嵌入式系统的应用与发展ppt课件.pptx

嵌入式系统的应用与发展 前言随着3c技术的快速发展和我国传统产业结构升级的加速 人们对设备越来越高的应用需求已无法满足当前和未来高性能的应用与发展需求 同时 激烈的市场竞争和技术竞争 要求产品的开发周期越来越短 显然 嵌入式系统的软 硬件技术和开发手段 正日益受到重视 成为各领域技术创新的重要基础 什么是嵌入式系统 关于嵌入式系统的定义 一般认为嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统的组成 由以CPU为核心的硬件环境包括储存器 通讯接口 如串口 网络等 基本输入输出 专用硬件 嵌入式操作系统 应用软件系统三部分组成 嵌入式系统的优点 1 可装卸性 开放性 可伸缩性的体系结构 2 强实时性 可用于各种设备控制当中 3 统一的接口 提供各种设备驱动接口 4 操作方便 简单 提供友好的图形GUI 图形界面 易学易用 嵌入式系统的优点 5 提供强大的网络功能 支持TCP IP协议及其它协议 提供TCP UDP IP PPP协议支持及统一的MAC访问层接口 为各种移动计算设备预留接口 6 稳定性强 7 固化代码 在嵌入系统中 嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中 辅助存储器在嵌入式系统中很少使用 8 更好的硬件适应性 既具有良好的移植性 操作系统的重要性 计算机系统包括硬件系统和软件系统 操作系统属于系统软件部分 也是系统软件的核心部分 操作系统将计算机系统中所有软硬件资源有机地管理起来为用户服务 计算机系统层次结构 嵌入式操作系统 一些常见的嵌入式操作系统 WinCE linux PalmOS 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统 它具有一般操作系统的功能 同时具有嵌入式软件的特点 主要有 可固化可配置 可剪裁独立的板级支持包 可修改不同的CPU有不同的版本应用的开发需要有集成的交叉开发工具 嵌入式操作系统体系结构 目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构 分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关层 硬件抽象层和硬件相关层 每层再划分功能模块 这样移植工作便集中在硬件相关层 与其余两层无关 功能的伸缩则集中在模块上 从而确保其具有良好的可移植性和可伸缩性 而采用微内核结构 则可利用其可伸缩的特点适应硬件的发展 便于扩展 嵌入式操作系统体系结构 应用程序 任务管理 硬件 用户扩展处理 调度管理 硬件抽象层 应用编程接口 内存管理 中断管理 时钟 定时器管理 I O管理 出错处理 同步 通信管理 消息队列 信号量 事件 异步信号 DeltaCORE的体系结构 层次 模块结构 分层次 模块化 嵌入式操作系统的组成 嵌入式操作系统分类 从应用领域来分面向信息家电的嵌入式操作系统面向智能手机的嵌入式操作系统 如SymbianOS MSMobileOS PalmOS EmbeddedLinux等面向汽车电子的嵌入式操作系统面向工业控制的嵌入式操作系统 从实时性的角度来分嵌入式实时操作系统 具有强实时特点 如VxWorks QNX Nuclear OSE DeltaOS 各种ITRONOS等 非实时嵌入式操作系统 一般只具有弱实时特点 如WinCE 版本众多的嵌入式Linux PalmOS等 从嵌入式系统的商业模式来分类商用型 功能稳定 可靠 有完善的技术支持和售后服务 开发费用 版税 开源型 开放源码 只收服务费 没有版税 如Embeddedlinux RTEMS eCOS 操作系统的分类与发展 操作系统发展过程中出现多种类别 以下主要了解批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统等 1 单道批处理系统用户一次可以提交多个作业 但负责调度作业的监督程序每次只向内存调入一个作业 系统一次也只处理一个作业 处理完一个作业后 再调入下一个作业进行处理 直到这批作业全部完成 如DOS操作系统 AUTOEXEC BAT 2 多道批处理系统在内存同时保存多个作业 CPU以交替的方式处理各个作业 CPU保持忙碌状态 提高了CPU的利用率 内存中可以同时保持多个程序并发执行 CPU运行某个程序的同时 I O设备可以处理其它程序的输入输出任务 提高了I O设备的利用率 多道批处理 无交互 作业排队 依次处理 周期较长 无法确定执行时间 3 分时系统内存中保持多个用户的多个作业 系统内部的操作系统负责协调多个用户分享CPU 采用 时间片轮转 方式分配CPU 所有用户轮流独立使用一个时间片 TimeSlice 一般取100毫秒或更小 时间的CPU 协调多路终端用户同时使用计算机系统 各个用户共享系统的资源 用户与计算机以交互方式工作并在可以接受的时间内将得到响应 分时系统具有多路性 独立性 交互性和及时性特点 如Windows unix 既可以打印 又可以做其他事情 4 实时操作系统与其它系统的本质区别在于必须 实时 响应请求 并在确定的时间内完成处理 分时操作系统 系统内同时可以有多个程序运行 把CPU的时间分按顺序分成若干片 每个时间片内执行不同的程序 如UNIX Windows 实时操作系统 系统内有多个程序运行 每个程序有不同的优先级 只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权 实时系统与分时系统比较 1 实时控制系统的控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间为毫秒 甚至低于100微秒 