1.嵌入式系统概述.ppt
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1、,嵌入式系统原理与接口技术,第一章 嵌入式系统概述,马忠梅等著. ARM嵌入式微处理器体系结构.北京:北航出版社,2002.1 杜春雷编著. ARM体系结构与编程.北京:清华大学出版社,2003.2 (美)Jean J.Labrosse, 邵贝贝译. C/OS-嵌入式实时操作系统(第二版). 北京:北航出版社,2003.5 田泽 编著. 嵌入式系统开发与应用. 北京:北航出版社,2005.1 田泽 编著. 嵌入式系统开发与应用实验教程. 北京:北航出版社,2004.6,参考资料,对提高专业知识和实践能力大有帮助,嵌入式系统设计是一门综合性的课程,涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识,综合性
2、强,包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。 理论与实践相结合:实践是嵌入式系统课程的重要环节,缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。 知识的积累是与精力和时间的付出成正比的,要成为高手和专家,就需要不断的努力。 学无止境。,本章提要,1.1 为什么要学习嵌入式系统,一、 从计算机发展的趋势看,计算机分类: 以往计算机分类: 大型计算机、中型机、小型机和微计算机 目前计算机分类: 超级计算机,大型计算机、工作站、微计算机、 亚微计算机 亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,二、从市场需求看 1.计算机系统的三大领
3、域 1)服务器市场 功能强 利润最大的市场 可用性强 可扩展性 2)桌面市场 最广阔的市场 3)嵌入式市场 潜力最大的市场,2.嵌入式系统市场分析 嵌入式技术被广泛地应用到工业控制系统、仿真 系统、医疗仪器、信息家电、智能掌上装置(PDA)、 通信设备等众多领域中,近几年在国内也得到飞速 的发展。,手机:以手机为代表的消费电子产品是嵌入式应用市场中增长最快的领域。2005年中国市场销量达到7600万部。在新的市场渗透和手机换代业务的推动下,未来3至4年的中国手机市场有希望继续保持1520%的年平均复合增长率。 手机正在向相机手机、TV手机、智能手机、双模/多模手机和3G手机方向发展,从而带动了
4、宽带技术(如Wi-Fi和WiMax)、互联网技术、JAVA技术、数字高清晰图像传感/接收/处理/显示技术、低功耗设计技术、RTOS和应用处理器等技术在手机平台上的融合趋势。,数字电视:2005年中国数字电视市场正式启动,至2015年目前的模拟网络将逐渐被数字网络取代。据估计,到2008年中国有线数字电视用户规模将超过3370万户,以销售额计算,包含机顶盒与数字电视机在内,数字电视终端未来五年的市场总规模将达到3397亿元。 嵌入式DVR安防:随着房地产行业的蓬勃发展和人们生活水平的不断提高,安防工程数量会持续高速增长,智能楼宇、各类学校的安防设备需求将会快速增长,以DVR为代表的安防设备市场需
5、求会有很大增长。,电子地图与汽车电子:所谓电子地图就是利用成熟的网络技术、通信技术、GIS(地理信息系统)技术,实现一种新的地图服务方式。目前,电子地图在商业应用领域不断发展。在终端嵌入式领域,有汽车导航、个人导航、GPS导航等应用;在平台应用领域,有行业应用-智能交通系统、车队管理、资产跟踪等;还有市场前景颇为乐观的位置服务领域。 工业控制领域持续增长,工业控制仪表、无线监测、数控机床、服务机器人、医疗保健相关的嵌入式应用将继续快速增长。,据预测,2001年中国信息家电市场将达到 500亿700亿元,2004年有望达到3500亿 5000亿元。,在软件市场,据CCID2003年的数据显示,2
6、000年嵌入式软件市场规模为70.33亿元,2001年为 95.43亿元,2002年118.56亿元,三年平均 增长38.85%。 2002年中国软件市场为345.0亿元,嵌入式软件约占软件总市场的34.37。,2004年,软件统计数据为: 套装软件共计478亿元,为具有独立产品形态的软件。 其中包括系统软件89亿元(操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元) 中间件软件6.98亿元、 应用软件304.53亿元(包括通用应用软件(安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等)与行业应用软件(金融、电信、政府等)。 嵌入式软件(673.62亿元) 相关软
7、件服务(937.48亿元):除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动,包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等。,三、企业人才需求: 中国具有世界最大嵌入式技术市场,将成为世界第一,手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用,嵌入式技术无处不在。 社会对嵌入式系统软硬件设计人才,应用开发人才,综合性人才有迫切的需求。,本节提要,根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义: 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equip
8、ment, machinery or plants)。,1.2.1 嵌入式系统的概念,国内普遍被认同的定义: “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、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,微机学会的定义: 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级。 系统级:各种类型的工控器 板级:各种类型的带CPU的主板及OEM产品 片级:各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品,1.2.2 嵌入式系统的发展史,第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统; 第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统; 第
9、三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统; 第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统 。,1.2.3 嵌入式系统的特点,1.通常是面向特定应用的; 2.空间和各种资源相对不足,必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余; 3.产品升级换代和具体产品同步,具有较长的生命周期; 4.软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身; 5.不具备自举开发能力 ,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,本章提要,1.3 嵌入式系统的分类,根据嵌入式系统的复杂程度,可以将嵌入式系统 分为以下4类 : 1.单个微处理器 常用的嵌入式处理器如Philips的89LPCxxx系列,Motorola的MC68HC05、0
10、8系列等。 2.嵌入式处理器可扩展的系统 过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器。,3.复杂的嵌入式系统 开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。 4.在制造或过程控制中使用的计算机系统 自动仓储系统和自动发货系统。,本章提要,嵌入式处理器分类:,1.4 嵌入式处理器,1.嵌入式微控制器(Micro Controller Unit),嵌入式微控制器的典型代表是单片机,这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 微控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
11、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。,目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。,代表性的通用系列包括80C51、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12 /16、68300等。,2.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit),MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能,其价格也较高。 与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊
12、要求。,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、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。,3.嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor),DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计。在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世
13、界上诞生了首枚DSP芯片,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。到80年代后期,DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。,目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列;Intel的MCS-296;Motorola公司的DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器等。,4.嵌入式片上系统(System On Chip),SOC即 System On Chip 的缩写,即把计算机常用的一些数字模拟设备全部都做在一块芯片上,使之成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。,SOC是追求
14、产品系统最大包容的集成器件,它最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 SOC由于绝大部分系统构件都在系统内部,整个系统特别简洁,不仅减少了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率。,SOC可以分为通用和专用两类。 通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore,Motorola的M-Core,Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的Smart XA。 SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系 统逻辑等应用领域中发挥重要作用。
15、,本章提要,1.5 嵌入式系统的组成,1.嵌入式系统的硬件,1)嵌入式处理器,对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。,嵌入式处理器一般就具备以下4个特点:,可扩展的处理器结构,能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,功耗可达到mW甚
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