嵌入式系统讲义01-1.ppt

1、主要内容,1.1 什么是嵌入式系统 1.2 嵌入式系统的特点 1.3 嵌入式系统的体系结构 1.4 嵌入式系统的分类 1.5 嵌入式系统的应用,1.1 引言,从幼苗茁壮成长到参天大树 经过三十多年的发展，嵌入式系统从最开始的涓涓细流，发展壮大成了目前数量最多，使用范围最广的电子信息系统 在人们的日常生活中，嵌入式设备几乎随处可见，已经成为生活的重要组成部分 虽然数量众多，但却不为人所知 嵌入式系统一般隐藏在产品中 在使用过程中主要完成无形的信息处理，用户不容易感知到它的存在,2,1.2 嵌入式系统的定义,3,计算机分类 从通用性角度来分类：通用计算机和嵌入式计算机 通用计算机系统 巨型机、大型

2、机、小型机、微型机 服务器、工作站、台式机、笔记本计算机 嵌入式系统 坦克、导弹、飞机、军舰、雷达 DVD机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器 手机、MP3播放器、数码相机、数码摄像机、机顶盒 键盘、鼠标、闪存盘、CD-ROM、交换机、路由器,1.1 什么是嵌入式系统,嵌入式系统一般定义： 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。 一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。 嵌入式系统三个基本要素：“嵌入性”、“专业性”、“计算机系统”,1.1 什么是嵌入式系统,电气工程师协会（

3、IEEE）的定义： 嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂操作的装置。,1.1 什么是嵌入式系统,微机学会的定义 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、模块级、芯片级 系统级：各种类型的工控机 以标准总线互联（背板结构）的工控机：CPCI、PCI-ISA、VME 、STD 模块级：各种类型的带CPU的模块 嵌入式CPU模块：PC104模块、Biscuit板 芯片级：各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核心的产品 个性化设计,1.1 什么是嵌入式系统,从技术角度说，嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。 从系统角度说，嵌入式系统是设计完成

4、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。 从广义上讲，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。,1.2 嵌入式系统的特点,1.系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较传统的操作系统要小得多。,1.2 嵌入式系统的特点,2.专用性强 嵌入式系统通常是面向特定任务的，相对于一般通用PC计算平台，嵌入式系统的个性化很强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件系统的移植。,1.2 嵌入式系统的特点,3.运行环境差异大 嵌入式系统使用范围极为广泛，其运行环境差异很大。,1.2 嵌入式系统的特点,4.可靠性要求高 嵌入式

5、系统不能像通用PC机一样，“死机”时通过手动重启计算机予以容忍。嵌入式系统往往要长期在无人值守的环境下运行，甚至是常年运行，因此对可靠性的要求特别高。,1.2 嵌入式系统的特点,5.系统精简和高实时性操作系统 一是许多嵌入式系统应用具有实时性要求，嵌入式任务往往是时间关键性约束的，必须在某个时间范围内完成。 二是由于嵌入式系统比通用PC系统资源少得多，要求嵌入式操作系统核心部分的体积必须尽可能地小。 三是为了适应各种应用需求的变化，嵌入式操作系统还应该具有可裁减性、可伸缩性和易移植性的特点。,1.2 嵌入式系统的特点,6.具有固化在非易失性存储器中的代码 为了系统的初始化，几乎所有系统都要在非

6、易失性存储器中存放部分代码（启动代码）。为了提高执行速度和系统可靠性，常常把所有代码（或其压缩代码）固化存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中。,1.2 嵌入式系统的特点,7.嵌入式系统开发工作和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。,1.3 嵌入式系统的体系结构,早期嵌入式系统包含三个部分： 自底向上为： 硬件平台 嵌入式实时操作系统（RTOS） 嵌入式实时应用程序,1.3 嵌入式系统的体系结构,早期嵌入式系统的体系结构,1.3 嵌入式系统的体系结构,经过不断的发展，原先嵌入式系统的三

7、层结构逐步演化成为一种四层结构： 新增加的中间层次位于操作系统和硬件之间，通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信息；并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。 这个中间层次叫做硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL),1.3 嵌入式系统的体系结构,19,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,硬件层 嵌入式处理器 嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器 SoC(System on Chip)FPGA、ASIC 存储器系统 ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等 中断控制器、DMAC、定时器/计数器 UART、USB控制

8、器、LCD控制器 其它I/O接口 CAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES等等,20,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,中间层（BSP） 板级支持包（Board Support Package） 系统软件与底层硬件隔离 相关硬件的初始化 数据的输入输出操作 硬件设备的配置功能 特点 硬件相关性 操作系统相关性,21,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,操作系统层 嵌入式操作系统（EOS） 标准内核（API） 封装资源时钟、定时器、中断、DMA、I/O 简化软件设计、提高软件系统可靠性 文件子系统 图形子系统 网络子系统 其它通用模块 CAN、蓝牙、Zigbee、Modbus、LIN协议栈

