嵌入式系统
周洪钧 zhouhongjun@
考核标准
• 70%期末考试
– 期末大考成绩
• 30%平时成绩
– 出勤率 – 课堂表现 – 实验课的认真程度 – 等等。。。
推荐参考书
第1 章
嵌入式系统导论
主要学习内容
1. 嵌入式系统及其应用领域
1.1 1.2 1.3 1.4 嵌入式系统基本概念 应用领域 嵌入式系统的主要特点 嵌入式系统与单片机
• 目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优 先级的可抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮 转调度法。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 20
内存管理
• 针对有内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）的处理器而设计的一些 桌面操作系统，如Windows、Linux，使用了 虚拟存储器的概念。 • 虚拟内存地址被送到MMU。在这里，虚拟 地址被映射为物理地址，实际存储器被分割 为相同大小的页面，采用分页的方式载入进 程。 • 一个程序在运行之前，没有必要全部装入内 存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装 入内存运行。
嵌入式系统软件体系结构
应用层
应用 任务1 应用 任务2 …… 应用 任务n
嵌入式 CORBA
中间件层 嵌入式 嵌入式 JAVA DCOM 操作系统层
面向应用领域 的中间件
TCP/IP 网络系统
文件 系统
内核
电源 管理
嵌入式 GUI
驱动层 板级 FLASH驱 RTC/定时 器驱动 初始化 动 串口 驱动 以太网 驱动 LCD 驱动 键盘 驱动 其他 驱动
不可抢占式调度是指一个任务一旦获得CPU就独占其运行，除非由于某种 原因使它决定放弃CPU的使用权； 可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给 优先级更高的处于就绪态的其他任务； 当两个或两个以上任务有同样的优先级时，不同任务轮转使用CPU，直到 系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。
嵌入式系统组成
硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。
CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制 整个嵌入式系统的执行； 外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位电路、ADC/DAC （模数转换器/数模转换器）和电源等，与核心处理器一起构成一个 完整的嵌入式目标系统。 SRAM（Static Random Access Memory）为静态随机存储器，DRAM （Dynamic Random Access Memory）为动态随机存储器，Flash为闪 存器 外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串 行总线USB（Universal Serial Bus）、存储设备、鼠标、键盘、液 晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）、红外线数据传输（IrDA， Infrared Data Association）和打印设备等。
– 软硬件可剪裁。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗
余，力争在同样的硅片面积上实现更多的功能和更高的性能。某种意义上，是满足具体 应用需求的一种实现举措（如：减小体积、降低成本、降低功耗、增强实时性等） 。
– 专用计算机控制系统。
不同的嵌入式系统，有不同的应用环境、控制对象，用户需求一般也不相同，软硬 件剪裁的内容不可能一样，Bootloader 等程序一般也不一样； 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成以后，用户通常不能对其中的程序 功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 19
嵌入式操作系统：任务调度
• 在嵌入式系统中，任务即进程或线程。大多数的嵌入式操作系 统支持多任务。多任务运行实际是靠CPU在多个任务之间切换、 调度实现的。每个任务都有其优先级，不同任务的优先级可能 相同也可能不同。 • 任务的调度有三种方式：可抢占式、不可抢占式和时间片轮转。
1.4 嵌入式系统与单片机
• 一个嵌入式系统，通常是一个功能完备、 可独立运行的软、硬件集成（控制）系统。 • 其中，包括微处理器芯片/单片机。 • 从概念上来看，“嵌入式系统”涵盖了系 统“规划、设计、实现”甚至“市场营销” 的整个过程，既包括控制核心部件、又包 括被控对象，它由局部各部件组成，同时 从系统角度，根据需求进行各部件的集成、 优化。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 23
TRON
• The Real-time Operating system Nucleus • 重视实时性 • TRON是一项开放式的实时操作 系统内核设计项目，它是"The Real-time Operating system Nucleus"（实时操作系统内核） 的缩写。该项目由东京大学的坂 村健教授于1984年发起，宗旨是 为全社会的需要开发一套理想的 计算机结构和网络。 • Ubiquitous
软件：嵌入式操作系统、用户的应用程序。
操作系统控制着应用程序与硬件的交互，完成实时和多任务操作； 应用程序控制着系统的运作和行为，完成各种设计功能。 有时，设计人员需要把这两种软件组合在一起
Байду номын сангаас
2.2 嵌入式系统的硬件组成
嵌入式微处理器的特点
微处理器是嵌入式系统硬件的核心，具备以 下4个特点：
3. 计算机的发展
3.1 冯诺依曼架构 3.2 哈佛结构 3.3 流水线技术 3.4 精简指令集 3.5 嵌入式处理器的发展阶段 3.6 计算机发展历史中的若干 重要人物 3.7 嵌入式系统的发展趋势 3.8 嵌入式系统产业发展的动 因 4.1 概述 4.2 Cortex –M3的设计背景 4.3 Cortex-M3体系架构
