一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成， 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开;也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

(1)嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构;指令系统可以选用精简指令系统(Reduced Instruction Set Computer，RISC)和复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer，CISC)。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。

嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。

(2)存储器

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器，其存储结构如图1-2所 示。

1>Cache

Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是:减小存储器(如主存和辅助存储器)给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。

在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。

2>主存

主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB~1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

常用作主存的存储器有:

ROM类 NOR Flash、EPROM和PROM等。

RAM类 SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。

3>辅助存储器

辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。

嵌入式系统中常用的外存有:硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

(3)通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D(模/数转换接口)、D/A(数/模转换接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层(Hardware Abstract Layer，HAL)或板级支持包(Board Support Package，BSP)，它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。

硬件相关性:因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。

操作系统相关性:不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。

实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作:嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。

第一篇 机电一体化技术基础

第一章 机电一体化基础知识

第一节 机电一体化概述

一、机电一体化的概念

二、机电一体化系统的构成

三、机电一体化技术的发展

四、机电一体化技术的分类

五、机电一体化的意义

第二节 机电一体化相关技术

一、机械技术

二、传感与检测技术

三、计算机与信息处理技术

四、自动控制技术

五、执行与驱动技术

六、系统总体技术

思考题

第二章 计算机控制系统中的微型计算机

第一节 嵌入式计算机系统及其控制器

一、嵌入式系统的定义与特点

二、嵌入式系统技术的发展

三、单片机

四、数字信号处理器

五、可编程逻辑器件和现场可编程门阵列

第二节 可编程控制器

一、可编程控制器概述

二、可编程控制器的特点

三、可编程控制器的应用

四、可编程控制器的基本结构

五、可编程控制器的工作原理

六、可编程控制器编程中的继电器概念

七、可编程控制器的梯形图编程语言

八、梯形图语言编程中的常用原则

九、常用基本环节编程

十、可编程控制器的选择

十一、可编程控制器的应用软件设计

十二、可编程控制器使用中的安全及保护问题

第三节 工业控制计算机

一、工控机的特点

二、工控机的分类

三、工控机系统的组成

思考题

第三章 计算机控制系统中的总线与多机通信

第一节 计算机总线

一、内部总线

二、系统总线

三、外部总线

第二节 多机网络通信基础

一、计算机网络的分类

二、网络协议的分层结构

第三节 现场总线

一、现场总线概述

二、现场总线的发展和以太网

三、典型控制网络体系结构

思考题

第四章 计算机控制系统基础

第一节 计算机控制系统的基本原理

一、计算机控制系统的特点

二、控制系统的设计步骤

第二节 计算机接口技术概述

一、接口的分类

二、接口的功能

第三节 计算机控制系统的信号采集

一、开关量输入通道及其信号处理

二、信号的采样与采样定理

三、多路开关及采样保持器

四、模拟量输入通道的接口技术

第四节 计算机控制系统的信号输出

一、模拟量输出通道的接口技术

二、多路模拟量输出通道的结构形式

第五节 计算机控制系统中的常用数据处理技术

一、微型计算机数据处理系统的特点

二、查表技术

三、数字滤波技术

四、量程自动转换和标度变换

五、线性插值数据处理方法

第六节 计算机控制系统中的控制策略

一、经典控制策略

二、现代控制策略

三、智能控制策略

四、控制策略的相互渗透和结合

第七节 计算机控制系统的分类

一、按功能及结构分类

二、按控制规律分类

三、按控制方式分类

第八节 过程通道的抗干扰措施

一、干扰及干扰源

二、干扰的分类

三、常态干扰的抑制

四、共模干扰的抑制

五、其他抗干扰措施

思考题

第五章 机电一体化中的执行元件与伺服驱动技术

第一节 伺服控制技术概述

一、伺服系统的分类

二、伺服系统的反馈

三、控制的实时性与控制的准确性

第二节 直流电动机及其伺服控制系统

一、直流电动机的工作原理

二、可控硅调压

三、脉宽调压

四、直流伺服电动机

五、直流伺服电动机调速系统

第三节 交流电动机及其伺服控制系统

一、交流电动机的工作原理及特性

二、交流电动机的调速

三、交流异步伺服电动机的工作原理

四、变频技术及其原理

五、交流伺服系统产品

第四节 步进电动机及其驱动

一、步进电动机的分类

二、步进电动机的工作原理及运行方式

三、与动力学性能相关的步进电动机工作特性参数

四、步进电动机的驱动电路

五、步进电动机的加减速控制

第五节 液压执行元件及其伺服控制

一、液压传动的特点

二、液压执行元件

三、电液伺服系统

第六节 气压执行元件及其伺服控制

一、气压传动的特点

二、气压执行元件

三、电气伺服系统

第七节 新型电气驱动单元

一、超声波马达

二、直线位移单元

三、三维电动机

思考题

参考文献

第二篇 纺织机械机电一体化

第六章 清梳联机电一体化

第一节 清梳联合机

……

第七章 并条机机电一体化

第八章 精梳机机电一体化

第九章 粗纱机机电一体化

第十章 细纱机机电一体化

第十一章 自动络筒机机电一体化

第十二章 整经机机电一体化

第十三章 浆纱机机电一体化

第十四章 织机机电一体化

参考文献