[工学]第一章_嵌入式系统概述.ppt

嵌入式系统设计 李明 第一章嵌入式系统概述 1 1嵌入式系统 2020年2月15日星期六 3嵌入式系统设计 现实中的嵌入式系统 2020年2月15日星期六 4嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 2020年2月15日星期六 5嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 汽车领域 2020年2月15日星期六 6嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 军事领域 2020年2月15日星期六 7嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 航天领域 2020年2月15日星期六 8嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 嵌入式网络应用 2020年2月15日星期六 9嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 智能玩具与机器人 2020年2月15日星期六 10嵌入式系统设计 嵌入式系统的应用领域 手持通讯设备 2020年2月15日星期六 11嵌入式系统设计 IEEE定义的嵌入式系统 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 Devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipmentmachineryorplants 2020年2月15日星期六 12嵌入式系统设计 嵌入式系统的定义 都不全面 1 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 且软硬件可裁减 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 2 嵌入式系统是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 2020年2月15日星期六 13嵌入式系统设计 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由以下几部分组成 嵌入式微处理器 含EmbeddedMPU EmbeddedMCU EmbeddedDSP SOC等 外围硬件设备 嵌入式操作系统 特定的应用程序 1 2嵌入式处理器简介 2020年2月15日星期六 15嵌入式系统设计 常见的嵌入式微处理器 ARM StrongARM XSCALEMIPSPowerPCX8668K Coldfire 2020年2月15日星期六 16嵌入式系统设计 常用嵌入式处理器 ARM ARM AdvancedRISCMachines 公司是全球领先的16 32位RISC微处理器知识产权设计供应商 ARM公司通过转让高性能 低成本的 低功耗的RISC微处理器 外围和系统芯片设计技术给合作伙伴 使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片 ARM已经成为移动通信 手持设备 多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准 ARM处理器有三个主要的特点 小体积 低功耗 低成本而高性能 16 32位指令集 全球众多的合作伙伴 ARM处理器目前有五个系列的产品 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11和SecurCore 2020年2月15日星期六 17嵌入式系统设计 常用嵌入式处理器 MIPS MIPS是MicroprocessorWithoutInterlockedPipelineStages缩写 是一种处理器内核的标准 它是由MIPS技术公司开发的 MIPS技术公司是一家设计制造高性能 高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商 在RISC处理器方面占有重要地位 MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初 1986年推出R2000处理器 1988年推出R3000处理器 1991年推出第一款64位商用微处理器R4000之后 又陆续推出R8000 1994 R10000 于1996年 和R12000 于1997年 等型号 之后 MIPS战略发生变化 把重点放在嵌入式系统 1999年 MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64标准 为未来的MIPS处理器的开发奠定了基础 新的架构集成了原来所有的MIPS指令 并且增加了许多更强大的功能 2000年 MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的新版本以及未来64位MIPS6420Kc处理器内核 MIPS的定位很广 在高端有64位的20Kc家族 在低端市场有SmartMIPS 