前言 近些年来,随着以计算机技术,通讯技术为主的信息技术的快速发展和 Internet的广泛 应用,传统的控制学科正在发生变革,出现了许多新的生长点。伴随而来的一个现象是控制 专业的相当多的学生在毕业后进入了计算机,通讯行业,以致有人说学控制没有用,自动 化专业可以取消了。这些情况的出现使我们控制教育工作者反复思考,传统的控制应如何 拓宽它的领域?控制专业应该教什么才使学生感到有用? 近些年我们在嵌入式系统及其应用的科研工作中采用了信息产业中的最新技术,打破 了学科之间的界限,感到控制的出路原来很多,尽管处处是挑战。过去我们熟悉的“控制” 有很大的局限性:一是不考虑硬件的限制,二是不考虑控制器的复杂性及计算能力,三是 不注重实用性和效益。在微处理器,微传感器和微型执行元件不断推出新产品的形势下, 控制的思路与手段正经历着巨大的变化。在经过一番艰苦的实践摸索之后,我们对控制学 科的研究和教学有了一些新的认识。本教材就是在我们这些年科研工作的基础上总结出来 的,它还比较粗糙,还需要今后花大力气把它完善与提高。现在拿出来作为试用教材供大 家参考,希望能为控制学科教学内容的更新作出我们的一点贡献 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、 微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件,和嵌入在存储器中的微型操作系 统、控制应用软件组成,共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各 种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术和 通讯技术为基础,强调硬件软件的协同性与整合性,软件与硬件可剪裁,以满足系统对功 能、成本、体积和功耗等要求。 最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力,在唯一的ROM中仅有实现单一功 能的控制程序,无微型操作系统。复杂的嵌入式系统,例如个人数字助理(PDA)、手持电 脑(HPC)等,具有与PC几乎一样的功能。实质上与PC的区别仅仅是将微型操作系统与应 用软件嵌入在ROM、RAM和/或 FLASH存储器中,而不是存贮于磁盘等载体中。很多复杂的 嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。 嵌入式系统的硬件/软件特征 嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务,以功耗,成本体积,可靠性处理能力等 为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件,由于存储空间有限,因而要求 软件代码紧凑,可靠,大多对实时性有严格要求, 早期的嵌入式系统设计方法,通常是采用“硬件优先”原则。即在只粗略估计软件任 务需求的情况下,首先进行硬件设计与实现。然后,在此硬件平台之上,再进行软件设计。 因而很难达到充分利用硬件软件资源,取得最佳性能的效果。同时,一旦在测试时发现问 题,需要对设计进行修改时,整个设计流程将重新进行,对成本和设计周期的影响很大 这种传统的设计方法只能改善硬件/软件各自的性能,在有限的设计空间不可能对系统做出 较好的性能综合优化,在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 90年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化,系统设计所涉及的问题越来越 多,难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念,而是紧密结合、相 互影响的。因而出现了软硬件协同( codesign)设计方法,即使用统一的方法和工具对软- 1 - 前 言 近些年来，随着以计算机技术，通讯技术为主的信息技术的快速发展和 Internet 的广泛 应用,传统的控制学科正在发生变革，出现了许多新的生长点。伴随而来的一个现象是控制 专业的相当多的学生在毕业后进入了计算机，通讯行业，以致有人说学控制没有用，自动 化专业可以取消了。这些情况的出现使我们控制教育工作者反复思考，传统的控制应如何 拓宽它的领域？控制专业应该教什么才使学生感到有用？ 近些年我们在嵌入式系统及其应用的科研工作中采用了信息产业中的最新技术，打破 了学科之间的界限，感到控制的出路原来很多，尽管处处是挑战。过去我们熟悉的“控制” 有很大的局限性.：一是不考虑硬件的限制, 二是不考虑控制器的复杂性及计算能力， 三是 不注重实用性和效益。在微处理器，微传感器和微型执行元件不断推出新产品的形势下, 控制的思路与手段正经历着巨大的变化。在经过一番艰苦的实践摸索之后，我们对控制学 科的研究和教学有了一些新的认识。本教材就是在我们这些年科研工作的基础上总结出来 的，它还比较粗糙，还需要今后花大力气把它完善与提高。现在拿出来作为试用教材供大 家参考，希望能为控制学科教学内容的更新作出我们的一点贡献。 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、 微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系 统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各 种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和 通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功 能、成本、体积和功耗等要求。 最简单的嵌入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的 ROM 中仅有实现单一功 能的控制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理（PDA）、手持电 脑（HPC）等，具有与 PC 几乎一样的功能。实质上与 PC 的区别仅仅是将微型操作系统与应 用软件嵌入在 ROM、RAM 和/或 FLASH 存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。很多复杂的 嵌入式系统又是由若干个小型嵌入式系统组成的。 嵌入式系统的硬件/软件特征 嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗,成本,体积, 可靠性,处理能力等 为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求 软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格要求。 早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬件优先”原则。即在只粗略估计软件任 务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现。然后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。 因而很难达到充分利用硬件软件资源，取得最佳性能的效果。同时，一旦在测试时发现问 题，需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大。 这种传统的设计方法只能改善硬件/软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出 较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 90 年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化，系统设计所涉及的问题越来越 多，难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合、相 互影响的。因而出现了软硬件协同（codesign）设计方法，即使用统一的方法和工具对软