第一章嵌入式系统基础 【学习目标】 ●了解嵌入式系统的应用领域 ●掌握嵌入式系统的基础知识 ●了解嵌入式系统的设计与开发方法 第一章嵌入式系统基础.1 嵌入式系统概述 嵌入式操作系统 Linux操作系统 ARM处理器平台介绍 嵌入式系统开发 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可量身定制，适合应用系统功能、可靠性、成本、体积、具有的专用计算机系统对功耗有严格的要求。 嵌入式操作系统 嵌入式系统概述 从应用来看，与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点： (1)专用性强。 (2)实时性好。 (3)可裁剪性好。 (4)可靠性高。 (5)功耗低。 (6)系统内核小。 (7)有专用的开发工具和开发环境。 (8)多种技术的融合。 嵌入式系统可用于以下领域： 工业控制控制生产过程中的各个过程，例如装配线控制。 利用嵌入式产品和技术，如可编程控制器、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监控、工业机器人等，可以对工业生产过程中的生产过程进行控制，从而提高生产效率和产品质量。质量，减少人力资源。 美国公司生产的两轮自平衡车采用嵌入式系统实现传感器数据采集和电机控制。 军用电子装备和现代武器一直是军事领域诸多高新技术的发源地。 嵌入式系统在军事上的应用体现在军事侦察、指挥控制自动化、后勤保障现代化、战场系统网络化等方面。
如陆、海、空军的各种武器控制、舰艇、坦克、轰炸机等电子设备、雷达、电子对抗、军事通讯设备、以及野战指挥作战的各种特种设备等。 比较成功的应用是，美军在海湾战争中利用嵌入式系统设计开发Adhoc装备，安装在直升机、坦克、机动步兵上，形成自愈、自维护的作战梯队。 通信设备 在网络通信设备中，嵌入式系统扮演着重要的角色。 交换机、机顶盒、路由器、调制解调器等都是嵌入式应用系统。 嵌入式网关和嵌入式互联网路由器已经成为嵌入式系统的一个主要应用方向。 嵌入式系统技术在车辆导航、流量控制、信息监控、用车服务等交通管理中得到了广泛的应用。 嵌入GPS模块和GSM模块的移动定位终端已成功应用于各交通行业。 目前，GPS设备已从尖端产品进入寻常百姓家。 只需花费数千元即可随时随地找到您的位置。 环境工程和自然水文数据实时监测、防洪系统和水土质量监测、大坝安全、地震监测网络、实时气象信息网络、水源和大气污染监测。 在许多环境恶劣、地形条件复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监控。 各种商用收银机、电子秤、条码阅读器、POS系统、点钞机、IC卡输入设备、自动柜员机、各种银行外设等。各种家用电器（电视、冰箱、微波炉、电话等）的应用）在智能家电中将通过家庭通信、控制中心和连接实现远程控制、信息交互、在线娱乐、远程医疗和远程教育。
改造成智能网络电器，还可以实现远程医疗、远程教育等。 消费电子产品 后PC时代的消费电子产品应具备强大的网络和多媒体处理功能、简单易用的界面和丰富的应用功能，而这一切都依赖于嵌入式提供的强大的数字处理能力和简洁实用的功能系统。 嵌入式技术在消费电子产品中的应用包括数字电视机顶盒、录像机、数码相机、DVD、手机、掌上电脑、家庭网络设备等具有强大网络和多媒体处理能力的设备。 嵌入式操作系统 1、商业嵌入式实时操作系统 2、免费嵌入式实时操作系统 1、商业嵌入式实时操作系统 Palm：著名网络设备制造商 3COM 子公司 Palm Palm 的产品，主要用于对于PDA来说，市场份额更大。 •：1983年由美国公司设计开发的嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的可持续开发能力、高性能的内核和友好的开发环境。 其突出特点是可靠性好、实时性好、可定制性强。 支持多种处理器，如X86、i960、MIPS、Power PC等，目前市场占有率最高，广泛应用于通信、航空、军事等领域。 其缺点是支持的硬件相对较少，且源代码不开放，需要专门的技术人员进行开发和维护。
