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1、1,嵌入式系统 An Introduction to Embedded System 第1课 嵌入式系统概述 陈文智 浙江大学计算机学院 2009年4月,2,提纲, 嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入式系统教学 浙大嵌入式系统科研,3,嵌入式系统定义,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能,4,5,计算机应用领域的划分,桌面通用型,高端服务型,小型专用型,6,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(1/7),嵌入式系

2、统中运行的任务是专用而确定的 心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务 如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护,桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序 对系统中运行的程序不作假设 程序升级、更新等方便,7,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7),嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。 实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。（POSIX 1003.b ） 嵌入式实时系统可分为： 强实时型：响应时间sms级； 一般实时：响应时间mss级； 弱实时型：响应时间s级以上。,8,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(3/7),嵌入式系统中使用的操作系统一般

3、是实时操作系统,嵌入式实时操作系统数量众多，如： VxWorks Windows CE pSOS QNX 国产嵌入式实时操作系统，如： HOPEN DeltaOS 。OS,9,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7),嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障容忍能力弱很多,嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行 嵌入式系统运行的环境恶劣,10,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7),嵌入式系统大都有功耗约束。 如：珍贵文物微气象环境监测 要求1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，1年更新一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5天！ 引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量

4、。,11,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7),嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多 为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行！,嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法： 开发：交叉编译、交叉链接 调试：仿真器、虚拟机 更新：在线升级等,12,嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7),嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术 系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 编译原理：交叉编译、bootloader加载,13,提纲, 嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入

5、式系统教学 浙大嵌入式系统科研,14,嵌入式系统的发展历程,嵌入式系统出现于20世纪60年代，40多年来随着计算机技术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。 嵌入式系统发展的三个阶段 嵌入式系统的出现和兴起 （19601970） 嵌入式系统走向繁荣，软件、硬件日臻完善（19711989） 嵌入式系统应用走向纵深化发展 （1990至今）,15,嵌入式系统的出现和兴起,第一代电子管计算机(19461957年)，无法满足嵌入式计算所要求的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。 60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用： 第一台

6、机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。 1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。 19651970年，第三代集成电路化计算机系统应用： 第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号 第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号。,16,嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善,嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后： 1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004。 人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运算器了，只需以微处理器为基础进行设计。 1976年，第

7、一个单片机Intel 8048出现。 1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快1050倍。 80年代后期，第三代DSP芯片出现。 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善： 早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统 硬件的提升 软件技术发展,17,嵌入式系统应用走向纵深化发展,应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电 汽车：50个以上嵌入式微处理器 飞机：70个以上嵌入式系统 嵌入式微处理器32位、64位 嵌入式实时操作系统使用比率越来越高 早期：10；90年代初：30；目前：8090 嵌入式系统开发工具越来越丰富 嵌入式系统产业链形成,18,嵌入式系统产业链,19,嵌入式系统市

8、场规模及平均增长率（20032006）,20,嵌入式软件系统生命周期发展,21,提纲, 嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入式系统教学 浙大嵌入式系统科研,22,嵌入式系统结构,嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成,23,一个典型的嵌入式系统应用,24,嵌入式微处理器,1000多种硬件处理器，分为MCU、DSP、MPU、SOC ARM RISC （ARM） TMS320 DSP（TI） Trimedia （Philips） StrongARM （Intel） Xscale （I

9、ntel） MIPS RISC （MIPS） DragonBall（Motorola）,25,外围硬件设备 （1/2）,片外总线：连接系统各个部件，进行互连和传输信息的信号线。 ESIA总线、SCSI总线、PCI总线 AMBA总线：ARM研发的总线规范 专用总线 CompactPCI总线：工业控制 CAN总线：汽车电子总线 1553B总线：航空工业总线 电子盘：采用flash芯片存储数据，体积小、功耗低、抗震 DOC：Disk on Chip DOM：IDE电子盘 CF：CompactFlash SM：Smart Media MS：Memory Stick,26,外围硬件设备 （2/2）,I/

