1嵌入式系统概述.ppt
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1、北京邮电大学电子工程学院,北京邮电大学,嵌入式系统设计 概述,课程目的,本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势,重点讲述了基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统linux和嵌入式软硬件系统开发技术。 采用理论学习和实践并重的教学方法,着重培养学生的实际动手能力,通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验,使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。,需要的基础知识,先导课程 操作系统 微机原理 C语言,学时分配,课程属性: 专业基础课 总学时数: 48 讲课学时数: 32 实验学时数: 16 学分: 3,课程内容(约32学时),ARM&Linux嵌入式系统教程(第2版),马中梅
2、等,北京航空航天大学出版社 嵌入式系统硬件与软件架构,Tammy Noergaard,人民邮电出版社,参考教材,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统的典型应用,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,5,嵌入式系统的基本设计过程,嵌入式系统简介,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的产品,网络设备:交换机、路由器,MODEM 消费电子:手机、MP3、PDA 、可视电话、电视机顶盒、数字电视、数码照相机、数码摄像机、信息家电 办公设备:打印机、传真机、扫描仪 汽车电子:ABS(防死锁刹车系统)、供油喷射控制系统、车载GPS 工业控制:各种自动控制设备,世界正步入一个崭新的“数字世界”,手机和PAD,物联网定义
3、,基本定义:“物联网”(Internet of Things)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。,巨大的市场,计算机应用的普及、互联网技术的实用、物联网技术的出现,正有力推动着工业生产,商业活动科学试验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。 嵌入式产品的巨大商机-全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居。 你接触的每一样东西都将装有芯片和嵌入式软件。,创新的机遇,通用计算机产业是垄断的。 嵌入式系统与技
4、术是一个分散的工业,充满竞争、机遇与创新。 没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体系结构上存在着主流,但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司,少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分散的,留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统的典型应用,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,5,嵌入式系统的基本设计过程,嵌入式系统简介,计算机系统分类,计算机系统的三大领域 服务器系统市场 功能强 利润最大的市场 可用性强 可扩展性 桌面系统市场 最广阔的市场 嵌入式系统市场 潜力最大的市场,计算机系统分类,以往计算机分类:
5、 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。,嵌入式系统定义,一般定义 以应用为中心、以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统(技术角度) 嵌入式系统是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。(系统角度) 术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统(被称之为嵌入的系统)的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个
6、嵌入式系统。 广义定义 任何一个非计算机的计算系统,IEEE定义 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。 通常执行特定功能 嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环,嵌入式系统定义,嵌入式系统定义,微机学会定义 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:各种类型的工控机、PC/104模块 板级:各种类型的带CPU
7、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,示例:手机系统,嵌入式系统狭义广义差别,广义上讲,凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统,管理系统硬件核软件的能力有限,在实现复杂多任务功能时,往往困难较大,甚至无法实现。 狭义上讲,我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统,具有自己操作系统,具有特定功能,用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。,嵌入式系统硬件源起,发展历史 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的M
8、P3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史,它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048,它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。 之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051。,嵌入式系统软件源起,1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时操作系统内核(VTRX32),包含了许多传统
9、操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。 随后,出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等,Palm OS、WinCE(WM、WP)、嵌入式Linux、Symbian、Android、IOS等嵌入式操作系统。,嵌入式系统特点,功耗限制 嵌入式系统中,尤其是在用电池供电的嵌入式系统中,这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用,并影响电源寿命以及带来散热问题。 低成本 包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯
10、片;软件成本通常难于预测,但一个好的设计方法有利于降低软件成本。 多速率 系统同时运行多个实时性任务,系统必须同时控制这些动作,这些动作有些速度慢,有些速度快。 环境相关性 嵌入式系统不是独立的,而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统特点,系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。 如:FreeRTOS,内核只有几K,而Windows的内核则要大得多。 专用性强 嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植。 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
