嵌入式系统-Chapter1-嵌入式系统导论

电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统及应用 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程目的 理论与实践相结合 以嵌入式系统基础及嵌入式软件的核心 嵌入式实时操作系统为重点，以应用为 目的，全面介绍嵌入式系统 使大家既能对嵌入式系统及开发有一个 全景的把握，又能深入理解嵌入式实时 操作系统。 配套多种嵌入式平台的 C/OS-II实验， 提供丰富的实验和手册 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程特点 利用 PC机就可以自己动手搭建嵌入式系统的开发 平台，熟悉应用开发，更方便地学习和理解嵌入 式系统的基础知识： 从纯软件到硬 /软件结合 从“纸”上谈兵（编程序）到“板”上谈兵 从“懂”怎么做到“会”做 从讲 /听到讲 /听 /做 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式软件工程中心 计算机应用博士点主要方向之一 自 “ 八五 ” 以来长期从事嵌入式系统软件 的研究、开发、产业化及人才培养 承担多项国家级嵌入式软件相关的项目， 包括 863软件重大专项、国防预研、发改委 软件产业化专项、电子发展基金等 获得省部级科技进步奖三项 培养硕士以上人员近百人 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式软件工程中心 充分整合科技成果和产业化积淀，构筑嵌入式软 件基础研究、应用基础研究和产业化创新平台 面向智能手机、数字娱乐终端、航空航天等领域 研发达到国际领先水平的嵌入式软件相关技术 推动我国嵌入式软件技术和产业的发展 成为嵌入式软件专业人才培训和实习基地 成为国内最大的、在国际上具有影响力的嵌入式 软件研究工程中心。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程的主要内容 嵌入式系统基础，约 12节课 嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入 式系统分类、发展历程、特点、应用领域、 发展趋势） , 约 3节课 嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微 处理器： ARM、 MIPS、 X86、 SH等，总线、 存储系统、输入 /输出与典型接口等， W90P710/SH7709S ），约 7节课 嵌入式软件系统基础（分类、特点、体系结 构、运行流程、操作系统、开发工具） ,约 2 节课 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程的主要内容 嵌入式实时内核，约 14节课 任务管理与调度（任务、任务管理、调度算 法） , 约 6节课 同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、 事件、异步信号） , 约 4节课 中断和时间管理（中断分类、处理过程、中 断管理机制、硬件时钟设备、与 OS的管理 关系、时间管理机制） , 约 2节课 内存管理和 I/O管理（特点和管理机制） , 约 2节课 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程的主要内容 嵌入式系统软件的开发 , 约 4节课 嵌入式系统开发模式 嵌入式软件开发工具 软件分析设计方法 复习： 2节课 实验： 16节课 电子科技大学嵌入式软件工程中心 实验系统的内容 目标平台 开发工具 嵌入式操作系统 实验项目 PC虚拟机 W90P710_Eval_board SH7709S Start Kit开发板 LambdaTOOL 集成开发环境 HEW C/OS-II （源代码） 电子科技大学嵌入式软件工程中心 实验系统的内容 配套 8个实验项目，具体是： 开发环境建立实验： 1个 /平台 实时内核实验： 7个 任务的基本管理 优先级反转 优先级继承 信号量：哲学家就餐问题的实现 消息队列 时钟中断 C/OS-II的内存分配 电子科技大学嵌入式软件工程中心 教材及参考资料 嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航 天大学出版社 . Jean J.Labrosse. 嵌入式实时操作系统 uC/OS-II(第 2版 ). 北京航空航天大学出版社 .及 uC/OS-II ebook 嵌入式计算系统设计原理 （美） Wayne Wolf Computers as Components： Principles of Embedded Computing System Design Jean J.Labrosse. 嵌入式实时操作系统 uC/OS-II(第 2版 ). 北京航空航天大学出版社 . C.M.Krishna, Kang G.Shin. REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw-Hill. A Survey of Real-time Operating Systems. WHAT MAKES A GOOD RTOS. 电子科技大学嵌入式软件工程中心 参考资料 Real-time Embedded Software Systems OSEK/VDX Operating System. Version 2.2.2. July 5th, 2004. Charting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Computing. Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization CLDCSpecification1.1 http:/ 电子科技大学嵌入式软件工程中心 课程成绩 课程成绩平时成绩实验成绩期末 考试成绩 平时成绩 20分，其中作业两次每次 5分，中期课堂测 验 10分 实验成绩 25分，平时 5分，上机考试 20分 期末考试：闭卷考试 55分，第十一周左 右 电子科技大学嵌入式软件工程中心 第一章 嵌入式系统导论 电子科技大学嵌入式软件工程中心 主要内容 嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心 第一节 嵌入式系统概述 无处不在的嵌入式系统 嵌入式系统的定义 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 电子科技大学嵌入式软件工程中心 计算机发展的三大阶段 第一阶段：始于五十年代的由 IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研 制的大型机。 