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程序设计
嵌入式软件设计
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202X
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第一章 嵌入式系统概论
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PEPORT ON WORK
基本概念
嵌入式计算机系统是面对测控对象，嵌入到应用系统中的计算机系统的统称，简称嵌入式系统(Embedded System) 。
通用计算机系统主要满足海量、高速数值处理，兼顾控制功能；嵌入式计算机系统主要满足测控对象的控制功能，兼顾数值处理。
嵌入式系统概述
嵌入式计算机系统与通用计算机系统的主要区别
嵌入式计算机系统最显著的特点是面对工控领域的测控对象。控制对象对嵌入式计算机系统采集、处理、控制的速度要求是有限的，而对控制方式与控制能力的要求是无限的。
为了实现海量高速数值计算，通用计算机系统对计算机运行速度的要求是无限的，而对计算机的控制功能的要求是有限的。
在数字信号处理(DSP)领域的嵌入式系统也要求高速数据处理能力，在多媒体技术的外设管理领域的通用计算机系统也要求良好的控制能力。
根据英国电机工程师协会定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助某个设备、机器或工厂运作的装置。具备以下四项特性：
用来执行特定功能
以微电脑与周边外设构成核心
需要严格的时序和稳定性
全自动循环操作
目前国内普遍认同的定义是：嵌入式系统是以应用为核心，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。它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4个部分组成，用于实现控制、监视或管理等目标。
什么是嵌入式系统
嵌入式系统的特点
嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、特定应用的。嵌入式CPU与通用计算机CPU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。它通常都具有功耗低、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，趋于小型化。
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余。
为了提高执行速度与系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机内部，而不是存储在磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍存在一定程度的限制，加上大部分嵌入式系统都必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，要求较高。
嵌入式系统是将半导体技术、电子技术和计算机技术与各个行业的具体应用相结合的产物。
嵌入式系统和具体应用有机结合，升级换代也与具体产品一道，具有较长的生命周期。
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。
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嵌入式处理器
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。不完全统计，全世界嵌入式处理器已超过1000种，流行体系结构有30多个系列。51内核就是这些体系结构其中的一种。寻址空间从64KB～16MB，，常用封装从8个引脚到144个引脚。嵌入式处理器一般有以下4个特点：
对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使程序的执行时间减少到最低程度。
具有功能很强的存储区保护功能。防止数据丢失，软件出错。
可扩展的处理器结构能迅速开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
嵌入式处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，有些需要功耗只有mW。
目前嵌入式处理器大致可分为4类，及嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器和嵌入式片上系统。
嵌入式微处理器 （Embedded Microprocessor Unit，EMPU）
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，从而大幅减小系统体积和功耗。与标准微处理器相比，在工作温度、抗电磁干扰，可靠性等方面有所增强。
与通用计算机相比，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。但装配嵌入式微处理器的电路板上必须包括外加的ROM、RAM、总线接口、各种外设，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也差。
嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、PowerPC等。
（Microcontroller Unit，MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片上。嵌入式微控制器一般以某一微处理器为核心，芯片内部集成ROM / EPROM / EEPROM / FLASH、RAM、总线、定时计数器、串口、I/O、看门狗（Watchdog）、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A等各种必要功能和外设。
为适应不同的应用需要，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核是都是一样的，不同的是存储器和外设的配置与封装。微控制器最大特点是单片化，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式工业的主流。
嵌入式微控制器品种和数量很多，有通用和专用之分，目前比较有代表性的通用系列单片机有Intel公司的MCS－51、 MCS－96系列，Atmel公司的AT89、AVR系列，Microchip的PIC系列，Philips公司的89C51系列，TI公司的MSP430系列，Motorola公司的M68HC系列。Cygnal公司的C8051F系列。
3. 嵌入式数字信号处理器(DSP) (Digital Signal Processor，DSP)
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域。
嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP的单片化，形成专有DSP处理芯片。如TI的TMS320C2000/C5000；一是在通用单片机或者SOC中增加DSP协处理器。如Intel的MCS－296和Infineon（Siemens）的Tricore。随着嵌入式系统的智能化，各种带有智能逻辑的消费电子类产品、实时语音信号处理、实时图象采集处理都需要大运算量，特别是向量运算、指针线型寻址比较多，而这正是DSP处理器的长处。
目前最具代表性的DSP处理器是TI公司的TMS320系列。如用于控制的C2000系列，用于通信和语音处理的C5000系列，用于图象处理的C6000系列以及更高性能的C8000系列。