01嵌入式概述.pptx

2011年2月 从页面右上方进入 教学共享 可下载最新课件及相关资料 什么嵌入式系统 为什么要学习嵌入式系统 嵌入式系统的过去 现状 未来嵌入式系统可以干什么 应用示例 第1章嵌入式概述 1 1嵌入式系统简介 1 2嵌入式处理器 1 3嵌入式操作系统 1 4嵌入式系统开发过程 什么是嵌入式系统 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devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 简单地讲 嵌入性 嵌入到对象体系中 有对象环境要求 专用性 软 硬件按对象要求裁减 计算机 实现对象的智能化功能 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统 三要素 嵌入 专用 计算机 嵌入式系统的特点 由三要素引出 广义地说 一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体 即以应用为中心 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 嵌入式系统发展的最高形式 片上系统 SOC 嵌入式系统的体系结构 嵌入式系统的构架可以分成四个部分 嵌入式系统的3种应用模型 1 没有操作系统及BSP 2 有操作系统及没有BSP 3 有操作系统及BSP 应用领域 社会经济的发展产生了一些新的需求 同时促进了嵌入式技术的广泛应用中国正在成为世界制造大国 在消费电子 工业应用 军事国防 网络设备等领域都有嵌入式系统的应用 嵌入式技术刺激了许多新的应用需求 嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电 医疗电子病历 微小型智能武器 工业控制 工业设备是机电产品中最大一类 过去在工业过程控制 数字机床 电力系统 电网安全 电网设备监测 石油化工系统等方面 大部分低端型设备主要采用是 位单片机 随着技术发展 目前许多设备除了进行实时控制 还须将设备状态 传感器的信息等在显示屏上实时显示 嵌入式系统的应用领域 信息家电 信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域 只有按钮 开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求 具有用户界面 能远程控制 智能管理的电器是未来的发展趋势 如冰箱 空调等的网络化 智能化等 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的应用领域 消费类电子 智能玩具 手持通讯的核心 交通管理 环境监测 交通管理在车辆导航 流量控制 信息监测与汽车服务方面 目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭 水文资料实时监测 防洪体系及水土质量监测 堤坝安全 地震监测网 实时气象信息网 水源和空气污染监测 加油站 停车场管理 嵌入式Internet应用 军事国防领域 航天领域 未来嵌入式系统的发展趋势 联网成为必然趋势 小尺寸 微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面 无所不在的智能 AmbientIntelligence AmI 嵌入式系统的分类 芯片级嵌入 含程序或算法的处理器 模块级嵌入 系统中的某个核心模块 系统级嵌入 非实时系统 PDA 软实时系统 消费类产品 硬实时系统 工业和军工系统 按表现形式分 硬件范畴 按实时性要求分 软件范畴 1 2嵌入式处理器 嵌入式处理器的分类和现状 微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP 片上系统 SOC 可编程片上系统 SOPC MCU 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 单片机芯片内部集成ROM EPROM RAM 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 Flash EEPROM等各种必要功能和外设 MCU处理能力非常有限 MCU微控制器 总线宽度一般为4位 8位或16位 处理速度有限 一般在几个MIPS 进行一些复杂的应用很困难 运行操作系统就更难 MIPS MillionInstructionsPerSecond 每秒处理的百万级的机器语言指令数 MPU 嵌入式微处理器 MicroProcessorUnit MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 80386 80387 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 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 28 MIPS MIPSMicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages 无内部互锁流水线微处理器 也是现在比较流行的一种RISC处理器 其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题最早是在20世纪80年代初由美国斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的在嵌入式方面 仅次于ARM应用领域覆盖游戏机 移动电话 数码相机 ATM 路由器 打印机 掌上电脑等等各个方面 非常广泛 DSP 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是运算密集处理器 一般用在快速执行算法 做控制比较困难 为了追求高执行效率 不适合运行操作系统 核心代码使用汇编 SOC SOC 片上系统 是IC设计的发展趋势 采用SOC设计技术 可以大幅度地提高系统的可靠性 减少系统的面积和功耗 降低系统成本 极大地提高系统的性能价格比 SOC芯片已经成为提高移动通信 网络 信息家电 高速计算 多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件 SOPC 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上 称作SOPC 可编程片上系统 SOPC 是一种特殊的嵌入式系统 首先它是片上系统 SOC 即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能 其次 它是可编程系统 具有灵活的设计方式 可裁减 可扩充 可升级 并具备软硬件在系统可编程的功能 ARM处理器 ARM AdvancedRISCMachines 既可以认为是一个公司的名字 也可以认为是对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名字 1991年ARM公司成立于英国剑桥 主要出售芯片设计技术的授权 ARM公司的Chipless模式 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核 根据各自不同的应用领域 加入适当的外围电路 从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场 基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75 以上的市场份额 ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 我国的中兴集成电路 大唐电讯 中芯国际和上海华虹 以及国外的一些公司如德州仪器 意法半导体 Philips