第二阶段 ： 始于七十年代的个人计算 机。 第三阶段 ： 计算机正迈入下一个充满 机遇的阶段 “ 后 PC时代 ” 或 “ 无处 不在的计算机 ” 阶段。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 计算的发展过程 分时系统 批处理系统 单用户系统 大型机 分布式计算 小型机 基于网络的 个人计算 微型机 协同计算 基于开放系统的客 户 /服务器 普适计算 普适计算终端 资 源 使 用 的 灵 活 性 计算的自由性 电子科技大学嵌入式软件工程中心 无处不在的计算机 施乐公司 Palo Alto研究中心主任 Mark Weiser认为： “ 从长远来看， PC机和计算机工作站将 衰落，因为计算机变得无处不在：例如 在墙里、在手腕上、在手写电脑中 (象手 写纸一样 )等等，随用随取、伸手可及 ” 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 无处不在的计算机 全世界的计算机科学家正在形成一种共 识 : 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪 的怪物 , 而是将变得小巧玲珑 , 无处不 在 . 他们藏身在任何地方 , 又消失在所 有地方 , 功能强大 , 确有无影无踪 . 人 们将这种思想命名为 : “ 无所不在的计 算机 ” 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统无处不在 彼此互连 电子科技大学嵌入式软件工程中心 即使远在火星 面对 6万年才有一次的机 会，科学家们积极行动 起来 从 6月开始， 先后有欧洲的 “ 火星快 车 ” 、美国 “ 勇气号 ” 和 “ 机遇号 ” 等三颗火 星探测器飞往火星，而 日本一颗本已在太空 “ 迷失方向 ” 的火星探 测器也在关键时刻及时 “ 醒 ” 来，开始了久违 的火星之旅。 火星与地球，这一对在星空中遥 遥相望的 “ 兄弟 ” ，迎来 6万年来 “ 最亲密的接触 ” ，在 2003年 8月 27日这一天，火星距离地球最近 达到 55756622(5千多万 )公里。 勇气号 电子科技大学嵌入式软件工程中心 Wearable Computing 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式设备无处不在， 但桌面系统还依然有用 无处不在的计算机是计 算机与使用者的比率达 到和超过 100:1的阶段 无处不在的计算机包括 通用计算机 和 嵌入式计 算机系统 在 100:1比例中 95%以上 都是嵌入式计算机系统， 并非通用计算机 电子科技大学嵌入式软件工程中心 通用计算机看得见的计算机 如： PC机、服务器、大型计算机等。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 通用计算机看得见的计算机 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统定义 看不见的计算机，一般不能被用户编程 , 它有一 些专用的 I/O设备 , 对用户的接口是应用专用的。 An embedded system is a computer system contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device. “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统定义 IEEE: “Device used to control ， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants”. 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技 术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统定义 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导 体技术和电子技术与各个行业的具体应用 相结合后的产物。 包含有计算机，但又不是通用计算机的计 算机应用系统。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 通用计算机与嵌入式系统对比 特征 通用计算机 嵌入式系统 形式和类型 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和 结构规模等因素分为大、中 、小型机和微机。 看不见的计算机。 形式多样，应用领域广 泛，按应用来分。 组成 通用处理器、标准总线和外 设。 软件和硬件相对独立。 面向应用的嵌入式微处 理器，总线和外部接口 多集成在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成 在一起的。 开发方式 开发平台和运行平台都是通 用计算机 采用交叉开发方式，开 发平台一般是通用计算 机，运行 平台是嵌入 式系统。 二次开发性 应用程序可重新编制 一般不能再编程 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入式 硬件和软件组成 硬件以微处理器为核心集 成存储器和系统专用的输 入 /输出设备 软件包括：初始化代码及 驱动、嵌入式操作系统和 应用程序等，这些软件有 机地结合在一起，形成系 统特定的一体化软件。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的 出现和兴起 （ 1960-1970） 嵌入式系统开始走向 繁荣 ，软件和硬件日 臻 完善 （ 1971-1989） 嵌入式系统应用 走向纵深 （ 1990年 -现在） 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的出现和兴起 出现 ： 20世纪 60年代以晶体管、磁芯存储 为基础的计算机开始用于航空等军用领域。 第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公 司为美国海军舰载轰炸机 “ 民团团员 ” 号研制 的多功能数字分析器 (Verdan)。 同时嵌入式计算机开始应用于工业控制 。 1962 年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个 直接数字控制 (DDC)。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的出现和兴起 兴起 ：在 1965 1970年，当时计算机已开始采 用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空 航天领域、工业控制的需求推动下。 