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1、大连理工大学软件学院 邱铁 办公楼413 Tel:87571632 E_mail: 参考教材:ARM嵌入式系统结构与编程 清华大学出版社2009年3月出版,嵌入式系统结构与编程,第一讲 嵌入式系统基础,本讲介绍了嵌入式系统开发的基础知识,从嵌入式计算机的历史由来、嵌入式系统的定义、嵌入式系统的基本特点、嵌入式系统的分类及应用、嵌入式系统软硬件各部分组成、嵌入式系统的开发流程、嵌入式技术的发展趋势等方面进行了介绍。,一. 嵌入式系统基本概念,在电子计算机发展的初期,计算机一直是“供养”在特殊的机房中的大型、昂贵的专用设备,主要是实现一些特殊的数值计算。 1971年11月15日,Intel发布了
2、自己的首款微处理器,型号4004”,这也是首次将一台编程计算机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片上。一个崭新的微处理器时代开始了。 同时微处理器表现出的智能化水平引起了设备制造、机电控制等专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个控制对象的体系中,实现对象体系的智能化控制。,第一片集成式微处理器4004,8086、286,386、486,Pentium,PentiumII、PentiumIII,嵌入式计算机,微处理器(MCU)的问世极大的促进了控制领域的发展,极大的提高了系统的可控性和智能化。 到80年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大的家族,以Intel公司x86为主流的应用于个人计算机
3、PC的微处理器格局已形成。 为了区别于原有使用在PC的通用计算机,把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机,称作嵌入式计算机。 因此,嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代,嵌入式系统的概念,随着计算机技术对其它行业的广泛渗透和与其它行业应用技术的相互结合,以应用为中心的分类方法变得似乎更加切合实际发展; 按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为通用计算机和嵌入式计算机。,嵌入式系统的概念,而非通用计算机的计算机嵌入式计算机,则是非通用计算机形态的计算机应用,它是以作为嵌入式系统的核心部件的形式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中。 因此嵌入式计算机是计算机技术发展中的一种计
4、算机存在的形式,是从计算机技术的发展中分离出来的。,嵌入式系统的行业定义,IEEE的定义: Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants. 从中可以看出,嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机械等附属装置,我国嵌入式系统的行业定义,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、功耗严格要求的专用计算机系统。,二.嵌入式系统的分类,嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类分为: 系统中使用含程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯
5、片级嵌入; 系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入; 嵌入式系统按软件实时性需求分: 非实时系统(如PDA); 软实时系统(如消费类产品); 硬实时系统(工业实时控制系统),三.嵌入式系统的应用与发展,嵌入式系统的应用范围,崭新的数字世界多彩的嵌入式应用 无线电的发展,BTH矿石收音机 单二极管,Bush收音机 7个晶体管 单二极管,Evoke DAB收音机 1亿个晶体管 2-3个嵌入式处理器,电话的发展,电话 无晶体管,BT DECT 1千万个晶体管 3个处理器,诺基亚手机 超过7亿个晶体管 (多数用于存储器) 5-6个处理器,新式诺基亚手机,计算机的发展,+,=,Apple Mac
6、intosh 黑白显示器 1 MIP 处理器,Acorn Archimedes 彩色显示器 10 MIP 处理器 RISC集,惠普康柏掌上电脑 彩色显示 200 MIP 处理器 64MB 内存 袖珍型,嵌入式Internet应用,航海仪器的发展,地图、时钟、指南针 印刷及磁技术 无晶体管,Raytheon 船用航海仪器,GPS定位器 约1亿个晶体管 1-2个处理器 + 4个人造卫星!,GPS定位器 约5亿个晶体管 2-4个处理器 超过10个人造卫星!,军事国防领域,航天领域,嵌入式系统在机器人控制中的应用(大工),智能玩具与机器人,其他产品发展,Disc on Key,Konica Revio
7、,我们正步入一个崭新的“数字世界”,无线连接是 “数字胶水”,嵌入式应用,四.嵌入式系统的组成结构,1.硬件基本结构,嵌入式系统的硬件架构,是以嵌入式处理器为中心,配置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。 嵌入式系统是“量身定做”的“专用计算机应用系统”。(Customize),非常经济、可靠。,典型的嵌入式系统组成,硬件基本结构,嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器,有时为了提高系统的信息处理能力,常常外接DSP和DSP协处理器(也可内部集成)完成高性能信号处理。 以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成为嵌入式系统的核心,2.嵌入式系统软件的层次结构,如当设计
8、一个简单的应用程序时,可以不使用操作系统,但是当设计较复杂的程序时,可能就需要一个操作系统(OS),减少应用程序员的负担。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说,结构三个层面:设备驱动层、实时操作系统(RTOS)、实际应用程序层。由于硬件电路的可裁减性和嵌入式系统本身的特点,其软件部分也是可裁减的。,3.启动程序BootLoader介绍,对于PC机,启动初始化由BIOS完成的,对于嵌入式系统来说必须自行编写系统初始化程序,在嵌入式中称为BootLoader程序。 因此在系统加电复位后,处理器将首先执行 Boot Loader 程序。,五.嵌入式操作系统,计算机由硬件和软件两部分组成,操作系统OS(