• pSOS：美国ISI公司，现已被该公司合并，主要用于网络通讯设备。 • : 和XP。 其中，CE是面向小容量、移动、智能、32位、互联设备的模块化实时嵌入式操作系统。 它为手持设备和无线设备的动态应用程序和服务提供了功能丰富的操作系统平台。 操作系统的基本内核至少需要200K的ROM。 CE是嵌入式的，但不是实时的。 它属于软实时操作系统。 目前，中国手机的研发也正在启动。 由于其背景原因，界面相对统一。 •：由诺基亚、西门子、索尼爱立信等大型移动通信设备制造商共同出资成立的合资公司，专门从事手机操作系统的研发。 2、免费嵌入式实时操作系统 • µC/OS-Ⅱ：公司开发的微控制器操作系统，由美国人Jean于1992年完成，可用于8位、16位、32位处理器。 其应用涵盖相机、医疗设备、音频设备、发动机控制等多个领域。 特点：开源代码、()、()、抢占式（总是运行最高优先级的就绪任务）、多任务、确定性、任务栈、系统服务、中断管理、稳定性和可靠性。
μC/OS-II可以管理64个任务，应用程序最多可以有56个任务，并提供以下服务：任务管理（任务创建、删除、任务挂起和唤醒、优先级切换等）、信号量、互斥信号量、消息队列、事件标志、时序管理、存储模块管理。 • 嵌入式Linux：是指经过小型化、剪裁后，可以固化在容量只有几百字节或几兆字节的存储芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。 Linux是一个开放的源代码，支持几乎所有的32位和64位CPU。 内核支持多种硬件，几乎所有硬件的驱动程序都可以在网上找到。 Linux内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高、易于定制和剪裁、价格极具竞争力。 Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持数十种其他CPU芯片。 • eCOS：该公司推出的小型实时操作系统（Real-Time），最小编译内核可小至10K，适合增强型和微型系统。 该系统与嵌入式Linux系统的区别在于，它使操作系统成为静态链接（ ），这样应用程序就可以通过该链接（ ）生成具有操作系统特性的应用程序。
eCOS的全称是eCOS，是一个开源、免版税的实时操作系统。 该操作系统是为嵌入式系统和应用程序设计的，因此它使用单个进程1)和多个执行线程。 实施。 Linux 操作系统 Linux 发展历史 Linux 发行版 Linux 系统特点与组成 Linux 发展历史 • 1991 年，他用汇编语言编写了 Linux 系统的第一个内核 Linux。 • 1994年3月，Linux版本发布。 • Linux版本之后，Linux已经可以运行在Intel、Sun Sparc等处理器上。 • 从1998年开始，许多商业公司也加入了Linux开发阵营，因此出现了许多新版本，例如Red Hat、Suse等。 • 目前，Linux 内核由超过 150 万行代码组成，Linux 已经拥有超过 1000 万用户。 Linux内核GNU/带有GNU工具的Linux已经占据了100%的市场。 一些公司将内核、应用程序和安装软件打包来生产 Linux 发行版。 • Linux发行版（micro--Linux）：Lineo的旗舰产品，优秀的嵌入式Linux版本，开源嵌入式Linux的典范。
它主要针对目标处理器没有内存管理单元MMU（Unit）的嵌入式系统而设计。 目前已成功移植到多个平台。 由于没有MMU，其多任务的实现需要一定的技巧。 与标准Linux相比，它采用实内存管理策略，而标准Linux则利用CPU硬件的支持来实现虚拟内存机制。 • ：由嵌入式Linux行业主要厂商之一Luneo推出，是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux发行版。 提供超过25种Linux系统服务，包括Web服务器等。 系统至少需要 8MB RAM、3MB ROM 或快速闪存。 基于Linux内核，已成功移植到Intel x86及处理器系列。 与其他 Linux 发行版一样，它是免费的。 Luneo还发布了另一个重要的软件产品，它允许在CE上运行的程序在CE上运行。 Luneo还将计划推出开发和调试工具包、基于图形界面的浏览器等。 可以说，它是一个完整的嵌入式Linux解决方案。 • ：由网虎推出，主要开发者为陈英豪。
