嵌入式系统及应用开发概述谭会生.ppt

1,第1章 嵌入式系统及应用开发概述,1.1 嵌入式系统的定义及特点 1.2 嵌入式系统的发展及应用1.3 嵌入式系统的总体组成 1.4 常用的嵌入式处理器 1.5 常用的嵌入式操作系统 1.6 嵌入式系统的设计方法 1.7 嵌入式系统的应用开发 1.8 嵌入式系统的学习探讨习题,2,第1章 嵌入式系统及应用开发概述,本章概括地阐述了嵌入式系统及应用开发的基本概念、基础知识、基本方法等，包括嵌入式系统的定义、发展应用、总体组成、常用的嵌入式处理器、常用的嵌入式操作系统、嵌入式系统的设计方法、嵌入式系统的设计开发和嵌入式系统的学习探讨等内容。,3,11 嵌入式系统的定义及特点,111 嵌入式系统的定义 IEEE的定义：嵌入式系统是用来控制、监控或者辅助操作机器、装置、工厂等大规模系统的设备。我国通常定义：嵌入式系统（Embedded System）就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素。具体地讲，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，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。,4,112 嵌入式系统的特点,1嵌入式系统是专用的计算机系统2嵌入式系统须满足系统应用环境的要求3嵌入式系统需满足对象系统的控制要求4嵌入式系统是一个知识集成应用系统5嵌入式系统具有较长的应用生命周期6嵌入式系统软件固化在非易失性存储器中7多数嵌入式系统具有实时性要求8嵌入式系统设计需专用的开发环境和工具,5,12 嵌入式系统的发展应用,1嵌入式系统发展的4 个阶段 1）以单片机为核心的低级嵌入式系统 主要特点是系统结构和功能单一，处理效率不高，存储容量较小，用户接口简单或没有用户接口，但它使用简单，成本低廉。2）以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统 主要特点是处理器种类多，通用性较弱；系统效率高，成本低；操作系统具有兼容性、扩展性，但用户界面简单。3）以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统 主要特点是嵌入式系统能运行于各种不同嵌入式处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目录管理、多任务功能，支持网络、具有图形窗口以及良好的用户界面；具有大量的应用程序接口，嵌入式应用软件丰富。,121 嵌入式系统的发展,6,4）以Internet 为标志的高级嵌入式系统 目前嵌入式系统大多孤立于Intemet，随着网络应用的不断深入，随着信息家电的发展，嵌入式系统的应用必将与Internet 有机结合在一起，成为嵌入式系统发展的未来。基于32位/64位微处理器的嵌入式系统的优点：芯片内外资源丰富，硬件系统简单；可运行各种操作系统，降低了复杂系统应用程序开发的难度；可运行多种操作系统，应用程序开发难度降低，系统人机界面友好；系统数据处理能力强，控制精度高；有成熟的开发工具，丰富的开发资源和资料；32位/64位的嵌入式系统的开发人群不断增多，有助于降低企业项目开发成本、保持开发的连续性。,7,2嵌入式系统的发展趋势 1）嵌入式系统结构将更加复杂，硬件向集成化发展，软件将逐渐PC化 2）嵌入式系统的小型化、智能化、网络化、可视化、微功耗和低成本 3）不断改善人机交互的手段，提供精巧的多媒体人机界面 4）云计算、可重构、虚拟化等技术被进一步应用到嵌入式系统 5）嵌入式软件开发平台化、标准化、系统可升级，代码可复用将更受重视 其中：云计算（Cloud）是将计算分布在大量的分布式计算机上，这样我们只需要一个终端，就可以通过网络服务来实现所需要的计算任务，甚至是超级计算任务。可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或（和）软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构或算法进行重新配置（或重新设置）。虚拟化是指计算机软件在一个虚拟的平台上而不是一个真实的硬件上运行。,8,嵌入式系统具有非常广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业、提升多领域技术水平的有力主具，可以说嵌入式系统无处不在。其主要应用领域包括智能产品（智能仪表、智能和信息家电）、工业自动化（测控装置、数控机床、数据采集与处理）、办公自动化（通用计算机中的智能接口）、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用（电子秤，POS 机，条码识别机）、安全防范（防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网络通信（路由器、网关、手机、PDA、无线传感器网络）、汽车电子与航空航天（汽车防盗报警器、汽车和飞行器黑匣子）以及军事等各个领域，如图11 所示。