2020年2月15日星期六 18嵌入式系统设计 常用嵌入式处理器 PowerPC PowerPC架构的特点是可伸缩型号 方便灵活 PowerPC处理器品种很多 既有通用的处理器 又有嵌入式控制器和内核 应用范围非常广泛 从高端的工作站 服务器到桌面计算机系统 从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面 目前 PowerPC独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从25MHz 700MHz不等 它们的能量消耗 大小 整合程度 价格差异悬殊 主要产品模块有主频350MHz 700MHzPowerPC750CX和750Cxe以及主频400MHz的PowerPC440GP等 PowerPC的处理器都用在电信 金融等领域 2020年2月15日星期六 19嵌入式系统设计 常用嵌入式处理器 X86 X86系列处理器是我们最熟悉的了 它起源于Intel架构的8086 在发展出286 386 486 直到现在的Pentium4 Athlon和AMD的64位处理器Hammer 从嵌入式来看 486DX是当时和ARM 68K MIPS和SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一 8080是第一款主流的处理器 今天的Pentium和当初的8080使用相同的指令集 这虽然保持了兼容性 至少十年前写的程序在现在的机器上还能运行 但弊端是限制了CPU性能的提高 2020年2月15日星期六 20嵌入式系统设计 X86架构的新型处理器 Atom 凌动 处理器面向移动互联网终端的英特尔凌动处理器包括Z500 Z510 Z510P Z510PT Z515 Z520 Z520PT Z530 Z530P Z540 Z550 N270 凌动处理器是3瓦以下功耗处理器中速度最快的产品凌动处理器支持高达720p和1080i的高清视频格式凌动处理器支持支持流畅3D图形英特尔凌动处理器拥有超低功耗 2020年2月15日星期六 21嵌入式系统设计 新型AMDGEODE 处理器为移动嵌入式设备提供PC功能 AMDGeode LX800 0 9W处理器使公司向 x86架构无所不在 的集成计算目标又迈进了一步2005年5月27日 北京讯 AMD公司 NYSE AMD 宣布推出AMDGeode LX800 0 9W处理器 使消费者能在基于x86的下一代嵌入式移动设备上体验与台式电脑完全相同的计算功能 AMDGeodeLX800 0 9W处理器功率不到1W 支持MicrosoftWindowsXP和XP嵌入式操作系统 使用户能在低功率 无风扇的便携产品上实现熟悉的商务和消费应用 业界标准的x86架构 低功耗和出色性能使AMDGeodeLX处理器适用于广泛的消费电子和计算市场 包括多媒体设备 单板机 接入设备和其他通用嵌入式应用 HDTV IP机顶盒 瘦客户机 销售点服务亭和采用Windows的平板电脑等产品将受益于AMDGeodeLX处理器的优秀功能 此外 现在市场上还推出了新的基于x86的移动多媒体设备 结合了完整的台式电脑计算功能与小巧外观 电池供电的便携性 2020年2月15日星期六 22嵌入式系统设计 英特尔推出五款嵌入式SandyBridge架构CPU 据国外媒体报道 在官方发布SandyBridge架构两个月后 英特尔仍旧保持其处理器产品的更新 最近该公司又推出五款新型的嵌入式CPU 其中两款采用了节能设计 第一款处理器是Corei32310E 双核设计 3M三级缓存 时钟频率为2 1GHz 35瓦的散热设计功耗 该处理器支持英特尔的超线程技术 但该处理器也是新发布的五款处理器中 唯一没有采用智能加速技术的嵌入式处理器 除此之外 该处理器还采用了ECC内存支持技术 第二款处理器是Corei52510E 时钟频率为2 5GHz 使用智能加速技术可以超频到3 1GHz 同样为双核 35瓦的散热设计功耗 该处理器也是唯一一款使用G2套接技术和ECC内存支持技术的i5处理器 第三款为Corei52515E 与2510E相比 该处理器使用了BGA1023封装技术 最后两款处理器是Corei72610UE和i72655E 这两款处理器的时钟频率分别为1 5GHz和2 2GHz 散热设计功耗分别为17瓦和25瓦 均使用16G的ECC内存 并有额外的PCI快速通道 支持智能加速 超线程 AVX和AES以及可信执行和虚拟化技术 2011 02 28日网络消息 目前这五款产品的价格信息还未知 知晓范围很可能只限于OEM厂商 2020年2月15日星期六 23嵌入式系统设计 常用嵌入式处理器 68K Coldfire Motorola68000 68K 是出现得比较早的一款嵌入式处理器 68K采用的是CISC结构 与现在的PC指令保持了二进制兼容 CISC是个人电脑常用的 Intel AMD VIA都采用CISC指令集 只有Apple电脑中的PowerPC采用了RISC架构 最初使用的CISC指令集是有道理的 因为CISC指令数量少 执行效率很高 而且当时的CPU时钟频率不同 没有涉及到现在的超标量和超流水线的问题 RISC是精简指令集 每条指令长度都一样 有利于简化译码结构 减少处理器的晶体管数量 这对于嵌入式处理器来说是很重要的 