第1章嵌入式系统概述20130228.ppt

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1、1.嵌入式系统,嵌入式系统概述,2.嵌入式处理器,3.嵌入式操作系统,1.1 嵌入式系统, 概述,经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每种都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。,即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神舟飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车也有多达几十个嵌入式系统。

2、 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都有嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统,现实中的嵌入式系统,现实中的嵌入式系统,嵌入式系统控制示例 汽车控制系统,嵌入式系统控制示例 汽车控制系统,嵌入式系统的概念,目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理的定义： 从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、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。 从系统的角度定义：嵌入

3、式系统的设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。,嵌入式系统的特点,1， 嵌入式 2，专用性 3，资源约束性 4，实时性 5，可靠性和安全性 6，多样性,嵌入式系统的共性,1，嵌入式处理器具有共同点； 2，嵌入式处理器与通用计算机处理器，同一类外设完成的功能相似； 3，开发人员 特别是系统/产品设计师必须掌握软硬件综合知识； 4，选择平台至关重要，包括硬件和软件平台； 5，行业人员与计算机专业人员的交叉 。,嵌入式系统的应用领域,1，消费类电子； 2，办公自动化

4、设备； 3，控制系统与工业自动化； 4，生物医学工程； 5，汽车电子,数据采集、存储、显示、数据通信、数字（信号）处理、控制、监测、专用用户界面,嵌入式系统的年代,1961年，最早的嵌入式系统-阿波罗导航计算机（AGC）,第一代嵌入式系统（ 60-70年代） 8位算术运算器和4位控制器电路简单集成，固件开发使用汇编代码。,第二代嵌入式系统（ 80年代） 16位算术运算器和8位控制器集成，其处理器多采用CMOS工艺，并开始出现简单的嵌入式操作系统。,第三代嵌入式系统 32位算术运算器和16位控制器复杂集成，新概念不断产生，DSP、RISC、嵌入式实时操作系统、通用操作系统开始进军嵌入式市场。,第

5、四代嵌入式系统 片上系统（SOC）、多核处理器带来了高性能、高集成、小型化的第四代产品。,嵌入式系统的未来,早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的具有很长产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革： 1.产品市场窗口现在预计翻番的周期甚至达到69个月； 2.全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间； 3.互联网现在是一种需求而不是一种辅助性的手段，包括采用有线技术和目前百花齐放的无线技术； 4.基于电子的产品更复杂化； 5.互联嵌入式系统能够产生新的依赖网络基础设施的应用； 6.微处理器的处理功能按摩尔定律（Moores Law）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体

6、管个数每18个月翻一倍。 下一代嵌入式系统是怎样的，让我们拭目以待。,嵌入式系统的结构,1.嵌入式系统,嵌入式系统概述,2.嵌入式处理器,3.嵌入式操作系统,简介,早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（pc）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器制造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类： 1.注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于 PAD等不注重计算的设备； 2.注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备； 3.注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；,1.2 嵌入式

7、处理器,分类,嵌入式处理器可以分为以下几类： 1.嵌入式微处理器； 2.嵌入式微控制器； 3.嵌入式DSP处理器； 4.嵌入式片上系统（SOC)。,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用相关的母版功能，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。虽然嵌入式微处理器在功能上与标准微处理器基本上是一样的，但为了满足嵌入式应用的特殊要求，在其工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高等优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口，各

8、种外设等器件，外设安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-bus、PC104等。,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM 、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置和封装。这样可以使单片机最大限度的和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 与嵌入式微处理器相比，微控

9、制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051 、 P51XA、MCS - 251 、MCS 96/196/296 、C166/167 、MC68HC05/11/12/16 、68300和数目众多的ARM芯片等。目前MCU约占嵌入式系统70%的市场份额。,嵌入式DSP处理器,DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析

10、等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instrument的TMS320系列和Motorala的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构的采用低成本、低功耗技术制造的R.E.

11、A.L DSP处理器，特点是具有双哈佛结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量的消费类产品。,嵌入式片上系统（SOC）,随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，如许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需要定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电

12、路板将变得很简介，对于减小体积和功耗，提高可靠性非常有利。 SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echenlon和Motorola联合研制的Neuron芯片，还有如TI公司的Davinc和OMAP，以及高通公司的“骁龙”系列等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知，如苹果公司的A4，A5芯片。,1.嵌入式系统,嵌入式系统概述,2.嵌入式处理器,3.嵌入式操作系统,1.3 嵌入式操作系统,计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机

13、技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也越来越丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统（Operating System）。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多通道批处理系统、分时操作系统以及实时操作系统。,概述,1.3 嵌入式操作系统,概述,监控程序,操作系统,分时操作系统,实时操作系统,适用于计算中心等较大的计算机系统,适用于多个用户共享系统资源,适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中,多道批处理系统,时 间 先 后,1.3 嵌入式操作系统,概述,监控程序,操作系统,分时操作系统,实时操作系统,适用于计算中心等较大的计算机系统,适用

14、于多个用户共享系统资源,适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中,多道批处理系统,时 间 先 后,实时操作系统是我们介绍的重点,1.3 嵌入式操作系统,实时操作系统的特点,IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具有以下特点： 异步的事件响应。 切换时间和中断延时时间确定 优先级中断和调度 抢占式调度 内存锁定 连续文件 同步,总的来说，实时操作系统是事件驱动（event drive）的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内做出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，于实时应用软件相结合成为有机的整体，起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的的运行环境和开发环境。

15、 从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可以分为一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统两种。,一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统中，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求较高的实时控制系统中，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小（一半在几K到几十K内）、可固化、实时性强（在ms或us数量级上）的特点。,1.3 嵌入式操作系统,基本概念前后台系统,对于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用

16、前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中。从省电的角度出发，平时微处理器在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。,1.3 嵌入式操作系统,基本概念前后台系统,循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差,中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。,1.3 嵌入式操作系统,基本概念操作系统,操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用

17、户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。,1.3 嵌入式操作系统,基本概念实时操作系统（RTOS）,实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。,1.3 嵌入式操作系统,基本概念中断,中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文即

18、部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（ISR）。,1.3 嵌入式操作系统,使用实时操作系统的必要性,嵌入式实时操作系统在目前嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素： 1.嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。 2.提高了开发效率，缩短了开发周期。 3.嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。,1.3 嵌入式操作系统,实时操作系统的优缺点,优点： 在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序，使

19、程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的时间都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。 缺点： 但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，25%的CPU额外负荷，以及内核 的费用。,1.3 嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统嵌入式Linux,uClinux是一个完全符合GUN/GPL公约的操作系统，完全开放代码。 uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对

20、没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或MMU的处理器，例如ARM7TDMI。通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。保留了Linux的大多数优点： 稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持以及标准丰富的API等,1.3 嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统Win CE,Windows CE 是微软开发的一个开发的、可升级的32为嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows 95。 Windows CE的图形界面相当出色。具有模块化、结构化、基于Win32 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 Wi

21、n CE不仅继承了传统的 Windows图形界面，并且在Win CE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如Visual Basic、Visual C+等），绝大多数的应用软件只需要简单地修改和移植就可以在Win CE平台上继续使用。,1.3 嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统VxWorks,VxWorks操作系统是美国WIND RIVER 公司于 1983年设计开发的移植嵌入式实时操作系统（RTOS）,是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用于在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks,1.3 嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统uC/OS-,uC/OS-是一个码源公开、可移植、可固化、可裁剪的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。 uC/OS-通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来， uC/OS-已经被应用到数以百计的产品中。 uC/OS-占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。,