,122 嵌入式系统的应用,9,图11 嵌入式系统的应用领域,10,13 嵌入式系统的总体组成,图12 基于控制领域的典型嵌入式系统,11,131 嵌入式系统的硬件,图13 典型的嵌入式系统硬件组成,12,1中间层程序 中间层程序主要为上层软件提供了设备的操作接口，它包括硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）、板级支持包（Board Support Package，BSP）以及设备驱动程序。1）硬件抽象层 硬件抽象层就是通过程序来控制处理器、I/O接口以及存储器等所有硬件的操作，这样使系统的设备驱动程序与硬件设备无关，提高了系统中的移植性。它包括相关硬件的初始化、数据的输入/输出操作、硬件设备的配置等操作。2）板级支持包 板级支持包主要是实现对嵌入式操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包。BSP实现的功能主要有：系统启动时对硬件初始化；为驱动程序提供访问硬件的手段，Boot Loader便属于此类。,132 嵌入式系统的软件,13,3）设备驱动程序 设备的驱动程序为上层软件提供调用的操作接口。驱动程序除了实现本的功能函数外（初始化、中断响应、发送、接收等），还具备完善的错误处理函数。2嵌入式操作系统 嵌入式操作系统在复杂的嵌入式系统中发挥着非常重要的作用，有了嵌入式操作系统，进程管理、进程间的通信、内存管理、文件管理、驱动程序、网络协议等方可实现。3应用软件层 应用软件是在嵌入式操作系统支持下通过调用API函数，结合实际应用编制的用户软 件。如抄表系统的软件、掌上信息查询软件等。,14,嵌入式微处理器（Embedded Microcomputer Unit，EMPU）、嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit，EMCU）嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）嵌入式可编程片上系统（System On a Programmable Chip，SOPC)。,14 常用的嵌入式处理器,141 嵌入式处理器的种类,15,1嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是由PC中的CPU演变而来的，与通用PC的微处理器不同的是，它只保留了与嵌入式应用紧密相关的功能硬件。典型的EMPU有Power PC、MIPS、MC68000、i386EX、AMD K6 2E以及ARM等，其中ARM是应用最广、最具代表性的嵌入式微处理器。2嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其内部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、总线、总线逻辑、定时器、看门狗、I/O接口等各种必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。3嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号处理器（DSP）是专门用于数字信号处理的微处理器，在系统结构和指令算法方面经过特殊设计，因而具有很高的编译效率和指令执行速度。典型的EDSP有TMS32010系列、TMS32020系列等。,16,4嵌入式片上系统 SOC是一个集成的复杂系统，它一般将一个完整的产品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上，其中可能包括处理器CPU、存储器、硬件加速单元、与外围设备的接口I/F，模数混合放大电路，甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器的片内嵌入了操作系统。由于片上系统绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性和设计生产效率。5嵌入式可编程片上系统 可编程片上系统SOPC 是一种基于FPGA的可重构SOC，它集成了硬IP核或软IP核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，是更加灵活、高效的SOC解决方案。SOC与SOPC的区别：SOC是专用集成系统，设计周期长，设计成本高，SOPC是基于FPGA的可重构SOC，是一种通用系统，设计周期短，设计成本低。