68K最初曾用在Apple2上 比Intel的8088还要早 SUN也把这款处理器用于其最早的工作站 现在68K芯片已经完全用于嵌入式系统了 1992年68K的销售量达到了两千万片 现在Motorola每年还能销售75万片 1994年 Motorola推出了基于RISC结构的68K ColdFire系统微处理器 目前基于该架构的嵌入式微处理器主要有MCF5272 它基于第二代ColdFireV2核心 与所有ColdFire产品一样 MCF5272系统提供了优秀的编码密度 同时达到出色的系统性能水平 2020年2月15日星期六 24嵌入式系统设计 1 3嵌入式操作系统 嵌入式软件主要是嵌入式操作系统 早期的嵌入式系统很多都不用操作系统 它们只是为了实现某些特定功能 使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理 不具备现代操作系统的基本特征 如进程管理 存储管理 设备管理 网络通信等 不可否认 这对一些简单的系统而言是足够的 但是 我们的系统越来越复杂 利用的范围越来越广泛的时候 缺少操作系统就成为了一个最大缺点 因为每设计个一项新的功能都可能需要从头开始设计 实际上增加了开发成本和系统的复杂度 C语言的实现使我们的操作系统开发变得越来越简单 可以利用C语言很快地写出一个小型的 稳定的操作系统 2020年2月15日星期六 25嵌入式系统设计 嵌入式操作系统的基本功能 嵌入式操作系统的基本功能在嵌入式操作系统中一般使用微内核 micro kernel 体系结构 其内核主要实现如下功能 多任务调度 系统设计人员只需设计任务 然后通过操作系统调度实现多任务的同时处理 内存管理 微内核内存管理主要是提供内存页面的申请和释放工作 在没有操作系统的情况下 内存的申请和释放是由嵌入式应用程序本身完成 在有操作系统的情况下 嵌入式应用程序可以根据自己的需要申请内存空间 由操作系统统一分配 硬件资源管理 操作系统的使用有个重要的方便性是操作系统可以提供一个硬件抽象层 HardwareAbstractLayer 通过驱动程序的方式方便嵌入式应用程序和硬件设备间的交互 通过硬件抽象层 可以避免几个任务同时访问一个硬件 保证对硬件访问的一致性 2020年2月15日星期六 26嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 VxworksMicrosoftWindowsCEpSOSQNXPalmOS C OS IILinuxFreeRTOSSymbianAndroid 2020年2月15日星期六 27嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 Vxworks VxworksWindRiver公司的VxWorks是目前嵌入式领域中使用最广泛 市场占有率最高的系统 它支持多种处理器 如x86 i960 SunSparc MotorolaMC68xxx MIPSRX000 PowerPC等 使用的是和UNIX不兼容的环境 大多数的VxWorksAPI是专用的 采用GNU的编译和调试器 2020年2月15日星期六 28嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 WindowsCE MicrosoftWindowsCE是微软出品的一个高效率的多平台操作系统 它不是削减的Windows95版本 而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程 完整优先权 多任务的操作系统 它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户设备进行定制 操作系统的基本内核需要至少200k的ROM 从SEGA的DreamCast游戏机到现在许多高端的掌上电脑 都采用了WindowsCE 2020年2月15日星期六 29嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 pSOS pSOS现在属于WinRiver公司的产品 因为原先拥有的pSOS的ISI公司已经被WindRiver公司兼并 这个一个模块化的 高性能的实时操作系统 专为嵌入式微处理器设计 提供了一个完全多任务环境 在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性 可以让开发者将操作系统的功能和内存需求按每个应用的需求定制成专用系统 开发者可以利用它来构建从简单的单个独立设备到复杂的 网络化的多处理器系统 2020年2月15日星期六 30嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 QNX QNXQNX是一个实时可扩充的操作系统 它遵循POSIX 1 程序接口 和POSIX 2 Shell和工具 部分遵循POXIX 1b 实时扩展 它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程 其内核提供4种服务 进程调度 进程间通信 底层网络通信和中断处理 其进程在独立的地址空间运行 所有其它OS服务 都由协作的用户进程实现 因此QNX内核非常小巧 QNX4 x大约为12K 