第一次使用机载数字计算机控制的是 1965年发射的 Gemini3号 ， 第一次通过容错来提高可靠性是 1968年 的阿波罗 4号 、 土星 5号 。 1963年 DEC公司推出 PDP8并发展成 PDP11系列 ， 成 为工业生产集中控制的主力军 。 在军用领域中 ， 为了可靠和满足体积 、 重量的严格要 求 ， 还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入 式计算机系统 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 1973年至 1977年间各厂家推出了许多 8位的微处理 器 ， 包括 Intel 8080/8085， Motorola 的 6800/6802， Zilog的 Z80和 Rockwell的 6502。 微处理器不单用来组成微型计算机 ， 而且用来制造 仪器仪表 、 医疗设备 、 机器人 、 家用电器等嵌入式 系统 。 仅 8085/Z80微处理器的销售就超过 7亿片 ,其中大部 分是用于嵌入式工业控制应用 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市 场 ， 计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工 业控制计算机系统外 ， 开始大量地以插件方式向用户 提供 OEM产品 ， 再由用户根据自己的需要构成专用的 工业控制微型计算机 ， 嵌入到自己的系统设备中 。 为了灵活兼容 ， 形成了标准化 、 模块化的单板机系列 。 流行的单板计算机有 Intel公司的 iSBC系列 、 Zilog公司 的 MCB等 。 由于兼容的要求 ， 这就导致了工业控制微机系统总线 的诞生 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 1976 年 Intel 推出 Multibus ， 1983 年扩展为带宽达 40MB/S的 Multibus 。 1978年 Prolog设计简单的 STD总线广泛用于小型嵌入 式系统 。 1981年 Motorola推出的 VME_Bus则与 Multibus 瓜分 高端市场 。 目前在工业控制领域 ， 嵌入式 PC、 PC104、 CPCI （ Compact PCI） 总线已广泛应用到工业控制领域 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 单片机、 DSP出现 随着微电子工艺水平的提高 , 集成电路设计制 造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器 、 I/O 接口 、 A/D、 D/A转换 、 串行接口以及 RAM、 ROM通通集成到一个 VLSI中 , 制造出 面向 I/O设 计的微控制器 ， 就是我们俗称的单片机 。 专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器 DSP。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 在微处理器出现的初期 ， 为了保障嵌入式软件的时 间 、 空间效率 ， 软件只能用汇编语言编写 。 由于微电子技术的进步 ， 对软件的时空效率的要求 不再那么苛刻了 ， 嵌入式计算机的软件开始使用 PL/M、 C等高级语言 。 对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发 工具外 ， 还需要嵌入式实时操作系统的支持 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统开始走向繁荣 80年代初开始出现了一批软件公司 ， 推出商品化的嵌 入式实时操作系统和各种开发工具 。 Ready System(后来的 Microtec Research、 后来 又被 Mentor Graphic收购 )公司 :VRTX操作系统及 Xray, Spectra工具 Integrated System Incorporation (ISI ， 后被 WindRiver公司合并 ):pSOS操作系统及 pRISM工具 WindRiver公司 :VxWorks操作系统及 Tornado工具 QNX公司 :QNX操作系统及工具 商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应 用 ， 使 嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化 的方向发展 ， 促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统应用走向纵深 进入 20世纪 90年代 , 在分布控制、柔性制造、数 字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌 入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应 用领域进一步扩大。 手机、数码相机、 VCD、数字电视、路由器、交换机 等都是嵌入式系统。 大多数豪华轿车每辆拥有约 50个嵌入式微处理器。 最新的波音 777宽体客机上约有 1000个微处理器。 在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入 系统在为你服务。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统应用走向纵深 嵌入式系统的硬件 4位、 8位、 16位微处理器芯片已逐步让位于 32位嵌入式微处理器芯片。 面向不同应用领域的（ Application- Specific）、功能强大、集成度高、种类繁 多、价格低廉、低功耗的 32位芯片已大量应 用于各种各样的军用和民用设备。 DSP向高速、高精度、低功耗发展。 DSP与通用嵌入式微处理器集成（ SoC）已 成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如 手机、 IP电话等。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统应用走向纵深 在工业控制领域，嵌入式 PC大量应用于嵌入式 系统中。 PC104、 CPCI（ Compact PCI）总线因其成 本低、兼容性化也已被广泛应用。 嵌入式系统的软件 随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模 也随着发生指数型增长。