,17,英国ARM（Advanced RISC Machines）公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生（在美国VLSI公司制造）。目前，ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本应用领域中占据领先地位。ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，它为ARM架构处理器提供了ARM处理器内核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM处理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），由各半导体公司（ARM公司合作伙伴）在上述处理器内核或处理器宏核基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种嵌入式微处理器（EMPU）或嵌入式微控制器（EMCU）。,142 典型ARM微处理器系列,18,ARM处理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E为4个通用嵌入式微处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的要求，有多个厂家生产；SecurCore系列则是专门为安全性要求较高的场合而设计的；Strong ARM是Intel公司生产的用于便携式通信产品和消费电子产品的理想嵌入式微处理器，应用于多家掌上电脑系列产品；Xscale是Intel 公司推出的基于ARMv5TE体系结构的全性能、高性价比、低功耗的嵌入式微处理器，应用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Cortex-A8处理器是第一款基于下一代ARMv7架构的应用处理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb-2技术。,19,图1.4 基于ARM核的典型嵌入式处理器系列,20,143 典型ARM微处理器简介 1S3C44B0X微处理器简介 S3C44B0X是三星公司专为手持设备和一般应用提高的高性价比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微处理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用025um制造工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器，它耗能低、精简及出色的全静态设计非常适用于对成本和功耗要求较高的场合。为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片中还集成了若干部件，主要包括8KBCache（数据/指令）、内部SRAM、外部储存器控制器、LCD（Liquid Crystal Display）控制器、4个DMA通道、带自动握手的2通道UART、一个多主I2C（Inter Integrate Circuit）总线控制器、1个I2S（Inter Integrate Circuit Sound Bus）总线控制器、5通道PWM定时器、一个看门狗定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、具有日历功能的实时时钟RTC、8通道10位A/D转化器、1个SIO接口以及PLL（锁相环）时钟发生器。S3C44B0X采用新型的总线结构，即三星ARM CPU嵌入式微处理器总线结构SAMBA II。,21,2S3C2410X/S3C2440X微处理器简介 S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微处理器，它与基于ARM7的S3C44B0X的最大区别在于，S3C2410X/S3C2440X内部带有全性能的内存管理单元（MMU），适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富及体积小等优良特性。S3C2410X/S3C2440X提供了丰富的内部设备：如双重分离的16KB的指令缓存和16KB的数据缓存、MMU虚拟存储器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系统引导、外部存储控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O端口、定时器、8通道10位A/D转换器、触摸屏接口、I2C总线接口、USB主机、USB设备、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及内部PLL时钟倍频器。