嵌入式系统基础教程第01讲第1章绪论课件

嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发第第1讲讲南京大学计算机系 俞建新主讲2008年春季课程目的课程目的l理论与实践相结合l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l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。l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2课程特点课程特点l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：l从纯软件到硬从纯软件到硬/软件结合软件结合l从从“纸纸”上谈兵（编程序）到上谈兵（编程序）到“板板”上谈兵上谈兵l从从“懂懂”怎么做到怎么做到“会会”做做l从讲从讲/听到讲听到讲/听听/做做3本课程简介本课程简介l本科生选修课l学分：3l总课时：54小时l授课：18次，36小时l实验：18小时l考试：2小时l授课地点：教学楼C301教室l授课时间：每周一上午第1、2节课4课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式系统基础，约12节课l嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入式嵌入式系统导论（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、发展系统分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势）趋势）,约约3节课节课l嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微处嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微处理器：理器：ARM、MIPS、X86、SH等，总线、存等，总线、存储系统、输入储系统、输入/输出与典型接口等，输出与典型接口等，W90P710/SH7709S），约），约7节课节课l嵌入式软件系统基础（分类、特点、体系结构、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）运行流程、操作系统、开发工具）,约约2节课节课5课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式实时内核，约14节课l任务管理与调度（任务、任务管理、调度算法）任务管理与调度（任务、任务管理、调度算法）,约约6节课节课l同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、事同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、事件、异步信号）件、异步信号）,约约4节课节课l中断和时间管理（中断分类、处理过程、中断中断和时间管理（中断分类、处理过程、中断管理机制、硬件时钟设备、与管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理关系、的管理关系、时间管理机制）时间管理机制）,约约2节课节课l内存管理和内存管理和I/O管理（特点和管理机制）管理（特点和管理机制）,约约2节课节课6课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式系统软件的开发,约4节课l嵌入式系统开发模式嵌入式系统开发模式l嵌入式软件开发工具嵌入式软件开发工具l软件分析设计方法软件分析设计方法l复习：2节课l实验：34节课7实验系统的内容实验系统的内容目标平台目标平台开发工具开发工具嵌入式操作系统嵌入式操作系统实验项目实验项目PCPC虚拟机虚拟机 CygwinCygwinARM9boardARM9boardEmbestEmbest EdkitIIIEdkitIII开发实验箱开发实验箱EbestEbest IDE IDE集成开发环境集成开发环境LinuxLinux（源代码）（源代码）8实验系统的内容实验系统的内容l配套8个实验项目，具体是：l开发环境建立实验：开发环境建立实验：1个个/平台平台l实时内核实验：实时内核实验：7个个l任务的基本管理任务的基本管理l优先级反转优先级反转l优先级继承优先级继承l信号量：哲学家就餐问题的实现信号量：哲学家就餐问题的实现l消息队列消息队列l时钟中断时钟中断lC/OS-II的内存分配的内存分配9教材及参考资料教材及参考资料l嵌入式系统基础教程，俞建新等主编，机械工业出版社.l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.lJeanJ.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-IIebookl嵌入式计算系统设计原理（美）WayneWolfComputersasComponents：PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesignlJeanJ.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.lC.M.Krishna,KangG.Shin.REAL-TIMESYSTEMS.TsinghuaUniversityPress,McGraw-Hill.lASurveyofReal-timeOperatingSystems.lWHATMAKESAGOODRTOS.10授课主教材介绍授课主教材介绍l嵌入式系统基础教程l俞建新王健宋健建l机械工业出版社l2008年3月第1版l书号：ISBN978-7-111-22944-5l定价：42元l要求修课同学人手一本11综合实验教材综合实验教材l俞建新等编著l清华大学出版社l本课程上机实验必备教材。给出了典型的嵌入式应用程序编写范例，适合本科生使用和自学。l配套的实验系统为JXARM2410或者CVT-PXA270。