11、合,这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 不可垄断性 PC有WinTel垄断。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开发。 产品相对稳定性 普通处理器18月。 嵌入式处理器8-10年。,嵌入式系统的实时性,实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性,即任务需要在规定的时限内完成。 任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说,如果硬件可以做这件工作,那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。 实时系统 实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性,即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过
12、程的变化。 嵌入式系统实时系统 有些嵌入式系统没有实时性要求,嵌入式系统的实时性,硬实时软实时 “软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果,而对于硬实时系统来说却是灾难性的。 从实践上说,软实时和硬实时之间的区别通常与系统的时间精度有关:通常来说,软实时任务的调度精度大于1毫秒,而硬实时任务为微秒级。,嵌入式系统的实时性,实时频谱图,一般嵌入式系统的构架,一般嵌入式系统的硬件基本结构,中规模嵌入式系统与单片机、PC相比的优势,采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统,与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比,具有以下突出优点 性能方面:采用
13、32位RISC结构微处理器,主频从30MHz到624MHz以上,处理能力大大超出单片机系统,接近PC机的水平,但体积更小,能够真正地“嵌入”到设备中; 实时性方面:嵌入式机控制器内嵌实时操作系统(RTOS),能够完全保证控制系统的强实时性; 人机交互方面:嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器,提供功能强大的图形用户界面,输入方法多种多样; 系统升级方面:嵌入式控制器可为控制系统专门设计,其功能专一,成本较低,而且开放的用户程序接口(API)保证了系统能够快速升级和更新。,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统的典型应用,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,5,嵌入式系统的基本设计过程,嵌入式系统简介,
14、嵌入式系统简介,典型的8位微处理系统 MCS-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多的微处理器。,嵌入式系统简介,典型的16位微处理系统 MCS-96系列单片机和16位DSP芯片,嵌入式系统简介,典型的32位微处理系统 ARM系列是应用较广泛的32位微处理器。该系列的MCU芯片很多,但大都是以ARM微内核为核心的。32位的DSP应用的也很广泛。,嵌入式处理器分类,嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU) 嵌入式微处理器(Microprocessor Unit,MPU) 嵌入式DSP处理器 (Embedded Digital Signal Processor,EDS
15、P) 嵌入式片上系统(System On Chip,SOC),嵌入式微控制器,嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口等各种必要功能和外设。 一个系列的微控制器具有多种衍生产品; 单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高; 是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统70%的份额; 多是8位和16位处理器 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等。 另外还有
16、许多半通用系列如:支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541;支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。,嵌入式微控制器,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。,嵌入式微处理器,特点: 功能和通用计算机系统微处理器基本一样,是具有32位以上的处理器,具有较高的性能。 具有体积小,功耗少,成本低,可靠性高的特点。 在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面进行了增强。可提供工业级应
17、用。 流行的嵌入式微处理器: ARM/Strong (ARM公司) PowerPC (MOTOROL公司) 68000 (MOTOROL公司) MIPS(MIPS公司),目前主要的嵌入式处理器类型有186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。,嵌入式微处理器,嵌入式DSP处理器,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、频谱分析等方面DSP获得了大规模的应用。 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。
18、 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。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。,嵌入式片上系统(SOC),SOC就是System on Chip,SOC是一种基于IP(Intellectual Property)核嵌入式系统设计技术。 它结合了许多功能区块,将功能做在一个芯片上,ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心,加上通信的接口单元,例如通用串行端口(USB)、TCP
19、/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等,这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。 SOC可以分为通用和专用两类。,SOC体系结构,ASIC Core,Memory,Embedded Processor Core,Analog Functions,Communication,Sensor Interface,嵌入式外围接口电路和设备接口,根据外围设备的功能可分为以下5类 存储器类型 通信接口 输入输出设备 设备扩展接口 电源及辅助设备,存储器,存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件,目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为:
20、静态易失型存储器(RAM,SRAM); 动态存储器(DRAM); 非易失性存储器ROM(EPROM,EEPROM,FLASH); 硬盘、软盘、CD-ROM等。,通信接口,目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用,应用最为广泛的接口设备包括: RS-232接口(串口UART) USB接口(通用串行总线接口) IrDA(Infra Red Data Association红外线接口) SPI(串行外围设备接口) I2C、CAN总线接口 蓝牙接口(Bluetooth) Ethernet(以太网接口) IEEE1394接口和通用可编程接口GPIO,输入输出设备,CRT、LCD和触摸屏
21、等,构成了嵌入式系 统中重要的信息输入输出设备,应用广泛。 触摸屏可以方便的实现鼠标和键盘功能。,设备扩展接口,简单的嵌入式系统如具有简单的记事本、备忘录以及日程计划等功能的PDA,它所需要存储的数据量并不需要很大的内存。 由于目前的嵌入式系统功能越来越复杂,需要大容量内存,大的内存使得系统成本和体积加大。 目前一些高端的嵌入式系统都会预留可扩展存储设备接口,为日后用户有特别需求时,可购买符合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。 常用的扩展卡还有各种CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口。,电源及辅助设备,嵌人式系统力求外观小型化、重量轻以及电源
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