医学课件嵌入式系统与pca技术

电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 顾庆水 Email: Tel:83202204 Address: 科技实验大楼808室 嵌入式系统与PCA技术 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 l课程设置的必要性 应用需求日趋复杂 微处理器技术长足发展 嵌入式软件技术成为核心 l课程涉及的主要内容 阐述嵌入式系统的要素 介绍嵌入式系统软硬件设计基础 介绍嵌入式系统最新设计理念 项目开发流程与自由实验 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 课程设置的预期目标 对嵌入式系统设计技术有比较全面 的了解，并具备一定的设计实践能 力，为深入开展相关研究奠定良好 的基础。 理解并掌握实时操作系统和实时软 件开发技术 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学课程内容（课堂部分 ） l第一章 嵌入式系统概述 l第二章 PXA255开发系统 l第三章 嵌入式开发环境的建立 l第四章 嵌入式操作系统 l第五章 设备抽象层(板级支持包) l第六章 嵌入式文件系统 l第七章 嵌入式系统的调试 l第八章 嵌入式Linux的设备驱动 l第九章 嵌入式GUI l基于Intel Xscale开发板的实验 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 课程内容课程内容( (实验部分实验部分) ) l1、ADS软件的使用及PXA255测试 l2、移植嵌入式Linux操作系统 l3、移植MinGui到PXA255 l4、嵌入式应用程序的设计 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学实验平台 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 教学安排 理论教学（16学时） 上机实践（16学时） 分基础实验和课外实验（需另外申请 ） 2学分 考核方式 实验成绩（实验报告）30 理论笔试（考试）70 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 预备基础预备基础 lC、C+、汇编语言 l数据结构 l操作系统原理 l单片机、微机原理、组成原理 l电子、电路、信号、通讯 l多媒体、网络协议 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 参考资料 1、教材 嵌入式系统开发原理与实践，陈文智等编，清华大学出版社 2、参考书及资料 1）Linux 内核源代码情景分析毛德操 胡希明，浙江大学出版社 2）Linux 驱动程序(第二版) 魏永明等 译， 中国电力出版社 3）嵌入式Linux系统设计与应用，王学龙编著，清华大学出版社 4）嵌入式技术与系统Intel Xscale结构与开发,陈章龙 北航出版社 5）嵌入式系统 采用公开源代码合StrongARM/Xscale处理器 毛德操 、 胡希明 浙江大学出版社 6）PCA技术培训教程 7）/chinese/ 8） 9）/ 10）/ 或者/qt.html 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 学习本课程的建议学习本课程的建议 l巩固相关的基础知识 l明确目标 l认真听课、积极实验 l常查阅手册、参考书 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 第一章 嵌入式系统概述 计算机系统的三大领域 l服务器 利润最大的市场 可用性 可扩展性 有效带宽 l桌面 最广阔的市场 l嵌入式 潜力最大的市场 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1. 嵌入式系统介绍 嵌入式系统 硬件 软件 嵌入式微处理器 存储器 外设器件 图形控制器 实时操作系统 应用程序 Windows CE Linux pSOSytem 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入在电子设备内部的计算系统 任何包含一个或多个专用的计算机、微 处理器或微控制器的电子设备 能执行特定功能的计算机硬件和软件的 结合体 广义定义:任何一个非计算机的计算系统 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器 对实时多任务有很强的支持能力； 具有功能很强的存储区保护功能； 可扩展的处理器结构； 嵌入式微处理器一般功耗要求较严格 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.1 计算机工业的分类 l以往计算机分类： 大型计算机、中型机、小型机和微计算机 l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 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.2 嵌入式系统的定义 l英国电机工程师学会的定义: “嵌入式系统为控制、监视或辅助设备 、机器和车间运行的装置” 通常执行特定功能 以微电脑和外围构成核心 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 精确定义: 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、功耗严格要求 的专用计算机系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电 子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这 一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.3 嵌入式系统工业的特点和要求 1.3.1 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散 的工业 PC由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。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 面向用户、面向产品、面向应用 升级换代也是和具体产品同步 ,具有较长 的生命周期 软件和硬件结合紧密 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性 普通处理器18月 嵌入式处理器810年 1.3.2 嵌入式系统具有的产品特征 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.3.3 嵌入式系统软件的特征 软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 多任务操作系统是知识集成的平台和走向 工业标准化道路的基础 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.3.4 嵌入式系统开发需要开发工 具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 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。