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嵌入式系統概論

主講：王穎聰電腦與通訊工程學系講師銘傳大學資訊網路處

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大綱

什麼是嵌入式系統 嵌入式系統的特性 嵌入式系統的分類 嵌入式系統的發展 嵌入式系統微處理器 嵌入式作業系統 嵌入式系統開發平台

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什麼是嵌入式系統

系統的定義– 根據一個固定的計畫、一個程式、或一系列的規則，來處理

執行一個或多個工作的方法。– 也可以是根據計劃或程式來整合所有硬體單元的協同工作。

何謂嵌入式系統– 在一些大型系統內由硬體和軟體所構成的一個元件，處理一

些不需由人們來操作且特定的一些功能。– 目前多是著重 computer-based system 的應用程式或產品。– 內含軟體於 ROM 之中的單一微電腦機版，自啟動後，就一

直持續執行特殊目的的應用程式，直到關機為止。

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嵌入式系統的特性

1. 配合特定應用的特殊設計2. 高效率3. 產品壽命較長4. 穩定的系統5. 不易被竊取和高安全性6. 容易操作

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嵌入式系統的分類

1. 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

2. 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

3. 嵌入式 DSP 處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

4. 嵌入式晶片上系統(System On Chip)

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嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

基礎就是通用電腦中的中央處理器 ( CPU ) 裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用相

關的母板功能 在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了

各種加強。 具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點 在電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、匯流排界面、

和各種週邊設備，因而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差

嵌入式微處理器及其記憶體、匯流排、週邊設備等安裝在一塊電路板上，亦稱之為單板電腦

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嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

又稱單晶片，就是將整個電腦系統匯集到一塊晶片中 是以某一種微處理器內核為核心，晶片內部整合

– ROM/EPROM 、 RAM 、匯流排、匯流排邏輯、定時 / 計數器、 WatchDog 、 I/O 、串列埠、脈寬調變輸出、類比轉數位 (A/D) 、數位轉類比 (D/A) 、 Flash RAM 、 EEPROM 等各種必要功能和週邊設備

為適應不同的應用需求，一個單晶片系列具有許多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核心都是一樣的，不同的是記憶體和週邊設備的配置與封裝。

最大特點是單晶片化，體積大幅減小，因而使功率消耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統工業的主流。

微控制器晶片上週邊設備資源通常比較豐富，適合於控制用途，因此稱之為微控制器。

市佔率約 70％的嵌入式市場。

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嵌入式 DSP 處理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

系統結構和指令進行了特殊的設計，使其適合於執行DSP演算法，提高編譯效率和指令執行速度。

DSP 應用正從以普通指令實現 DSP 功能的通用單晶片中，過渡到採用嵌入式 DSP 處理器。

有兩個發展方向，1. 經過單晶片化、電磁相容性 (EMC) 改造、增加晶片上週邊

設備2. 增加 DSP輔助運算器

是嵌入式系統的智慧化 REAL DSP 處理器，特點是具備雙哈佛架構 ( Harvar

d architecture) 和雙乘 /累加單元

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嵌入式晶片上系統(System On Chip)

在一個矽晶片上實現一個更為複雜系統 各種通用處理器核心將成為 SoC 設計的標準庫，成

為 VLSI 設計中一種標準的器件，可以用標準的 VHDL 等語言描述，並儲存在元件庫中

除個別無法集成的元件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊晶片中

應用系統電路板將變得很簡潔，對於減小體積和功率消耗、提高可靠性非常有利。

SOC 可以分為通用和專用兩類– 專用 SOC 通常用於某類系統中，而不為一般用戶所知。

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嵌入式系統的發展

應用軟體的開發需要強大的開發工具和作業系統的支援

網路成為必然趨勢支援小型電子設備實現小尺寸、低功率和低成

本 提供精巧的多媒體人機界面

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嵌入式系統微處理器 ( 一 )

ARM 提供一系列方案：– CPU 內核

小型、快速、低能耗、 ARM 指令集 Thumb 指令集之整合式 RISC 內核，採用多層管線 ( Pipeline ) 架構，以增進處理效能。

– 體系擴展Thumb: 以 16 位元系統的成本，提供 32 位元 RISC 性能，特別注意的是它所需的記憶體容量非常小。

– 嵌入式 ICE 調校由於整合了類似於 ICE 的 CPU 內核調校技術，所以原型設計和系統晶片的調校得到了極大的簡化。

– 微處理器

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嵌入式系統微處理器 ( 二 )

ARM 處理器目前主要有七種產品系列：– ARM7 系列、– ARM9 系列、 ARM9E 系列、– ARM10 系列、– SecurCore 系列、– StrongARM 系列、以及 XScale 系列

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嵌入式作業系統

VxWorks

Microsoft Windows CE

Embedded Linux

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嵌入式系統開發平台

Intel 公司的 StrongARM 系列

Motorola 公司的 DragonBall 系列

NEC公司的 VR 系列

Hitachi公司 SH3,SH4 系列