第一章嵌入式系统基础
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1.3嵌入式操作系统（RTOS）
在嵌入式系统中，为了及时有效的处理一些事件，通常需要在嵌入式处理器上运行实时多任务操作系统来进行可靠的管理。
目前世面上的嵌入式实时操作系统也很多，各有应用，各具特色，较典型、通用的有：嵌入式Linux、μCLinux、Windows Embedded CE、Windows Embedded Compact 7、μC/OS-II、μC/OS-III、VxWorks、eCos等。
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
在我国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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。
我国嵌入式的发展起步较晚，1990年世界召开首届EmbeddedRTOS在物理学应用大会，2000年中国首届RTOS应用大会在京举行，之后才迅速得到发展，经过近十年的发展，取得了突飞猛进的成果。
1.1.2嵌入式系统的组成
通常意义上的嵌入式系统是由嵌入处理器、外围硬件设备、实时操作系统、应用软件组成。如图1.1所示。
2011年发布了最新的Windows Embedded Compact 7。Windows Embedded Compact 7为开发者、设计公司和原始设备制造商(OEM)提供一个功能强大的实时操作系统和全套工具，实现整合、简化的开发体验，缩短设备的上市周期。
4.VxWorks
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛，市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX(可移植操作系统接口)规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至町以微缩到8 KB。
1.1.1嵌入式系统的定义
随着电子信息科学的飞速发展，近年来“嵌入式系统”这一名词迅速升温，受到电子工程师的热捧，无不为之而倾注大量心血研究。那么究竟什么是嵌入式系统，如何来定义它？
嵌入式系统本身是一个相对模糊的概念。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、农业以及其它产业，小到鼠标，大到飞机大炮，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。
由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、PIC系列、AVR系列、ARM Cortex-M3、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列，目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。
3.DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
1.嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMP）
嵌入式微处理器是最初的单片机基础之上演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Power PC、68000、MIPS、ARM、Atom、Am186/88、386EX、SC-400系列等。
国内不少老前辈也对嵌入式系统的定义做了充分的论证说明，为学习嵌入式系统的学者提供了良好的参考。嵌入式系统诞生至今，已走过了30多个年头，上世纪70年代初微处理器诞生后，在微处理器基础上先后诞生了单片机与通用计算机。计算机界力图将通用计算机用于对象的智能化控制，便有通用计算机系统与嵌入式计算机系统的分类。嵌入式系统一词来源于嵌入式计算机系统。
第一章嵌入式系统基础
教学目标
通过本章的学习，要理解嵌入式系统的定义及应用领域；掌握嵌入式系统的组成结构；了解目前世面上较典型的嵌入式处理器以及嵌入式实时操作系统的应用、优缺点。
本章讲述了三部分内容：其一，嵌入式系统的定义及组成；其二，典型嵌入式处理器；其三，嵌入式实时操作系统。
1.1嵌入式系统的定义及组成
2.微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了30多年的历史，但这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设，并且有支持I2C、CAN-Bus、以太网、USB、LCD及众多专用MCU和兼容系列。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。
目前最为广泛应用的是TI的TMS320CXXXX系列、ADI公司的产品ADI21XX系列、Motorola公司的DSP56000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
4.片上系统SoC（system on chip）
SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用HDL硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于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，提高了设计生产效率。
嵌入式系统实际是嵌入到特定对象中的集成微电子智能系统。定义中涵蓋了三个基本特点，即智能性、嵌入性与对象性。智能性表明所有嵌入式系统都有微处理器智力内核；嵌入性表明嵌入式系统没有独立存在价值；对象性表明嵌入式系统有一个特定的应用领域。
嵌入式系统有四大支柱学科，即微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象学科。微电子学科、计算机学科、电子技术学科是嵌入式系统知识平台的构建学科，对象学科是嵌入式系统知识平台的应用学科。对象学科囊括了众多的嵌入式系统应用领域，如自动控制、仪器仪表、工业控制、家用电器、医疗设备、通信设备等。
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器（1971年，Intel公司推出了4位微处理器4004），目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位、64位以及多核嵌入式CPU。
目前世面上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，可将其划分成：微处理器、微控制器、DSP处理器、片上系统SOC。
DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。
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，如火星探测器（1997年7月4日登陆火星表面）。
5.eCos
eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由小同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。
2.μC/OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家Jean J．Labrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC／OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。广泛应用于微处理器、微控制器、DSP、SOPC以及单片机等。
目前MicriΒιβλιοθήκη m公司提供嵌入式操作系统，组件和开发工具等软件产品，如μC/OS-II，μC/OS-III，μC/OS-MPU，μC/OS-MMU，μC/TimeSpaceOS，μC/TCP-IP，μC/GUI，μC/FS，μC/USB Device/Host，μC/CAN，μC/FL，μC/ModBus,，μC/Probe。