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.3.5 嵌入式系统软件需要RTOS 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程 序接口(API)，但一 般不是实时的。 嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操 作系统直接在芯片上运行。 但为了保证程序执行的实时性、可靠性， 并减少开发时间，保障软件质量。需要选 配RTOS开发平台 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.3.6 嵌入式系统开发人员以应用专 家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学 或计算机工程方面的专业人士。 嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用 相结合的，其开发人员往往是各个应用领 域的专家。 因此开发工具的易学、易用、可靠、高效 是基本要求。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.4 嵌入式系统的组成 各种不同应用软件 应用平台套件APS 中间件 嵌入式OS 芯片 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.4.1 嵌入式计算机内核分类 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式片上系统(System On Chip) 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式微处理器(EMPU) 通用计算机中的CPU 专门设计的电路板 只保留和嵌入式应用有关的母板功能 增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面 功能与和工业控制计算机相似 嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX 、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM 系列等 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式微控制器(MCU) 又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，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、 脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、 EEPROM等各种必要功能和外设 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。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS -251、MCS-96/196/296、 MC68HC05/11/12/16等。 另外还有许多半通用系列如：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。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式DSP处理器(EDSP) 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。 在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算 法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正 从在通用单片机中以普通指令实现DSP功 能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式DSP处理器(EDSP) 有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列 。 TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以 及性能更高的C6000和C8000系列。 DSP56000目前已经发展成为DSP56000， DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个 不同系列的处理器。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式片上系统(SOC) 在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几 块芯片中去 应用系统电路板将变得很简洁 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，某些ARM系列器件， 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 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.4.2 嵌入式系统软件的特征 (1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和走 向工业标准化道路的基础 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式软件主流 VxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用最 广泛、市场占有率最高的系统。 Os-9是主要为高科技产品设计的，提高了 很好的安全和容错性，并且有很好的升级 能力和灵活性。 Palm Os，是Palm公司的操作系统，和微 软的Windows CE是PDA操作系统的两大 巨头。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式操作系统特点 编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储 空间中运行 面向应用，可裁减和移植：可进一步缩小编 码体积 实时性强：一般都要求实时多任务操作系统 （Real Time Operating System, RTOS） 可靠性高：嵌入式系统可无需人工干预就能 独立运行，并处理各类事件和故障 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式操作系统 基于或面向Windows兼容:Windows CE,嵌入式 Linux 工业与通信类：VxWorks, pSOSystem, Symbian 单片机类： C/OS 面向Internet类： Palm OS 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 IDC数据:2006年全球操作系统份额对比 Symbian：53% 微软：27% Palm：10% Linux：4.2% 其他：5.8% 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学Symbian Symbian为1998年6月，由Ericsson、 Nokia、Psion，及Motorola合资成立 ，成立目的以发展无线信息产品为 主，特别是结合行动电话与PDA功 能的手持式智慧装置；其中，Psion 把本身软件部门转移到Symbian，并 提供发展手持式智慧装置所需的操 作系统EPOC。 