基于单片机的嵌入式系统设计

‘壹’ 嵌入式系统是什么嵌入式系统与单片机有什么联系吗

单片机与嵌入式系统

一、现代计算机的技术发展史

1.始于微型机时代的嵌入式应用

电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。

2.现代计算机技术的两大分支

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元……），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。

如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。

3.两大分支发展的里程碑事件

通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。

二、嵌入式系统的定义与特点

如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。

1.嵌入式系统的定义

按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

2.嵌入式系统的特点

嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。

3.嵌入式系统的种类与发展

按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。

有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。

嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。

三、嵌入式系统的独立发展道路

1.单片机开创了嵌入式系统独立发展道路

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“∑模式”与“创新模式”。“∑模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。

2.单片机的技术发展史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最着名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

四、嵌入式系统的两种应用模式

嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此，从嵌入式系统发展的历史过程，以及嵌入式应用的多样性中，可以了解到客观上形成的两种应用模式。

1.客观存在的两种应用模式

嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。

虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

2.两种应用模式的并存与互补

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。

另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。

3.嵌入式系统应用的高低端

由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员，都是对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念。因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。

摘自 单片机与嵌入式系统应用

‘贰’ 单片机及嵌入式系统的目录

第1章嵌入式计算机系统设计概述
1.1概述
1.1.1嵌入式计算机系统的定义
1.1.2嵌入式计算机系统的构成
1.2嵌入式计算机系统的设计要求和设计步骤
1.2.1系统设计的基本要求
1.2.2系统设计的步骤
1.2.3嵌入式系统的硬软件协同设计
1.2.4系统设计中应注意的问题
习题
第2章MCS-51单片机的基本结构
2.1MCS-51单片机的构成
2.1.IMCS-51单片机家族
2.1.2MCS-51单片机的内部结构
2.1.3MCS-51单片机外部引线
2.2MCS-51单片机的内部结构
2.2.1MCS-51的CPU
2.2.2MCS-51单片机的存储器组织
2.2.3MCS-51的输入输出接口
2.3MCS-51单片机的时序
2.3.1MCS-51的三种周期
2.3.2指令执行时序
2.4MCS-51单片机的相关问题
2.4.1复位
2.4.2时钟电路
2.4.3编程和校验
2.5MCS-51指令系统及汇编语言程序设计
2.5.1MCS-51的指令编码
2.5.2指令系统中用到的符号
2.5.3指令寻址方式
2.5.4MCS-51的指令系统
2.5.5汇编语言程序设计
2.5.6汇编语言程序的开发过程
2.6MCS-51的总线扩展
2.6.1MCS-51单片机构成的最小系绩
2.6.2MCS-51的总线扩展
2.7MCS-51的外部存储器
2.7.1存储器的分类
2.7.2存储器的主要性能指标
2.7.3RAM的连接使用
2.7.4只读存储器
2.8输入输出技术
2.8.1外设接口的编址方式
2.8.2外设接口的基本模型
2.8.3程序控制输入输出
2.8.4查询方式
2.8.5中断方式
2.8.6中断控制器8259
2.9MCS-51定时器/计数器
2.9.1工作方式
2.9.2定时器/计数器的控制寄存器
2.9.3定时器/计数器的应用
2.10MCS-51的串行接口
2.10.1概述
2.10.2MCS-51单片机串行口的控制寄存器
2.10.3串行口的工作方式
2.10.4串行口的应用
习题
第3章嵌入式系统总线及接口技术
3.1总线概述
3.1.1总线概述
3.1.2内总线
3.1.3外总线
3.2总线驱动与控制
3.2.1总线竞争与负载计算
3.2.2总线驱动与控制的实现
3.3MCS-51的总线扩展
3.3.1概述
3.3.2扩展总线的形成
3.4扩展总线上的典型外设接口
3.4.1可编程并行接口8255
3.4.2键盘接口
3.4.3打印机接口
3.4.4显示器接口
3.4.5光电隔离输入输出接口
3.4.6数/模(D/A)变换器接口
3.4.7模/数变换器接口
3.4.8电机接口
习题
第4章嵌入式计算机系统软件
4.1嵌入式系统软件概述
4.1.1最小系统
4.1.2驻留监控程序
4.2嵌入式系统实时操作系统内核开发
4.2.1嵌入式操作系统的特点
4.2.2实时内核所涉及的概念..
4.2.3实时内核的开发
4.2.4嵌入式操作系统的移植
4.3用户程序的开发
4.3.1用户程序的基本要求
4.3.2用户程序的开发过程
4.3.3高级语言与汇编语言混合编程
习题
第5章嵌入式系统的可靠性设计
5.1概述
5.1.1可靠性的基本指标
5.1.2故障因素
5.2故障检测技术
5.2.1嵌入式系统的脱机自检
5.2.2嵌入式系统的在线故障检测
5.3硬件可靠性设计
5.3.1硬件故障
5.3.2影响硬件可靠性的因素
5.3.3硬件可靠性措施
5.4软件可靠性设计
5.4.1软件故障的特点
5.4.2软件可靠性指标
5.4.3软件错误的来源
5.4.4软件可靠性模型
5.4.5提高软件可靠性的方法
5.5系统的抗干扰设计
5.5.1抗干扰的三要素
5.5.2干扰的来源及耦合方式
5.5.3系统的抗干扰措施
5.6总线的有关问题
5.6.1总线上的交叉串扰
5.6.2总线的延时
5.6.3总线上的反射与终端网络
5.7可靠性的总体设计
5.7.1设计过程
5.7.2可靠性的分配方法
习题
第6章基于SOC的嵌入式系统
6.1概述
6.1.1PXA27X一般介绍
6.1.2IntelXScale结构
6.2ARM处理器
6.2.1ARM处理器系列
6.2.2ARM处理器工作模式及寄存器
6.2.3ARM指令系统
6.2.4ARM的异常中断处理
6.3IntelPXA27X介绍
6.3.1PXA27X的结构
6.3.2PXA27X的内部存储器
6.3.3PXA27X的外部存储器控制器
6.3.4PXA27X的中断控制器
6.3.5PXA27X的键盘接口
6.3.6PXA27X的通用输入输出接口GPIO
6.4PXA27X的开发与应用
6.4.1PXA27X开发平台
6.4.2PXA27X的应用
习题
第7章基于专用芯片的嵌入式系统
7.1概述
7.1.1数字系统设计的发展
7.1.2IP核
7.1.3数字系统的设计方法
7.2设计语言与工具
7.2.1EDA工具软件分类
7.2.2硬件描述语言HDL
7.2.3SystemC
7.2.4QuartusII
7.3基于VHDL的CPU设计
7.3.1单元电路的设计
7.3.2CPU设计概要
7.4SOC设计
7.4.1概述
7.4.2SOC片内总线
7.4.3IP核设计与复用
7.4.4SOC设计举例
7.5基于可配置处理器的SOC设计
7.5.1问题的由来
7.5.2TensilicaXtensa可配置处理器
习题
参考文献
……

