嵌入式系统-硕士课程

嵌入式系统 硕士课程 陈天洲 陈文智 参考文献 1 嵌入式计算机系统设计原理 computersascomponents principlesofembeddedcomputingsystemdesign waynewolf 机械工业出版社 2002ARM嵌入式处理器结构与应用基础 马忠梅等 北航出版社 2002嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado 孔祥营等 中国电力出版社 2002 参考文献 2 嵌入式系统开发圣经 探矽工作室 中国青年出版社 2002嵌入式Linux系统设计与应用 王学龙 清华大学出版社 2001年UC OS II 源代码公开的实时嵌入式操作系统 邵贝贝 中国电力出版社 2001可编程逻辑器件及设计理念 www X 计算机系统的三大领域 服务器利润最大的市场可用性可扩展性有效带宽桌面最广阔的市场嵌入式潜力最大的市场 1 嵌入式系统介绍 计算机系统PCLaptopMainframeServer移动电脑 PDA 手机其它 MP3播放机 数码相机 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软件巨头微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能 或是使用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置 广义定义 任何一个非计算机的计算系统 嵌入式系统的核心 嵌入式微处理器实时多任务存储区保护可扩展的处理器结构功耗低2001年嵌入式系统国际会议年会JimTurley的报告中 统计得到PC的数量只占CPU总耗量的0 1 1 1计算机工业的分类 以往计算机分类 大型计算机 中型机 小型机和微计算机目前计算机分类 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 1 2嵌入式系统的定义 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 机器或甚至工厂操作的装置 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 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 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 1 3 2嵌入式系统具有的产品特征 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8 10年 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 据CCID2003年的数据显示 2000年嵌入式软件市场规模为70 33亿元 2001年为95 43亿元 2002年118 56亿元 三年平均增长38 85 2002年中国软件市场为345 0亿元 嵌入式软件约占软件总市场的34 37 2004年 软件统计数据为 套装软件共计478亿元 为具有独立产品形态的软件 其中包括系统软件89亿元 操作系统44 19亿元 数据库管理系统20 06亿元 支撑软件25 71亿元 中间件软件6 98亿元 应用软件304 53亿元 包括通用应用软件 安全软件 办公软件 管理软件 游戏软件 教育软件等 与行业应用软件 金融 电信 政府等 嵌入式软件 673 62亿元 另外软件服务 937 48亿元 除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动 包括系统集成 软件外包 咨询 数据加工和处理等 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 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 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 构件化 1 4嵌入式系统的组成 2嵌入式系统的应用 家用市场 机顶盒 掌上电脑 DVD MP3 数码相机 数字电视 WebTV 网络冰箱 网络空调 家庭网关 智能家用电器 嵌入式视频服务器 车载导航器系统等 嵌入式视频服务器的架构 数码多媒体产品 现代化家庭 信息家电 中国数字电视发展规划 2002年完成地面广播传输标准的测试 2002年底颁布国家数字电视有线传输标准 2003年底前颁布国家数字电视地面广播标准和相关配套标准 确定数字电视标准体系 2005年在有条件的城市推广数字电视播出 2008年的北京奥运会上向全世界传输数字高清晰度电视节目 主要的大城市开始数字电视商业广播 2015年数字电视成为我国电视播出的主要方式 信息家电 通信市场 电话交换系统电缆系统卫星和全球定位系统 L3D 数据交换设备移动电话PDA等等 智能网络电话机通过普通电话线与网络相连 宽带网络电话机通过宽带接入Internet 目前IP电话发展现状据 统计 全球 电话业务收入综合年增长率将以 的速度增长 到 年 电话已占国际电话业务量的三分之一 到 年 国际长途将占 业务市场的 电话已成为当前各国电话运营重点发展的业务之一 PDA的应用领域及市场潜力 通讯产品 工业市场 制造工厂污水处理系统发电站和电力传输系统自动化工厂控制系统开发 维护和测试的工具石油提炼和相关的贮运设施 建筑设备计算机辅助制造系统能源控制系统 核电站机器人系统等 商业和金融市场 自动柜员机信用卡系统售货端系统安全系统等 办公市场 电话系统传真系统复印机计时系统照相机和摄象机 运输市场 航空 铁路 公路运输系统航空管理 雷达系统交通指挥系统停车系统 售票系统乘客信息系统检票系统行李处理系统应急设备等 建筑市场 电力供应 备用电源和发电机 火警控制系统 供热和通风系统 电梯和升降系统 车库管理 安保系统 电子门锁系统 楼宇管理系统 闭路电视系统 电子保险柜 警铃等 医疗市场 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 医疗影像网络PACS主要功能 医学影像的采集和数字化图像的存储和管理医学图像的高速传输图像的数字化处理和重现图像信息与其他信息 PACS子系统 影像实时采集子系统影像分析处理子系统影像的查询 管理和存储子系统图文编辑及打印子系统数字图像回写子系统远程会诊子系统系统管理子系统 军事领域 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 1 尺寸和重量 在军事和航天环境中 空间是非常珍贵的 