加入网虎几个月后，他开发了世界上最小的基于. 核心采用“超级字符集”专利技术，使得Linux核心不仅兼容标准字符集，而且覆盖12个国家和地区的字符集。 因此，在推动Linux的国际应用方面具有得天独厚的优势。 •：由该公司为其新产品“VR3 PDA”采用嵌入式Linux操作系统。 它可以提供跨操作系统的统一、标准化、开放的信息通信基础设施，并在此结构上实现端到端解决方案的完整平台。 资源框架开放，通用的软件结构可以为所有用户提供一致的服务。 平台将用户的注意力从设备、平台和网络上移开，开创了信息技术的新时代。 在 中，这称为定制信息交换 (CIE)，或者提供和访问根据每个用户的需求定制的“主题”信息的能力，无论使用什么设备。 • ：公司推出的操作系统代码是开放的，根据GUN通用公共许可证（GPL）发布，可以从网站下载。
该公司的名字叫“”。 “”这个名字源自日语中的“绿色”一词，用于反映其 Linux 操作系统的环保外观。 • ：该系统定位为易于使用和配置的发布版本，目标是使使用环境与最终用户的办公环境融为一体，易于安装、使用和管理。 它有望成为最受公司和团体欢迎的桌面Linux操作系统，适合初学者。 对于学术用途，所有安装都需要 1GB 硬盘空间。 • SuSE：SuSE是欧洲最流行的Linux发行版，SuSE是软件国际化的先驱，使软件支持多种语言，做出了巨大的贡献。 SuSE也使用RPM作为软件安装管理程序，但SuSE不适合新手。 提供了很多工具和软件，都需要硬盘空间来安装，安装过程也比较复杂。 • ：它是日本制造的Linux 发行版。 其最大的特点是以日文版、中文简繁体版、英文版三种形式发布。 安装的难易程度和系统设置的难度与红帽类似，而且安装界面是汉化的，系统本身支持简体中文，在中国拥有庞大的用户群。 • 红旗嵌入式Linux：北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式Linux是国内精心制作的嵌入式操作系统。 界面非常漂亮，安装也比较简单。 新版本逐渐屏蔽了一些底层操作，适合新手。
目前，中科院计算技术研究所研发的开源嵌入式操作系统Easy OS（EEOS）也开始进入实用阶段。 该嵌入式操作系统主要支持p-Java。 一方面，系统目标是小型化，另一方面，可以重用Linux驱动程序和其他模块。 依托中科院计算技术研究所强大的科研力量，EEOS有望发展成为功能齐全、稳定可靠的国产嵌入式操作系统平台。 Linux系统的特点和构成 • 1.开放性 • Linux是开源和自由软件的代表，遵循开放系统互连（OSI）国际标准。 作为自由软件，Linux 是开源的，免费向外界提供。 用户可以根据自己的需要自由修改、复制和分发程序的源代码，并发布到互联网上。 • 2. 多用户、多任务环境 • 所谓多用户，是指系统资源可以由不同的用户使用，每个用户对自己的资源（如文件、设备）有特定的权限，而不影响各自的资源。其他。 多任务是现代计算机的主要特征，是指计算机同时执行多个程序，并且每个程序相互独立运行。 • 3.良好的用户界面 • Linux 为用户提供了两种类型的界面，即字符界面和图形界面。 在配置较差的计算机中，可以优先使用字符界面。 此时，系统管理员通过在字符界面中输入相关控制和配置命令来控制操作系统。 要在字符界面下进行操作，需要操作者记住Linux的相关指令（多达数千条）。
• 4. 设备独立性 • 所谓设备独立性是指Linux 操作系统将所有外部设备视为文件。 在使用这些外部设备之前，只要安装了这些设备的驱动程序，以后就可以像访问系统中的文件一样访问这些设备，而无需知道这些设备在系统中的具体存在形式。 • 5. 丰富的网络功能 • 提供丰富的网络功能是Linux的一大特点，因为Linux是依靠互联网而快速发展的。 Linux安装包中包含了大量的网络功能软件。 • Linux内置TCP/IP协议，支持，这是它的网络功能之一。 此外，Linux还免费提供了大量支持的软件，用户可以使用Linux通过网络与世界上的其他人进行交流。 • 6. 卓越的速度性能 • Linux 系统可以连续运行数月甚至数年而无需启动。 与NT（死）相比，这个表现尤为突出。 • 7. 可靠的系统安全性 • Linux 系统采用了多种安全技术措施，包括读写访问控制、子系统保护、审计跟踪等。 8、可移植性好 Linux系统核心的源代码只有不到10%是用汇编语言编写的，其余都是用C语言编写的，可以很容易地从一种硬件平台移植到另一种硬件平台，使其仍然能够按照自己的方式运作。
