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1、嵌入式系统原理与应用,“Being digital” 数字化生存 -1995年出版,尼葛洛庞帝的预言： 嵌入式智能工具（电脑）将是PC和互联网之后最伟大的应用发明。,嵌入式系统基础 -概述,嵌入式系统与你我,？,嵌入式系统与你我有什么关系？,嵌入式系统应用广泛吗？,应用及其广泛！ 与你我大有关系！,种类繁多的嵌入式系统在你我的生活中几乎无处不在！,嵌入式系统应用范围广泛吗？,平均每个家庭使用60个嵌入式处理器 平均每个汽车需要35 个嵌入式处理器 2008年，Gartner估计存在800亿嵌入式处理器 800亿嵌入式处理器占据了 98% 处理器市场 Intel Pentium、Motorola
2、 PowerPC等通用处理器，仅占2%的处理器市场,嵌入式系统与你我,我们现代的生活中已经无法离开嵌入式系统了！ 食 每天使用食堂的收款机付款。 行 每天乘坐公共汽车、汽车出行。 旅游必带物品，数码照相机、摄像机。 住 每天用的洗衣用的洗衣机、保鲜用的冰箱。,我们已经无法离开嵌入式系统了,你我身边嵌入式系统无处不在,嵌入式系统与你我,娱乐 每天听歌用到的MP3、CD机、音响、DVD。 学习 每天用到的计算机组成部分显卡、网卡、硬盘、U盘。 通信 每天与家人朋友通信需要手机、呼机 更多 。,我们已经无法离开嵌入式系统了,你我身边嵌入式系统无处不在,最早的嵌入式系统,历史上第一个真正的嵌入式系统是
3、什么？,Apollo 导航计算机,嵌入式系统的应用领域,电子通讯 信息家电 网络安全、设备 工业自动化 精密仪器 。,常见嵌入式系统产品1,消费类,常见嵌入式系统产品2,计算机内设,常见嵌入式系统产品3,网络设备及服务器,常见嵌入式系统产品4,军用产品,常见嵌入式系统产品5,工业控制产品,电子通讯,手机、小灵通、智能手机、3C合一,信息家电,信息家电,信息家电（Information Appliance，IA）。一般可认为，那些低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割或替代PC的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或讯息的产品可统称为信息家电。,信息家电消费电子,信息家电数字机
4、顶盒,SAN公司的信息家电产品,汽车电子,（18个嵌入式控制模块） CAN总线网络,VOLVO S80,BMW 745i,2,000,000 LOC Windows CE OS 53个8-bit 嵌入式处理器 7个16-bit嵌入式处理器 1个32-bit嵌入式处理器 多种网络技术,大型嵌入式系统,BMW 850i,brake,sensor,brake,sensor,brake,sensor,brake,sensor,ABS,hydraulic pump,大型复杂的嵌入式系统可由若干个小型嵌入式系统组成,汽车控制系统,汽车电子 分系统构成示意图,汽车电子 安全性能发展路线图,阿富汗参加反恐作战
5、的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,军事,嵌入式系统高性能武器平台的基础,嵌入式Internet应用,嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用,交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元 水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。 加油站 停车场管理 ,嵌入式系统与机器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器 （采用卡西欧PDA和Windows CE）,智能机器人,基于Win CE的移动机器人平台,基于Win CE的机器
6、人装配平台,基于RTLinux的仿人机器人,高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通,基于VXworks的火星探路者,2004年“勇气号”再次登陆火星,勇气号,机器鱼的智能控制,模块化机器人的智能控制,机器蛇的智能控制,农业Hunter ICC 灌溉控制器,6,000 LOC (汇编语言) 微内核 (Hunter) 一个 8-bit 微处理器 (8051) I2C网络 高可靠,小型嵌入式系统,随身计算,应用领域实在太广泛了！,
7、嵌入式系统前景广阔,社会 新的电子产品，尤其消费电子产品发展及其迅速！ 嵌入式市场广阔，但人才短缺 学生 嵌入式系统需要硬软件综合知识 需要更全面的系统知识和领域知识 更容易找到工作,嵌入式系统定义,如：PC机、服务器、大型计算机等。,通用计算机看得见的计算机,显示器,主 机,鼠 标,键 盘,硬 件,诸如主机、显示器、键 盘、鼠标等看得见部件,软件,应用程序可按用户 需要随时改变, 即重新编制。,通用计算机看得见的计算机,嵌入式系统定义,看不见的计算机，一般不能被用户编程, 它有一些专用的I/O设备, 对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer
8、 system contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device. “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。,嵌入式系统定义,IEEE: “Dev
9、ice used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”. 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。,嵌入式系统定义,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。,嵌入式系统定义,嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。 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