9、Operating System)是配置在计算机硬件上的第一层软件; 操作系统可以解释或理解为补平硬件差异的界面或是说隐藏硬件,让应用程序可以在上面运行。 通过由操作系统统一所提供出来的系统界面来写应用程序,无须考虑到不同硬件所造成的差异,让程序设计人员能够专注于所擅长领域的开发,嵌入式操作系统,从用户的观点看OS是用户与计算机硬件系统之间的接口; 从资源管理观点可以把OS视为计算机系统资源的管理者。 嵌入式操作系统在知识体系和技术本质上与通用操作系统没有太大的区别,一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统出现大大提高了嵌入式系统开发的效率,减少了系统开发的总工
10、作量,而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。 嵌入式操作系统必须包括操作系统的一些最基本的功能,如中断处理与进程调度,用户可以通过API来使用操作系统。,嵌入式操作系统,目前大多数的嵌入式操作系统必须提供以下管理功能: 多任务管理 存储管理 周边资源管理 中断管理,典型嵌入式操作系统介绍,嵌入式操作系统可分为两种商用型和免费型。 商用型的操作系统主要有VxWorks、Windows CE 、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等 免费型的操作系统主要有Linux和C/OS-II,典型嵌入式操作系统介绍,C/OS-II 嵌入式操作系统内核 VxWorks嵌入式实时操作
11、系统 WinCE操作系统 Linux操作系统,C/OS-II 嵌入式操作系统内核,C/OS-II是一个可裁减的、源码开放的、结构小巧、可剥夺型的实时多任务内核,主要面向中小型嵌入式系统,具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良等特点。 C/OS-II中最多可以支持64个任务,分别对应优先级063,其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务。 C/OS-II最大程度上使用ANSI C语言开发,现已成功移植到近40多种处理器体系上。,WinCE操作系统,Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。
12、 高度模块化是WinCE的一个特性,有利于对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。 WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM,它支持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。Microsoft公司为Windows CE提供了Platform Builder和Embedded Visual Studio开发工具。,WinCE操作系统,Windows CE嵌入式操作系统能提供与PC机类似的图形界面和主要的应用程序。 这样只要是对PC机上的Windows比较熟悉的用户,可以很快地使用移植有Windows
13、 CE嵌入式操作系统的设备。,六.典型应用:嵌入式机器人控制系统,6.1硬件设计 6.2 RTOS的移植与任务设计 6.3系统调试与运行,6.1硬件设计,主控制板,6.2 RTOS的移植与任务设计,实时操作系统C /OS-II 在LPC2136下文件配置 任务运行机制 系统调试与运行,C/OS-II 软/硬件体系,系统中任务状态转换图,在LPC2136下C/OS-II的文件配置,设置堆栈增长方向 声明3个宏(开、关中断及任务切换) 声明与编译器相关的数据类型 C语言编写与操作系统相关的函数 汇编编写与处理器相关的函数,任务 划分过程,多任务机制,机器人起动后,第一个应用任务对机器人系统初始化,
14、初始化完成后,这个应用任务被删除。接下来实时系统开始根据时间片轮转法,进行多任务的执行与切换,实时控制机器人的运行。,6.3系统调试与运行,系 统 初 始 化,实时控制显示,嵌入式技术的发展趋势,时代的发展使得嵌入式产品获得了巨大的商机,为嵌入式产品提供了广阔的市场前景,同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战 。,1随着信息化与数字化的发展,嵌入式设备进行网络互联是未来发展的趋势。 未来的嵌入式设备为了适应信息化与数字化的发展,网络化成为发展的方向。要进行网络互联,在硬件设计上要提供各种网络通信接口 。 在应用软件方面,要提供可以在设备上安装嵌入式Web浏览器,实现网页浏览和远程数据库的访问。,
15、2优化嵌入式系统软硬件内核,提高系统运行速度,降低功耗和硬件成本。 嵌入式产品是软件和硬件相结合的设备,为了提高运行速度、降低功耗和成本,要求开发人员尽量裁剪系统的硬件资源和软件内核,利用最少的硬件资源和软件结构实现最多的功能。在实现过程中要不断的优化硬件电路并改进算法,达到最佳的控制功能。,3指令级的并行计算技术将引入嵌入式微处理器。 在工程的实际应用中会出现大量的数据执行相同的运算功能,比如向量计算,这就需要在单个时钟周期内实现多个数据的运算操作。 在CPU中设计多个执行部件来完成此功能,这种CPU的架构形式称为单指令流多数据流体系结构,也称之为指令级的并行计算技术。,4嵌入式微处理器将会向多核技术发展。 无所不在的智能必将带来无所不在的计算,大量的图像信息也需要高速的处理器来处理,面对海量数据,单个处理器可能无法在规定的时间完成处理。 引入并行计算技术,可以采用多个执行单元同时处理,这就是处理器的多核技术。,5嵌入式技术将引领信息时代 嵌入式产品具有自身的优点,如体积小、低功耗等,这也正是在走可持续发展的战略 ; 使我们无论身处何时、何地,想要什么信息都可以信手拈来 ; “无所不在的智能”的观点,它是嵌入式系统应用的最高境界。,下次课内容提示:,ARM体系统结构 三级流水线与五级流水线 请同学学们查阅相关资料做好预习,
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