在嵌入式系统中，为了及时有效的处理一些事件，通常需要在嵌入式处理器上运行实时多任务操作系统来进行可靠的管理。
目前世面上的嵌入式实时操作系统也很多，各有应用，各具特色，较典型、通用的有：嵌入式Linux、μCLinux、Windows Embedded CE、Windows Embedded Compact 7、μC/OS-II、μC/OS-III、VxWorks、eCos等。
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
在我国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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。
我国嵌入式的发展起步较晚，1990年世界召开首届EmbeddedRTOS在物理学应用大会，2000年中国首届RTOS应用大会在京举行，之后才迅速得到发展，经过近十年的发展，取得了突飞猛进的成果。
1.1.2嵌入式系统的组成
通常意义上的嵌入式系统是由嵌入处理器、外围硬件设备、实时操作系统、应用软件组成。如图1.1所示。
2011年发布了最新的Windows Embedded Compact 7。Windows Embedded Compact 7为开发者、设计公司和原始设备制造商(OEM)提供一个功能强大的实时操作系统和全套工具，实现整合、简化的开发体验，缩短设备的上市周期。
4.VxWorks
VxWorks是美国WindRiver公司的产品，是目前嵌入式系统领域中应用很广泛，市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立、短小精悍的目标模块组成，用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统；提供基于优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能，内建符合POSIX(可移植操作系统接口)规范的内存管理，以及多处理器控制程序；并且具有简明易懂的用户接口，在核心方面甚至町以微缩到8 KB。
1.1.1嵌入式系统的定义
随着电子信息科学的飞速发展，近年来“嵌入式系统”这一名词迅速升温，受到电子工程师的热捧，无不为之而倾注大量心血研究。那么究竟什么是嵌入式系统，如何来定义它？
嵌入式系统本身是一个相对模糊的概念。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、农业以及其它产业，小到鼠标，大到飞机大炮，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。
由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、PIC系列、AVR系列、ARM Cortex-M3、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列，目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。
3.DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
1.嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMP）
嵌入式微处理器是最初的单片机基础之上演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Power PC、68000、MIPS、ARM、Atom、Am186/88、386EX、SC-400系列等。
国内不少老前辈也对嵌入式系统的定义做了充分的论证说明，为学习嵌入式系统的学者提供了良好的参考。嵌入式系统诞生至今，已走过了30多个年头，上世纪70年代初微处理器诞生后，在微处理器基础上先后诞生了单片机与通用计算机。计算机界力图将通用计算机用于对象的智能化控制，便有通用计算机系统与嵌入式计算机系统的分类。嵌入式系统一词来源于嵌入式计算机系统。
第一章嵌入式系统基础
教学目标
通过本章的学习，要理解嵌入式系统的定义及应用领域；掌握嵌入式系统的组成结构；了解目前世面上较典型的嵌入式处理器以及嵌入式实时操作系统的应用、优缺点。
本章讲述了三部分内容：其一，嵌入式系统的定义及组成；其二，典型嵌入式处理器；其三，嵌入式实时操作系统。
1.1嵌入式系统的定义及组成
2.微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了30多年的历史，但这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设，并且有支持I2C、CAN-Bus、以太网、USB、LCD及众多专用MCU和兼容系列。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。
目前最为广泛应用的是TI的TMS320CXXXX系列、ADI公司的产品ADI21XX系列、Motorola公司的DSP56000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
4.片上系统SoC（system on chip）
SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用HDL硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于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，提高了设计生产效率。
嵌入式系统实际是嵌入到特定对象中的集成微电子智能系统。定义中涵蓋了三个基本特点，即智能性、嵌入性与对象性。智能性表明所有嵌入式系统都有微处理器智力内核；嵌入性表明嵌入式系统没有独立存在价值；对象性表明嵌入式系统有一个特定的应用领域。
嵌入式系统有四大支柱学科，即微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象学科。微电子学科、计算机学科、电子技术学科是嵌入式系统知识平台的构建学科，对象学科是嵌入式系统知识平台的应用学科。对象学科囊括了众多的嵌入式系统应用领域，如自动控制、仪器仪表、工业控制、家用电器、医疗设备、通信设备等。
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器（1971年，Intel公司推出了4位微处理器4004），目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位、64位以及多核嵌入式CPU。
目前世面上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，可将其划分成：微处理器、微控制器、DSP处理器、片上系统SOC。
DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。
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，如火星探测器（1997年7月4日登陆火星表面）。
5.eCos
eCos(embedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由小同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。
2.μC/OS-II
μC／OS-II是在μC-OS的基础上发展起来的，是美国嵌入式系统专家Jean J．Labrosse用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC／OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。广泛应用于微处理器、微控制器、DSP、SOPC以及单片机等。
目前MicriΒιβλιοθήκη m公司提供嵌入式操作系统，组件和开发工具等软件产品，如μC/OS-II，μC/OS-III，μC/OS-MPU，μC/OS-MMU，μC/TimeSpaceOS，μC/TCP-IP，μC/GUI，μC/FS，μC/USB Device/Host，μC/CAN，μC/FL，μC/ModBus,，μC/Probe。
