嵌入式系统(原理、开发与应用)
复旦大学软件学院 李旻
2005.11
一、嵌入式系统概述
概述
 嵌入式系统，嵌入式计算机系统，专用的计算机系统
嵌入式系统的概念
 定义一：嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软、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。
 定义二：把基于处理器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分成两大部分，即通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统也称为嵌入式计算机，因此嵌入式系统被定义为非通用计算机系统。

嵌入式系统的概念
 硬件：嵌入式处理器/控制器/数字信号处理器、存储器及外设器件、输入输出端口、图形控制器
 软件：操作系统软件、应用程序
 机械部分（可选）：机电一体化装置、微机电系统
嵌入式系统的发展
 微处理器的产生
 单板机
 单片机（嵌入式处理器）
嵌入式处理器的发展
 第一代嵌入式处理器
 1971年11月，Intel 4004
 20世纪70年代后期，Motorola MC6801、Intel 8048
 NMOS工艺
嵌入式处理器的发展
 第二代嵌入式处理器
 Motorola MC146805，80年代
 MC68HC05，1982年
 Intel 8051系列
 CMOSHCMOS
嵌入式处理器的发展
 第三代嵌入式处理器
 扩展总线型纯单片型
 多CPU集成单处理器
 MC143120/MC143150
 片上系统（SoC，System on Chip）出现
嵌入式处理器的发展
 第四代嵌入式处理器
 Flash的使用
 低功耗
 高可靠性

嵌入式系统的特点
 同通用计算机系统相比的特点
 面向特定应用的
 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
 硬件和软件都必须高效率地设计
 应用软件有其特殊需要
 一旦进入市场，有较长的生命周期
 必须有一套开发工具和环境才能进行开发
嵌入式系统的特点
 嵌入式微处理器的特点
 对实时多任务有很强的支持功能，能完成多任务，并且有较短的中断响应时间
 具有功能很强的存储区保护功能
 可扩展的处理器结构
 功耗很低
嵌入式系统的特点
 嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）的特点
 更好的硬件适应性，良好的移植性，支持尽量多的硬件平台
 占有更少的硬件资源
 高可靠性
 提供强大的网络功能
 友好高效的GUI
 实时性能
 可裁剪性

嵌入式系统的组成
 硬件
 软件
 开发工具和开发系统
嵌入式系统的组成
 嵌入式系统的硬件
 嵌入式核心芯片（EMPU——嵌入式微处理器、EMCU——嵌入式微控制器、EDSP——嵌入式数字信号处理器、ESoC——嵌入式片上系统、EPSoC——嵌入式可编程片上系统）
 存储器系统及外部接口（程序存储器ROM/EPROM/Flash，数据存储器，参数存储器EPROM，NVRAM
嵌入式系统的组成
 嵌入式系统的软件
 嵌入式操作系统（VRTX、pSOS、VxWorks、Windows CE、EPOC、Linux、PALM、OS9、Java  CHORUS OS、QNX、NAVIO）
 嵌入式应用软件
嵌入式系统的组成
 嵌入式系统的开发工具和开发系统
 语言编译器
 连接定位器
 调试器
 开发语言：
 C语言
 嵌入式C++
 Java
 汇编语言

嵌入式处理器
 微处理器：功能较强大的CPU（80x86家族、Motorola的68K系列、PowerPC系列）
 微控制器：针对嵌入式系统设计（8051）
 数字信号处理器：针对外速离散时间信号处理计算（TI公司、Motorola公司、ADI公司）
 SoC
存储器
 RAM和ROM
 RAM
 SRAM
 DRAM
 ROM
 只读ROM（掩膜ROM）
 可编程ROM
 可擦除可编程ROM
 混合存储设备
 EEPROM
 Flash（闪存）
 NVRAM
外设
 嵌入式系统一些相关硬件设备，分为内部外设和外部外设

嵌入式系统的种类
 根据嵌入式系统的复杂程度，分为4类
 单个微处理器
 嵌入式处理器可扩展的系统
 复杂的嵌入式系统
 在制造或过程控制中使用的计算机系统

嵌入式处理器与专用集成电路
 专用集成电路（ASIC）
 掩膜型
 OTP（One Time Programmable）
 EPROM型
 Flash型

嵌入式系统的调试方法
 Monitor方式：在目标操作系统与调试器内分别添加功能模块，两者相互通信来实现调试功能
 片上调试方式：处理器内部嵌入额外的硬件控制模块，当满足了特定的触发条件时进入某种特殊状态

基于主机的调试
 问题的来源
 实际外设在运行时造成的问题
 计算机字长结构
 计算机字节排序结构

远程调试器与调试内核
 两部分通过串口或以太网端口信道相互通信
ROM仿真器
 仿真ROM（RAM+附加电路）
 缩短调试周期
 灵活设置断点
 仿真多种接口

在线仿真ICE
 提供自己的处理器与存储器
 ICE选择性读取指令执行
 缺点是比较贵
BDM
 BDM（Background Debug Mode，背景调试模式），Motorola专有
 优点：连接简单、与目标系统一起运行，与微处理器变化无关
 缺点：多数只提供运行控制，非常慢，不能访问其他总线、不支持覆盖内存
JTAG
 与BDM类似，JTAG调试采用串行方式传输数据
 JTAG（IEEE1149.1）
 TCK：同步JTAG端口逻辑操作的时钟输入
 TMS：测试模式选择输入
 TDI：输入测试数据流
 TDO：输出测试数据流
 TRST：低位有效的异步复位

软件仿真器
 或称指令集模拟器（ISS），利用软件来模拟处理器硬件
 优点：软硬件开发可同时进行
 缺点：慢

嵌入式系统的应用
 消费类电子产品
 机顶盒、个人移动设备、数码音频播放器、数码相机、视频游戏播放器、IP电话
 办公自动化产品
 控制系统与工业自动化
 网络式控制系统、FCS（现场总线控制系统）
 生物医学系统
 现场仪器
 网络通信设备
 电信设备

嵌入式系统的发展趋势
 硬件的发展
 软件的发展
 系统的发展

硬件的发展
 单片机
 复杂单板机
 嵌入式DSP系统
 片上系统
软件的发展
 嵌入式Linux
 嵌入式协议栈
 嵌入式人机界面
 嵌入式软件组件化
系统的发展
 开发平台的完备化
 嵌入式系统的网络化
 系统的集成度的提高和性能指标的提高
 友好的人机界面

小结
 嵌入式系统基本知识：定义、概念、组成、调试方法、应用和发展趋势

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