10、O设备 A/D、D/A 中断控制器 UART LCD 通讯设备 有线通讯：IEEE1394、USB 无线通讯：IrDA、Bluetooth、802.11b/g,27,嵌入式实时操作系统,典型的嵌入式实时操作系统（RTOS） 近200种操作系统，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS 面向SOC的操作系统：Symbian的Epoc、Express Logic的ThreadX、ATI的Nucleus 开放源码的操作系统：Linux系列、uC/OS 典型性能指标 内核大小：几K几百K； 调度时间片：1ms； 实时任务响应时间：2040微妙 一般任务响应时间：20微妙几百毫秒,28,提纲,

11、嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入式系统教学 浙大嵌入式系统科研,29,嵌入式技术的应用手机,韩国电信手机/电视遥 控器二合一产品,Sony Ericsson超小型手机电 脑手机放在底座上成为电脑,Nokia手机户外音响,内置 DVB-H 移动电视手机,普通手机 智能手机 与PDA结合,30,智能家居 智能家电,Roto-Rooter公司马桶 组合笔记本/ipod/冰 箱/Xbox360/健身,高科技的捕鼠器 遮断红外线光束掉下笼子,DangerBomb 闹钟 不起床就爆炸啰,配备电子食谱 的锅铲coo.boo,智能型垃 圾桶 i.Master

12、,浙江大学智能割草机,浙江大学显示营养智能果汁机,嵌入式技术的应用智能家居,31,嵌入式技术的应用PDA,个人信息助理 掌上电脑,PDA 手机 + GPS 导航 Dopod U1000，且支持SkyPE,Map-Star的GPS定位设备,华硕GPS导航器,SONY GPS导航器,Nokia 6110 四频 HSDPA / GPS 导航器,32,嵌入式技术的应用PMP,iLuv可即时将视频录制到iPod/ 闪存卡上，与以前技术相反,Sony家用影音综合设备,XtremeMac开发的iPod音箱,IPEVO支持Skype电话,Nike的 iPod 帽,Meizu M8,Ipod nano,Arch

13、os带 Wifi的704,Portable Media Player,33,录音笔 FLY数字笔 能“看懂”在专用纸上所写的内容 能“阅读”写作和纠正语法错误 完成简单的算术运算 将英文互相翻译成西班牙文等 Genius数字便笺 存储100页便笺 2000LPI分辨率 32MB板载内存 可通过USB连接电脑 笔迹识别软件 Polymer Vision手机书,嵌入式技术的应用办公用品,34,嵌入式技术的应用手表,Martin Frey手表 日程表 和手机联动 获取网络连接和GPS定位信息 手表手机：M300 1英寸的显示屏 USB接口 可播放音乐 支持蓝牙 Nike的Speed+手表 结合 iP

14、od 和运动计测 韩国防性罪犯的电子手镯 可追踪罪犯的定位和坐标 爱国者视频MP4手表,35,嵌入式技术的应用运动玩具游戏,GTX公司定位的运动跑鞋 内置的GPS接收器和可充电电池 遥控蜻蜓 次世代三大主流 三款主机Xbox 360，WII，PS3,GameCube,XboX360,PS3,Wii, 手柄, 手套, 枪,36,嵌入式技术的应用摄像器材,数码相机 DV,37,嵌入式技术的应用多媒体终端,IP电话 视频会议 可视电话,基于视频电话 的小型视频会 议系统(MCU),语音识别电话,基于H.323协议族 的网络视频电话,38,嵌入式技术的应用家庭音响,引入计算机技术的音响,配备B&O与C

15、ore 2 Duo的P.Guerra家庭影院,Sonos ZP80无线音响,LG HD DVD/蓝光播放器,Motorola支持M卡的 HD DVR 录像机,iPhone,39,嵌入式技术的应用电视,高清电视 数字电视 立体显示技术,LG内置数字录像机的 LCD TV,AppleTV: Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of L2 高速缓存 nVidia G72M 显示卡 64MB DDR2 内存 内置的 40GB 硬盘 播放 iTunes,能输出 1080p 高画质 影像的 iPod Dock,数字电视机顶盒,40,嵌入式技术的应用通讯设备,有计算机能力的各种通讯设备

