一、嵌入式系统概述
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 +
嵌入式系统概述
• SOC可以分为通用和专用两类。通用系 列包括Siemens的TriCore，Motorola的MCore ， 某 些 ARM 系 列 器 件 ， Echelon 和 Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用 SOC一般专用于某个或某类系统中，不 为一般用户所知。一个有代表性的产品 是Philips的Smart XA。
• 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不 相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，单纯通 过提高处理器速度是无法完成和没有效 率的这种任务调度只能由优化编写的系 统软件来完成，因此系统软件的高实时 性是基本要求。
嵌入式系统软件需要RTOS开 发平台
嵌入式片上系统(SOC)
• 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体 工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复 杂的系统的时代已来临，这就是 SOC。各种通用 处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等 语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其 整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给 半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器 件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块 或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁， 对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
• 新型的微控制器指令及SOC速度不断提高， 存储器空间也相应加大，已经达到甚至 超过了目前的通用计算机中的微处理器， 为嵌入式系统工程师采用过去一直不敢 问津的C++语言创造了条件。C++语言强 大的类、继承等功能更便于实现复杂的 程序功能。
• 但是C++语言为了支持复杂的语法，在代 码生成效率方面不免有所下降。为此， 1995年初在日本成立的Embedded C++技 术委员会经过几年的研究，针对嵌入式 应用制订了减小代码尺寸的EC++标准。
嵌入式系统概述
嵌入式系统概述嵌入式系统是一种专门设计用于控制某个特定任务的计算机系统。
它通常以微处理器为核心，集成了软件和硬件组件，用于实时控制、监测和交互。
由于嵌入式系统直接嵌入在所控制的设备中，因此它们的体积小、功耗低，并且具有高度的可靠性和实时性。
本文将从嵌入式系统的定义、应用领域以及未来发展的趋势等几个方面对嵌入式系统进行概述和介绍。
1. 嵌入式系统的定义嵌入式系统是一种被嵌入在目标设备中的计算机系统，其目的是实现特定任务或控制设备的功能。
与传统计算机系统相比，嵌入式系统往往具有更小的体积、更低的功耗和更高的可靠性。
它们用于各种领域，包括消费电子、医疗设备、汽车、航空航天和工业控制等。
2. 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，以下是几个典型的应用领域：2.1 消费电子嵌入式系统在消费电子产品中发挥着重要作用，如智能手机、平板电脑和智能家居设备等。
这些设备需要处理复杂的任务，如多媒体播放、图形处理和无线通信等。
2.2 医疗设备医疗设备中的嵌入式系统用于监测和控制患者的生命体征，并协助医生进行诊断和治疗。
这些设备对实时性和可靠性的要求非常高，如心电图仪、血压仪和呼吸机等。
2.3 汽车现代汽车中的嵌入式系统功不可没，它们控制着车辆的引擎、安全系统和娱乐系统等。
嵌入式系统在实时监测车辆性能、提升安全性能和提供导航服务等方面发挥着重要作用。
2.4 航空航天航空航天领域依赖于高度可靠的嵌入式系统来驱动和控制飞机、卫星和导弹等。
这些系统必须具有高度的安全性和实时性，以确保飞行器的稳定性和准确性。
2.5 工业控制工业控制中的嵌入式系统用于监控和控制生产过程。
它们可以实现自动化的生产线，并提高效率和质量。
嵌入式系统在工业领域中的应用非常广泛，如机器人、传感器和自动化仪表等。
3. 嵌入式系统的未来发展趋势随着科技的不断发展，嵌入式系统也在不断演进和改进。
以下是嵌入式系统未来的发展趋势：3.1 物联网物联网是未来嵌入式系统的一个重要方向。
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
16
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。
嵌入式的原理及应用
嵌入式的原理及应用一、嵌入式系统的概述嵌入式系统是指嵌入在其他设备或系统中的计算机系统，用于控制、监控和执行特定功能。
它通常有特定的硬件和软件，包括处理器、存储器、输入输出接口等，可按需定制，广泛应用于各个领域，如家电、汽车、医疗设备等。
二、嵌入式系统的原理嵌入式系统的设计和开发需要考虑以下几个主要原理：1.硬件设计原理：嵌入式系统的硬件设计需要考虑功耗、体积、成本等因素。
通常使用低功耗、高集成度的处理器，采用紧凑的电路板设计，以及选择适当的外设和接口。
2.软件设计原理：嵌入式系统的软件设计需要实现所需功能，并具有实时性、高效性和可靠性。
采用适当的算法和数据结构，充分利用系统资源，并进行合理的任务调度和优化。
3.实时性原理：嵌入式系统往往需要对外部环境做出及时响应。
因此，实时性是嵌入式系统设计中的重要考虑因素。
通过合理的任务调度和响应机制，保证系统能够在规定的时间内完成任务。
4.通信原理：嵌入式系统通常需要与其他设备或系统进行通信，实现数据的传输和交互。
通信原理包括选择合适的通信协议和接口，进行数据格式的定义和处理，确保数据的可靠传输和正确解析。
三、嵌入式系统的应用嵌入式系统在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的嵌入式系统应用：1.家电：智能家居系统中的智能电视、空调、冰箱等家电产品都采用嵌入式系统，实现远程控制、定时操作等功能。
