常州大学：《嵌入式系统原理及应用》课程教学课件（讲稿）嵌入式系统概述

第1章嵌入式系统概述

1 第1章 嵌入式系统概述

1.1嵌入式系统的概念与组成1. 1. 1嵌入式系统的定义1．定义定义①：根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”定义②：目前国内一个普遍被认同的定义是：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。定义③：可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。2

2 1.1 嵌入式系统的概念与组成  1.1.1 嵌入式系统的定义  1. 定义  定义①：根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义， 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行 的装置” 。  定义②：目前国内一个普遍被认同的定义是：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。  定义③：可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系 统，作为装置或设备的一部分

嵌入式系统的概念和组成（续）2.嵌入式系统的三要素“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。3. 组成嵌入式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应用程序4个部分组成。3

3 嵌入式系统的概念和组成（续）  2. 嵌入式系统的三要素  “嵌入性” 、 “专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的 三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系 统。  3. 组成  嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户应用程序4个部分组成

1.1.2嵌入式系统应用过程和发展趋势■1.嵌入式系统应用过程的4个阶段（1）无操作系统阶段MCS-51系列单片机是最早应用的嵌入式系统之一，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言或C51语言。采用汇编语言编写的程序具有效率高，占用内存少，实时性强且控制时间精准等特点。缺点是对技术人员的要求高，开发周期相对长一些。现在使用意法半导体（ST）公司，基于ARM9的ARMCorteX-M3内核产品，STM32微处理器芯片开发的实时控制设备，大部分都是在无操作系统的情况下使用C语言开发的，它比在有操作系统下开发有更高的运行效率。而且目前开发要求具有强实时性的装备也是在裸机情况下开发的。4

4 1.1.2 嵌入式系统应用过程和发展趋势  1. 嵌入式系统应用过程的4个阶段  （1）无操作系统阶段  MCS-51系列单片机是最早应用的嵌入式系统之一，单片机作为各类工业控 制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序， 完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序 设计采用汇编语言或C51语言。  采用汇编语言编写的程序具有效率高，占用内存少，实时性强且控制时间 精准等特点。缺点是对技术人员的要求高，开发周期相对长一些。  现在使用意法半导体（ST）公司，基于ARM9的ARM Cortex-M3内核产 品，STM32微处理器芯片开发的实时控制设备，大部分都是在无操作系统 的情况下使用C语言开发的，它比在有操作系统下开发有更高的运行效率。 而且目前开发要求具有强实时性的装备也是在裸机情况下开发的

（续）（2）简单操作系统阶段20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微处理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。典型代表是uc/os。5

5 （续）  （2）简单操作系统阶段  20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌 入式CPU（如Power PC等），芯片上集成有微处理器、 I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O设 计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入 式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也 开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件。 此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具 有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大 缩短了开发周期，提高了开发效率。典型代表是uc/os

（3）实时操作系统阶段20世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统RTOS，从而使应用软件的开发变得更加简单。6

6  （3）实时操作系统阶段  20世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和 信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬 件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大， 实时多任务操作系统RTOS ，从而使应用软件的开发变得更 加简单

（4）面向Internet阶段进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。2.嵌入式系统的发展趋势面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系统的研究和应用在飞速发展

7  （4）面向Internet阶段  进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术 等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合 正在推动着嵌入式系统的飞速发展。  2．嵌入式系统的发展趋势  面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系统的 研究和应用在飞速发展

（1）新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。（2）LinuX、WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系统迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器。8

8  （1）新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算 法，降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交 互界面。  （2）Linux、Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系统 迅速发展。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植， 具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整 等特点，能够在短时间内支持更多的微处理器

（3）嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。9

9  （3）嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发 厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要 提供强大的硬件开发工具和软件支持包

1.1.3嵌入式系统的组成嵌入式系统的硬件组成主要包含有嵌入式处理器、外围设备接口和执行装置（被控对象）等组成。嵌入式系统的软件组成，对于裸机开发来讲主要有以下内容：#嵌入式处理器芯片内部三个总线频率的设置、存储器配置的设置；7种异常模式堆栈指针的设置；中断指针的传递程序；为C语言的运行创建环境；IO端口的配置与控制程序、应用程序等。以上前5个部分也是Bootloader的主要内容。10

10 1.1.3 嵌入式系统的组成  嵌入式系统的硬件组成主要包含有嵌入式处理器、外围 设备接口和执行装置（被控对象）等组成。  嵌入式系统的软件组成，对于裸机开发来讲主要有以下 内容：嵌入式处理器芯片内部三个总线频率的设置、存 储器配置的设置；7种异常模式堆栈指针的设置；中断 指针的传递程序；为C语言的运行创建环境；I/O端口的 配置与控制程序、应用程序等。以上前5个部分也是 Bootloader的主要内容