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嵌入式软件开发技术（嵌入式软件开发技术（1、嵌入式系统导论）、嵌入式系统导论）林毅申林毅申信息学院信息学院 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 软件工程教研室软件工程教研室505Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统概述嵌入式系统概述1.1.嵌入式系统概述嵌入式系统概述2.2.嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展3.3.嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义4.4.嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成1.嵌入式软件的分层结构2.嵌入式软件体系结构5.5.嵌入式系统设计流程嵌入式系统设计流程6.6.嵌入式系统软件的特征嵌入式系统软件的特征7.7.嵌入式系统发展趋势嵌入式系统发展趋势Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.1、嵌入式系统概述、嵌入式系统概述“嵌入式系统嵌入式系统”（Embedded System）一般指非）一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。随着各行业对信息自动化需求的不断提高，嵌入式系统的应用前景非常广阔。随着各行业对信息自动化需求的不断提高，嵌入式系统的应用前景非常广阔。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.2、嵌入式系统发展（1）2、嵌入式系统发展（1）在后PC时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业商业、人们的日常生活等方方面面。在后PC时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业商业、人们的日常生活等方方面面。70年代出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统一般不采用操作系统，它们只是实现某个控制功能，使用循环程序处理外界的请求。当应用系统变得越来越复杂的时候，每增加一项新功能，都可能需要从头开始设计。所以没有操作系统就成为了一个比较大的缺点。70年代出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统一般不采用操作系统，它们只是实现某个控制功能，使用循环程序处理外界的请求。当应用系统变得越来越复杂的时候，每增加一项新功能，都可能需要从头开始设计。所以没有操作系统就成为了一个比较大的缺点。C语言使操作系统的开发变得更加简单。从80年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，比较著名的有VxWorks、pSOS和Windows CE等等，近些年，嵌入式Linux也得到了越来越多的应用。C语言使操作系统的开发变得更加简单。从80年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，比较著名的有VxWorks、pSOS和Windows CE等等，近些年，嵌入式Linux也得到了越来越多的应用。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.2、嵌入式系统发展（2）2、嵌入式系统发展（2）90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与Internet的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与Internet的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了4个阶段。综观嵌入式技术的发展，大致经历了4个阶段。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.第一阶段是以第一阶段是以单芯片单芯片为核心的可编程控制器系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。为核心的可编程控制器系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。主要特点：主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。嵌入式系统发展-嵌入式系统发展-第一阶段第一阶段Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统发展-嵌入式系统发展-第二阶段第二阶段第二阶段是以第二阶段是以嵌入式CPU嵌入式CPU为基础、以为基础、以简单操作系统简单操作系统为核心的嵌入式系统。为核心的嵌入式系统。主要特点：主要特点：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.第三阶段是以第三阶段是以嵌入式操作系统嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。为标志的嵌入式系统。主要特点：主要特点：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。嵌入式系统发展-嵌入式系统发展-第三阶段第三阶段Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统发展-嵌入式系统发展-第四阶段第四阶段第四阶段是以第四阶段是以嵌入式Internet嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.3、嵌入式系统定义3、嵌入式系统定义嵌入式系统被定义为：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。嵌入式系统被定义为：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。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统由嵌入式系统由嵌入式硬件嵌入式硬件与与嵌入式软件嵌入式软件组成。组成。嵌入式硬件嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。嵌入式软件嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。嵌入式系统软硬兼施，融为一体，成为产品，但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。嵌入式系统软硬兼施，融为一体，成为产品，但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。4、嵌入式系统组成4、嵌入式系统组成Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.4.1 嵌入式系统的典型组成4.1 嵌入式系统的典型组成 驱动器1 传感器1 驱动器2 传感器2 驱动器 N 被控对象 传感器N 功能层 应用程序 文件系统 图形用户接口 任务管理 软件层 实时操作系统（RTOS）中间层 BSP/HAL硬件抽象层/板级支持包 D/A 通用接口 A/D ROM I/O 嵌入式 处理器 SDRAM 硬件层 人机交互接口 嵌入式系统 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统软件核心包括：嵌入式系统软件核心包括：系统软件系统软件：嵌入式操作系统：嵌入式操作系统支撑软件支撑软件：嵌入式软件开发平台及工具：嵌入式软件开发平台及工具应用软件应用软件：嵌入式应用软件：嵌入式应用软件4.2 嵌入式系统软件核心4.2 嵌入式系统软件核心Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.4.3 嵌入式软件的分层结构Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.4.4 嵌入式软件体系结构Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.5 嵌入式系统设计流程5 嵌入式系统设计流程1系统需求分析确定设计任务和设计目标，提练设计规格说明书，作为设计指导和验收的标准。系统需求一般包括功能性需求和非功能性需求两方面。1系统需求分析确定设计任务和设计目标，提练设计规格说明书，作为设计指导和验收的标准。系统需求一般包括功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能性需求非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。