,22,3LPC2000系列嵌入式微控制器简介 LPC2000系列嵌入式微控制器是基于ARM7TDMI-S CPU内核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。该系列微控制特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。有关其系列产品的主要信息见表11。4AT91系列嵌入式微控制器简介 美国Atmel AT91系列微控制器是基于ARM7TDMI（有的基ARM920T）的嵌入式微处理器的16/32位微控制器，是目前国内市场应用最广泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和实时控制应用领域，它们已成功应用在工业自动化控制、MP3/WMA播放器、数据采集产品、BP机、POS机、医疗设备、GPS和网络系统产品中。AT91系列微控制器为工业级芯片，价格比较便宜。基于ARM技术的Atmel微控制器为AT91系列，其中有几种类型，AT91RXXXX和AT91MXXXX（内部带有RAM，但没有程序存储器类型）、AT91RMXXXX（内部带有RAM，有ROM类型），AT91FRXXXX（内部带有RAM，有Flash程序存储器类型）。,23,5XScale微体系结构微处理器简介 Intel XScale微体系结构提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于ARMv5TE体系结构的解决方案，支持16位Thumb指令和DSP扩充。基于XScale技术开发的微处理器，可用于手机、便携式终端（PDA）、网络存储设备及骨干网（BackBone）路由器等。Intel PXA250微处理器芯片就是一款集成了32位Intel XScale微处理器核的应用处理器。6STR710F系列嵌入式处理器简介 STR710F系列嵌入式处理器产品是意法半导体有限公司（STMicroelectronics）生产的工业标准的ARM7TDMI 32位RISC CPU为内核，特别适用于需要尺寸紧凑、CPU功能强大的嵌入式系统和可升级的解决方案，如用户界面要求高的系统、工厂自动化系统和销售点（POS）应用等。,24,嵌入式操作系统（Operating System，OS）是支持嵌入式系统工作的操作系统，它负责嵌入式系统的全部软、硬件资源分配、调度、控制和协调等活动，它是嵌入式应用软件的开发平台，用户的其它应用程序都建立在嵌入式操作系统之上。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它使得嵌入式系统的开发效率大大提高，系统开发的总工作量大大减少，并且极大地提高了嵌入式软件的可移植性。为了满足嵌入式系统的要求，嵌入式操作系统必须包含操作系统的一些最基本的功能，用户可以通过API函数来使用操作系统。嵌入式操作系统具有编码体积小、面向应用、实时性强、可移植性好、可靠性高以及专用性强等特点。,15 常用的嵌入式操作系统,151 嵌入式操作系统及其特点,25,1Linux Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，它得名于计算机业余爱好者Linus Torvalds。目前存在着许多不同的Linux，但它们都使用了Linux内核。Linux可安装在各种计算机硬件设备中，从手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。一些流行的主流Linux发行版，包括Debian（及其派生物Ubuntu），Fedora和openSUSE等。2C/OS-II C/OS-II是一个可裁剪、源代码开放、结构小巧、抢先式的实时嵌入式操作系统，主要用于中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能好和可扩展性强等优点。该操作系统支持多达64个任务，大部分嵌入式微处理器均支持C/OS-II。,152 几种常用嵌入式操作系统,26,3Windows CE Microsoft Windows CE是Microsoft公司产品，是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。该操作系统的基本内核至少需要200 KB的ROM。从游戏机到现在大部分的掌上电脑都采用了Windows CE作为操作系统，其缺点是系统软件价格过高，影响整个产品的成本控制。4 VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高、精、尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。但大多数的VxWorks API是专用的，VxWorks的价格昂贵。,27,5 pSOS pSOS是ISI公司研发的产品。