而分时系统的响应时间只需在用户的接受范围之内 2 实时系统的交互能力要求不高 只限于一些特定专用服务 而分时系统的用户可以向系统提交数据处理 共享资源等多种服务请求 3 实时系统一般应用在一些特殊的 专用的方面 较之分时系统要求更高的安全性和可靠性 实时操作系统 早期嵌入式系统几乎用于控制 或多或少都有实时的要求 嵌入式操作系统 实时操作系统近年1 手持式计算机和掌上电脑 非实时系统 2 CPU速度提高 一些原先认为是 实时 的 现在比较普遍 以前需要在 实时操作系统 上实现的 现在常规的操作系统上也能实现 嵌入式操作系统 实时操作系统 嵌入式操作系统 使用实时操作系统的必要性 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛 尤其在功能复杂 系统庞大的应用中显得愈来愈重要 在嵌入式应用中 只有把CPU嵌入到系统中 同时又把操作系统嵌入进去 才是真正的计算机嵌入式应用 使用实时操作系统主要有以下几个因素 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性 提高了开发效率 缩短了开发周期 嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力 嵌入式操作系统 实时操作系统的优缺点 优点 在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易 不需要大的改动就可以增加新的功能 通过将应用程序分割成若干独立的任务模块 使应用程序的设计过程大为简化 而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速 可靠的处理 通过有效的系统服务 嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用 缺点 使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM RAM开销 2 5 的CPU额外负荷 以及内核的费用 发展历程 嵌入式系统的发展历程 纵观嵌入式系统的发展历程 大致经历了以下四个阶段 一 无操作系统阶段二 简单操作系统阶段三 实时操作系统阶段四 面向Internet阶段 无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的 大多以可编程控制器的形式出现 具有监测 伺服 设备指示等功能通常应用于各类工业控制和飞机 导弹等武器装备中 一般没有操作系统的支持 只能通过汇编语言对系统进行直接控制 运行结束后再清除内存 这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点 但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序 因此严格地说还谈不上系统的概念 这一阶段嵌入式系统的主要特点是 系统结构和功能相对单一 处理效率较低 存储容量较小 几乎没有用户接口 由于这种嵌入式系统使用简便 价格低廉 因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用 但却无法满足现今对执行效率 存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要 简单操作系统阶段 20世纪80年代 随着微电子工艺水平的提高 Ic制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器 I O接口 串行接口以及RAM ROM等部件统统集成到一片VLSI中 制造出面向I 0设计的微控制器 并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀 与此同时 嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌入式应用软件 大大缩短了开发周期 提高了开发效率 实时操作系统阶段 20世纪9O年代 在分布控制 柔性制造 数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下 嵌入式系统进一步飞速发展 而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度 高精度 低功耗的方向发展 随着硬件实时性要求的提高 嵌入式系统的软件规模也不断扩大 逐渐形成了实时多任务操作系统 RTOS 并开始成为嵌入式系统的主流 这一阶段嵌入式系统的主要特点是 操作系统的实时性得到了很大改善 已经能够运行在各种不同类型的微处理器上 具有高度的模块化和扩展性 此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理 设备管理 多任务 网络 图形用户界面 GUI 等功能 并提供了大量的应用程序接口 API 从而使得应用软件的开发变得更加简单 面向Internet阶段 21世纪无疑将是一个网络的时代 将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高 信息时代和数字时代的到来 为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇 同时也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战 目前 嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展 嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化 