而且运行速度极快 这个灵活的结构可以使用户可以根据实际需要将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统 2020年2月15日星期六 31嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 PalmOS PalmOS3Com公司的PalmOS在PDA市场上占有很大份额 它有开放的操作系统应用程序接口 API 开发商可以根据需要自行开发所有需要的应用程序 目前已经有总共3500多个应用程序可以运行在PalmPilot上 其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发 使得PalmPilot的功能得以不断增多 这些软件包括计算器 各种游戏 电子宠物 地理信息等 在开发环境方面 可以在Windos95 98 WindowsNT以及Macintosh下安装PalmPilotDesktop PalmPilot可以与流行的PC平台上的应用程序如Word Excel等进行数据交换 2020年2月15日星期六 32嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 C OS II C OS II C OS II是美国人JeanJ Labrosse开发的实时嵌入式操作系统 这个嵌入式操作系统的源码最初在杂志上发表 1993年作者将杂志上的文章整理扩展 写成 C OS TheReal TimeKernel 一书 这本书的热销以及源代码的公开推动了 C OS II本身的发展 C OS II目前已经被移植到Intel Motorola等公司的81种不同的处理器上 之所以有如此多的系统采用 C OS II作为操作系统 这与 C OS II本身的特性是分不开的 C OS II其实只是一个实时操作系统的内核 全部核心代码只有8 3K字节 它只包括了进程调度 时钟管理 内存管理和进程间的通信与同步等基本功能 而没有包括I O管理 文件系统 网络等额外模块 C OS II进程调度是按抢占式多任务系统设计的 即它总是执行处于就绪队列中优先级最高的任务 而且 C OS II的移植性很强 涉及到系统移植的源代码只有3个文件 代码长度不过两三百行 移植起来并不困难 2020年2月15日星期六 33嵌入式系统设计 主要的嵌入式操作系统 Linux LinuxLinux是一套以UNIX为基础发展而成的操作系统 自1991年诞生至今 Linux在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的UNIX系统 它实现了真正的多任务 多用户环境 Linux对硬件配置的要求非常低 能够在4MB内存的386机器上很好地运行 而且可以支持很多种处理器芯片 此外 更为重要的是 Linux是开源的 有众多高手愿意在Linux上开发程序 随时对Linux的开放内核进行升级和修补 在嵌入式系统应用方面 Linux小的可以放在一张软盘上运行 为实时系统而开发的变种RTLinux Real TimeLinux 可以让Linux支持硬件实时任务 Linux的开放式原则使得Linux下的驱动和升级变得越来越多 越来越快 2020年2月15日星期六 34嵌入式系统设计 FreeRTOS 由于RTOS需占用一定的系统资源 尤其是RAM资源 只有 C OS II embOS salvo FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行 相对于uC OS II embOS等商业操作系统 FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统 具有源码公开 可移植 可裁减 调度策略灵活的特点 可以方便地移植到各种单片机上运行 其最新版本为6 0版 作为一个轻量级的操作系统 FreeRTOS提供的功能包括 任务管理 时间管理 信号量 消息队列 内存管理 记录功能等 可基本满足较小系统的需要 FreeRTOS内核支持优先级调度算法 每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级 CPU总是让处于就绪态的 优先级最高的任务先运行 FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法 系统允许不同的任务使用相同的优先级 在没有更高优先级任务就绪的情况下 同一优先级的任务共享CPU的使用时间 FreeRTOS的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核 当FreeRTOS被设置为可剥夺型内核时 处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的CPU使用权 这样可保证系统满足实时性的要求 当FreeRTOS被设置为不可剥夺型内核时 处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放CPU的使用权后才能获得运行 这样可提高CPU的运行效率 2020年2月15日星期六 35嵌入式系统设计 Android手机操作系统 Android一词的本义指 