① 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内 核的执行时间减少到最低限度。 ② 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的 软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错 误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同 时也有利于软件诊断。 ③ 可扩展的结构。 ④ 功耗很低，尤其用于便携式无线及移动设备中靠电池 供电的嵌入式系统更是如此，很多只允许mW量级甚至 W量级。
2. 嵌入式系统的核心技术和外围 技术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 嵌入式系统的组成 嵌入式微处理器的特点 嵌入式系统软件 嵌入式操作系统 硬实时和软实时 内核加载方式
4. Cortex-M3 简介
5. STM32F10x系列微控制器 6. 嵌入式系统工程设计与开发
1. 嵌入式系统及其应用领域
2.3 嵌入式系统软件
嵌入式系统的软件可分成4个层次：
① 设备驱动接口（DDI）负责嵌入式系统与外部设备的信息 交互； ② 实时操作系统（RTOS）分成基本和扩展两部分，前者是 操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、 时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面（GUI） 等基本服务,后者是为用户提供操作系统的扩展功能，包括 网络、数据库等； ③ 可编程应用接口（API）也称为编程中间件、应用中间软 件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库，它针对不 同应用领域、不同的安全要求分别构建，从而减轻应用开 发者的负担； ④ 应用软件是针对不同应用而由开发者自己编写的软件。
硬件
常见的几种嵌入式操作系统：
1. uC/OS II 2. uCLinux 3. Windows CE 4.嵌入式Linux
2.4 嵌入式操作系统
• 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两 个层次。 微内核
• 内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、 管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。 • 一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内 核中，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资 源增多，裁剪起来很麻烦。 • 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的 功能，例如，任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、 时钟管理等。 • 其他的应用组件，例如，网络功能、文件系统、GUI系统等均工 作于用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都 是可裁剪的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
2. 嵌入式系统的核心技术和外围技 术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 嵌入式系统的组成 嵌入式微处理器的特点 嵌入式系统软件 嵌入式操作系统 硬实时和软实时 内核加载方式
2. 嵌入式系统的核心技术和外围技术
2.1 嵌入式系统的组成
嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。前者 是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通 信接口；后者实际控制系统的运行。 硬件：嵌入式微处理器、外围电路、外围硬件设备。 软件：嵌入式操作系统、用户的应用程序。
嵌入式系统及其开发应用 （第二版） 22
内存管理
• 由此可见，对于没有MMU的嵌入式系统，开发人员 不得不参与系统的内存管理。 • 从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发 板到底拥有多少内存； • 在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关 注应用程序需要运行空间的大小。 • 另外，由于采用实存储器管理策略，用户程序同内 核以及其他用户程序在一个地址空间中，程序开发 时要保证不侵犯其他程序的地址空间，以使程序不 至于破坏系统的正常工作，或导致其他程序的运行 异常。 • 因此，嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存 操作要格外小心。
–
面向应用，系统设计必须综合考虑功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等具体的
应用需求。 嵌入式系统通常含有面向特定应用的嵌入式CPU，具有低功耗、体积小、集成度高 等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于系 统设计的小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用 相结合的产物 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 的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，将具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或 单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。