Intel Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器 ARM微处理器的特点 采用RISC指令集 低功耗 低成本 高性能 使用大量的寄存器 ARM THUMB指令支持 三 五级流水线 ARM微处理器的特点 采用RISC体系结构 采用RISC架构的ARM处理器一般具有如下特点 固定长度的指令格式 指令归整 简单 基本寻址方式有2 3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 ARM微处理器的特点 大量使用寄存器 ARM处理器共有37个寄存器 被分为若干个组 这些寄存器包括 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微处理器的特点 高效的指令系统 ARM微处理器支持两种指令集 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 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集 但与等价的ARM代码相比较 可节省30 40 以上的存储空间 同时具备32位代码的所有优点 ARM微处理器的特点 其他技术 除此以外 ARM体系结构还采用了一些特别的技术 在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积 并降低功耗 所有的ARM指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行 从而提高指令的执行效率 可用加载 存储指令批量传输数据 以提高数据的传输效率 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率 1 3嵌入式操作系统 操作系统的概念和分类 操作系统 OS OperatingSystem 是隐藏底层不同硬件的差异 向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口 操作系统主要完成三项任务 内存管理 多任务管理和外围设备管理 嵌入式操作系统EmbeddedOperatingSystem 简单的说 嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统 在本质上与通用的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中 例如手机 PDA等电子类消费产品机顶盒 路由器等负责嵌入式系统的全部软 硬件资源的分配 调度 控制 协调 能够通过加载 卸载某些模块来达到系统所要求的功能 嵌入式操作系统EOS EOS是相对于一般操作系统而言的 它除具备了一般操作系统最基本的功能 如任务调度 同步机制 中断处理 文件处理等外 还有以下特点 强稳定性 弱交互性 具有很强的稳定性 较强的实时性 可伸缩性 开放 可伸缩性的体系结构 外设接口的统一性 提供各种设备驱动接口 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 43 基于嵌入式操作系统的嵌入式应用开发 确定需求根据需求选择合适的硬件硬实时 软实时系统 什么处理器 哪些辅助硬件 选择嵌入式操作系统选择开发平台编程语言 软件开发工具实际的开发平台包括硬件开发平台 操作系统 编程语言以及软件开发工具 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 44 基于嵌入式操作系统的嵌入式应用开发 编写并优化代码一般在主机系统上进行开发和优化工作 代码优化主要在软件执行速度和软件尺寸之间取得平衡 满足嵌入式系统对速度和存储空间的限制 在嵌入式开发中 一般需要避免使用大型的软件库 避免使用递归编程 减少堆栈的消耗 在模拟器或者开发板上调试 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 45 嵌入式软件系统的指标 尺寸满足硬件限制实时性硬实时 软实时和非实时系统网络能力人机交互能力 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 46 嵌入式系统的实时性 嵌入式系统一般具有实时的特点 所谓实时系统是指在这种系统中 一个优先级高的任务能够得到立即的 没有延迟的服务 不需要等待任何其他优先级低的任务 一旦它得到CPU的使用权 将一直执行直到工作结束或者出现更高级别的进程 为了满足这样的需求 嵌入式操作系统必须具有高效的中断处理能力和高效的IO能力 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 47 嵌入式操作系统分类 硬实时系统确保系统中的关键任务在确定的时间得到响应 不能有失败的情况 否则会出现严重后果软实时系统设计的时候是有响应时间要求的 但是偶尔某些任务的响应时间超过这个限制也不会有严重的后果非实时系统无响应时间的要求 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 48 实时系统的几个指标 预测反应时间可调度性强负载下的稳定性 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 49 1 预测反应时间 在工业控制系统中 实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性 一个事件发生后 系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 50 2 可调度性 实时任务具有时限要求 调度实时任务时 需要判断是否每个任务的执行都能够在其截止期限内完成 如果每个任务的执行都能够在其截止期限内完成 则称该调度是可行的可调度性判定 或称调度可行性判定 就是判定给定的n个实时任务在应用某种调度算法的前提下能否产生一个可行的调度 调度算法的设计要尽可能满足任务可调度性的要求 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 51 3 强负载下的稳定性 实时稳定性随着系统的负载有所不同当系统的负载变得很大时 如果系统不能保证所有任务的时间要求 应当能使其中一部分关键任务始终满足时限要求 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 52 嵌入式操作系统一览 Linux 嵌入式Linux具有适合于嵌入式系统的特点 内核精简 高性能 稳定 良好的多任务支持 适用于不同的CPU体系架构 支持多种体系架构 如X86 ARM MIPS ALPHA SPARC等 可伸缩的结构 可伸缩的结构使Linux适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用 外设接口统一 以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口 开放源码 软件资源丰富 广泛的软件开发者的支持 价格低廉 结构灵活 适用面广 完整的技术文档 便于用户的二次开发 Vxworks Vxworks是美国WindRiver公司1983年开发的一种实时操作系统 具有高性能的内核及友好的开发环境 在嵌入式实时领域占有很重要的地位 Vxworks具有的显著特点高可靠性 高实时性 可裁减性支持多种处理器 如x86 MIPS ARM i960 SunSparc PowerPC等美国火星探测器使用该系统 xlanchen 2007 5 21 EmbeddedOperatingSystems 55 uC OSII C OS 是JeanJ Labrosse在1990年前后编写的一个实时操作系统内核 名称 C OS II来源于术语Micro ControllerOperatingSystem 微控制器