10、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 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。 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。,嵌入式系统与PC,嵌入式系统与PC,嵌入式系统与PC,体系结构之冯诺依曼结构,存储器,输出,输入,运算器,控制器,数据线路,控制信号,体系结构之冯诺依曼结构,体系结构之哈佛结构,程序存储器,输出,输入,运算器,控制器,数据线路,控制信号,数据存储器,体系结构之哈佛结构,桌面机系统结构,计算机系统结构,嵌入式系统结构
11、,嵌入式系统结构,计算机系统层次,硬件,固件,操作系统,应用程序,硬件,固件,操作系统,应用程序,硬件,固件,桌面计算机,复杂嵌入式系统,简单嵌入式系统,系统层次比较,华硕主板,Award BIOS,Window XP,FTP 服务器,硬件,固件,操作系统,应用程序,桌面系统层次示例,UC-EIS-LAB,EIS-BIOS,uClinux,Application,硬件,固件,操作系统,应用程序,嵌入式系统层次示例,硬件架构-桌面系统,Host Computer,Memory,Network Interface,I/O,硬件架构-嵌入式系统,UART,Bus Interface,RAM,Time
12、rs,Digital I/O,ROM,IIC,ADC,CPU,SPI,桌面机主板（单处理器）,嵌入式系统主板（单处理器）,桌面机主板（多处理器）,嵌入式系统主板（多处理器）,嵌入式系统开发板（ S3C2410 ）,OMAP5912嵌入式开发平台,Altera DE2开发板,嵌入式系统示例,举例 DC,Analog,Digital,Analog,Memory,Coprocessors,Controllers,Converters,Processor,Interface,Software (Application Programs),ASIC,DC,iPhone拆解,iPhone 无线网络控制器,
13、iPhone 存储控制器,802.11b/g wireless,iPhone 硬件结构图,嵌入式系统特点,嵌入式系统特点,多技术领域交叉融合 计算机、微电子、通讯、控制、多媒体、传感器、网络技术等,嵌入式系统特点,专用性强 嵌入式系统很多是面向特定应用的，用途比较固定，主要完成单一功能/用途。 软硬件的结合非常紧密，一般要针对不同的硬件平台进行软件的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中软件也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,嵌入式系统特点,系统精简 系统资
14、源（CPU、内存、flash存储空间等）相对有限，而且嵌入式系统一般追求高性能，要求软件的规模尽可能压缩。 对于硬件的需求，则达到要求即可。 一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 一般来说，系统越简单，则相应的可靠性越高。 如果系统规模较小，甚至可以集成到芯片中。,嵌入式系统特点,硬件体系结构特殊 嵌入式处理器结构 RISC结构 嵌入式处理器种类 上千种 嵌入式处理器 可定制 总线类型专用 ARM的ABBA总线 。,嵌入式系统特点,处理器和处理器体系结构类型多 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且
15、主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。,嵌入式系统特点,嵌入式操作系统支持 与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统具有体积小、实时可靠、可裁剪、可固化和多种处理器支持的特点，并且这样的操作系统一般都是实时操作系统。 嵌入式实时操作系统的引入，提高了系统的可靠性和应用开发效率。,嵌入式系统特点,嵌入式操作系统小内核 由于嵌入式系统一由于系统资源相对有限，而且嵌入
16、式系统一般追求高性能，所以嵌入式操作系统内核较之传统的操作系统要小得多。 ENEA公司的OSE分布式系统内核只有5K； 嵌入式linux内核大小为100K2000K； 最小的嵌入式操作系统内核仅有1K大小； Windows的内核ntoskrnl大小为2095K；,嵌入式系统特点,实时响应 大部分实时系统都属于嵌入式系统，系统依靠其硬件设备和实时操作系统RTOS的紧密结合，能够在有限的时间内对外部事件作出快速响应； 其次，在嵌入式应用领域中，大部分系统都具有较好的实时性，因而嵌入式系统大都具有快速启动的特点。（XIP）,嵌入式系统特点,多样性 嵌入式系统的应用多种多样，已经广泛应用到社会的各个领
17、域。 嵌入式设备的类型也日趋多样化，有多种处理器和外围设备的支持。,嵌入式系统特点,健壮可靠 目前主要有两种机制来保证系统的可靠性，一是硬件机制，如硬件中的看门狗定时器，它可以在软件失去控制后使系统重新开始正常运行；二是软件机制，如内存保护和重启机制等。 为了提高系统的可靠性，嵌入式系统中往往采用固态化存储 ，软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载体中。 一般要求适应使用环境的变化，尤其是温度、湿度等不同外部环境。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。,嵌入式系统特点,低功耗 由于大部分嵌入式系统运行时
18、不能依靠外部电源供电，而且目前的电池技术的发展远远落后与嵌入式系统的发展，因此为了保证嵌入式系统的长期运行，要求嵌入式系统的功耗要尽可能的低。 嵌入式处理器的功耗低，可以为毫瓦或更低 软件简化，降低对嵌入式处理器的要求 可以自动休眠 非工作时主动关闭显示屏等高功耗部件等等 功耗敏感型嵌入式系统 MP3播放歌曲时间 手机待机时间 移动电视播放时间 PSP的使用时间 。,嵌入式系统特点,成本敏感 嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。 嵌入式的系统成本包括: 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)
