2004年推出了代号为“Macallan”的新版 WinCE系列的操作系统。 Windows 的目的，是让不同语言所写的程序可以在不 同的硬件上执行，也就是所谓的.NET Compact Framework，在这 个Framework下的应用程序与硬件互相独立无关。而核心本身是 一个支持多线程以及多CPU的操作系统。在工作调度方面，为了 提高系统的实时性，主要设置了256级的工作优先级以及可嵌入 式中断处理。 如同在PC Desktop环境，Windows CE系列在通信和网络的能 力，以及多媒体方面极具优势。其提供的协议软件非常完整，甚 至还提供了有保密与验证的加密通信，如PCT/SSL。而在多媒体 方面，目前在PC上执行的Windows Media和DirectX都已经应用到 Windows CE 3.0以上的平台，其主要功能就是对图形、影音进行 编码译码，以及对多媒体信号进行处理。 17
12
2．ARM微处理器的特点，采用RISC架构的ARM微处理器具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定 3．ARM微处理器系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的StrongARM Intel的Xscale 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为4个通用处理器系列，每一个系 列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。如ARM7系列适用 于工业控制、网络设备、移动电话等应用；ARM9、ARM9E和ARM10E系列则 更适合无线设备、消费类电子产品的设计。SecurCore系列专门为安全要 13 求较高的应用而设计。
《嵌入式ARM教案》课件
《嵌入式ARM教案》课件第一章：嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统的定义介绍嵌入式系统的概念、特点和应用领域解释嵌入式系统与通用计算机系统的区别1.2 嵌入式系统的历史与发展概述嵌入式系统的发展历程介绍嵌入式系统在不同领域的应用发展情况1.3 嵌入式系统的组成与架构讲解嵌入式系统的常见架构介绍嵌入式系统的主要组成部分及其作用1.4 嵌入式系统的优势与挑战阐述嵌入式系统的优势分析嵌入式系统面临的挑战和发展趋势第二章：ARM处理器简介2.1 ARM处理器的发展历程介绍ARM公司的起源和发展历程讲解ARM处理器的发展阶段和产品系列2.2 ARM处理器的特点与优势阐述ARM处理器的特点分析ARM处理器在嵌入式系统中的应用优势2.3 ARM处理器的架构与工作原理讲解ARM处理器的架构设计介绍ARM处理器的工作原理和指令集2.4 ARM处理器的选型与评估指导如何选择合适的ARM处理器介绍评估ARM处理器性能的方法和指标第三章：嵌入式操作系统基础3.1 嵌入式操作系统的概念与分类解释嵌入式操作系统的定义和分类介绍常见的嵌入式操作系统及其特点3.2 嵌入式操作系统的核心功能与架构讲解嵌入式操作系统的核心功能阐述嵌入式操作系统的常见架构设计3.3 嵌入式操作系统的移植与优化介绍嵌入式操作系统移植的基本步骤讲解嵌入式操作系统的优化方法和技巧3.4 嵌入式操作系统的应用与案例分析分析嵌入式操作系统在实际应用中的案例探讨嵌入式操作系统的发展趋势和挑战第四章：嵌入式系统设计与开发流程4.1 嵌入式系统设计的基本原则介绍嵌入式系统设计的重要原则讲解设计过程中需要考虑的因素4.2 嵌入式系统硬件设计讲解嵌入式系统硬件设计的基本步骤和方法介绍硬件选型和硬件设计中的注意事项4.3 嵌入式系统软件设计阐述嵌入式系统软件设计的基本步骤和方法讲解软件开发工具和编程语言的选择4.4 嵌入式系统开发的流程与实践介绍嵌入式系统开发的典型流程分析实际开发过程中需要注意的问题和实践经验第五章：嵌入式系统编程基础5.1 嵌入式编程语言概述介绍嵌入式编程的常用语言及其特点分析不同编程语言在嵌入式系统中的应用场景5.2 C语言编程基础讲解C语言的基本语法和编程技巧介绍C语言在嵌入式编程中的应用和实践5.3 汇编语言编程基础介绍汇编语言的基本概念和语法讲解汇编语言在嵌入式编程中的应用和实践5.4 嵌入式编程的实践技巧讲解嵌入式编程的常见技巧和注意事项分析实际项目中遇到的问题和解决方法《嵌入式ARM教案》课件第六章：嵌入式系统硬件接口与驱动6.1 嵌入式系统硬件接口概述介绍嵌入式系统中常见的硬件接口类型讲解硬件接口的工作原理和功能6.2 UART接口与驱动编程讲解UART接口的基本概念和功能介绍UART接口的驱动编程方法和实践6.3 I2C接口与驱动编程介绍I2C接口的基本概念和协议讲解I2C接口的驱动编程方法和实践6.4 