嵌入式应用程序开发综合实验9例12主要参考书主要参考书l嵌入式系统开发与应用l田泽编著l北京航空航天大学出版社lISBN:7-81077-541-3l2005年1月第1版l定价：54.00元l简评：主要介绍嵌入式基本概念、ARM体系结构、ARM嵌入式程序设计、uCOS-II操作系统、设备驱动、uCLinux操作系统。借用为宜。13参考资料参考资料lReal-timeEmbeddedSoftwareSystemslOSEK/VDXOperating System.Version2.2.2.July5th,2004.lChartingPast,Present,FutureResearchinUbiquitousComputing.lPriorityInheritanceProtocols:AnApproachtoReal-TimeSynchronizationlCLDCSpecification1.1lhttp:/14课程成绩课程成绩l课程成绩平时成绩实验成绩期末考试成绩l平时成绩l5分，分，l实验成绩l25分分l期末考试：闭卷考试闭卷考试70分分15理论教学主要内容理论教学主要内容l嵌入式系统概述l可编程逻辑器件与IP核l嵌入式微处理器与调试技术lARM体系结构和指令集lARM汇编语言程序设计lARM开发工具lARM中断、DMA和时间管理l嵌入式存储器和接口技术l嵌入式操作系统概论16前导课程知识前导课程知识l基础课程l计算机组成原理，微机原理与接口l软件专业课程l操作系统l汇编语言，ANSIC（标准C），JAVAl硬件专业课程l电子线路，数字电路，集成电路设计17本课程的实验环节本课程的实验环节l包含四部分实验l基于ADS集成开发环境的ARM汇编语言实验l基于ADS集成开发环境的C语言实验l17个ARM300-S实验平台的常规实验l在ARM300-S实验平台完成一个综合实验l自行创意的综合实验l基于9例教材的改进型综合实验18第第1章章 绪论绪论l本章介绍以下内容：l什么是嵌入式系统？l嵌入式系统的发展简史l嵌入式系统的特点l嵌入式系统的分类l嵌入式系统的基本组成l嵌入式处理器l嵌入式系统发展趋势l嵌入式系统的相关研究领域191.1 什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？l顾名思义：l包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。l基本描述：l专门用途的计算机系统l常常用于控制l广泛存在l包含硬件和软件20嵌入式系统的释义嵌入式系统的释义l全称l嵌入式计算机l嵌入式计算机系统l简称l嵌入式系统l相关术语l嵌入式设备l嵌入式技术l有时还进一步简称为嵌入式21民用嵌入式设备或产品民用嵌入式设备或产品1MOTOC350彩屏彩屏WAP移动电话移动电话彪骐数字机顶盒彪骐数字机顶盒BlackBerry 7230移动电话移动电话DL7100/DL7200 数字式示波器数字式示波器嵌入式嵌入式GIS畅视畅视2000可视电话可视电话Palm Zire71型型个人数字助理个人数字助理22民用嵌入式设备或产品民用嵌入式设备或产品223苹果公司的媒体播放器和手机苹果公司的媒体播放器和手机iPOD和和iPHONE24嵌入式产品嵌入式产品电子书阅读器电子书阅读器飞利浦Readius 亚马逊Kindle25手机的内部结构手机的内部结构-126手机的内部结构手机的内部结构-227手机的内部结构手机的内部结构-328手机的内部结构手机的内部结构-4l诺基亚N95手机内部结构29诺基亚诺基亚N95型手机基本技术指标型手机基本技术指标l手机型号：诺基亚N95l通信制式：GSMl外形：滑盖lLCD色彩数：1600万lLCD分辨率：240 x320l重量：120克l电池：950毫安时诺基亚电池BL-5Fl数码相机：500万像素lGPS模块：SiRF科技公司SirfIII芯片，可追踪20颗星l客户端手持设备操作系统：SymbianOS9.330用于水下勘测的螃蟹机器人用于水下勘测的螃蟹机器人l英国巴斯大学一位研究生设计的，它目前可以在陆地上任意移动，未来的开发设计将计划将它用于完全的水下勘测任务操作。31富士数码相机富士数码相机FinePix F460l富士公司2006年前后推出l500万像素中档相机l光学镜头：3倍变焦lLCD：2.5英寸l电荷耦合器件(CCD)：l索尼公司500万像素的ICX505l图像处理芯片：ADI公司的AD9948Al读取CCD的输出信号，图像数据处理32富士数码相机富士数码相机FinePix F460（续）（续）l电机控制电路：三洋公司的ASIC(LB8659)l用于控制镜头拉伸、缩放和聚焦l微控制器：NEC公司的uPD78F0533l处理按键，完成主要的系统控制功能l内存储器：三星公司的SDRAM(K4M283233)l提供图像处理所需的工作内存33Finepix数码相机的解剖照片数码相机的解剖照片34嵌入式系统高端应用的产品嵌入式系统高端应用的产品美国美国AGM-86B战略空射巡航导弹战略空射巡航导弹美国火星登陆车美国火星登陆车国产战斗机国产战斗机F-7MG机器人机器人国产国产88式坦克式坦克2002年型林肯黑木年型林肯黑木(Blackwood)汽车汽车35嵌入式系统的定义（嵌入式系统的定义（1 1）l根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：l嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。”l英文原文为：devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.36嵌入式系统的定义（嵌入式系统的定义（2 2）l本课程使用的定义，也是国内高校流行的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它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的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。