嵌入式技术及其发展趋势.ppt

Linux与嵌入式通信技术,秦华标eehbqin,1,课程目的,以嵌入式Linux为基础，全面系统介绍了嵌入式通信系统设计的原理和方法,内容涵盖内核、设备驱动、网络通信等,介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式Linux编程技术。,2,课程大纲,第一章嵌入式技术及其发展趋势第二章EIA嵌入式系统体系结构第三章嵌入式操作系统第四章嵌入式Linux的软件开发环境第五章设备驱动程序第六章嵌入式通信系统,3,实验大纲,嵌入式Linux的开发环境内核裁减编译、启动代码配置设备驱动程序硬件应用实验综合应用实验,4,考核方式和评分标准,一、考核方式：平时作业（占10%）+大作业（占20%）+笔试（70%）平时作业：2次实验报告大作业（大实验）：设计一个嵌入式通信系统,如:网络可视电话，用户接入路由器,隔离防火墙，WAP网关等，最后提交设计说明书，实验源代码；笔试：占70%；二、评分标准：百分制,5,参考资料,孙纪坤,张小全,嵌入式Linux系统开发详解,人民邮电出版社,2006郑灵翔,嵌入式系统设计与应用开发,北京航空航天大学出版社,2008刘峥嵘，张智超，许振山等，嵌入式Linux应用开发详解，机械工业出版社，2004。美CraigHollabaugh,陈雷，钟书毅等译，嵌入式Linux硬件、软件与接口，电子工业出版社，2003。,6,预期的收获,通过本门课程的学习，你将获得以下知识：提高编程能力（期望值：）学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：）了解嵌入式软件开发流程（期望值：）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：）学会操作系统移植（期望值：）掌握嵌入式软件编程（期望值：）掌握硬件设计知识（期望值：）成为嵌入式系统设计高手（期望值：）,7,嵌入式技术及其发展趋势,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统的定义、特点及架构,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,8,一、为什么要学习嵌入式技术,嵌入式智能（电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。(尼葛洛庞帝)嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，它正在成为信息技术（IT）产业争夺的重点之一。每年只有10%-20%的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，每年有10-0亿块CPU是为嵌入式系统设计制造的：每年有超过1万个新的嵌入式系统计划产生。福特出售的计算能力已超过了IBM，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。,9,应用领域日益广泛,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、通信设备等众多领域中。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。在自动控制领域，用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、智能电话和机项盒（STB）等。,10,嵌入式系统市场分析,1999年，嵌入式操作系统全球产值3.62亿美元，比1998年的3.05亿美元增长了18.7%。从1997年到2001年，嵌入式系统市场将以年均240的速度增长，2001年的市场规模将达到317亿美元从手持设备市场来看，2000年的全球产销量为1290万部，而到2004年时预计将为6340万部。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。,11,应用例证,高级酒店，电话、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL、KEY、无线集成；美国正在启动一项计划，网络无线介入平台飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统电子菜单、数码相机等；施乐Xerox公司于70年代初开始实施其无纸办公室的计划，首先开发了自动付款机系统。它设想要求超市中的每件商品都有一个存贮商品价钱的芯片。当商品小推车经过记帐。当信用卡“扫过”时，就给出清单，这样记账时就不用排队了。医疗电子病历、手持医疗仪器、血压仪。,12,嵌入式系统的应用,13,嵌入式系统的应用,14,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，涉及涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、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。通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专业知识和实际设计能力。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。,15,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统的定义、特点及架构,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,16,二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构,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devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。IEEE可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置,17,嵌入式系统IEEE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devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置,18,一般定义,“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”,19,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、PC模块板级：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,20,嵌入式系统的几个重要特征,（1）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。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,21,（）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。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，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合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,22,（）系统精简,嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。,23,（）高实时性OS,嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,24,（5）嵌入式软件开发走向标准化,嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTimeOperatingSystem）开发平台，这样才能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。,25,（6）嵌入式系统需要开发工具和环境,由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。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。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,26,嵌入式系统的架构,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,27,典型嵌入式系统基本组成硬件,28,嵌入式微处理器的特点,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。可扩展的处理器结构，以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，如需要功耗只有mW甚至W级。,29,嵌入式微处理器,全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中,Source:EmbeddedSystemsProgramming,May1999,Averagecarhasabout15microprocessors.MercedesS-class:63microprocessors!,32-bit,嵌入式微处理器,16-bit,8-bit,4-bit,250million,1billion,1billion,1billion,125millionPCs,Intel,AMD,Motorola,ARM,MIPS,i960,x86,其中只有4%的微处理器,30,嵌入式微处理器分类,嵌入式处理器,嵌入式微控制器MCU,嵌入式DSP处理器DSP,嵌入式微处理器MPU,嵌入式片上系统SOC,31,（1）嵌入式微控制器,微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，是目前嵌入式系统工业的主流。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。嵌入式微控制器的典型代表是单片机，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。