SPI接口与驱动编程讲解SPI接口的基本概念和协议介绍SPI接口的驱动编程方法和实践第七章：嵌入式系统存储与文件系统7.1 嵌入式系统存储概述介绍嵌入式系统中常见的存储设备和技术讲解存储器接口和存储器控制器的选择7.2 NAND闪存与驱动编程介绍NAND闪存的基本概念和特点讲解NAND闪存的驱动编程方法和实践7.3 NOR闪存与驱动编程讲解NOR闪存的基本概念和特点介绍NOR闪存的驱动编程方法和实践7.4 文件系统的设计与实现讲解嵌入式文件系统的设计原理介绍常见嵌入式文件系统的实现方法和实践第八章：嵌入式系统网络通信8.1 嵌入式系统网络通信基础介绍嵌入式系统网络通信的基本概念和技术讲解网络通信协议和网络架构8.2 TCP/IP协议栈与嵌入式网络应用讲解TCP/IP协议栈的基本原理和组成介绍基于TCP/IP协议栈的嵌入式网络应用实践8.3 Wi-Fi通信模块与驱动编程介绍Wi-Fi通信模块的基本概念和功能讲解Wi-Fi通信模块的驱动编程方法和实践8.4 蓝牙通信模块与驱动编程讲解蓝牙通信模块的基本概念和功能介绍蓝牙通信模块的驱动编程方法和实践第九章：嵌入式系统实时性与调度策略9.1 嵌入式系统实时性概述讲解嵌入式系统实时性的概念和重要性介绍实时系统的分类和实时性要求9.2 嵌入式调度策略与算法讲解嵌入式系统的调度策略和算法分析不同调度策略的优缺点和适用场景9.3 实时操作系统（RTOS）简介介绍实时操作系统的基本概念和特点讲解RTOS在嵌入式系统中的应用和实践9.4 实时调度器的实现与优化讲解实时调度器的实现方法和流程介绍调度器的优化技巧和注意事项第十章：嵌入式系统项目管理与实践10.1 嵌入式系统项目管理概述介绍嵌入式系统项目管理的概念和重要性讲解项目管理工具和方法在嵌入式系统中的应用10.2 项目需求分析与规划讲解项目需求分析和规划的方法介绍需求文档编写和项目进度管理的实践经验10.3 嵌入式系统开发的实践技巧讲解嵌入式系统开发中的实践技巧和注意事项分享实际项目开发中的经验和最佳实践10.4 项目验收与维护介绍项目验收的标准和方法讲解项目维护和升级的策略与实践《嵌入式ARM教案》课件第十一章：嵌入式系统安全与加密技术11.1 嵌入式系统安全概述讲解嵌入式系统安全的重要性介绍常见的嵌入式系统安全威胁和攻击手段11.2 加密技术在嵌入式系统中的应用介绍加密技术的基本原理和算法讲解加密技术在嵌入式系统中的应用场景和实践11.3 安全存储与传输讲解如何在嵌入式系统中实现安全存储和传输介绍常见的加密存储和传输技术及其实现方法11.4 安全认证与授权讲解嵌入式系统中的安全认证和授权机制介绍常见的认证和授权方法及其在嵌入式系统中的应用第十二章：物联网与嵌入式系统的融合12.1 物联网概述介绍物联网的概念、架构和应用领域讲解物联网与嵌入式系统的关联和融合趋势12.2 物联网协议与技术讲解物联网中常用的通信协议和技术介绍物联网协议栈和网络架构12.3 物联网在嵌入式系统中的应用案例分析物联网在嵌入式系统中的应用案例探讨物联网技术在嵌入式系统中的实践经验和挑战12.4 物联网安全与隐私保护讲解物联网安全的重要性和挑战介绍物联网中的安全技术和隐私保护措施第十三章：嵌入式系统在智能家居的应用13.1 智能家居系统概述介绍智能家居系统的概念、架构和应用讲解智能家居系统与嵌入式系统的关联和融合13.2 智能家居设备与控制讲解智能家居设备的选择和控制方法介绍智能家居设备的嵌入式系统设计和开发实践13.3 智能家居平台的构建与优化讲解智能家居平台的构建方法和实践介绍智能家居平台的优化技巧和注意事项13.4 智能家居安全与隐私保护讲解智能家居系统中的安全问题和隐私保护需求介绍智能家居系统中的安全技术和隐私保护措施第十四章：嵌入式系统在工业控制的应用14.1 工业控制系统概述介绍工业控制系统的概念、架构和应用领域讲解嵌入式系统在工业控制中的应用和重要性14.2 工业控制设备与接口讲解工业控制设备的选择和接口技术介绍工业控制设备的嵌入式系统设计和开发实践14.3 工业控制协议与通信讲解工业控制中常用的通信协议和技术介绍工业控制协议的实现和通信实践14.4 工业控制系统的安全性与优化讲解工业控制系统中的安全问题和优化需求介绍工业控制系统中的安全技术和优化措施第十五章：嵌入式系统在自动驾驶的应用15.1 自动驾驶系统概述介绍自动驾驶系统的概念、架构和应用前景讲解嵌入式系统在自动驾驶中的应用和挑战15.2 自动驾驶感知与决策讲解自动驾驶系统中的感知技术和决策算法介绍嵌入式系统在自动驾驶感知和决策中的应用15.3 自动驾驶控制与执行讲解自动驾驶系统中的控制技术和执行策略介绍嵌入式系统在自动驾驶控制和执行中的应用15.4 自动驾驶安全与伦理问题讲解自动驾驶系统中的安全问题和伦理挑战介绍自动驾驶系统中的安全技术和伦理指导原则重点和难点解析1. 嵌入式系统的基本概念、特点和应用领域。