嵌入式系统概述(浙江大学)
嵌入式系统概论
嵌入式系统概论嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到其他设备中，以完成特定的功能或任务。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，如家电、汽车、医疗设备、通信设备等。
本文将介绍嵌入式系统的基本概念、特点、应用领域以及发展趋势。
一、嵌入式系统的基本概念嵌入式系统是由硬件和软件组成的一种特殊计算机系统。
与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下几个特点：1. 特定功能：嵌入式系统被设计用于执行特定的功能或任务，例如控制家电设备、驾驶汽车、监测环境等。
2. 实时性：嵌入式系统通常需要实时响应外部事件，确保系统能够及时做出反应。
3. 资源受限：由于嵌入式系统通常运行在资源受限的环境中，如处理能力、存储容量、能耗等都有限制。
4. 可靠性：嵌入式系统对系统的可靠性要求很高，一旦出现故障可能会对用户的生命财产安全造成影响。
二、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，以下列举几个典型的应用领域：1. 汽车领域：现代汽车中的嵌入式系统包括发动机控制单元(ECU)、车载娱乐系统、安全系统等，它们协同工作以提供稳定、安全的驾驶体验。
2. 家电领域：智能家居中的嵌入式系统能够实现家电设备的远程控制、能耗监测以及与其他设备的联动等功能。
3. 医疗设备领域：医疗设备中的嵌入式系统用于监测病人的生命体征、控制手术设备等，对病人的诊断和治疗起到重要作用。
4. 工业控制领域：嵌入式系统在工业自动化领域中广泛应用，用于控制生产线、监测设备状态、优化生产过程等。
三、嵌入式系统的发展趋势随着科技的不断进步，嵌入式系统也在不断发展。
以下是几个嵌入式系统的发展趋势：1. 物联网：随着物联网的兴起，越来越多的设备将与互联网连接，嵌入式系统将扮演连接设备与互联网的桥梁，实现设备之间的通信与协同工作。
2. 人工智能：人工智能技术的发展将为嵌入式系统带来更多的智能化能力，使其能够识别、理解和响应更复杂的指令或环境变化。
3. 虚拟化技术：虚拟化技术可以将多个嵌入式系统虚拟化为一个物理平台，提高系统的资源利用率和灵活性。
浙江大学本科课程简介和教学大纲
课程简介和教学大纲课程代码：15120660 课程名称：嵌入式系统设计学分： 5.0 周学时：4.0-2.0面向对象：大学本科生预修课程要求：微机原理、C程序设计一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介《嵌入式系统设计》是工科学生学习掌握嵌入式系统的结构原理、ARM处理器核的设计原理和方法、理解操作系统的基本原理、学习掌握嵌入式应用软件开发的主要流程和相关技术的一门课程，重点在于理解ARM体系结构及其组成嵌入式系统的结构原理基础上，培养学生具备初步的嵌入式系统软硬件设计开发能力。
课程内容主要包括ARM处理器核的设计原理，ARM体系结构，ARM编程模型及指令集，ARM调试结构与存储器层次，操作系统的I/O接口技术、操作系统进程与线程的概念和管理、并发、进程间通信，操作系统的内存管理策略，调度算法和实时调度算法等内容，并以树莓派实验板为基础进行相应的实验设计，掌握嵌入式系统设计开发能力。
（二）英文简介《Embedded System Design》is one of the basic courses for engineering students to master the structural principle of embedded system, principle and method of ARM core design, basic principle of operating system, the main process of embedded application software development and related technologies. The priority of this course is making students have an initial capacity of embedded system hardware and software design and development based on understanding the ARM architecture and composition of the embedded system. Course content includes core design of ARM processor, ARM architecture, ARM programming model and instruction set, ARM debug architecture and memory hierarchy, IO technologies of operating system, concept and management of operating system processes and threads, concurrent, inter-process communication, memory management, scheduling algorithm and real-time scheduling algorithm etc. Experimental design on Raspberry Pi2 development board may also be made to know the embedded system design and development process well.二、教学目标（一）学习目标本课程通过嵌入式系统的开发平台，使学生熟悉嵌入式应用开发流程，更方便地学习和理解嵌入式系统的基础知识，使学生具备基本的嵌入式系统的软硬件设计能力。
浙江大学嵌入式嵌入式系统7