,32,（2）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、频谱分析等各种仪器上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。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,33,（3）、嵌入式微处理器（MPU),MPU（MicroProcessorUnit)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。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，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,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、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,34,（4）嵌入式片上系统(SystemOnChip),SoC就是SystemonChip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将多种功能做在一个芯片上，如ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，以及通信接口单元，如USB、TCP/IP、GPRS、GSM、IEEE1394、蓝牙模块接口等等。,35,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。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。运用VHDL等硬件描述语言进行系统设计，直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。,36,SoC的其他的优点：,利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,37,新的发展方向：SOC,ASICCore,Memory,EmbeddedProcessorCore,AnalogFunctions,Communication,SensorInterface,38,视线跟踪SOC,将各功能模块都在一片FPGA芯片上集成，实现视线跟踪片上系统,将视线跟踪作为计算机输入信号，可实现用眼睛对计算机的操作，即有“所见即所得”的操作便捷性,视线跟踪技术实现平台对比,视线跟踪SOPC系统,41,系统硬件架构,系统算法流程,分类器执行模块电路图,分类器执行过程流水线结构,系统性能对比,常见的嵌入式操作系统,实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上分为两种，商用型和免费型。商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和C/OS，稳定性与服务性存在挑战。,47,VxWorks,VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多数的VxWorksAPI是专有的，火星机器人。,48,WindowsEmbedded,WindowsCE3.0：一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，WindowsCE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，由于其Windows背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。,49,PalmOS,PalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品。3COM、CISCO竞争PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额，PalmOS的市场份额占到将近90%，最近下降70，目前主要与WINCE进行激烈竞争。,50,嵌入式Linux,嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的API，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。,51,Reasonsforusinglinux,52,系统总体成本,1)OSPurchasePrices2)HWPurchase/Maintenance3)UpgradePrices4)Admincosts,53,嵌入式Linux及应用,嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和CLinuxLinux在嵌入式领域异军突起不过是近两年的事情，过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型。,54,RTOS是32位嵌入式CPU的软件基础,RTOS内核提供CPU的管理硬件初时化，MMU，定时器，中断RTOS内核提供任务，内存管理RTOS提供设备管理，文件和网络的支持RTOS提供C/C+，JAVA，图形模块等编程接口,55,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统的定义、特点及架构,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,56,三、嵌入式系统与单片机、PC机的区别,嵌入式系统单片机系统,目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同,57,嵌入式系统与单片机在学习方法上不同,单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构、汇编语言到硬件设计、软件设计嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编程到操作系统移植、硬件平台设计较好，按单片机设计的学习流程较难掌握,58,嵌入式系统PC机,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具,59,本节提要,1,3,2,5,4,为什么要学习嵌入式系统,嵌入式系统的定义、特点及架构,嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的应用领域,60,四、嵌入式系统的应用领域,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,消费电子,军事国防,电子商务,网络,工业控制,61,嵌入式技术在电子通讯中的应用,手机、小灵通、智能手机、3C合一,62,63,嵌入式系统在信息家电中的应用,信息家电（InformationAppliance，IA）:低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割或替代PC的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或讯息的产品可统称为信息家电。,64,信息家电的分类及特点,信息家电的分类(1)网络电视（NetTV）(2)网上游戏机（Internetgamingdevice）(3)智能掌上型设备(Internetsmarthandhelddevice)(4)网络电话（InternetscreenPhone）(5)ConsumerNCclient等。信息家电技术特点：(1)处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。(2)整合数字与模拟处理的技术。(3)较PC更强调通讯能力。(4)利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键),65,信息家电的应用,66,ConsumerNetworkTopologyforBroadband,Cable/xDSL,ResidentialGateway,SmartHomeNetworkGateway,BroadbandModem,HomeNetwork:EthernetHomePNA802.11HomeRFHomePlug,SmartHomeNetwork:PowerlineWirelessPhoneline,Ethernet,Node,Node,LeveragetheexistingbroadbandinternetconnectionSmartHomeGatewayconnectsSmartHomeNetworktoHomeNetworkHomeNetworkishigherbandwidthSmartHomeNetworkshouldrequirenonewwiring,Am186,Am186,Am186,SC520/Am186,ToInternet,PCsSTBPrinter,67,信息家电提供的服务,安全防范,实时监控着非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。消费电子产品的智能控制.交互式智能控制,实现智能信息家电的主动性动作响应。家庭信息服务,提供最新的新闻、天气预报、电视节目、交通流量状况，还可以自动管理用户的水电账单、银行和信用卡账户等财务信息。自动维护,实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。家庭医疗保健,通过网络对用户进行身体检查。,68,信息家电平台软件的总体结构,69,典型的信息家电产品,70,71,信息家电数字机顶盒,72,73,信息家电消费电子,74,SAN公司的信息家电产品,75,嵌入式技术在汽车电子中的应用,VOLVOS80汽车的CAN总线网络,（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络,76,嵌入式技术在军事方面的应用,阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,77,嵌入式系统高性能武器平台的基础,78,嵌入式Internet应用,79,嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用,交通管理在车辆导