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统应用走向纵深 低价位的 RISC / 32-位 微处理器 日益复杂的 应用 产品推向市场的 时间压力 开发成本的提高 嵌入式 软件 危机 32位芯片将能够执行 由上百万行 C代码构 成的复杂程序，使得 嵌入式应用具备高度 复杂和智能化的功能 软件的实现从某种意 义上说决定了产品的 功能，已成为新产品 成功与否的关键因素。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 软件体现价值 DVD播放机 功能：视频 + 音频（ incl. MP3） 价格： 200 600元 iPod MP3播放机 功能： MP3 价格： iPod nano 1 GB 1400元 iPod nano 4 GB 2200元 iPod 30GB 2800元 iPod 60GB 3800元 两者的硬件差异？ 两者的价格差异？ 核心价值在于： 好的软件带给消费者最好的使用体验 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统应用走向纵深 为此，嵌入式系统已大量采用 嵌入式操作系统 。 嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由 80年代只 有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接口、 嵌入式 JAVA、嵌入式 CORBA及分布式处理等丰富功 能的集合。 此外， 嵌入式开发工具 更加丰富，其集成度和易用性 不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式 开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段， 提高嵌入式软件开发效率。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体 系结构的支持 嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处 理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的 嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 电子科技大学嵌入式软件工程中心 形式多样、面向特定应用 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高 效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计 算机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特 点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的 任务集成在芯片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的 一体化程序。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 处理器和处理器体系结构类型多 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构， 而且主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器 体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上， IP设计、面向应 用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造 已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢 模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微 处理器体系结构可以选择。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 1980 1990 1996 1998 68000 Z80 8086 80 x86 CPU32 680 x0 i960 MIPS SPARC ColdFIRE Alpha SH 1/2/3 ARM SPARC i960 MIPS Pentium 80 x86 PowerPC CPU32 680 x0 100 - 500 Kips 2 10 mHz 1 - 2 Mips 1.0 25 mHz 10 - 25 Mips .5 - .8 50 - 100 mHz 10 - 200 Mips .2 - .5 100 - 300 mHz SH 4/5 SH-DSP SH 1/2/3 ARM SPARC i960 MIPS Pentium 80 x86 PowerPC CPU32 680 x0 SA1500 MAP1000 AltiVEC Merced MCORE SHARC 563xx Lucent 16000 C6x SI 20 TriCore 微处理器的演变 电子科技大学嵌入式软件工程中心 关注成本 嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本 ， 特别是量大的消费类数字化产品 ， 其成本是 产品竞争的关键因素之一 。 嵌入式的系统成本包括 : 一次性的开发成本 NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本 :硬件 BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本 =NRE成本 +每个产品成本 * 产品总量 每个产品的最后成本 =总体成本 /产品总量 =NRE 成本 /产品总量 +每个产品成本 电子科技大学嵌入式软件工程中心 实时性和可靠性的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一 般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速 启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分 为硬实时和软实时。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能， 特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而 言，其可靠性设计尤其重要。 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制， 比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启 动机制。