011-第十一嵌入式系统---华东理工大学计算机科学与工程系

1、问题十一：大学生如何对待工作、考研、考公务 员、出国、创业？,思考,积极乐观的面对生活,送给学生的话,11.1 什么是嵌入式系统 11.2 嵌入式硬件 11.3 嵌入式软件 11.4 嵌入式开发方法,嵌入式系统,推荐阅读,你看过的小说、电影、生活中见过的东西用到嵌入 式的，请至少说出三个？ 电影007系列、嵌入式设备主要应用于解码播放设备 大学生嵌入式比赛 掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网 、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、 家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售 货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪 表与医疗仪器等,思考,计算机系统的分类 台式计算机

2、 PC（Desktop Computing） 服务器 （Servers） 嵌入式计算机（Embedded Computers）,嵌入式应用 航空、航天,嵌入式应用 军事、通信,嵌入式应用 消费类电子,1.定义 IEEE（国际电气和电子工程师协会）：用于控制 、监视或者辅助操作机器和设备的装置 国内：以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本 、体积功耗等严格要求的专用计算机系统 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户应用程序等四个部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等功能,11.1 什么是嵌入系统,2. 嵌入式应用系统的

3、特点 应用于特定目的专用系统 工作于嵌入式环境 完整的计算机系统,围绕任务进行设计 所用资源少 需要较长系统生命期,功耗因素 体积限制 环境条件,实时性要求 Memory 系统 RTOS 专用开发工具,3. 嵌入式应用系统的种类 设备级（工控机） 板级（单板、模块） 芯片级（MCU, SoC）,4. 嵌入式应用系统的应用,应用 领域,交通运输领域,工业控制领域,商业金融领域,环境监测领域,医疗领域,建筑领域,通信领域,家电领域,数字化产品设计和增值的关键因素,5. 嵌入式系统的形成和发展 1971年单片微处理器问世，它标志着嵌入式系统 的开端 从4个方面了解嵌入式系统历史： （1）硬件 （2）

4、软件 （3）代表产品 （4）系统结构,（1）硬件历史 1971年Intel 4004, 4位微处理器 TI, TMS1000, 4位微控制器 ROM, RAM, CPU + I/O port 1980年Intel MCS-51, 8位微控制器 16位, 32位微处理器 1990s, DSP TMS320C30,（2）软件历史 监控程序 操作系统 1981, 嵌入式实时内核 VTRX32 1990s, QNX-4 pSOS, VxWorks, Palm OS, WinCE, Embedded Linux, LynxOS, uCOS, Nucleus,无操作系统阶段（20世纪70年代） 最初的嵌入

5、式系统没有操作系统支持，通过汇编 语言对系统进行直接控制，运行结束之后清除内存 初步具备了嵌入式的应用特点,简单操作系统阶段（20世纪80年代） IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的各种部 件集成到一片电路中，制造出面向I/O设计的微 控制器 简单操作系统：uC/OSII,实时操作系统阶段（20世纪90年代） 实时性：在时限范围内的正确响应 对时限要求实现的不同 硬实时系统 软实时系统,面向Internet阶段（进入21世纪后） 嵌入式设备与Internet的结合,The Internet of Things,（3）系统结构 硬件系统 4位单片机 8位单片机/ 16位单片机 32位专用微处理器

6、 32位DSP微处理器 SoC SoPC,软件系统 实时监控程序 专用系统 通用系统,面临的机遇和挑战 通用计算机上使用的技术和观念 数据库，移动代理，实时CORBA等 新的微处理器层出不穷 各类嵌入式操作系统迅速发展 网络化、信息化要求,11.2 嵌入式硬件,嵌入式微处理器分类,嵌入式处理器五大类体系结构,ARM MIPS POWER PC X86 SH系列,1.商用嵌入式处理器核 包括有Microprocessor、MCU、DSP三类 典型Microprocessor如下：,2.嵌入式系统外设接口 存储器： RAM、SRAM DRAM Flash、EEPROM、MashROM HDD、CD

7、-ROM 通信接口：RS-232、IrDA、SPI、I2C、CAN、 Bluetooth、Ethernet、IEEE1394、GPIO I/O设备：LED、CRT、LCD等,3.BootLoader 在PC机上，BIOS完成处理器和硬件的初始化。 对嵌入式系统而言，有时需要自己编制这些工作 程序，即开机程序 芯片厂家一般会提供一些BootLoader程序,4.SOC的片上调试接口 OCD（On Chip Debugging）是CPU芯片提供的一 种调试功能（片上调试），是为了能够在片外 调试SOC内部处理器核的一种手段,11.3 嵌入式软件,嵌入式操作系统： 嵌入式系统软硬件资源的控制中心 以