2.汽车：现代汽车中的驾驶辅助系统、车载娱乐系统等都是嵌入式系统。
它们可以实时监控车辆状态、提供导航服务、支持蓝牙连接等。
3.医疗设备：医用仪器设备中的心电图机、血压计等都采用嵌入式系统，用于测量、监控和诊断。
4.工业控制：工业自动化领域中的PLC（可编程逻辑控制器）、机器人等都是嵌入式系统，用于控制和监控生产过程。
5.智能穿戴设备：智能手表、智能手环等都是嵌入式系统，可以实时监测健康状况、接收消息等。
6.军事装备：导弹控制系统、雷达系统等军事装备都采用嵌入式系统，用于指挥和控制作战。
嵌入式系统概述
第一章嵌入式系统概述1.嵌入式系统的概念从技术的角度概念：以应用为中心、以运算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、靠得住性、本钱、体积、功耗严格要求的专用运算机系统。
从系统的角度概念：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路的运算机系统。
术语嵌入式反映了这些系统一般是更大系统中的一个完整的部份，称为嵌入的系统。
嵌入的系统中能够共存多个嵌入式系统。
2.嵌入式处置器的分类①嵌入式微处置器；②嵌入式微控制器；③嵌入式DSP处置器；④嵌入式片上系统（SOC）3.嵌入式操作系统的大体概念及特点一般实时操作系统应用于实时处置系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，而且提供了开发、调试、运用一致的环境。
嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发进程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。
嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K 内)、可固化利用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点4.实时操作系统的大体概念及特点总的来讲实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时刻范围内作出响应。
它强调的是实时性、靠得住性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。
从实时系统的应用特点来看实时操作系统能够分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统IEEE 的实时UNIX分委会以为实时操作系统应具有以下的几点:异步的事件响应；切换时刻和中断延迟时刻肯定；优先级中断和调度；抢占式调度；内存锁定；持续文件；同步；5.操作系统的内核有哪两种，各自的特点①非占先式内核：非占先式内核要求每一个任务自我舍弃CPU 的所有权。
非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。
异步事件仍是由中断服务来处置。
中断服务能够使一个高优先级的任务由挂起状态变成就绪状态。
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
嵌入式系统的设计及实现
嵌入式系统的设计及实现第一章嵌入式系统概述嵌入式系统是指嵌入到其他设备中，实现特定功能的计算机系统，通常由硬件系统和软件系统两部分组成。
嵌入式系统因其小型化、低功耗、高可靠性等特点，广泛应用于工业控制、汽车电子、智能家居等领域。
第二章嵌入式系统的设计嵌入式系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面，硬件设计主要包括电路设计、布线设计、封装设计、测试设计等；软件设计主要包括系统架构设计、实时操作系统的选择、驱动程序的编写、应用程序的开发等。
2.1 硬件设计硬件设计是嵌入式系统设计的基础，其主要任务是选取合适的电子元器件，并将它们组合成能够实现特定功能的电路。
具体的设计步骤包括：（1）确定系统功能和要求，制订硬件开发计划；（2）选取CPU、存储器、接口芯片等器件，并根据系统需求进行参数配置；（3）设计系统电路原理图，进行电路仿真和验证；（4）进行PCB板设计、排版和布线；（5）进行硬件调试和验证。
2.2 软件设计软件设计是嵌入式系统设计的关键，其主要任务是设计和实现嵌入式系统的各种功能，具体的设计步骤包括：（1）确定系统架构和核心驱动程序的编写；（2）进行RTOS（实时操作系统）的选择与移植，以实现多任务并发和时序控制；（3）编写底层驱动程序，如GPIO驱动、UART驱动、定时器驱动等；（4）编写应用程序，实现系统的具体功能。
第三章嵌入式系统的实现嵌入式系统的实现包括系统集成、软硬件调试、仿真测试等多个环节，其主要任务是将硬件系统和软件系统有机地组合起来，形成一个完整可用的系统，具体的实现步骤包括：（1）进行硬件系统的搭建和软件系统的开发；（2）进行软硬件的调试和测试，涉及底层驱动测试、系统功能测试等；（3）进行系统集成和上市前的严格测试和验证。
第四章嵌入式系统的应用嵌入式系统凭借其低功耗、高集成度、稳定可靠、易于嵌入等特点，已经广泛应用于多个领域，例如：（1）工业控制领域：嵌入式系统在工厂自动化、过程控制、机器人控制等方面都有广泛应用；（2）汽车电子领域：车内及外部信息娱乐、车身控制、驾驶辅助、安全控制等多个方面；（3）智能家居领域：智能门锁、智能照明、温控调节、环境检测等。
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2020/8/5
第一讲
10
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、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
2020/8/5
第一讲
11
二、嵌入式系统的特征
和通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特征： 1、用于特定的任务（专用的计算机系统） 2、比通用PC系统资源少 3、极其关注成本、大多有功耗的要求、集成度高体积小 4、运行环境广泛 5、软件硬件可靠性要求更高（具有系统测试和可靠性评估体系） 6、相关产品具有较长的生命周期 7、软件要求固态化存储 （ROM、EPROM、EEPROM或FLASH） 8、有实时的要求（使用RTOS） 9、需要专用开发工具和方法进行设计 10、片上包含专用调试电路