对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸大小要求是苛刻的 重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素 但在工业上应用并不重要 2 功率消耗 电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题 因为发热与功耗成正比 降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求 3 震动和冲击 军事和空间系统要适合在恶劣运动环境中工作和贮存 这些环境包括 大范围或小范围的重复运动 芯片 模块和模板可能部分或全部变位或断线 由于震动而加重的电化学反应引起的腐蚀 使模板互连金手指管脚的导电性能变差 由于使用硬盘驱动器致使数据的完整性成为难题等 4 温度和湿度 大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下 用于军事和空间产品的电子产品的可靠工作范围必须在 40 85 军事工业产品 数字化单兵信息装备夜视扫描 全球定位 指挥通信21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统 FBCB2 C4ISR系统 指挥 控制 通讯 电脑 情报 监视 侦察 21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统 FBCB2 作为美国陆军战斗指挥系统的一部分 FBCB2应用软件将在Applique V4型计算机上运行 构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统 FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官 战斗支援部队以及战斗服务支援部队提供在行进中 近实时的事态感知以及指挥和控制信息 使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队 关于中国C4ISR系统的消息 消息来源声称这一系统的研制已经进行多年 有关的分系统目前已经部分进入中国军队服役 战区级别的C3I系统预计若干年之内全面建成 规划之中的国家级C4ISR系统包括2个以上的海岸指挥作战中心下设若干海岸雷达 海岸火炮 声纳分系统并使用数据链同国家宇宙作战中心相连接 国家宇宙指挥作战中心又通过卫星同联合作战指挥中心 防空作战中心 陆军作战指挥中心等分系统衔接 整个大系统还包括两个以上的电子作战指挥中心 每个下设电子对抗 电子作战飞机 电子侦察 电子支援分中心 它又透过国家宇宙作战中心同防空指挥中心等衔接 在电子作战指挥中心之外 还设有一个雷达信息处理系统 下设电子侦察 防空雷达等分系统 并与战术防空系统联网 战术防空系统包括地对空导弹部队 防空雷达 国土防空战斗机等分系统 战术防空系统又通过宇宙作战中心同防空作战中心联网 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 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 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 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 医疗行业应用特点 市场广阔 进入门槛较高利润极高 3嵌入式系统的发展趋势 高集成度微处理器微控制器系统芯片 SOC 软硬件协同设计成熟的设计流程 3 1高集成度 1 高集成度 2 高集成度 3 硬件潜力 设计能力 基于集成电路核的SOC设计 3 2软硬件协同设计 3 3设计流程 嵌入式系统通常由嵌入式处理器 嵌入式外围设备 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件品种总量已经超过1000多种 流行体系结构有30几个系列 其中8051体系的占有多半 嵌入式系统硬件主流 32 64位微处理器是目前嵌入式系统的核心主要硬件厂商包括Intel Motorola Philip AMD等每个月都有新产品出现 嵌入式计算机内核分类 嵌入式微处理器 EmbeddedMicroprocessorUnit EMPU 嵌入式微控制器 MicrocontrollerUnit MCU 嵌入式DSP处理器 EmbeddedDigitalSignalProcessor EDSP 嵌入式片上系统 SystemOnChip 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 PowerPC 68000 MIPS ARM系列等 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 FlashRAM 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 嵌入式微控制器 MCU 代表性的通用系列包括8051 P51XA MCS 251 MCS 96 196 296 C166 167 MC68HC05 11 12 16 68300等 另外还有许多半通用系列如 支持USB接口的MCU8XC930 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 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 嵌入式DSP处理器 EDSP 有代表性的产品是TexasInstruments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 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SmartXA 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指 在嵌入式硬件系统中 除了嵌入式处理器之外的完成存储 通信 保护 调试 现实等辅助功能的其他部件 根据外围设备的功能可分为以下3类 存储器类型 静态易失型存储器 RAM SRAM 动态存储器 DRAM 非易失型存储器 ROM EPROM EEPROM FLASH 其中 FLASH 闪存 以可擦写次数多 存储速度快 容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用 接口类型 目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用 但是以下几种接口的应用最为广泛 包括RS