(1)总体规划 市场预测－〉技术准备－〉资金准备－〉资料收集－〉
资料研究－〉项目需求报告编制－〉项目需求报告讨论 准备－〉项目需求报告讨论－〉项目需求报告修改－〉 项目需求报告验收 －〉参与者及职责－〉输出成果及后 序工作－〉技术可行性实验－〉项目计划书。 (2)项目立项 立项申请－〉项目立项评估－〉项目进度计划－〉项目 立项审批。 (3)需求分析 资料收集－〉需求分析编制－〉讨论准备－〉需求分析 讨论－〉需求分析修改－〉需求分析验收。
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三、 开发环境
嵌入式系统，是指嵌入于 宿主设备，智能地完成宿
嵌入 式 软件
嵌入式应用软件
嵌 入 式
主设备功能的计算/控制系
嵌入式操作系统
开 发
统。
工
嵌入 式
嵌入式硬件模块
具
嵌入式系统开发环境，是
硬件
嵌入式处理器
以开发嵌入式系统为目的
的工程开发环境。包括办
公环境支持、软件支持、
硬件设备支持。
软件支持，指集成开发环 境与软件模拟器等。
硬件支持，指仿真器、目 标板、示波器、烧录器等 。
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3.1集成开发系统
集成开发系统提供高效明晰的图形化的嵌入式应用软 件开发平台，包括一整套完备的面向嵌入式系统的开 发和调试工具 。（BDM/JTAG仿真器）等
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31.1编译器
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UML的应用
I-Logix公司的Rhapsody系列产品 基于统一建模语言UML的可视化编程环境 把UML各类视图映射为具体目标机程序语
言 用于复杂实时嵌入式应用软件从分析、设
计一直到代码实现和软件测试的开发环境 NASA的火星探路者航天器就是运用
Rhapsody在VxWorks上开发应用程序。
嵌入式系统概述
嵌入式系统概述随着科技的不断进步和发展，嵌入式系统越来越不可或缺，已经广泛应用于生产制造、智能家居、医疗健康、车联网、工业自动化、农业智能、安防监控等众多领域。
那么，什么是嵌入式系统呢？嵌入式系统一般指嵌入到机器或电子设备中的微型计算机系统，通常由处理器、存储器、输入输出设备、各种外设接口和运行嵌入式操作系统组成，具有较强的实时性、稳定性、可靠性、易集成等特点。
嵌入式系统的应用嵌入式系统由于其硬件配置的固定性和软件的高度个性化，被广泛应用于各种场合，如智能手机、平板电脑、安防监控、车联网、医疗设备等，其应用范围越来越广泛，应用场景越来越多元化。
例如，在智能家居领域，嵌入式系统可以实现智能家电的智能控制、智能安防、智能家居影音、智能家居照明等功能。
在车联网领域，嵌入式系统可以实现车辆定位、车载娱乐、车辆诊断、智能驾驶等功能。
在医疗健康领域，嵌入式系统可以实现医疗器械的监测、病人的远程监控和诊断等方面。
嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由处理器、存储器、输入输出设备和各种外设接口组成。
其中，处理器是系统的核心部分，它负责对数据的处理和计算。
存储器用于存储程序和数据，包括程序存储器和数据存储器。
输入输出设备则是连接系统与外界的接口，包括显示器、键盘、鼠标、摄像头、麦克风等。
外设接口则是系统与各种外设进行通讯的接口，包括串口、并口、USB、网口等。
嵌入式系统的开发嵌入式系统的开发包括硬件开发和软件开发两个方面。
硬件开发主要包括电路原理设计、PCB设计、射频设计等，软件开发则分为低层驱动程序开发和应用程序开发两个部分。
低层驱动程序主要包括系统启动代码、操作系统内核、设备驱动程序等。
应用程序则是根据需求编写的具体程序，它能实现系统的各种功能，如数据采集、数据处理、通讯控制、用户界面等。
嵌入式系统的发展趋势随着科技的不断发展，嵌入式系统的应用范围越来越广泛，发展趋势也越来越明显。
其主要体现在以下几个方面：1. 泛在化：嵌入式系统将越来越普及和多样化，从智能手机、平板电脑、智能电视、智能家电等到车联网、智能交通、医疗健康、智能城市等领域。
嵌入式考点整理-王勇浙大第二版
嵌入式考点整理-王勇浙大第二版1.嵌入式系统的定义:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。
P1嵌入式系统基本特征：P21）具有特定的功能，用于特定的任务2）极其关注成本3)有功耗要求4）有实时性要求5)运行环境广泛6）软件通常要求固态化存储7）软硬件可靠性要求更高8)具有较长的生命周期；2.嵌入式系统可以分为哪几类，比如依据使用的微处理器划分P5嵌入式微控制器（MCU=MicroConctroller Unit单片机）低端的微控制器嵌入式微处理器（MPU=MicroProcessor Unit）中高端的嵌入式微处理器嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor）通信领域的DSP 系统嵌入式片上系统（SOC=System on Chip）高度集成的片上系统3.嵌入式操作系统的特点：P12P1651.可剪裁性2.可移植性3.可靠性4.功耗管理5.实时性操作系统：连接计算机硬件与应用程序的系统程序组成：与硬件相关的底层驱动软件，系统内核，设备驱动接口，通信协议，图形界面等4.嵌入式系统开发与设计的主要步骤:P14需求分析，详细说明，结构设计，组件设计，系统集成5.操作系统的基本功能P12进程管理，进程间通信与同步，内存管理，I/O资源管理6.实时操作系统的概念实时系统（RTOS）是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。
其首要任务是调动一切可利用的资源来完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定时间内做出正确的响应。