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 适应多种处理器、可剪裁、轻量型、 实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 由于嵌入式系统应用的特点 ， 像嵌入式微处理器一 样 ， 嵌入式操作系统也是多姿多彩的 。 大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的 嵌入式微处理器 。 可根据应用的情况进行剪裁 、 配 置 。 嵌入式操作系统规模小 ， 所需的资源有限如内核规 模在几十 KB， 能与应用软件一样固化运行 。 一般包括一个实时内核 ， 其调度算法一般采用基于 优先级的可抢占的调度算法 。 高可靠嵌入式操作系统：时 、 空 、 数据隔离 电子科技大学嵌入式软件工程中心 开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行 设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段： 产品定义 软件与硬件设计与实现 软件与硬件集成 产品测试与发布 维护与升级 电子科技大学嵌入式软件工程中心 开发需要专门工具和特殊方法 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力， 产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改， 必须有一套专门的开发环境。 该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、 调试、测试等工具）， 采用交叉开发的方式进行 ，交 叉开发环境如图所示。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的分类 按嵌入式处理器的位数来分类 按应用来分类 按速度分类 按确定性来分类 按嵌入式系统软件复杂程度来分类 电子科技大学嵌入式软件工程中心 按嵌入式处理器的位数来分类 4位嵌入式系统 8位嵌入式系统 16位嵌入式系统 32位嵌入式系统 64位嵌入式系统 正成为主流发展趋势 高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用 目前已大量应用 电子科技大学嵌入式软件工程中心 按应用来分类 信息家电类 移动终端类 通信类 汽车电子类 工业控制类 电子科技大学嵌入式软件工程中心 按速度分类 强实时系统 , 其系统响应时间在毫秒或微秒级 。 一般实时系统 , 其系统响应时间在几秒的数量 级上 ,其实时性的要求比强实时系统要差一些 。 弱实时系统 , 其系统响应时间约为数十秒或更 长 。 这种系统的响应时间可能随系统负载的轻 重而变化 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 按确定性来分类 根据确定性的强弱 ， 可将嵌入式系统分为硬实时 、 软实时系统： 硬实时 ：系统对系统响应时间有严格的要求 ， 如果系统响应时间不能满足 ， 就要引起系统崩 溃或致命的错误 。 软实时 ：系统对系统响应时间有要求 ， 但是如 果系统响应时间不能满足 ， 不会导致系统出现 致命的错误或崩溃 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 按嵌入式系统软件复杂程度来分类 循环轮询系统 有限状态机系统 前后台系统 单处理器多任务系统 多处理器多任务系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 循环轮询系统 initialize() while(true) if (condition_1) action_1(); if (condition_2) action_2(); . if (condition_n) acition_n(); Check for Input Do Something 电子科技大学嵌入式软件工程中心 优点 对于简单的系统而言，便于编程和理解。 没有中断的机制，程序运行良好，不会出现 随机的问题。 缺点 有限的应用领域。 对于大量的 I/O服务的应用，不容易实现。 大的程序不便于调试。 适合于慢速和非常快速的简单系统 循环轮询系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 前后台系统 是中断驱动系统的一种 后台是一个循环轮询系统一直在运行 。 前台是由一些中断处理过程组成的 。 当有一前台事件 (外部事件 )发生时 ， 引起中 断 , 进行前台处理 , 处理完成后又回到后台 (通常又称主程序 )。 中断 1 中断 2 主程序 中断 1 中断 1 中断 2 电子科技大学嵌入式软件工程中心 初始化 处理 1 事件 1 处理 2 事件 2 N Y Y N ISR1 ISR2 前台处理 后台处理 ISR3 电子科技大学嵌入式软件工程中心 前后台系统 需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌 套，中断处理过程与主程序的协调 (共享资源 ) 问题。 系统的性能主要由中断延迟时间 (Interrupt latency time), 响应时间 (response time)和 恢复时间 (recovery time)来刻画。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 中断请求 数据传送 响应时间 主程序 现场保护 和恢复 中断服务 | 中断延迟时间 恢复时间 前后台系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 单处理器多任务系统 对于一个复杂的嵌入式实时系统来说， 当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软 件结构难以实时的、准确的、可靠的完成时 存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中 同时处理时 需要采用实时多任务系统！ 电子科技大学嵌入式软件工程中心 结构 由多个任务，多个中断处理过程，实时操 作系统组成的有机的整体。 每个任务是顺序执行的，并行性通过操作 系统来完成，任务间的相互通信和同步也需要 操作系统的支持。 单处理器多任务系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 流程 并发多任务 ： ： 后台 前台 ISRs Tasks 电子科技大学嵌入式软件工程中心 多任务系统 多个顺序执行的程序并行运行 。 宏观上看 ， 所有的程序同时运行 ， 每个程序 运行在自己独立的 CPU上 。 实际上 ， 不同的程序是共享同一个 CPU和其 它硬件 。 因此 ， 需要 RTOS来对这些共享的 设备和数据进行管理 。 