1、嵌入式系统简介 Introduction to Embedded System 南开大学 孙凤池 Mar.12,2007 报告内容报告内容 认识嵌入式技术 嵌入式技术的起源 嵌入式技术的现状 嵌入式系统的开发 WinCE系统开发 展望与总结 认识嵌入式技术认识嵌入式技术 丰富多彩的嵌入式产品 无处不在的嵌入式技术 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的结构 丰富多彩的嵌入式产品丰富多彩的嵌入式产品 无处不在的嵌入式技术无处不在的嵌入式技术 消费电子：数码相机、MP3、游戏机等 信息家电：数字电视、机顶盒 智能电器：能上网的冰箱、空调、洗衣机等 通信设备：手机、IP电话、网络设备等 便
2、携设备：PDA、数据采集、测试装置等 工业设备:数控设备、过程工业控制设备 商业金融：售货机、收款机、取款机等 汽车电子：智能化汽车 航空航天：飞行器控制、外星探测器 医疗设备：CT机，电子血压计等 交通管理：GPS导航、智能监控设施 军事领域：武器控制、车载电子设备等 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。与通用计算机系统的不同：嵌入式系统是不同于常见计算机系统的一种计算机系统，它不以独立设备的物理形态出现，嵌入式系统的部件根据主体设备及其应用的需要，嵌入在主体设备内部，
3、发挥着运算、处理、存储及控制的作用，是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构 从体系结构来看，嵌入式系统包括两部分：1）嵌入式处理器为中心的嵌入式硬件系统；2）由嵌入式操作系统和用户应用程序组成的嵌入式软件系统。注意：与传统的嵌入式控制系统相比，现在的嵌入式系统，强调“系统”-指的是嵌入式操作系统。输入输入 输出输出 操作系统操作系统 应用程序应用程序 软件软件结构结构 硬件硬件结构结构 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统是多学科融合的结果：计算机、电子、半导体、通信、控制等；嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用，开发人员很可能是
4、各个应用领域的专家；产品具有较长的生命周期；软件固化存储，OS内核小，OS和应用程序的区分不明显；需要另外的开发工具和环境：宿主机+目标机的开发方式/集成开发环境；报告内容报告内容 认识嵌入式技术 嵌入式技术的起源 嵌入式技术的现状 嵌入式系统的开发 WinCE系统开发 展望与总结 嵌入式技术的起源嵌入式技术的起源 早期的嵌入式技术 嵌入式操作系统的出现 采用嵌入式操作系统的优点 早期的嵌入式技术早期的嵌入式技术 微处理器-单板机-单片机、DSP等 早期的嵌入式应用大都不采用操作系统，只是为了实现某些特定功能，使用一个简单的循环控制程序对外界的控制请求进行处理。问题：不利于扩展新功能；加入网络
5、协议栈比较麻烦；应用程序移植性差；嵌入式操作系统的出现嵌入式操作系统的出现 随着嵌入式系统的功能要求日益复杂，硬件功能越来越强大，使用操作系统是必须的，并且可能的；C语言被广泛用于嵌入式操作系统开发；从20世纪80年代开始，出现了各种各样；商用嵌入式操作系统，大多为专用系统开发，从而形成了目前多种嵌入式操作系统并存的局面；嵌入式操作系统的功能包括：任务管理、存储管理、时钟管理、进程间通信与同步、设备管理、文件系统、图形界面、网络接口等。采用嵌入式操作系统的优点采用嵌入式操作系统的优点 在嵌入式应用中使用操作系统，可以把复杂的应用分解成多个任务，简化了应用系统软件的设计；程序的设计和扩展变得容易
6、，不需要大的改动就可以增加新的功能；使控制系统的实时性得到保证；通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用；良好的多任务设计，有助于提高系统的稳定性和可靠性.报告内容报告内容 认识嵌入式技术 嵌入式技术的起源 嵌入式技术的现状 嵌入式系统的开发 WinCE系统开发 展望与总结 嵌入式技术的现状嵌入式技术的现状 嵌入式微处理器发展现状 嵌入式操作系统发展现状 嵌入式技术市场现状 嵌入式微处理器现状嵌入式微处理器现状 由于嵌入式系统应用环境比较特殊，因而嵌入式微处理器在对实时系统的支持能力、工作温度、电磁兼容性、功耗、可靠性方面的要求较通用微处理器更高；但嵌入式微处理器在基本
7、功能方面与通用微处理器类似.嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类 嵌入式处理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器(MPU)嵌入式片上系统(System On Chip)五种主流的嵌入式微处理器体系 ARMXscale MIPS IBM的Power PC INTEL的X86 Motorola的 68000(68K)嵌入式操作系统的发展现状嵌入式操作系统的发展现状 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备管理、网络通信、图形界面、文件系统等模块；嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理越来越复杂
8、的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及一些典型应用程序。嵌入式操作系统可以分为两类：面向控制、通信等领域的实时操作系统RTOS，实时系统能在确定的时间内执行其功能，并对外部的异步事件做出响应；面向消费电子产品的非实时操作系统，这类系统用于对响应时间要求不严格的场合。实时系统的定义：系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，还取决于结果产生的时间。特点：通过任务调度，使得对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。硬实时系统：必须对事件做出及时的反应，绝对不能错过事件处理的时限。软实时系统：如果在系统负荷比较严重的时候，
