嵌入式系统-及其软件开发

嵌入式系统及其软件开发概述陈香兰2007.5.21xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems2主要内容一、嵌入式系统基本概念二、嵌入式硬件的发展三、嵌入式软件及其开发四、嵌入式操作系统及系统开发五、典型嵌入式操作系统介绍六、嵌入式操作系统选型xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems3主要内容一、嵌入式系统基本概念二、嵌入式硬件的发展三、嵌入式软件及其开发四、嵌入式操作系统及系统开发五、典型嵌入式操作系统介绍六、嵌入式操作系统选型xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems4嵌入式系统无处不在xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems5嵌入式系统开发技术嵌入式系统开发技术是微处理器、单片机、微处理器等的应用技术，包含硬件系统和操作系统两大部分。嵌入式系统的开发具有系统级应用开发技术的基本特征。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems6什么是嵌入式系统：来自IEEE的定义“Embeddedsystemisdevicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”.——IEEE上述定义主要从应用上加以定义。可以看出：嵌入式系统是软硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems7什么是嵌入式系统：广义上嵌入式系统是一种应用系统，它至少包含一个可编程的计算机（通常是某种形式的微控制器、微处理器或数字信号处理芯片（DSP））且使用该系统的人一般并未意识到该系统是基于计算机的。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems8什么是嵌入式系统：国内的经典定义嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems9可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems102.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以及各个行业的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如PalmOS之所以在PDA领域占有70％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的vxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems113.嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems124.同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难给它下一个准确的定义。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems13嵌入式系统的体系结构一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入／输出(I/O)、软件多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都紧密结合，这也是嵌入式系统和Windows系统的最大区别。软件处理器存储器输入输出xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems14嵌入式系统特点嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1、嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、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，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems152、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高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力3、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，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems164、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本身中，而不是存贮于磁盘等载体中5、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也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。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems17主要内容一、嵌入式系统基本概念：定义;体系结构;特点二、嵌入式硬件的发展三、嵌入式软件及其开发四、嵌入式操作系统及系统开发五、典型嵌入式操作系统介绍六、嵌入式操作系统选型xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems18嵌入式系统硬件从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已超过1000种，流行体系结构包括MCU、MPU等30多个系列。目前嵌入式处理器的寻址空间：可以从64KB到16MB，处理速度：最快可以达到2000MIPS，封装：从几个引脚到几百个引脚不等。xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems19嵌入式系统硬件分类目前来讲，嵌入式处理器可以分成这样一些类型1、嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）2、嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）3、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）处理器4、嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems20嵌入式系统硬件分类目前来讲，嵌入式处理器可以分成这样一些类型1、嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）2、嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）3、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）处理器4、嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems21嵌入式微处理MPUMPU（MicroprocessorUnit）≈CPUMPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，在本质上与通用计算机的CPU是一样的，只是在具体的实现细节和功能上有所不同。装配在专门设计的电路板上，只保留跟嵌入式应用紧密相关的功能部件，去除其他冗余功能部件，从而大幅减小系统的体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊需求，MPU在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面一般都做了各种增强，在功能上会失去一些在嵌入式领域不常用的功能单元xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems22和工业控制计算机相比，MPU具有体积小、质量轻、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，技术保密性也比较差。由于MPU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。MPU目前主要有：intelx86、IBMPowerPC、motorola68K/coldfire、MIPS、ARM、HitachiSuperH等系列xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems23典型嵌入式微处理器：ARM系列ARM（AdvancedRISCMachines）是ARM公司的高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，适用于多种领域如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM公司将其硬件技术授权给世界上许多著名的半导体厂商，包括Intel，IBM，LG，NEC，SONY，Philps这样的大公司。关于软件系统的合伙人，则包括Microsoft、SUN等一系列著名公司xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems24ARM公司提供一系列CPU内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的基本体系结构，所以相同的软件理论上可在所有产品中运行目前，ARM公司常见的处理器系列有：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems25典型嵌入式微处理器：MIPSMIPSMicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages“无内部互锁流水线微处理器”也是现在比较流行的一种RISC处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题最早是在20世纪80年代初由美国斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的在嵌入式方面，仅次于ARM应用领域覆盖游戏机，移动电话，数码相机，ATM，路由器，打印机，掌上电脑等等各个方面，非常广泛xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems26国内的嵌入式微处理器：龙芯中国科学院计算所研制具有自主知识产权龙芯1号：32位MIPS处理器龙芯2号龙芯3号龙芯+Linux/？？xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems27手机的大概组成微处理器BusROMorFlash键盘无线电信号发射与接收LCD部件声音设备DSP其他外设RAMxlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems28嵌入式系统硬件分类目前来讲，嵌入式处理器可以分成这样一些类型1、嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）2、嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）3、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）处理器4、嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）xlanchen@2007.5.21EmbeddedOperatingSystems29嵌入式微控制器MCU（1）MCU=MicrocontrollerUnit一般又称为单片机，即将整个计算机系统集成到一块芯片中MCU一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM，总线，总线逻辑