机器人 同时也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称 该平台由操作系统 中间件 用户界面和应用软件组成 号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件 目前 最新版本为Android2 3Gingerbread和Android3 0Honeycomb 2020年2月15日星期六 36嵌入式系统设计 Symbian Symbian操作系统的前身是英国宝意昂公司 Psion 的EPOC操作系统 而EPOC是ElectronicPieceofCheese取第一个字母而来的 其原意为 使用电子产品时可以像吃乳酪一样简单 这就是它在设计时所坚持的理念 为了对抗微软及Palm 取得未来智能移动终端领域的市场先机 1998年6月 诺基亚 摩托罗拉 Motorola 爱立信 ERICSSON 三菱 MITSUBISHI 和宝意昂 Psion 在英国伦敦共同投资成立Symbian公司 2008年已被诺基亚全额收购 现在的竞争对手是HTC的MTK平台和Google的Android 2020年2月15日星期六 37嵌入式系统设计 使用操作系统的优缺点 优点 操作系统提高了系统的可靠性 提高开发效率 缩短开发周期 可以充分发挥CPU的多任务能力 缺点 fromucos ii 增加约2 5 的CPU额外负荷 额外的ROM RAM开销等 2020年2月15日星期六 38嵌入式系统设计 本门课程主要内容 一种微处理器 ARM一种嵌入式实时操作系统 C OS II 2020年2月15日星期六 39嵌入式系统设计 ARM初步 本节简介ARM微处理器的一些基本概念 应用领域及特点 引导读者进入ARM技术的殿堂 本节主要内容 ARM及相关技术简介 ARM微处理器的应用领域及特点 ARM微处理器系列 ARM微处理器的体系结构 ARM微处理器的应用选型 2020年2月15日星期六 40嵌入式系统设计 ARM AdvancedRISCMachinesARM 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 2020年2月15日星期六 41嵌入式系统设计 ARM微处理器的应用领域及特点 ARM微处理器的应用领域到目前为止 ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域 参见第二页 采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点 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 2020年2月15日星期六 42嵌入式系统设计 ARM微处理器系列 ARM微处理器目前包括下面几个系列 以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器 除了具有ARM体系结构的共同特点以外 每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM其中 ARM7 ARM9 ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求 SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计 2020年2月15日星期六 43嵌入式系统设计 ARM微处理器结构 RISC体系结构 传统的CISC ComplexInstructionSetComputer 复杂指令集计算机 结构有其固有的缺点 即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集 为支持这些新增的指令 计算机的体系结构会越来越复杂 然而 在CISC指令集的各种指令中 其使用频率却相差悬殊 大约有20 的指令会被反复使用 占整个程序代码的80 而余下的80 的指令却不经常使用 在程序设计中只占20 显然 这种结构是不太合理的 基于以上的不合理性 1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC ReducedInstructionSetComputer 精简指令集计算机 的概念 RISC并非只是简单地去减少指令 而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上 RISC结构优先选取使用频最高的简单指令 避免复杂指令 将指令长度固定 指令格式和寻地方式种类减少 以控制逻辑为主 不用或少用微码控制等措施来达到上述目的 到目前为止 RISC体系结构也还没有严格的定义 一般认为 RISC体系结构应具有如下特点 采用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 当然 和CISC架构相比较 尽管RISC架构有上述的优点 但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构 事实上 RISC和CISC各有优势 而且界限并不那么明显 现代的CPU往往采用CISC的外围 内部加入了RISC的特性 如超长指令集CPU就是融合