【特征：实时性：实时系统所产生的结果在时间上有严格的要求，只有符合时间要求的结果才是正确的。
并行性：要求系统有并行处理能力，以便能同时相应来自不同端口的输入信号。
多路性：对多个不同的现场进行采集，以及对多个对象和多个执行实行控制。
嵌入式系统概述浙江大学71页PPT
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
嵌入式系统概述浙江大学
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
第章嵌入式系统概述
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未来嵌入式系统的发展趋势
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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）
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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。
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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。
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现实中的嵌入式系统
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《嵌入式系统概述 》课件
实时操作系统
总结词
实时操作系统是嵌入式系统中用于实现实时处理的关键技术 。
详细描述
实时操作系统能够提供多任务管理和调度功能，确保关键任 务能够在规定的时间内完成。它具有高度的可靠性和确定性 ，能够处理突发事件和异常情况，保证系统的稳定性和实时 性。
精简指令集计算机
总结词
精简指令集计算机是一种针对嵌入式系统设计的计算机架构，它能够提高系统的性能和 能效。
可靠性设计涉及硬件和软件两个方面。硬件方面，选用高 质量的元器件、进行严格的测试和筛选是关键。软件方面 ，通过容错技术、恢复机制和错误检测与纠正等技术，提 高系统的可靠性和稳定性。此外，在系统设计中还需要考 虑环境适应性、安全性和电磁兼容性等方面，以确保嵌入 式系统在各种复杂环境中的稳定运行。
PART 04
《嵌入式系统概述》 ppt课件
REPORTING
• 嵌入式系统简介 • 嵌入式系统的组成 • 嵌入式系统的关键技术 • 嵌入式系统的发展趋势 • 嵌入式系统的未来展望
目录
PART 01
嵌入式系统简介
REPORTING
定义与特点
总结词
嵌入式系统的定义、特点
详细描述
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它被嵌入到其他设备中，作为这些设备的控制核心。它具有特定的功能和 性能要求，通常需要满足高可靠性、低功耗、小体积等要求。嵌入式系统的主要特点是软硬件紧密结合，软件需 要根据硬件平台进行定制。
低功耗设计
总结词
低功耗设计是嵌入式系统中的重要技术之一，它能够延长设备的运行时间并降低 能源消耗。
详细描述
嵌入式系统的低功耗设计主要涉及硬件和软件两个方面。硬件方面，低功耗的处 理器和外围设备是关键，它们能够降低整个系统的能耗。软件方面，通过优化算 法和调度策略，减少不必要的计算和等待时间，降低系统能耗。
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嵌入式系统与桌面通用系统的区别(3/7)
嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统 嵌入式实时操作系统数量众多，如：
VxWorks Windows CE pSOS QNX uc／OS
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 格要求的专用计算机系统。
计算机应用领域的划分
小型专用型
桌面通用型
高端服务型
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(1/7)
嵌入式系统中运行的任务是专用而确定的
心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务 如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护
早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％
嵌入式系统开发工具越来越丰富 嵌入式系统产业链形成
前车门控 制系统 发动器控 制系统
座椅控制 系统
后车门控 制系统
尾灯控制 系统
所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统
马达 控制器 车灯
两大分支
嵌入式软件市场规模
• 全球规模600亿美元，过去三年中，年均增长速度超过 12.5%。
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7)
嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术
系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 编译原理：交叉编译、bootloader加载
提纲
嵌入式系统的发展历程
嵌入式系统出现于20世纪60年代，40多年来随着计算机技 术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发 展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。