pSOS是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供了一个完全多任务环境，在定制的或商业的硬件上具有高性能和高可靠性。6 Palm OS 3COM公司的Palm OS在掌上电脑和PDA市场上占有很大的市场份额。它有开放的操作系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需的应用程序。在开发环境方面，可以在Windows和Macintosh下安装 Palm Pilot Desktop。7QNX QNX是由加拿大QSSL公司开发的分布式实时操作系统。该操作系统既能运行于以Intel X86、Pentium等CPU为核心硬件环境下，也能运行于以PowerPC、MIPS等CPU为核心的硬件环境。它广泛应用于自动化、控制、机器人科学、电信、数据通信、航空航天、计算机网络系统、医疗仪器设备、交通运输、安全防卫系统、POS机、零售机等任务关键型应用领域。,28,8苹果iOS iOS是由苹果公司为iPhone开发的操作系统。它是以Darwin为基础的，主要是给iPhone、iPod touch以及iPad使用。原本这个系统名为iPhone OS，直到2010年6月7日WWDC大会上宣布改名为iOS。iOS的系统架构分为四个层次：核心操作系统层、核心服务层、媒体层、可轻触层。系统操作占用大概240MB的存储器空间。9Android Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统，主要使用于便携设备。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，最初主要支持手机。2005年由Google收购注资，并拉拢多家制造商组成开放手机联盟开发改良，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。2010年末数据显示，仅正式推出两年的操作系统的Android已经超越称霸十年的诺基亚Symbian系统，跃居全球最受欢迎的智能手机平台。,29,16 嵌入式系统的设计方法,1嵌入式微处理器及操作系统的选择 嵌入式微处理器可谓多种多样，品种繁多，而且都在一定领域应用广泛。在嵌入式系统上运行的操作系统也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、Windows CE等，即使在一个公司之内，也会同时使用好几种处理器，甚至几种嵌入式操作系统。2开发工具的选择 目前用于嵌入式系统设计的开发工具种类繁多，不仅各种操作系统有各自的开发工具，在同一系统下开发的不同阶段也使用不同的开发工具。3对目标系统的观察与控制 要使系统能正常工 作，软件开发者必须要对目标系统具有完全的观察和控制能力，如硬件的各种寄存器、内存 空间，操作系统的信号量、消息队列、任务、堆栈等。,161 嵌入式系统的总体考虑,30,162 嵌入式系统的设计步骤,图15嵌入式系统设计的一般流程,31,163 嵌入式系统的设计方法,图16 单片机系统和嵌入式系统的开发流程比较,32,图17 传统嵌入式系统设计方法和嵌人式系统的软硬件协同设计方法的比较,软硬件协同设计方法与传统设计相比有2个显著的特点：描述软、硬件使用统一的表示形式；硬、软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。,33,嵌入式系统的开发环境一般由三个部分组成：宿主机、调试仿真器和目标机。其中宿主机用来完成源代码编辑、编译、显示一部分运行结果等，操作系统可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目标机就是用户嵌入式程序的运行环境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系统常用的有Linux、C/OS-II、Windows CE、Vxworks、等，或者根本没有操作系统。使用集成开发软件开发基于ARM的应用软件，可以完成系统软件的编辑、编译、汇编和链接等工作；通过调试仿真器可以在PC上实现对应用软件的调试；再使用烧写软件，将开发成功的应用系统从宿主机向目标机下载移植，从而完成整个开发过程。,17 嵌入式系统的应用开发,171 嵌入式系统的开发环境,34,图18 嵌入式系统的开发与调试环境示意图,35,1指令集模拟器 部分嵌入式系统集成开发环境提供了指令集模拟器，可方便用户在PC上完成一部分简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大，因此即使用户是用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，用户最终必须在硬件平台上完成整个应用的开发。