• Linux 系统通常有四个组件：内核、shell、文件系统和应用程序。 • Linux 内核：内核是操作系统最基本的组成部分，为应用程序访问硬件提供服务。 • Linux Shell：Shell 是系统的用户界面，提供用户与内核之间的交互界面。 Shell是一个命令解释器，它接收并解释用户输入的命令并将其发送给内核。 • Linux 文件系统：文件系统是在磁盘等存储设备上存储文件的组织方法。 Linux支持多种当前流行的文件系统，如EXT2、EXT3、FAT、VFAT等。 • Linux 应用程序：标准Linux 系统具有称为应用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语言、X、办公套件、工具、数据库等。 ARM处理器平台介绍 ARM处理器介绍 ARM体系结构介绍 ARM微处理器系列 ARM处理器应用领域及特点 ARM微处理器结构 ARM微处理器应用选型 ARM处理器介绍 • ARM（RISC）是一种嵌入式微处理器，也可以认为是一个公司的名称，它1990年11月在英国剑桥成立。 • ARM处理器文档丰富、速度快、功耗低、价格低。 目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，俗称ARM微处理器，已广泛应用于工业控制和消费电子领域。 产品覆盖通信系统、网络系统、无线系统、安防系统等产品市场。
• ARM 是一家专门从事基于RISC 技术的芯片设计和开发的公司。 作为知识产权供应商，其本身并不直接从事芯片生产。 它依靠合作公司转让设计许可来生产独特的芯片。 ARM 体系结构介绍 • ARM 微处理器的工作状态 • ARM 微处理器一般有两种工作状态，并且可以在两种状态之间切换。 第一个是ARM状态，处理器执行32位字对齐的ARM指令； 第二个是 Thumb 状态，处理器执行 16 位、半字对齐的 Thumb 指令。 • ARM 体系结构的存储格式 • ARM 体系结构可以以两种方式存储字数据，即大端格式和小端格式。 • Big- 格式：在此格式中，字数据的高字节存储在低地址，字数据的低字节存储在高地址。 • - 格式：与big- 存储格式相反，- 存储格式中，字数据的低地址存储在低字节中，高地址存储在字的高字节中数据。 • ARM 处理器模式 • ARM 微处理器支持7 种操作模式，它们是： • 用户模式(usr)：ARM 处理器的正常程序执行状态。 • 快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理。 • 外部中断模式(irq)：用于一般中断处理。 • 管理员模式(svc)：操作系统使用的保护模式。 • 数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储和存储保护。
• 系统模式(sys)：运行特权操作系统任务。 • 定义指令中止模式（und）：执行未定义指令时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。 • ARM 指令集 • 程序的启动从ARM 指令集开始，包括所有异常中断都自动转为ARM 状态，并且所有指令都可以有条件执行。 • ARM 指令集是Load/Store 架构，只能通过Load/Store 指令访问系统内存，而其他指令则基于处理器内部的寄存器操作来完成。 • ARM 指令集以32 位二进制代码的形式给出，大部分指令代码定义了每条指令的第一操作数、第二操作数、目的操作数、条件标志影响位以及对应的差异。 实现该功能的二进制位。 ARM指令根据CPSR中的条件位自动判断是否执行该指令。 当条件满足时，执行该指令，否则忽略该指令。 ARM微处理器系列 • ARM7微处理器系列 • ARM7系列微处理器是低功耗的32位RISC处理器，最适合对价格和功耗要求较高的消费类应用。 ARM7微处理器系列具有以下特点： • 内嵌ICE-RT逻辑，方便调试和开发。 • 极低功耗，适合对功耗要求较高的应用，例如便携式产品。 • 能够提供
