第一章、嵌入式系统设计概论

1、嵌入式系统设计陈天洲参考书l嵌入式计算机系统设计原理，computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 机械工业出版社，2002lARM嵌入式处理器结构与应用基础，马忠梅等，北航出版社，2002l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第一课、嵌入式系统概述l嵌入式系统的历史与概念嵌入式系统的历史与概念l无所不在的嵌入式系统无所不在的嵌入式系统l普适计算普适计算l嵌入式系统的基本组成嵌入式系统的基本组成与设计与设计l嵌入式

2、热点领域嵌入式热点领域一、什么是嵌入式系统lEmbedded systeml个人电脑嵌入式系统计算机工业的分类l以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机l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l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、产品和系统中历史l电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几乎电脑自身的历史一样长l计算机控制系统l单片机掀起电子化浪潮l微处理器高速发展推动了嵌入式系统嵌入式系统的演变l8031/8051单片机系统，自行编写程序；l68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作系统；l32位嵌入式处理器pSoS嵌入式

3、操作系统tcp/ip协议栈；l各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 设备server以及各种复杂网络协议栈GUI图形界面无线模块现代可移动的网络智能设备后PC技术的时代l小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备l嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱l1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。嵌入式简单定义l嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。l可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统狭义定义l使用嵌入式微处理器构成独

4、立系统，具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统l微处理器专指32位以上的微处理器嵌入式系统的定义l以应用为中心以应用为中心、以计算机技术为基础、软以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用的专用计算机系统计算机系统 二、无所不在的嵌入式系统无所不在的嵌入式系统l嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机l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：l键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由

5、嵌入式处理器控制的。l在制造工业、过程控制、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。 经典应用lCISCO的路由器l华为、中兴的以太网交换机l恒基伟业的商务通PDA；l摩托罗拉的手机l美国宇航局的火星探测器lSony的机器狗AIBO嵌入式系统的应用领域（一） l家用市场家用市场 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、车载导航器系统等l通信市场通信市场 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，移动电话等l工业市场工业市场 制造工厂，污水处理系

6、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l商业和金融市场商业和金融市场 自动柜员机，信用卡系统，售货端系统，安全系统等嵌入式系统的应用领域（二）l办公市场办公市场 电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机l运输市场运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，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l建筑市场建筑市场 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

7、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l医疗市场医疗市场 心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统，电磁成像系统等l军事军事 武器控制嵌入式系统热点应用l信息家电l车载系统l军事工业l医疗器械信息家电应用特点l市场巨大l低成本要求l利润空间小l竞争激烈l人机界面友好l网络化车载系统应用特点l与汽车工业相配套l利润空间较大l可靠性要求较高l无线通讯要求军事工业应用特点l市场垄断性强l高利润l可靠性要求高l安全性要求高l成本要求布不高军事工业产品l数字化单兵信息装备l夜视扫描、全球定位、指挥通信医疗行业应用特点l市场广阔，进入门槛

8、较高l利润极高三、普适计算普适计算 Pervasive Computing l普适计算是指使用小型计算设备、在位置不断移动的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务处理和企业核心数据访问。 l普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式；l主要针对移动设备；l普适计算设备可以一直或间断地连接着网络 普适计算和无线互联及网络计算比较l普适计算是网络计算的自然延伸 l它使得不仅PC机而且其它小巧的智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动 l人们就可以以一种一致的方式，使用所喜欢的设备（主要是嵌入式系统设备），随时随地获得信息 普适计算需

9、要的条件 l第一，处理器价格越来越便宜，而体积越来越小，使得计算机功能得以广泛应用。可以将计算机部件安装在任何用于监控或采集数据的各种小型计算物理设备上，例如家用电器、数据采集器、跟踪器等。l第二，高的网络带宽也确保了网络连接更快、更方便、更便宜，更完善的网络保证了网络连接的质量和效率。l第三，现在已被广泛应用的蜂窝技术也有了很大的发展。蜂窝式移动通讯系统的覆盖能力和范围比任何通信系统都要广，且价格低廉。 蜂窝电话不必插在墙壁上，用户在任何地方都能打。通过蜂窝技术的连接，不用物理连线就可以将POS销售机连到局域网上。 普适计算的特性 l间断连接l普适计算的第一个特征是间断连接，是服务器能否不时

10、地同用户（特别是移动用户）保持联系。用户必须能够存取服务器信息，在中断联系的情况下，可以处理这些信息。 l轻量计算l即计算资源相对有限。普适计算主要用于商业用途的数据处理，通常针对移动办公的工作人员和需要经常在旅途中存取公司系统数据的职员，他们需要不受地域和时间限制地获取和处理核心系统上的数据。 普适计算对数据库的要求 l第一，在普适计算设备上安装一个系统开销低的小型数据库管理系统，用于在本地存取信息。 l第二，在软件的分布、数据备份和恢复、移动存取等方面，要具备高效、实时的数据复制能力。 l第三，普适计算也与电子商务紧密联系在一起，那些电子商务应用程序要求能够交流、存取信息。普适计算对于系统

11、开销的要求 l按普适计算对于系统开销的要求通常可以分为三种类型，分别使用三类操作系统，适用于不同类型的用户，针对不同的市场，有三种不同的数据存储需求。l第一种是Windows CE，它具有典型的前端办公形式应用程序，是用于商务处理的完整操作系统，在小型轻便个人计算机上运行。用户用微型键盘输入数据，整个系统开销大约为2 MB，所以数据库的开销很小 ，大约只有1 MB，物理存储量约在500 MB600 MB之间。 l第二种是手持设备（又叫掌上机，Palm），运行生产商特制的掌上机操作系统（Palm OS）。这种设备比Windows CE设备更小，通过手写笔进行数据录入，配有一个很小的浏览窗口。通常

12、该设备上数据库可用的内存容量小于1MB，物理存储量在500 MB以下。 l第三种设备的代表是汽车的内置计算机部件。这种设备只有100 KB的内存，没有硬盘存储，运行用专用的实时操作系统开发商开发的操作系统。普适计算用途及前景 l普适计算主要用于商业，通常针对移动办公的工作人员和需要经常存取公司系统信息的职员。 l数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入家庭，家庭内部的网络可以是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、PC或者家用电器通过有线或者无线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环境。 四、嵌入式系统的基本组成与设计 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应

13、用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”交叉学科l先进的计算机技术l半导体技术l电子技术l各个行业l面向具体应用嵌入式系统的产品特征嵌入式系统的产品特征 l硬件：嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面l嵌入式软件生命周期嵌入式产品l软件以只读存储器为载体l不可以随意更换嵌入式处理器 l嵌入式系统的核心部件 l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l32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心l主要硬件厂商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等l每个月都有新产品出现

14、嵌入式计算机内核分类 l嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) l嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) l嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) l嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip) 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(EMPU) l通用计算机中的CPUl专门设计的电路板 l只保留和嵌入式应用有关的母板功能 l增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面l功能与和工业控制计算机相似l嵌入式处理器目前主

15、要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)l又称单片机 l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、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设l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。 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)l代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC6

16、8HC05/11/12/16、68300等。l另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、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。 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(EDSP) lDSP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。l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。嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(EDSP)l有代表性的产

17、品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。lTMS320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。lDSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC)l在一个硅片上实现一个复杂的系统 l整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去l应用系统电路板将变得很简洁 lSOC可以分为通用和专用两类。l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。l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Smart XA嵌入式系统软件的特征嵌入式系统软件的特征 l(1) 软件要求固态化存储 l(2) 软件代码高质量、高可靠性 l(3) 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 l(4) 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 嵌入式软件主流lVxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。lOs-9是主要为高科技产品