国产嵌入式实时操作系统，如：
HOPEN DeltaOS 。。。OS
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7)
嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障 容忍能力弱很多
嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行 嵌入式系统运行的环境恶劣
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7)
嵌入式系统大都有功耗约束
如：珍贵文物微气象环境监测 要求1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，1年更新
一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5天！ 引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量。 WSN（无线传感网）节点一般能工作1-2年
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7)
桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序
对系统中运行的程序不作假设 程序升级、更新等方便
嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7)
嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。
实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。 （POSIX 1003.b ）
嵌入式实时系统可分为：
嵌入式系统发展的三个阶段
嵌入式系统的出现和兴起
（1960－1970）
嵌入式系统走向繁荣，软件、硬件日臻完善（1971－1989）
嵌入式系统应用走向纵深化发展
（1990－至今）
嵌入式系统的出现和兴起
第一代电子管计算机(1946～1957年)，无法满足嵌入式计算所要求 的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。
嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多
为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用 就行！
因此早年的嵌入式系统的主题是“裁剪” 随着集成化模块化趋势，目前某些领域的嵌入式系统，如刀片
式路由器，其可用资源接近甚至超过桌面通用系统
嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法
开发：交叉编译、交叉链接 调试：仿真器、虚拟机 更新：在线升级等
嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善
嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：
1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004。
人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运 算器了，只需以微处理器为基础进行设计。 1976年，第一个单片机Intel 8048出现。 1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快10～50倍。 80年代后期，第三代DSP芯片出现。
嵌入式系统 1 嵌入式系统概述
提纲
提纲
嵌入式系统定义
IEEE定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助 设备、机器和车间运行的装置 （devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）
软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善：
早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统 硬件的提升 软件技术发展
嵌入式系统应用走向纵深化发展
应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电
汽车：50个以上嵌入式微处理器 飞机：70个以上嵌入式系统
嵌入式微处理器32位、64位、128位 嵌入式实时操作系统使用比率越来越高
60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用： 第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员” 号研制的多功能数字分析器(Verdan)。 1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。
1965～1970年，第三代集成电路化计算机系统应用： 第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号 第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号。
• 国内，2009年嵌入式软件规模300亿元以上，过去三年中， 年均增长速度超过20%，预计未来三年高达25%。
全球分工与格局
• 美国——掌握了最先进的软件技术，控制着软件开发平台 和软件工具，在全球软件产业链中居于领先地位。
• 日本、英国、法国、德国——充分利用本国信息化的机遇， 大力发展系统软件、开发工具软件以及行业应用软件，在 某些系统软件领域和软件应用领域具有全球竞争优势。