2驻留监控软件 驻留监控软件（Resident Monitors）是一段运行在目标板上的程序，集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通信端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件发布命令，通知驻留监控软件控制程序执行、读/写储存器、读/写寄存器和设置断点等。驻留监控软件是一种比较低廉有效的调节方式，不需要任何其它的硬件调试和仿真设备。驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高。,172 嵌入式系统的调试工具,36,3JTAG仿真器 JTAG仿真器也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有的JTAG边界扫描口与ARM CPU核通信，它无需目标储存器，不占用目标端口的任何端口。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行的仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制、AC和DC参数不匹配、电线长度的限制等被最小化了。使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用最多的一种调节方式。4在线仿真器 在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为，提供更加深入的调试功能。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而价格比较昂贵。在线仿真器常用在ARM的硬件开发中，在软件的开发中使用较少，其价格昂贵也是在线仿真器难以普及的因素。,37,1非操作系统层次的应用 非操作系统层次的应用，主要是在一些结构简单的系统中或在实时性要求非常高的系统中，许多时候用于代替原来8位/16位单片机的应用。随着32位单片机成本的不断降低，其成本已与8位单片机相差无几。因此，非操作系统层次的应用也越来越广泛。2操作系统非GUI层次的应用 操作系统非GUI层次的应用，主要是指其应用程序建立在操作系统基础上，是为了实现程序的多任务及实时性，此类应用在人机交互方面没有很高的要求，可选择的操作系统有许多。3操作系统GUI层次的应用 操作系统GUI层次的应用，主要是为了方便实现人机交互功能、网络功能、数据库功能以及其它更复杂的应用。GUI层次的开发，除了借助于操作系统及GUI库强大的功能，更重要的是可以让程序开发人员把关注点集中在高层的目标与任务的实现中，使嵌入式系统应用的开发更简单，让开发速度及开发效率更高,173 嵌入式系统的应用模式,38,1需要交叉编译工具 嵌入式系统采用的处理器一般与PC不同，结构较简单，功耗较低。由于嵌入式系统目标机上的资源较为有限（内存外存容量小，显示功能弱），直接在目标机上开发和调试应用软件几乎不可能。因此，目标机的嵌入式应用软件开发需要放在高性能计算机上的集成开发环境上进行，由于PC的大量普及和使用，现在的嵌入式集成开发环境也大多运行在PC上。需要交叉编译工具的另一个原因是嵌入式系统处理器芯片的指令系统与PC处理器芯片的指令系统不同。一般情况下，PC的处理器芯片是X86芯片，使用的指令系统是X86指令系统，而ARM9芯片运行的是ARM指令系统，两者有很大差别。因此，用ARM ADS集成开发环境编写的C语言程序需要经过交叉编译器才能生成运行在目标机上的ARM9机器语言程序。,174 嵌入式应用软件的开发,39,2 通过仿真手段进行调试 目标机执行程序经过交叉编译后，还要经过调试排错，确认能够正常运行才能使用。那么如何进行调试排错呢？显然在目标机上调试排错是非常困难的。原因是输入输出方式较少，多数嵌入式系统显示面积小，甚至没有显示屏，从而无法显示调试信息；调试工具需要较大存储空间，对嵌入式系统来说，比较困难。但对于台式机而言，这些条件很容易满足。因此，通常的调试也是在PC上完成的，方式就是仿真调试。3目标机是最终的运行环境 对嵌入式应用程序来说，其开发、调试往往是在PC上完成的，但它最终的运行环境是目标机。嵌入式应用程序开发调试完成后，要下载到目标机上运行，正确无误运行后才表示成功。如果不成功或需要进一步完善，则需重新 回到PC上运行修改调试。,40,4执行应用程序的指令通常写入操作系统 在常用的嵌入式系统中，应用程序的启动执行指令通常需要预先写入操作系统的任务调度程序里，编辑在目标程序中。因此，嵌入式应用程序许与操作系统有一定联系，开发者不仅要了解应用程序，也要了解操作系统，知道如何让一个应用程序执行。5系统资源有限 在进行嵌入式应用软件的开发时，就必须考虑可用资源问题。以存储容量为例，嵌入式系统的ROM容量一般只有几兆字节，对目标程序有严格的长度限制，这样程序员在编程时就必须考虑这个限制。