处理器/ARM核 Timer/RTC
MMU/Cache
CAN
DSP/浮点运算协处理器
以太网 DMA
ADC/DAC FPGA/CPLD UAET和TrDA
硬件
输 入 、 输 出 接 口
看门狗及 复位电路
人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标
2020/8/5
第一讲
18
嵌入式系统硬件组成
2020/8/5
嵌入式操作系统 以嵌入式处理器为核心的硬件平台
应用系 统的I/O 接口
2020/8/5
第一讲
17
应用层 OS层
应用程序 文件系统/图形用户应用程序接口
功能层 软件层
驱动层
设备驱动程序、HAL、BSP 中间层
软件
电 源 管 理
Flash
内
EEPROM
SDRAM
存
SRCD
Embedded System 嵌嵌入入式式系系统统
参考书
• ARM嵌入式处理器结构与应用基础，马忠梅 等，北京航空航天大学出版社 2002年2月
• 嵌入式系统设计与实例开发（第二版）
------基于ARM微处理器与uC/OS-II实时操作系统 王田苗 清华大学出版社
• 嵌入式系统开发与应用实验教程 田泽 著
第一讲
8
嵌入式简单定义
• 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集 成于计算机硬件系统之中
• 广义的讲可以认为凡是带有微处理器的 专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统 任何一个非计算机的计算系统
2020/8/5
第一讲
9
狭义定义
• 使用嵌入式微处理器构成独立系统，具 有自己的操作系统并且具有某些特定功 能的系统
2020/8/5
第一讲
15
交叉学科
• 先进的计算机技术 • 半导体技术 • 电子技术 • 各个行业
• 面向具体应用
2020/8/5
第一讲
16
嵌入式系统的组成要素（4个）
• 嵌入式处理器及其硬件平台 • 嵌入式软件系统 • 嵌入式操作系统（可选）----实时操作系统RTOS • I/O接口系统
嵌入式应用软件系统
2020/8/5
第一讲
7
后PC技术的时代
• 小到mp3，PDA等微型数字化产品，大 到网络家电，智能家电，车载电子设备；
• 嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱； • 1999年世界电子产品产值已超过12000亿
美元，2000年达到13000亿美元，预计 2005年，销售额将达18000亿美元。
2020/8/5
2020/8/5
第一讲
12
嵌入式系统的特征(2)
• 嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是 以磁盘为载体可以随意更换。
• 各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少 发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继 承性和技术衔接性，发展比较稳定。
• 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在 相当长的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工 具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统，用户 和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。
第一讲
19
嵌入式系统软件组成
2020/8/5
第一讲
20
（一）嵌入式系统硬件组成
1 嵌入式处理器 2 外围接口电路和设备接口
2020/8/5
第一讲
6
嵌入式系统的演变
• 8031/8051为裸机，组成单片机系统时，自行编 写程序；
• 68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作 系统；
• 32位嵌入式处理器＋pSoS+嵌入式操作系统＋ tcp/ip协议栈；
• 各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 设备server以及各种复杂网络协议栈＋GUI图 形界面＋无线模块＝现代可移动的网络智能设 备。
•
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 to control, monitor, or assist the operation
of equipment, machinery or plants）。
2020/8/5
第一讲
4
计算机工业的分类
• 以往计算机分类：大型计算机、中型机、 小型机和微计算机
• 目前计算机分类：超级计算机，大型计 算机、工作站、微计算机、亚微计算机
• 亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式 系统的形式隐藏在各种装置、产品和系 统中
2020/8/5
第一讲
5
历史
• 电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几 乎与电脑自身的历史一样长
• 计算机控制系统 • 单片机掀起电子化浪潮 • 微处理器高速发展推动了嵌入式系统
北京航空航天大学
2004年6月
2020/8/5
第一讲
2
第一讲，嵌入式系统概述
• 一、什么是嵌入式系统 • 二、嵌入式系统的特征 • 三、嵌入式系统组成 • 四、嵌入式系统应用
2020/8/5
第一讲
3
一、什么是嵌入式系统
• Embedded system
• 个人电脑≠嵌入式系统
• 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的 定义：
2020/8/5
第一讲
13
嵌入式系统的特征－模糊化
• 通用计算机系统，嵌入式计算机系统在 一些产品上出现融和。
嵌入式 计算机 系统领 域
2020/8/5
多功能、在线可升级 PDA产品、多功能 手机、掌上电脑、 网络TV等 性能、功耗、功能
第一讲
通用计 算机系 统领域
14
三、嵌入式系统的基本组成
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相 关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 件系统等组成，它是集软硬件于一体的 可独立工作的“器件”。