每个程序都被编制成无限循环的程序，等待 特定的输入，执行相应的任务等。 这种程序模型将系统分成相对简单的，相互 合作的模块。 单处理器多任务系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 优点 将复杂的系统分解为相对独立的多个线程 ， 达到 “ 分 而制之 ” 的目的 ， 从而降低系统的复杂性 。 保证系统的实时性 。 系统的模块化好 ， 提高系统的可维护性 。 缺点 需要采用一些新的软件设计方法。 需要增加功能：线程间的协调，同步和通信功能。 需要对每一个共享资源互斥。 导致线程间的竞争。 需要使用 RTOS， RTOS要增加系统的开销。 单处理器多任务系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心 多处理器多任务系统 多任务可运行在多个处理器上 ， 由操作系 统统一调度 ， 处理 。 宏观上看是并发的 ， 微观上看也是并发的 。 多处理机系统分为紧耦合系统 (tightly- coupled system)和松耦合系统 (loosely- coupled system)两种 。 多处理多任务系统目前还不成熟 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 第二节 嵌入式系统的应用领域 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、 国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化 等领域。 据欧盟的统计： 2003年全球大概有 80亿片嵌入式微处理器，到 2010年， 预计会达到 160亿片，地球上的人平均拥有 3个嵌入式 微处理器； 在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研 制成本的 50%；对于汽车工业，汽车电子在整车价值 中的比例逐年提高，将从 1997年的 20%提升到 2010年 的 33-40%； 消费电子数量越来越大，据预测，到 2010年，仅数字 家庭在美国的销售额就将达到 2000亿欧元。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 And the list goes on and on Anti-lock brakes Auto-focus cameras Automatic teller machines Automatic toll systems Automatic transmission Avionic systems Battery chargers Camcorders Cell phones Cell-phone base stations Cordless phones Cruise control Curbside check-in systems Digital cameras Disk drives Electronic card readers Electronic instruments Electronic toys/games Factory control Fax machines Fingerprint identifiers Home security systems Life-support systems Medical testing systems Modems MPEG decoders Network cards Network switches/routers On-board navigation Pagers Photocopiers Point-of-sale systems Portable video games Printers Satellite phones Scanners Smart ovens/dishwashers Speech recognizers Stereo systems Teleconferencing systems Televisions Temperature controllers Theft tracking systems TV set-top boxes VCRs, DVD players Video game consoles Video phones Washers and dryers A “short list” of embedded systems 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 消费电子领域 随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化 方向发展。 高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视。 数码相机将代替传统的胶片相机。 固定电话今后会被 IP电话所替代。 各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）将 通过家庭通信、控制中心与 Internet连接，实现远程 控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。 转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教 育等。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 Microprocessor CCD preprocessor Pixel coprocessor A2D D2A JPEG codec DMA controller Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Display ctrl Multiplier/Accum Digital camera chip lens CCD A Digital Camera 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 2G 3G 2.5G 通信 计算 话音为主 数据为主 简单用户接口 简单应用 WAP 彩色显示 图形用户接口 安全应用 移动商务 电子邮件 浏览器 JAVA应用 手机发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 通信领域 通信领域大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换 机、路由器、 IP交换机、传输设备等。 据预测，由于互联的需要，特别是宽带网络的发展， 将会出现各种网络设备如： ADSL Modem/Router 等，其数量将远远高于传统的网络设备。 