诺基亚、三星、索尼爱立信、爱立 信、西门子、松下、Motorola 国内厂商门槛太高：消耗2000万到1 亿美金，近乎天价，看来不参股 Symbian就没戏 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 微软Windows Mobile智能手机 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 PalmOS Palm一直都是全球PDA市场的绝 对老大，但是在东方尤其是中国 市场上，Palm已经落后在了它最 大的竞争对手微软身后。 PDA的全称是Personal Digital Assistant，也就是个人数字助手 ，最初只是帮助人们规划日常的 安排或者一些简单的运算处1理 等工作，但是随着硬件技术的不 断发展，现在的PDA已经达到了 几年前台式PC的运算能力，在 Palm的鼎盛时期，Palm OS占据 了PDA市场90%以上的份额。智 能手机本身还是一个移 动通讯 的终端，显然这对于消费者来说 ，是更具有吸引力的。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 Linux智能手机 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 MontavistaLinux+Qtopia OpenPDA 5-7-10-年底 “Linux OS + Java软件”一直是摩托罗拉最倚重的平台，也 是其倾注了最多心血的秘密武器。据Bernstein研究公司称 ，摩托罗拉用了三年的时间研制基于Linux的MotoJUIX操 作系统，投入的研发经费高达1.5亿美元。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学1.5 嵌入式系统的应用 -无处不在的嵌入式系统 嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌 入式微处理器： 键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线 器等均是由嵌入式处理器控制的。 在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽 车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品 等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 嵌入式系统热点应用 信息家电 车载系统 军事工业 医疗器械 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 信息家电应用特点 市场巨大 低成本要求 利润空间小 竞争激烈 人机界面友好 网络化 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 车载系统应用特点 与汽车工业相配套 利润空间较大 可靠性要求较高 无线通讯要求 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 军事工业应用特点 市场垄断性强 高利润 可靠性要求高 安全性要求高 成本要求不高 数字化单兵信息装备 夜视扫描、全球定位、指挥通信 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 医疗行业应用特点 市场广阔，进入门槛较高 利润极高 心脏除颤器、心脏起搏器、患者信息和监 视系统、理疗控制系统、电磁成像系统等 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学1.6 嵌入式微处理器ARM 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很 好的兼容8位/16位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定 ARMARM微处理器特点微处理器特点 ARM: Advanced RISC Machines 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.6.1 ARM微处理器结构 采用RISC（Reduced Instruction Set Computer ）体系结构 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式 有23种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行 ； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有 加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率； 所有的指令都可根据前面的执执行结结果决定是否被执执行，从而 提高指令的执执行效率； 可用加载载/存储储指令批量传输传输 数据，以提高数据的传输传输 效率 ； 可在一条数据处处理指令中同时时完成逻辑处逻辑处 理和移位处处理； 在循环处环处 理中使用地址的自动动增减来提高运行效率 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 ARM微处理器的寄存器结构 ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK） ； 31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的 寄存器 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态 ，均为32位 ARM微处理器的指令结构 支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集 ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学CISC与RISC 复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer） 背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂 的指令，把一些原来由软件实现的 、常用的功能改用硬件的指令系统 来实现。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 CISC的特点 为节省存储空间，强调高代码密度， 指令格式不固定，指令可长可短，操作数 可多可少； 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器 ，也可来自存储器； 采用微程序控制，执行每条指令均需完成 一个微指令序列； CPI ，指令越复杂，CPI越大。 - CPI：每条指令执行的平均周期数 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 CISC的主要缺点 指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复 杂指令往往是低频度指令。 