16、路由器/交换机/防火墙等,Buffalo 路由器 / USB 网卡套装,VPN产品,千兆网关防火墙,41,嵌入式技术的应用仪器仪表,DCG (动态心电图仪) 便携式多参数监护仪 中医指套传感器脉象虚拟仪器 推拿手法测试仪 电动机故障状态监测保护系统,监控仪,手持仪,42,嵌入式技术的应用交通相关,汽车电子 处理器个数可达三位数 车载 娱乐，定位等 车控 ABS、EBD等 其他,中国版月球车,汽车立体声音 响HD Radio扩展包,改装遮阳板 DVD / TV / MP3,43,嵌入式技术的应用军工,武器控制系统 数字化单兵系统 有苛刻要求 尺寸和重量 功率消耗 震动和冲击 温度和湿度,21世纪

17、部队旅及旅以下作战指挥系统 夜视扫描、全球定位、指挥通信,44,嵌入式技术的应用新兴硬件,GPS/蓝牙双拼模块芯片,龙芯2号增强型处理器芯片,Intel进入 二十倍数 时代，五 年后给我 们八十核 心处理器,服用的 RFID 芯片,Intel Tolapai计划要把南北桥做在芯片中,45,提纲, 嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入式系统教学 浙大嵌入式系统科研,46,课程 应该扮演 什么角色 ？,领域多样性,教学多样性,实现多样性,通讯 汽车电子 信息家电 消费产品 其它,控制 电子工程 计算机 信电 仪器仪表,硬件 系统软件 应用软件 综合,

18、47,嵌入式系统课程的地位,嵌入式系统理论 嵌入式体系结构 嵌入式操作系统 嵌入式软件开发,计算机组成,操作系统原理,计算体系结构,信号与系统,程序设计,实时系统,分布式实时系统,软件硬件协同,机器人,其它研究热点,文献阅读,项目,实验,。,竞赛,48,2002年,2003年,浙江大学计算机系开始开设微机课程,在软件学院开设嵌入式系统课程,教学组成员多次参加INTEL全国高校嵌入式教学研讨会,2004年,与IBM展开嵌入式，操作系统等相关课程联合教学,2004-2006,自编讲义和实验指导书,陆续出版相关的教材,2007年,不断丰富和改革实验平台、建立了实验室环境,开设历史,微软教育部精品课程

19、”和“教育部英特尔精品课程”,国家精品课程,49,教材与教学内容,自编教材为主、国内优秀教材和规划教材为参考、外文教材为指导 嵌入式系统开发原理与实践 边干边学Linux内核指导 本门课程分数比例分配如下 出勤、课堂讨论等平时成绩：约30 实验报告质量与成绩： 约50 期终考查（或考试）成绩： 约20 有特色贡献者可以在以上总分的基础上再加分。 课程共设64课时，理论课32学时，实验课32学时,50,教材,51,教学条件（实验）,实验平台5次更新换代 1）2002使用自主开发的实验平台。 2）2003年由Intel捐赠了Xscale （Sitsang）及EIA 各15套，HP公司捐赠的Pock

20、et PC h5500共计180套。 3）2004年由与亿道公司合作，购买Pxa255实验板30套、龙珠实验板30套以及相关嵌入式实验设备，在紫金港校区建设了本科生嵌入式实验室并嵌入式系统创新中心。 4）2005年初，购买PXA272共计10块，使得学生能够在进行更高端的嵌入式平台学习与实践。 5）2006年底，由Xilinx公司赠送了Virtex-II PRO实验平台以相关开发软件50套，更丰富了实验环境，使得学生能进行嵌入式可重构计算系统进行学习实践。,52,今年7月份，即将第五次更新。,53,教学方法与手段,网络教学,实践教学,对外交流,成果,54,精品课程网站(),55,提纲, 嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素 嵌入式系统应用领域 浙大嵌入式系统教学 浙大嵌入式系统科研,