它们基于 32位的嵌入式系统、价格低廉，将为企业、 家庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。 就宽带上网的网络设备 ADSL Router而言，国外现 在每月需要 600K的数量。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等 随着工业 、 汽车 、 医疗卫生等各部门对智能控制需 求的不断增长 ， 需要对设备进行智能化 、 数字化改 造 ， 为嵌入式系统提供了很大的市场 。 就汽车电子系统而言 ， 目前的大多数高档轿车每辆 拥有约 50个嵌入式微处理器 。 如 BMW 7系列轿车 ， 则平均安装有 63个嵌入式微处理器 。 据预测 ， 21世纪初美国接入 Internet的汽车将有一 亿辆 。 IC Insights报道 2001年车载计算系统的市场 规模是 30亿美元 ， 而 2004年将达到 46亿美元 ， 届时 这些系统将成为所有新型轿车的标准设备 。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的应用领域 国防、航空航天领域 雷达 、 电子对抗 、 坦克 、 战舰 航天器 (火箭 、 卫星 、 航天飞机等 ) 飞机 (民用和军用飞机 ) 电子科技大学嵌入式软件工程中心 第四节 嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电、移动终端、汽车电子、网 络设备等为代表的互联网时代的嵌入式 系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前 景，注入了新的生命，同时也对嵌入式 系统技术，提出新的挑战： 支持日趋增长的功能密度 灵活的网络联接 轻便的移动应用 多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好 互动 支持二次开发和动态升级等 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象 PC一样只 有一种平台。 吸取 PC的成功经验，形成不同行业的标准。 统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重 用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强 行业性产品竞争能力的有效手段。 如欧共体汽车产业联盟规定以 OSEK标准作为开发汽车 嵌入式系统的公用平台和应用编程接口 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 面向应用领域的、高度集成的、以 32位嵌入式 微处理器为核心的 SOC（ System On Chip）将 成为应用主流 SoC给系统带来高性能之外更多更重要的好处 稳定性、体积、散热、功耗 处理器 外设 存储器 I/O “System on board” “System on chip” USB 以太网 memory 电子科技大学嵌入式软件工程中心 External Memory CPU Address Data Cache Bus Interface Write Buffer MMU / MPU R R W W W W (R/W) 外设 如 USB、 LCD 控制器等 扩展芯片 内核（ core） 处理器存储器子系统 SoC的片内外设 系统的片外设备 处理器（ Processor） 芯片（ SoC） 系统（ System） 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发 工具和操作系统的支持 采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技 术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、 保障软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采 用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的 需求向 : 可适应不同的嵌入式硬件平台 具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好 的实时性、可靠性、高可用方向发展 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式开发工具 支持多种硬件平台 覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段 高效 高度集成的工具集方向发展 Requirement Analysis Software Design Coding Test Release 嵌入式软件开发基本过程 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大 量新的应用 针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接 口，需要 TCP/IP协议簇软件支持。 针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具 备 IEEE1394、 USB、 CAN、 Bluetooth或 IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组 网协议软件和物理层驱动软件。 为了支持网络交互的应用，还需内置 XML浏览 器和 Web Server。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 互联的价值 嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、 内容和信息的访问能力 为动态修改嵌入式软件提供了可能，如 : 修改系统代码或 “固件” 增添新的应用软件模块 增强了系统和设备的可管理性 电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多 媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、 无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主 要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二 次开发如采用嵌入式 Java技术，可动态加载 和升级软件，增强嵌入式系统功能。 支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用 计算机系统互联构成分布式计算环境。 电子科技大学嵌入式软件工程中心 谢谢！