大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实 现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速 度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。 软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长， 直接访存次数增多，数据重复利用率低。 不利于先进指令级并行技术的采用 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 RISC基本设计思想 减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle 精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频 度不高的指令 采用Load/Store结构，有助于减少指令格式 ，统一存储器访问方式 采用硬接线控制代替微程序控制 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 RISC精华:减少指令平均执行周期数 lCPUtime= IC *CPI *CC ICRISC IC CISC, 30%-40% CCRISC CCCISC， CPIRISC CPICISC 差距在缩小超标量、超流水线、 VLIW（超长指令集架构）等系统结构 目标在于减小CPI， 可使CPI1 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学1.6.2 ARM 系列产品 ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、 廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。 ARM架构： 共推出了6中版本的架构V1V6。 V1 和V2架构 V3架构： ARM6 V4架构： ARM7， ARM8， ARM9， StrongARM V5架构： ARM10，Xscale V6架构： 2002年推出，还没有具体针对该结构的微处 理器 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 体系扩展 Thumb:以16位系统的成本，提供32位RISC性能 嵌入式ICE（In-circuit Emluator）调试 集成了类似于ICE的CPU内核调试技术，简化原型设 计和系统芯片的调试 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 微处处理器 ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和 ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有 高速缓存（Cache）、内存管理、写缓冲和JTAG。应用于手持 式计算、数据通信和消费类多媒体。 ARM940T、920T系列:低价、低能耗、高性能系统微处理器， 配有Cache、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系 统、机顶盒、便携计算机和高档打印机。 ARM7500和ARM7500FE:高度集成的单芯片RISC计算机，基于 一个缓存式ARM7 32位内核，拥有内存和I/O控制器、3个DMA 通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端口;ARM7500FE 还增加了一个浮点运算单元以及对EDO DRAM的支持。特别适 合电视顶 置盒和网络计算机（NC）。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.6.3 ARM微处理器的选择 ARM微处理器内核的选择 系统时钟控制器： 它直接决定了ARM芯片的处理速度 芯片内存储器的容量 片内外围电路的选择 ： 如USB控制器、GPIO数量、IIS接口、LCD 控制器、扩展总线、IrDA等 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.6.4 Intel 嵌入式微处理器 Intel 960系列 MCS96 微控制器 HSIO系列 Intel X86系列 Intel StrongARM 系列 基于Intel XScale技术的微处理器 采用Xscale内核，频率为200400MHz，加强了微处理器 速度的管理，加快了多媒体处理的速度，并支持802.11b 及蓝牙技术、USB接口、Secure Digital和CompactFlash 扩展技术、电源管理功能，其缓存达到了64KB，并整合 了内存控制器、LCD(液晶显示器)控制器和扩展控制器等 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 基于Xscale微架构的处理器 PXA210： 嵌入式应用处理机 PXA250/PXA255: 嵌入式应用处理机 PXA26X： 嵌入式应用处理机Flash PXA800F： 嵌入式应用处理机MSAFlash/SRAM 其中：PXA26X和PXA800F采用了多芯片封装技术 MCP（Multiple-Chip Product)。PXA26X内含了一块 16/32MB Flash； PXA800F则集成了信号处理器 MSA(Micro Signal Architecture)、512KB SRAM和4MB Flash。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 1.7 Intel PCA体系结构 奔腾4处理器为代表的IA32架构 针对手持终端产品的英特尔个人互 联网客户端架构（PCA架构） 针对网络产品家族的英特尔互联网 交换架构（IXA架构） 以安腾处理器家族为代表的服务器 架构（IPF） 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 Intel PCA 体系结构特点 1、将蜂窝平台的开发环境分为两个不同的子 系统：通信子系统和应用子系统，底层硬件 架构基于通用组件和接口； 2、支持通信软件和应用软件之间的应用编程 接口和服务。 3、支持多种操作系统和无线空中接口，提供 跨越不同市场和地域的可移植性和可伸缩性 。 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 Intel Personal Internet Client Architecture (Intel PCA) 基于StrongARM/XScale嵌入式处理器 面向互联网手持式设备（智能手机、PDA等） 由应用子系统、通信子系统、存储器子系统和 总线接口组成 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 PCA Application Subsystem Intel PCA 应用子系统是基于StrongARM（XScale） 处理器的可编程的计算环境。它在嵌入式操作系统 支持下，能够管理用户输入/输出设备，扩充设备内 存管理与接口，电源管理以及与通讯子系统交互的 通信资源。 nPlatform Services：提供硬件提取和PCA硬件的接口 nOperating System and Service:为各种任务及应用提 供结构框架和基本服务 nMiddleware:附加的软件组件可为应用添加新服务