8、尽量合理有效的方法组织多个用户共享嵌入式 系统的各种资源 通常复杂的操作系统支持文件系统 用户：系统程序之上的所有软件 合理有效的方法：操作系统如何协调并充分利用 硬件资源来实现多任务,1.软件层次结构,HAL:定义统一的软硬件接口标准 BSP：实现对OS的支持，提供访问硬件设备寄存器 的函数包 设备驱动程序：提供对各种外围设备的软件驱动支持,2.实时操作系统（RTOS） 多任务管理 存储管理 I/O资源管理 中断管理,多线程/多进程方式，提供调度机制来对多任务管理 调度算法包括：FCFS 先来先服务 、Round Robin 轮询、Priority 优先级,动态内存管理技术； 高端应用在硬件

9、配合下采用页表进行虚拟存储管理,提供I/O驱动,中断方式处理器外部事件和I/O请求,3.典型的嵌入式操作系统 c/OS-II：中小型系统使用。支持最多64个任 务，真正的实时OS。用ANSI C开发 Vxworks：基本微内核，由400多个目标模块组 成。用于航空、航天、军事等高端实时要求极高 的领域 WinCE：多线程，完整优先权，多任务OS，但 不是硬实时系统。高度模块化介绍 Win mobile: Linux OS/cLinux： Symbian OS:,1.开发特点 跨平台开发，需要交叉软件集成开发环境（IDE） 需要进行软硬件协同设计 代码需要固化 采用基于任务的设计方法,11.4

10、嵌入式开发方法,2.技术挑战 功耗、体积与性能的均衡 系统实时性要求高 软件稳定性、系统可靠性及抗干扰能力 Time-to-Market 系统可测性设计和系统设计优化是关键,3.嵌入式软件交叉开发环境 交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的所有工具 软件的集合，一般包括： 文本编辑器 交叉编译器 交叉调试器 仿真器 下载器等 交叉开发环境由宿主机和目标机组成，宿主机与目 标机之间在物理连接的基础上建立起逻辑连接,4.嵌入式软件交叉开发环境 交叉开发环境是指用于嵌入式软件开发的所有 工具软件的集合，一般包括： 文本编辑器 交叉编译器 交叉调试器 仿真器 下载器等 交叉开发环境由宿主机和目标机组成，

11、宿主机 与目标机之间在物理连接的基础上建立起逻辑 连接,交叉开发环境,目标机硬件,目标机应用系统, 应用软件, 应用中间件, 目标机,OS,宿主机硬件,宿主机,OS,调,试,代,理,运,行,库,宿主机开发环境, 编辑, 编译, 连接, 调试,运行平台,Target,开发平台,Host,DownLoad,物理连接：宿主机与目标机通过物理线路连接 在一起，连接方式主要有三种： 串口 以太口 OCD（On Chip Debug）方式，如JTAG、BDM等,逻辑连接： 物理连接是逻辑连接的基础 逻辑连接指宿主机与目标机间按某种通信协议 建立起来的通信连接，目前逐步形成了一些通 信协议的标准,5.主要嵌

12、入式软件开发工具产品,6.嵌入式软件实现阶段的开发过程 软件的生成主要是在宿主机上进行，利用各种工 具完成对应用程序的编辑、交叉编译和链接工 作，生成可供调试或固化的目标程序 调试是通过交叉调试器完成软件的调试工作。调 试完成后还需进行必要的测试工作 固化运行是先用一定的工具将应用程序固化到目 标机上，然后启动目标机，在没有任何工具干预 的情况下应用程序能自动地启动运行,7.软件平台的选择 操作系统,选择操作系统考虑因素,提供的开发工具,移植的难度,内存要求,开发人员是否熟悉,是否提供硬件的驱动,可剪裁性,实时性,编程语言,选择编程语言考虑因素,通用性,可移植性程度,执行效率,可维护性,应用广泛的高级语言,Ada,C/C+,J2ME,开发工具、调试工具（集成开发环境）,需要考虑因素,系统调试器的功能,支持库函数,持续升级编译器,支持所有的文件格式和符号格式,1.简述嵌入式系统的发展各阶段的特