面向Internet阶段 新的微处理器层出不穷 嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植 能够在短时间内支持更多的微处理器 嵌入式系统的开发成了一项系统工程 开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身 同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包 各类嵌入式Linux操作系统迅速发展 由于具有源代码开放 系统内核小 执行效率高 网络结构完整等特点 很适合信息家电等嵌入式系统的需要 面向Internet阶段 网络化 信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出 以往功能单一的设备如电话 手机 冰箱 微波炉等功能不再单一 结构变得更加复杂 网络互联成为必然趋势 精简系统内核 优化关键算法 降低功耗和软硬件成本 提供更加友好的多媒体人机交互界面 应用领域 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景 其应用领域可以包括 1 工业控制2 交通管理3 信息家电4 家庭智能管理系统5 POS网络及电子商务6 环境工程与自然7 国防航空与人工智能 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展 目前已经有大量的8 16 32位嵌入式微控制器在应用中 网络化是提高生产效率和产品质量 减少人力资源主要途径 如工业过程控制 数字机床 电力系统 电网安全 电网设备监测 石油化工系统 就传统的工业控制产品而言 低端型采用的往往是 位单片机 但是随着技术的发展 32位 64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心 在未来几年内必将获得长足的发展 交通管理 在车辆导航 流量控制 信息监测与汽车服务方面 嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用 内嵌GPS模块 GSM模块的移动定位终端早已在各种运输行业获得了成功的使用 目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭 只需轻轻一点 就可以将你的位置分享给朋友 信息家电 这将称为嵌入式系统最大的应用领域 冰箱 空调等的网络化 智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间 即使你不在家里 也可以通过电话线 网络进行远程控制 在这些设备中 嵌入式系统将大有用武之地 家庭智能管理系统 水 电 煤气表的远程自动抄表 安全防火 防盗系统 其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查 并实现更高 更准确和更安全的性能 目前在服务领域 如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势 POS网络及电子商务 公共交通无接触智能卡 ContactlessSmartcard CSC 发行系统 公共电话卡发行系统 自动售货机 各种智能ATM终端将全面走入人们的生活 到时手持一卡就可以行遍天下 环境工程与自然 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 在很多环境恶劣 地况复杂的地区 嵌入式系统将实现无人监测 国防航空与人工智能 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化 高智能方面优势更加明显 同时会大幅度降低机器人的价格 使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用 发展前景 发展前景 嵌入式控制器的应用几乎无处不在 移动电话 家用电器 汽车 无不有它的踪影 嵌入控制器因其体积小 可靠性高 功能强 灵活方便等许多优点 其应用已深入到工业 农业 教育 国防 科研以及日常生活等各个领域 对各行各业的技术改造 产品更新换代 加速自动化化进程 提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用 发展前景 嵌入式计算机在应用数量上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 在制造工业 过程控制 网络 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 发展前景 嵌入式系统工业是专用计算机工业 其目的就是要把一切变得更简单 更方便 更普遍 更适用 通用计算机的发展变为功能电脑 普遍进入社会 嵌入式计算机发展的目标是专用电脑 实现 普遍化计算 因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的 数字基因 正如我国资深嵌入式系统专家 沈绪榜院士的预言 未来十年将会产生头大小 具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片 将为我们提供无限的创造空间 实际应用案例简介 太阳能自平衡尾油梁 太阳能自平衡尾油梁 案例背景英东采油厂抽油机电机采用变频器调速控制 抽油机冲次调节频繁 工矿变化大 造成抽油机的悬点载荷变化频繁 抽油机长期处于过平衡或欠平衡状态 需要频繁调整平衡 而人工调整平衡则需要频繁停机 工人劳动强度大 且影响产量 增大了现场管理难度 解决方案在抽油机游梁尾部加装一个太阳能驱动的