第1讲 嵌入式系统概述

第一讲嵌入式系统概论,课程目的,本课程围绕基于ARM的微处理器和嵌入式操作系统WinCE，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。实际动手能力，掌握嵌入式系统设计的基本方法。基础：学过C,C+语言、微机原理或单片机等,1张石主编.ARM嵌入式系统教程北京：机械工业出版社，20082.马忠梅等著.ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社3.郑灵翔等，嵌入式系统设计与应用开发，北航出版社，2006.2嵌入式系统应用、程序设计、嵌入式操作系统等方面的书籍、资料。,参考资料,本节提要,1.为什么要学习嵌入式系统2.嵌入式系统简介3.嵌入式系统与单片机、PC的区别4.嵌入式系统的应用领域5.嵌入式系统的发展现状和发展趋势,一、为什么要学习嵌入式技术,市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，嵌入式技术无处不在。企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，技术发展趋势要求8位、16位、32位，实时操作系统，,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，这就意味着每年有超过100亿块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。它们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。,嵌入式技术正在形成一种产业,自动控制领域，不仅可以用于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。尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、智能电话和机项盒等。,嵌入式技术正在形成一种产业,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。数字电视，高清晰、互动点播、机顶盒。在中国有8000万有线电视网用户，1亿以上的有线电话网用户，为其发展提供了巨大市场。针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。,嵌入式技术正在形成一种产业,嵌入式系统设计是一门综合性的课程，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。,对提高专业知识和实践能力大有帮助,二、嵌入式系统简介,任何一种可编程计算机系统，非一般用途，就可以算是“嵌入式系统”。,二、嵌入式系统简介,“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。”,嵌入式系统简介,1.嵌入式系统的历史从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近40年的发展历史。70年代，嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。从80年代早期开始，更低的开发资金和更高的开发效率的嵌入式系统出现。90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS）。,二、嵌入式系统简介,2.嵌入式系统的定义根据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）。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。,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,微机学会的定义,嵌入式系统简介,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：(1)对实时多任务有很强的支持能力。(2)具有功能很强的存储区保护功能。(3)可扩展的处理器结构。(4)嵌入式微处理器必须功耗很低。与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点。(1)体积小。(2)实时性。(3)特殊的开发调试环境。,嵌入式系统简介,3.嵌入式系统的特点嵌入式系统特性（1）功能特定性一般嵌入式系统具有特定应用、特定功能要求。（2）规模可变性嵌入式系统一般是以最小系统为核心，外围器件可扩充和裁减的系统。（3）实时性与稳定性嵌入式系统在大多数领域对实时和稳定性都有很高的要求，特别是在设计人身安全的控制领域、如航空、汽车控制等领域。,嵌入式系统的特点,系统其他特性（1）操作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。,（）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。,嵌入式系统的特点,（）系统精简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。（）高实时性OS这是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。,嵌入式系统的特点,（5）使用多任务的实时操作系统嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统只接在芯片上运行。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。,嵌入式系统的特点,（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。,嵌入式系统的特点,4.嵌入式系统的分类主要从实时性进行划分硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间，对于事件响应时间的截止期限必须得到满足。软实时系统其时限是一个柔性灵活的，可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重。,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嵌入式操作系统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，难以进行较为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,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,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,4嵌入式系统的应用领域,工业控制交通管理信息家电家庭智能管理系统POS网络及电子商务环境监测机器人,嵌入式系统的应用领域,铁路测控系统应用。1.车辆在线监测，分级预警等。2.道口报警控制系统。3.铁路信号微机监控。4.铁路雨量监控系统。,嵌入式技术正在形成一种产业,铁路测控系统应用。,嵌入式技术正在形成一种产业,铁路测控系统应用。铁路信号是用特定的物体（包括灯）的颜色、形状、位置，或用仪表和音响设备等向铁路行车人员传达有关机车车辆运行条件、行车设备状态以及行车的指示和命令等信息.,嵌入式技术正在形成一种产业,铁路测控系统应用。,嵌入式技术正在形成一种产业,1消费类电子产品应用如智能冰箱、流媒体电视等。如图1-2所示，大家最熟悉的莫过于手机、PDA、电子辞典、数码相机、MP3/MP4等。2智能仪器、仪表类应用这类产品可能离日常生活有点距离，但是对于开发人员来说却是实验室里的必备工具，比如网络分析仪、数字示波器、热成像仪等。3通信信息类产品应用这些产品多数应用于通信机柜设备中，如路由器、交换机、家庭媒体网关等。4过程控制类应用过程控制类应用主要指在工业控制领域中的应用。5国防武器设备应用如雷达识别、军用数传电台、电子对抗设备等。6生物微电子应用指纹识别、生物传感器数据采集等应用中也广泛采用嵌入式系统设计。,嵌入式系统的应用领域,PDA可视电话,机器人SONY机器狗,嵌入式系统的应用领域,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,嵌入式系统在信息家电中的应用,信息家电（InformationAppliance，IA）。一般可认为，那些低单价、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。,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),信息家电的应用,信息家电提供的服务,一、安全防范：智能安防可以实时监控着非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。二、消费电子产品的智能控制：例如可以自动控制加热时间、加热温度的微波炉，可以自动调节温度、湿度的智能空调，可以根据指令自动搜索电视节目并摄录的电视机/录像机等等。三、交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能信息家电的主动性动作响应。用户还可以自己定义不同场景智能家电的响应四、家庭信息服务：智能家庭服务器可以提供最新的股市情报、新闻、天气预报、电视节目预报、甚至当前公路上的交通流量状况，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。五、自动维护：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。六、家庭医疗保健：通过网络化的智能传感器，医院可以通过网络对用户进行身体检查。,典型的信息家电产品,Source:IDC,Hambrecht&Quist,信息家电数字机顶盒,信息家电消费电子,SAN公司的信息家电产品,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,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。,嵌入式技术在国防武器设备的应用,嵌入式系统高性能武器平台的基础,嵌入式Internet应用,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，只需要几千元水文资料实时监测，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,嵌入式系统与机器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和WindowsCE）,智能机器人,基于WinCE的移动机器人平台,基于WinCE的机器人装配平台,基于RTLinux的仿人机器人,高48cm重:6kg灵活性：20DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通,基于VXworks的火星探路者,2004年“勇气号”再次登陆火星,机器鱼的智能控制,基于ARM的嵌入式控制器方案设计,嵌入式系统在生物微电子应用,在指纹识别、生物传感器数据采集、环境