9、允许发生错过时限的情况，而不会造成太大的危害。内核是操作系统的核心程序，多任务系统中，内核负责管理各个任务：为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。任务调度（Scheduler）是内核的主要职责，就是要决定运行哪一个任务。多数实时内核是基于优先级调度法的：每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让“处在就绪态的优先级最高的任务先运行”。当系统响应时间很重要时，要使用占先式（preemptive）调度的内核：最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高
10、优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务程序使一个高优先级高的任务进入了就绪态，则中断完成时，原来被中断了的任务被挂起，优先级高的任务开始运行。占先式内核的任务级响应时间是可知的。调度方式调度方式 几款主流嵌入式操作系统 VxWorks Windows CE 嵌入式Linux uC/OS Palm OS QNX VxWorksVxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的扩展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境。该公司在实时操作系统领域是世界公认最具有领导作用的公司。VxWorks具有很高的
11、可靠性、实时性和可裁减性，它支持多种处理器，被广泛应用在通信、军事、航空、航天等对实时性要求极高的领域中，在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹、火星探测器上也使用到了VxWorks。VxWorksVxWorks的特点的特点 具有高性能实时微内核Wind；友好的开发调试环境Tornado:运行在宿主机上，包含编辑器、编译器、调试器的集成开发环境；兼容POSIX 100.1b 标准;良好的自由配置能力；广泛的CPU支持 基于基于VxWorksVxWorks的火星探测机器人的火星探测机器人 VxWorksVxWorks在在高性能武器中广泛应用高性能武器中广泛应用 W
12、indows CEWindows CE Windows CE是一种针对小内存、移动式、智能化设备推出的模块化嵌入式操作系统。由于其Windows背景，界面比较统容易接受，系统功能丰富，如具有多媒体能力、网络和通信支持、高级应用程序服务。Win CE3.0 以前的版本实时性能不高。另外两种版本：Windows Mobile 和Windows Automotive Windows CEWindows CE的开发环境的开发环境 Platform Builder用于定制Windows CE平台 Platform Builder能够根据用户的需求，选择构建（定制）具有不同功能配置的CE系统；定制的平台编
13、译后，就会得到一个OS映像文件；将该文件下载到目标平台，就能够调试、运行CE系统了。Visual Sudio.NET 2003/eMbedded Vsiual C+用于Windows CE应用程序的开发。基于基于Win CEWin CE的自动装配平台的自动装配平台 基于基于Win CEWin CE的移动机器人平台的移动机器人平台 嵌入式嵌入式LinuxLinux 嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。前几年的嵌入式Linux主要有RTLinux和u
14、CLinux两个版本。uClinux内核不关心实时性问题，可用于各种手持设备等场合，RTLinux适合处理实时任务，可用于工业控制等场合。Linux是开放源码的，并具有内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高、易于定制剪裁等优点，在价格上极具竞争力，因此嵌入式Linux是一种最有前途的嵌入式操作系统。嵌入式嵌入式LinuxLinux的交叉编译环境的交叉编译环境 Linux内核编译时，默认的配置是对i386平台，如果要编译其他CPU内核，要先建立针对该处理器的编译环境，包括：Linux内核源代码、GNU的C库和线程库、GNU的C编译器、连接器ld、汇编代码编译器as、用来将文件打包重组的ar
15、以及为ar打包的文件建立符号表的ranlib等。例如针对ARM处理器的交叉开发环境中：arm-linux-gcc是编译器，arm-linux-ld是连接器 嵌入式嵌入式LinuxLinux的开发环节的开发环节 引导装载程序(BootLoader)Linux系统内核 嵌入式设备文件系统 设备驱动程序 应用程序 基于基于RTLinuxRTLinux的仿人机器人的仿人机器人 高 48 cm 重:6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统:RT-Linux 接口形式:USB 1.0(12Mbps)响应周期:1ms 能源：DC24V x 6.2A(150W)制造：富士通 基于嵌入式基于嵌入式Linnux的
16、电子书的电子书 uc/OSuc/OS uc/OS是一个源代码公开、免费的嵌入式操作系统，是一个高实时性的多任务系统内核，其应用面覆盖了诸多领域，如照相机、网络设备、医疗器械、音响设备、高速公路电话系统、自动提款机等，并于2000年得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器中。基于基于uc/OSuc/OS的产品的产品 3-Axis Motor Control Card C/OS-II Hitachi SH2 running at 29.4912 MHz 7 Tasks/10 Hz Tick Rate Self Service Terminal(SST)C/OS-II Intel 80386 CPU 33 MHz 9 Tasks 20 Hz Tick Rate 基于基于uc/OSuc/OS的机器鱼的机器鱼 尾鳍驱动子尾鳍驱动子系统系统GPSGPS导导航航子子系系统统罗罗盘盘定定位位子子系系统统上升下潜上升下潜子系统子系统水泵/水柜装置水泵/水柜装置机器鱼关节电机器鱼关节电机机基于ARM的嵌入式控制器基于ARM的嵌入式控制器测测距距传传感感器器压压力力深深度度传传感感器器无线通信无线