9、,22,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,应用层 与应用密切相关 面向目标和用户 完成特定的功能 例如 星载遥感图像处理系统 星载合成孔径雷达 机载相控阵雷达,基于Compact PCI总线的星载计算机,1.3嵌入式系统的体系结构,1.3.3 实时操作系统 实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）简称实时操作系统，主要用来完成嵌入式实时应用的任务调度和控制等核心功能。 实时操作系统可根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪和重新配置，根据不同的应用，其组成有所不同。,1.3嵌入式系统的体系结构,RTOS的体系结构图,1.3嵌

10、入式系统的体系结构,1.3.4 实时应用程序 实时应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的实时机制完成特定功能的嵌入式应用。 不同的系统需要设计不同的嵌入式实时应用程序。 应用程序是面向被控对象和用户的，当需要用户操作时，往往需要提供一个友好的人机界面。,1.4 嵌入式系统的分类,1.4.1 按嵌入式微处理器的位数分类 嵌入式系统可分为4位、8位、16位、32位和64位等，其中，4位、8位、16位嵌入式系统已经获得了大量应用，32位嵌入式系统正成为主流发展趋势，而一些高度复杂和要求高速处理的嵌入式系统已经开始使用64位嵌入式微处理器。,28,1.4 嵌入式系统的发展历史及趋势,20世纪7

11、0年代 单片机出现 1975年TI推出了第一片4位单片机TMS-1000 1976年Intel：80488051（8位） 20世纪90年代 ARM（1991年，32位） ARM7系列、ARM9系列 ARM10E系列、 ARM11系列 SecurCore系列、Cortex系列 Power PC、MIPS,29,1.4 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）,20世纪80年代 实时操作系统出现 1981年，Ready System: VRTX32 WindRiver: VxWorks 实时性强、可靠性高 20世纪90年代 实时多任务操作系统 WindRiver: VxWorks Microsoft: W

12、inCE 友好的图形界面,1.4 嵌入式系统的分类,1.4.2 按软件实时性需求分类 嵌入式系统可分为： 非实时系统（如PDA）; 软实时系统（如消费类产品）; 硬实时系统（如工业实时控制系统）。,1.4 嵌入式系统的分类,硬实时系统是指系统对响应时间有严格要求，如不能满足响应时限、响应不及时或反应过早，都会引起系统崩溃或致命错误，甚至导致灾难性的后果。 软实时系统是指系统对响应的时间有一定要求，如在系统负荷较重的时候，响应时间不能满足，会导致系统性能退化，但不会造成太大的危害。,1.4 嵌入式系统的分类,1.4.3 按嵌入式系统的复杂程度分类 小型嵌入式系统：采用一个8位或者16位的微控制器

13、设计的，硬件和软件复杂度很小，需要进行板级设计。 中型嵌入式系统：采用一个16位或者32位的微控制器、DSP或者精简指令集计算机（RISC）设计的；硬件和软件复杂度都比较大。 复杂嵌入式系统：软件和硬件都非常复杂，需要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列。,1.5 嵌入式系统的应用,1.5 嵌入式系统的应用,工业过程控制 网络通信设备 消费电子产品 航空航天设备 军事电子设备和现代武器 ,机载合成孔径雷达,35,1.5 嵌入式系统的应用,市场巨大、发展迅速、前景广阔 产品种类不断丰富，应用范围不断普及 性能不断提高 核心处理芯片位数更高 多种媒体处理能力的汇聚 功耗不断降低，体积不

14、断缩小 软件成为影响价格的主要因素 硬件模块化、标准化 软件越来越复杂,Nvidia Ion平台（离子平台） Ion=ATOM+Geforce 9400M 54GFLOPS、14W,2020/10/24,36,程序设计语言 汇编语言C语言C+语言 优秀的开发环境 软件开发环境完善、友好的工具链 项目管理、编辑、编译、调试、下载 硬件开发环境 开发板、仿真器、万用电表、示波器、逻辑分析仪 嵌入式系统设计工程 硬件、软件、开发环境集成化、一体化 网络化、图形化、多媒体化,1.5 嵌入式系统的应用,37,固件设计语言选用情况,美国版EETimes子网站Embedded Systems Design十

15、三年来针对嵌入式软件所应用之设计语言的调查统计表,一些典型的嵌入式系统应用实例,MP3,机顶盒,数码相机,手机,蓝牙设备,一些典型的嵌入式系统应用实例,Kolibri,黑寡妇,MicroBat,微型飞行器,一些典型的嵌入式系统应用实例,“机遇”号火星车,美军packbot反狙击机器人,机械脚示教,本章小结,嵌入式系统是一个硬件和软件的集合体，包括硬件和软件两部分。 嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、运行环境差异大、可靠性要求高、系统精简、高实时性操作系统、部分代码固化在非易失性存储器中、系统开发需要专门的开发工具和环境等特点。 嵌入式系统的体系结构通常自底向上包含四个部分：硬件平台、硬件抽象层、嵌入式实时操作系统（RTOS）和实时应用程序。,本章小结,嵌入式系统根据不同的分类标准有多种不同的分类方法： 按嵌入式处理器的位数，嵌入式系统可分为4位、8位、16位、32位和64位等； 按软件实时性需求，嵌入式系统可分为非实时系统（如PDA）