2体系结构设计描述系统如何实现所述的功能性和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。2体系结构设计描述系统如何实现所述的功能性和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.5 嵌入式系统设计流程5 嵌入式系统设计流程3硬件/软件设计（硬件、软件、执行装置并行设计）基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。3硬件/软件设计（硬件、软件、执行装置并行设计）基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。4系统集成把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。4系统集成把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.5 嵌入式系统设计流程5 嵌入式系统设计流程5系统测试对设计好的系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的功能要求。5系统测试对设计好的系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的功能要求。针对系统的不同复杂程度，有不同的系统设计方法，比如瀑布设计方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细化设计方法、并行设计方法等。可根据实际情况和熟悉程度灵活选用。针对系统的不同复杂程度，有不同的系统设计方法，比如瀑布设计方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细化设计方法、并行设计方法等。可根据实际情况和熟悉程度灵活选用。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.1软件要求固态化存储1软件要求固态化存储为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮在磁盘中。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮在磁盘中。2软件代码高质量、高可靠性2软件代码高质量、高可靠性尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。6、嵌入式系统软件的特征（1）6、嵌入式系统软件的特征（1）Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.3操作系统软件具有高实时性3操作系统软件具有高实时性在多任务嵌入式系统中，对各项任务进行统筹兼顾、合理调度是保证系统功能的关键，单纯提高处理器的速度是无法完成这些要求的，也是没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此操作系统软件的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对各项任务进行统筹兼顾、合理调度是保证系统功能的关键，单纯提高处理器的速度是无法完成这些要求的，也是没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此操作系统软件的高实时性是基本要求。嵌入式系统应用语言：嵌入式系统应用语言：据统计，在嵌入式系统设计中，最受欢迎的前3种编程语言分别是据统计，在嵌入式系统设计中，最受欢迎的前3种编程语言分别是C C、汇编汇编和和C+C+。6、嵌入式系统软件的特征（2）6、嵌入式系统软件的特征（2）Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.常见的嵌入式操作系统（国内）常见的嵌入式操作系统（国内）女娲Hopen女娲Hopen桑夏2000桑夏2000Delta OSDelta OS中软Linux2.0中软Linux2.0Linux HardHatLinux HardHatLinux(Monta Vista)Linux(Monta Vista)Red Flag Linux（红旗Linux）Red Flag Linux（红旗Linux）HBOS（HBOS（“天堂之鸟天堂之鸟”）SuseSuseRed HatRed HatEmbedixLynxOS(LynuxWorks)EmbedixLynxOS(LynuxWorks)Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.常见的嵌入式操作系统（国外）常见的嵌入式操作系统（国外）VX Works(风河系统)VX Works(风河系统)Windows CE(微软)Windows CE(微软)pSOSystem(风河系统)pSOSystem(风河系统)VRTX(明导资讯)VRTX(明导资讯)PalmPalmPowerTVPowerTVAMX(KADAK)AMX(KADAK)C ExecutiveC ExecutivePSX(JMI)PSX(JMI)VelOSity(Green Hills)VelOSity(Green Hills)OS-9(Microware Systems)OS-9(Microware Systems)OSE(Enea OSE Systems)OSE(Enea OSE Systems)QNX(QNX Software Sys)QNX(QNX Software Sys)RTXC(Lineo/Embedded Power Corp)RTXC(Lineo/Embedded Power Corp)SuperTask!(US Software)SuperTask!(US Software)ThreadX(Express Logic)ThreadX(Express Logic)TNT/RTX(VenturCom)TNT/RTX(VenturCom)Windows NT Embedded/XP(微软)Windows NT Embedded/XP(微软)SymbianGenerated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统开发工具嵌入式系统开发工具编译器：GNU编译器编译器：GNU编译器调试工具：GNU调试工具调试工具：GNU调试工具集成开发环境（IDE）集成开发环境（IDE）绘图入门工具绘图入门工具算法开发工具：UML/SDL工具库算法开发工具：UML/SDL工具库网络/通信协议网络/通信协议配置管理工具配置管理工具需求管理工具需求管理工具DSP开发工具DSP开发工具器件驱动器开发工具器件驱动器开发工具软硬件协同验证工具软硬件协同验证工具 Java工具Java工具 存储器分析工具存储器分析工具 软件仿真/建模工具软件仿真/建模工具 Win CE工具Win CE工具 测试软件事件跟踪工具测试软件事件跟踪工具 内电路仿真器（ICE）内电路仿真器（ICE）ROM仿真器ROM仿真器 JTAG仿真器JTAG仿真器 逻辑分析器逻辑分析器 示波器示波器Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统应用情况嵌入式系统应用情况1国外情况1国外情况美国：水平较高日本：较普及欧洲共同体：较好新加坡：一般美国：水平较高日本：较普及欧洲共同体：较好新加坡：一般2国内情况2国内情况国内先进水平：一般台湾：较好香港：较高澳门：一般国内先进水平：一般台湾：较好香港：较高澳门：一般Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域1嵌入式系统主要应用领域1国防工业、军事工业、兵器工业：国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域2嵌入式系统主要应用领域2信息家电、民用设备：信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域3嵌入式系统主要应用领域3工业：工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域4嵌入式系统主要应用领域4商业：商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域5嵌入式系统主要应用领域5办公自动化：办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.嵌入式系统主要应用领域6嵌入式系统主要应用领域6医疗保健设备：医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。其他领域：其他领域：农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.现代化家庭现代化家庭现代化家庭现代化家庭Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.机器人机器人机器人机器人Generated by Foxit PDF Creator Foxit Softwarehttp:/ For evaluation only.