‘叁’ 嵌入式开发和单片机开发有什么区别

一、主体不同

1、嵌入式开发：指在嵌入式操作系统下进行开发，包括在系统化设计指导下的硬件和软件以及综合研发。

2、单片机开发：开发能够保证单片机在十分复杂的计算机与控制环境中可以正常有序的进行程序。

二、特点不同

1、嵌入式开发：利用分立元件或集成器件进行电路设计、结构设计，再进行软件编程（通常是高级语言），实验，经过多轮修改设计、制作，最终完成整个系统的开发。

2、单片机开发：有效完善单片机信息处理功能缓慢的问题，提高信息处理效率与速度，开发改进中央处理器的实际结构，能够做到同时运行2-3个CPU，从而大大提高单片机的整体性能。

三、优势不同

1、嵌入式开发：除暂且分离硬件的EDA研发以外，侧重的就是在一定硬件条件下的系统化设计和软件研发。

2、单片机开发：加强对基于传统内存读写功能的新内存的探索，使其既能实现静态读写又能实现动态读写，从而显着提高存储性能。

‘肆’ 嵌入式系统的设计方法和过程与传统的单片机开发有什么不同

嵌入式系统之所以叫系统，是因为在用操作系统的存在，这种操作系统可以是linux，可以是WINCE等等，比如linux吧，如果你想写一个驱动程序，一般只需要按照它的寄存器进行配置，之后操作I/O等等就可以了，但在linux中，不仅仅要实现这样的驱动，还要将这种程序按一定的要求融入在linux系统中，这样以来复杂性就大了很多，单片机开发一般都是没有操作系统的，就是裸机编程。这是其中一个非常重要的区别。

‘伍’ 单片机和嵌入式系统有啥区别

(1)单片机基本结构

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

(2)嵌入式系统成部分:

嵌入式系统一般由以下几组嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序。
嵌入式系统设计的第一步是结合具体的应用，综合考虑系统对成本、性能、可扩展性、开发周期等各个方面的要求，确定系统的主控器件，并以之为核心搭建系统硬件平台。

拓展资料

单片机是众多嵌入式处理器的一种，目前通用的理解是,嵌入式主要是指ARMDSP等处理器.而嵌入式系统是指实现了一定功能的电路的软硬件的集合。

单片机与autoCAD的联系就不是很大，因为单片机是一种控制领域用的微控制芯片，而autoCAD是机械或者建筑行业用的一种应用设计软件。

‘陆’ 单片机！！！！！！！！！！！！！！！

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL
i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。

‘柒’ 单片机与嵌入式系统的区别是什么

根据IEEE的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。 从定义我们可以看出，实际上以前的控制装置、单片机系统应该也属于嵌入式系统的范畴。虽然嵌入式系统的流行是最近几年的事，或者是说最近几年才得到了迅速应用，但是，单片机系统早在20世纪七、八十年代就已经得到广泛的应用。所以嵌入式的历史已有几十年。 但是，早期的单片机系统和嵌入式系统还是有一定的区别的。从操作系统OS(Operating System)应用的层面上分析，一般单片机应用都没有OS的概念，由循环来进行控制，无网络协议支持，只适合简单的应用领域。而嵌入式系统一般因为要求由OS，可以执行多任务调度，支持网络协议TCP/IP，所以嵌入式系统可以比普通单片机系统更适合完成复杂的应用。
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‘捌’ 什么叫嵌入式系统 它与单片机的关系如何

嵌入式系统（Embedded
system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。与单片机关系密切，可以说凡事单片机作为控制器的产品都是嵌入式系统，当然嵌入式系统不仅仅是单片机的应用，还包括ARM、DSP等高级处理器的应用系统。