6控制特定部件 在嵌入式应用软件开发过程中，程序员往往需要针对特定的部件做更加细致的编写作业。,41,嵌入式系统的设计与开发，就是利用嵌入式微处理器/微控制器内部的特定资源和扩展的外部资源，来设计和开发特定的目标系统。对于基于ARM+Linux嵌入式系统的学习，初步具备从事ARM嵌入式系统应用开发的能力，作者认为应掌握ARM嵌入式系统的硬件结构与工作原理、程序设计语言、Linux开发环境的构建、Linux操作系统的移植和开发工具的使用，ARM+Linux嵌入式系统的设计与开发方法，包括嵌入式系统的设计方法、ARM处理器芯片的选择、嵌入式系统应用与接口设计、嵌入式设计开发平台的使用等内容。同时应熟悉与嵌入式系统开发相关的有关领域知识。增多，有助于降低企业项目开发成本、保持开发的连续性。,18 嵌入式系统的学习探讨,181 嵌入式系统的学习内容,42,要学好嵌入式系统及其开发应用，首先必须掌握嵌入式系统技术基础。嵌入式系统技术基础是进行嵌入式设计和开发的关键。技术基础决定了一个人学习知识、掌握技能的能力。其次，对于嵌入式系统的学习，必须要有一个较好的嵌入式系统开发平台和开发环境。功能全面的开发平台一方面为学习提供了良好的开发环境，另一方面开发平台本身也是一 般的典型实际应用系统。最后，对于嵌入式系统的学习，必须要有一个较好的教师指导，并选用几本好的教材，采用合适、有效的学习方法。嵌入式技术，内容新颖，综合性强，实践性强，实际应用发展前景广阔。因此需要理论与实践相结合，课内与课外相结合，研究性学习与课题开发相结合。在具备嵌入式系统及其开发应用的基础知识和基本技能后，进行课题的设计开发时一个非常有效的方法。,182 嵌入式系统的学习条件,43,学习嵌入式系统，应采用课堂教学与课后研究探讨自学相结合，理论学习与实践应用相结合的方法，研究性教学与课题开发相结合。其中应用设计与开发实践则是熟悉和掌握嵌入式系统原理和应用开发技巧的最好方法。利用ARM嵌入式系统开展本科生研究性教学，它具有以下优点：技术先进，社会急需，综合性强，创新性强，成本低廉。为了描述基于ARM嵌入式系统的研究性教学的研究背景、主要研究目标、主要研究内容以及主要研究期望，图1.9给出了基于ARM嵌入式系统的研究性教学模型。,183 嵌入式系统的学习方法,44,图1.9 基于ARM嵌入式系统的研究性教学模型,45,1.利用ARM嵌入式系统开展研究性教学的研究内容（1）ARM嵌入式系统设计开发基础研究：主要包括ARM器件结构；ARM汇编语言；C/C+语言；操作系统移植；应用程序开发；驱动程序开发等嵌入式系统设计与实现基础理论、基本方法、基本工具的学习与使用。（2）ARM嵌入式系统设计与生实现相关研究：主要是与课题设计与实现有关的数字信号处理、数字图像处理、工业智能控制、网络通信控制、数字家电控制等基础理论、实现算法和系统仿真等研究，重点是实现算法的设计、选择和仿真。（3）基于ARM的嵌入式系统设计与实现：主要包括系统设计需求分析；ARM实现硬件设计；ARM操作系统移植；ARM应用程序设计；ARM驱动程序设计；ARM系统组装与调试。,46,2.基于ARM嵌入式系统开展研究性教学的主要形式 基于ARM嵌入式系统开展研究性教学的主要形式，包括组建ARM嵌入式系统学习兴趣小组、课题系统设计与实现研究小组和选拨教师科研项目助理等，通过专题训练、分散研究、定期讨论、按需答疑、总结汇报等形式开展研究活动。3.基于ARM嵌入式系统的研究性教学的主要成效（1）熟练掌握ARM嵌入式系统基础理论、基本方法、基本技巧、调试方法和调试技巧。（2）熟练掌握与ARM嵌入式系统设计开发课题相关的基础理论、基本方法、基本技巧。（3）全面提高学生的综合应用能力、实践动手能力、创新创业能力和就业核心竞争力 通过研究性学习训练的学生，不但具有良好的参考文献查找能力、分析利用和文档处理能力，同时学生的综合应用能力、实践动手能力、创新创业能力大为提高，就业核心竞争力显著提高，80%的学生毕业时均能找到从事嵌入式系统设计与开发的工作，并且工资待遇也相当不错。,47,习题11 什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？2 简述嵌入式系统的发展阶段及特点3 简述嵌入式系统的发展趋势。4 嵌入式系统有哪些组成部分？各部分的功能和作用是什么？5 简述嵌入式处理器的分类及各自的主要特点。6 写出EMPU、EMCU、EDSP、SOC和SOPC的全称，并解释其含义。7 简述典型的嵌入式微处理器和微控制器的系列及应用领域。8 简单分析几种嵌入式操作系统的主要特点，包括嵌入式Linux，Windows CE，C/OS-II及VxWorks。9嵌入式系统的应用模式有哪几种？各有什么有缺点？10简述嵌入式系统的总体设计应考虑哪些因素。11简述嵌入式系统的开发环境的组成，解释其中的基本概念。12简述嵌入式系统的调试方法。13简述嵌入式系统的设计方法和嵌入式系统的设计步骤。14简述嵌入式应用软件的开发的特点。,