19、成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本,嵌入式系统特点,产品成本 很多类型的嵌入式系统在大规模生产时，对产品成本的追求没有止境； 降低功耗，则可以配置更小型的电池 降低功耗，则可以配置更低级的处理器 系统简化，则可以配置更少的内存与存储空间 SOC，则可以降低系统的返修率 。 一次性使用的嵌入式系统一般除外。,嵌入式系统特点,特殊的开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具
20、和环境才能进行开发。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,嵌入式软件开发工具,开发工具 编译器（Compiler） 调试器（In Circuit Emulator） 软仿真（Simulator） 集成开发环境（IDE） 典型的商业开发工具及供应商 Windriver公司的Tornado for VxWorks MontaVisa公司的HardHat Linux 开发工具包 AMC公司的SuperTAP调试器 免费开发工具 GNU系列开发工具
21、Wiggler调试器,嵌入式系统特点,专门的开发环境。 开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。,小型嵌入式开发环境,大型连接式开发环境,嵌入式系统特点：一般看来,种类繁多，应用广泛 特定任务，非通用平台 软硬件一体化 多种处理器种类以及处理器体系结构的支持 极其关注系统成本，即成本敏感 有实时约束，代码小，执行速度快 实时操作系统,嵌入式系统特点：用户方,功能简单 专门完成一个或几个任务 要求严格 大小、 功耗、价格、市场时间 实时和交互 实时与环境交互 安全可靠 软硬件的错误威胁生命,嵌入式系统特点：开发方,软件硬件协同
22、并行开发 多种多样的微处理器 实时操作系统的多样性 (RTOS) 与台式机相比，可利用系统资源很少 应用支持很少 要求特殊的开发工具 调试很困难 软件硬件都应很健壮,嵌入式系统特点：开发方,故障率低 功耗约束 适应使用环境 较少的系统资源需求 代码存储在ROM中 不同的设计方法和设计开发工具,嵌入式系统发展趋势,嵌入式系统的发展趋势,以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战： 支持日趋增长的功能密度 灵活的网络联接 轻便的移动应用 多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动 支
23、持二次开发和动态升级等,嵌入式系统的发展趋势,形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PC一样只有一种平台。 吸取PC的成功经验，形成不同行业的标准。 统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。 如欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口 如google推出的Android手机平台,嵌入式系统的发展趋势,面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SOC（System On Chip）将成为应用主流 SoC给系统带来高性能
24、之外更多更重要的好处 稳定性、体积、散热、功耗 ,处理器,外设,存储器,I/O,“System on board”,“System on chip”,USB,以太网,memory,External Memory,CPU,Address,Data,扩展芯片,内核（core）,处理器存储器子系统,SoC的片内外设,系统的片外设备,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌
25、入式系统的需求向: 可适应不同的嵌入式硬件平台 具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式开发工具 支持多种硬件平台 覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段 高效 高度集成的工具集方向发展,Requirement Analysis,Software Design,Coding,Test,Release,嵌入式软件开发基本过程,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用 针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持。 针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE1394、USB、C
26、AN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览器和Web Server。,Powerful, but complex infrastructure,嵌入式系统的互联,互联的价值,嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、内容和信息的访问能力 为动态修改嵌入式软件提供了可能，如: 修改系统代码或“固件” 增添新的应用软件模块 增强了系统和设备的可管理性,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操
27、纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。 支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统向小尺寸、微功耗和低成本的方向发展 医学方面，微型机器人的发展会给许多目前难以治愈的病人带来福音 军事方面，仿生机器人、微型卫星、微型飞机、微型传感器的出现，将极大地减少人员的伤亡,消费类电子嵌入式系统向大尺寸、低功耗和低成本的方向发展 手机 MP3 MP4 GPS 移动电视 掌上电脑 数码相机 数码摄像机 电子图书 收音机 掌上游戏机 笔记本电脑 PDA 电子词典 。,嵌入式系统的发展趋势,个人 终端,Q&A,