嵌入式系统自学教程资料PPT课件

.,1,课程大纲（约30学时）,时间：周五晚8:00-11:00地点：4号楼315,.,2,1,CHAPTER,绪论,.,3,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统的典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,.,4,嵌入式系统简介,计算机系统的三大领域服务器市场功能强利润最大的市场可用性强可扩展性桌面市场最广阔的市场嵌入式市场潜力最大的市场,.,5,嵌入式系统简介,一般定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）嵌入式系统是设计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。（系统角度）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。广义定义任何一个非计算机的计算系统,.,6,微机学会定义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：各种类型的工控机、PC104模块板级：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,嵌入式系统简介,.,7,嵌入式系统简介,广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。,.,8,嵌入式系统简介,发展历史嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。,.,9,1981年ReadySystem开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统也相继出现。,嵌入式系统简介,.,10,嵌入式系统简介,基于8位，16位，32位的嵌入式系统微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算成为一门学科。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。,.,11,嵌入式系统简介,典型的32位微处理系统ARM系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系列的MCU芯片很多，但大都是已ARM微内核为核心的。32位的DSP应用的也很广泛。,.,12,特点功耗限制嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。低成本包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。多速率系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。环境相关性嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统简介,.,13,嵌入式系统简介,特点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实时OS，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。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。,.,14,嵌入式系统简介,特点不可垄断性PC有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。产品相对稳定性普通处理器18月嵌入式处理器810年,.,15,嵌入式系统简介,实时性实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。实时系统实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。嵌入式系统实时系统有些嵌入式系统没有实时性要求,.,16,嵌入式系统简介,处理器,存储器,输入接口,操作系统(协议栈),应用程序,软件子系统,硬件子系统,嵌入式系统组成,输出接口,外围设备,.,17,嵌入式系统的软/硬件框架,.,18,嵌入式系统简介,硬件子系统,.,19,嵌入式系统简介,嵌入式外围设备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、I/O、调试等功能的其它部件。分类存储器类型：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-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。显示类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。,.,20,嵌入式系统简介,最小硬件系统,.,21,嵌入式系统与单片机、PC相比的优势,采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到624MHz以上，处理能力大大超出单片机系统，接近PC机的水平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中；实性性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOS），能够完全保证控制系统的强实时性；人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面；输入方法多种多样；系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了系统能够快速升级和更新。,.,22,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,.,23,嵌入式处理器分类,微处理器(MicroprocessorUnit,MPU)微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式DSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)片上系统(SystemOnChip),.,24,嵌入式微处理器,.,25,目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,嵌入式微处理器,.,26,嵌入式微控制器,又称单片机，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、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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。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。,.,27,嵌入式微控制器,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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,.,28,嵌入式DSP处理器,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、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。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。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。,.,29,嵌入式DSP处理器,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。Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。PHILIPS公司今年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元，应用目标是大批量消费类电子产品。,.,30,SoC就是SystemonChip，SoC是一种基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系统设计技术。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。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，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,嵌入式片上系统(SoC),.,31,SOC体系结构,ASICCore,Memory,EmbeddedProcessorCore,AnalogFunctions,Communication,SensorInterface,.,32,知识产权,.,33,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,.,34,操作系统的发展,计算机系统由硬件和软件构成，在发展初期并没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源越来越丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序进一步发展形成了操作系统。到目前为止，主流的操作系统有三种：多道批处理、分时和实时操作系统。,.,35,嵌入式操作系统结构,操作系统分类微内核（micro-kernel）单晶内核（monolithickernel）混合内核（hybridkernel）,.,36,嵌入式操作系统,实时操作系统的特点,IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:异步的事件响应切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度内存锁定连续文件同步,.,37,嵌入式操作系统,实时操作系统的特点,总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。,.,38,嵌入式操作系统,实时操作系统的特点,一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K几十K内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。,.,39,嵌入式操作系统,基本概念,对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。,前后台系统,.,40,基本概念,中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。,循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差。,前后台系统,嵌入式操作系统,.,41,嵌入式操作系统,基本概念,操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。,操作系统,.,42,嵌入式操作系统,基本概念,实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。,实时操作系统（RTOS）,.,43,嵌入式操作系统,基本概念,代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码，运行这些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入（这不是绝对的，如果中断不调用任何包含临界区的代码，也不访问任何临界区使用的共享资源，这个中断可能可以执行）。为确保临界区代码的执行，在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完成以后要立即开中断。,代码的临界区,.,44,嵌入式操作系统,基本概念,程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示器。资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。,资源,.,45,嵌入式操作系统,基本概念,可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占该资源，这叫做互斥。,共享资源,访问共享资源之前申请信号量,其它任务访问受阻而不能使用共享资源,得到允许后，才能使用共享资源,.,46,嵌入式操作系统,基本概念,一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。,任务,.,47,嵌入式操作系统,基本概念,当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态，即CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区，也就是任务自已的栈区之中。入栈工作完成以后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入CPU的寄予存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。这个过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。,任务切换,.,48,嵌入式操作系统,基本概念,多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如25的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。,内核,.,49,嵌入式操作系统,基本概念,调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先式的内核。,调度,.,50,嵌入式操作系统,基本概念,非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。,非占先式内核,.,51,嵌入式操作系统,基本概念,当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。,占先式内核,.,52,嵌入式操作系统,基本概念,任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态。,任务优先级,.,53,嵌入式操作系统,基本概念,中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：1.在前后台系统中，程序回到后台程序；2.对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；3.对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。,中断,.,54,嵌入式操作系统,基本概念,中断,.,55,嵌入式操作系统,基本概念,时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。,时钟节拍,.,56,使用嵌入式操作系统的优缺点,优点使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率。充分发挥32位CPU多任务的潜力，实现多任务设计，能够充分利用硬件资源和实现资源共享。实时性和健壮性能够得到更好的保证。缺点嵌入式操作系统增加ROM/RAM等额外开销，510的CPU额外负荷。,.,57,嵌入式操作系统分类,按收费模式划分商用型Vxworks,Nucleux，PlamOS,Symbian,WinCE,QNX,pSOS,VRTX,LynxOS,Hopen,DeltaOS免费型Linux,CLinux,C/OS-,eCos,uITRON按实时性划分硬实时Vxworks软实时WinCE,RTLinux无实时EmbeddedLinux,.,58,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统的典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,.,59,嵌入式系统的应用领域,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存