37嵌入式系统的定义（嵌入式系统的定义（3 3）l根据中国微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可以分为系统级，板级，片级。系统，可以分为系统级，板级，片级。q芯片级嵌入v含程序或算法的处理器含程序或算法的处理器q模块级嵌入v系统中的某个核心模块板系统中的某个核心模块板q系统级嵌入v主计算机系统主计算机系统38专家观点（专家观点（1）l嵌入式系统只是单板机在某种场合下的应用个体经营的单片机公司经理语l我们的控制装置产品都用嵌入式系统设计方案中科院自动化研究所工程师语l单片机是嵌入式系统的初级形态，SOC是嵌入式系统的高级形态南京市单片机协会理事资深专家语。39专家观点（专家观点（2）l要想成功地设计一个嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的软件和硬件平台。电子工程专辑()主编语l嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。单片机实验室高级工程师语l国内外嵌入式系统市场是广阔天地，嵌入式系统是新的经济增长点。北京计算机高级专家工控学会资深理事语。40参考解释（参考解释（1）lUnderstand the Definition of an Embedded SystemlAnembeddedsystemisanycomputersystemorcomputingdevicethatperformsadedicatedfunctionorisdesignedforusewithaspecificembeddedsoftwareapplication.lEmbeddedsystemsmayuseaROM-basedoperatingsystemortheymayuseadisk-basedsystem,likeaPC.lButanembeddedsystemisnotusableasacommerciallyviablesubstituteforgeneralpurposecomputersordevices.l但是一个嵌入式系统不是通用计算机或装置的商业可行的替代用品41参考资料参考资料微软公司的网页微软公司的网页42参考解释（参考解释（2）lEmbedded SystemDefinitionlAspecializedcomputersystemthatispartofalargersystemormachine.Typically,anembeddedsystemishousedonasinglemicroprocessorboardwiththeprogramsstoredinROM.Virtuallyallappliancesthathaveadigitalinterface-watches,microwaves,VCRs,cars-utilizeembeddedsystems.Someembeddedsystemsincludeanoperatingsystem,butmanyaresospecializedthattheentirelogiccanbeimplementedasasingleprogram.43嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域移动电话信息家电视听设备飞机人造卫星导弹鱼雷车辆机器人掌上电脑医疗设备工业控制计算机外围设备水面舰船潜艇坦克战车自行火炮环境监测其它交通管理嵌入式系统44主要的嵌入式系统产品主要的嵌入式系统产品l手机l媒体播放器l机器人lPDAl机顶盒l医疗器械l通信设备l网关、路由器lIC卡l工业控制装置l电子书l计算机外部设备l打印机l数码相机l信息家电l汽车电子45嵌入式系统在汽车产业的应用嵌入式系统在汽车产业的应用l单芯片微电脑控制系统l雨刷、车灯系统、仪表盘、电动门窗等lMCU系统lABS系统、智慧安全气囊、主动式悬吊系统、发动机管理系统等lSoC系统l混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等46汽车上嵌入式系统的装备情况汽车上嵌入式系统的装备情况l据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16增至23以上。l一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50以上。l目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。47两种汽车使用的嵌入式系统两种汽车使用的嵌入式系统l一类是汽车电子控制装置l它和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。48两种汽车使用的嵌入式系统（续）两种汽车使用的嵌入式系统（续）l另一类是车载汽车电子装置l车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。49汽车嵌入式控制的发展方向汽车嵌入式控制的发展方向l向集中综合控制发展：l将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制（PCM）；l将制动防抱死控制系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和驱动防滑控制系统（ASR）综合在一起进行制动控制；l通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统（UCC）。50汽车电子系统模块的布局51汽车电子应用：主被动集成方案汽车电子应用：主被动集成方案Active Passive Integration Approach APIAlAPIA可利用网络覆盖汽车的所有主动及被动安全系统，并集成了环境传感器。lAPIA系统复杂，包括自适应巡航控制、组合传感器、侧面传感器、数据网关、相应的控制单元等等。系统核心是危险控制模块，它能意识到潜在的碰撞，并引入预先设定的措施。521.2 嵌入式系统的发展简史嵌入式系统的发展简史l第一阶段l以4到8位单片机为核心的可编程控制器系统l第二阶段l以8到16位嵌入式处理器（CPU）为基础l第三阶段l32位RISC嵌入式中央处理器l嵌入式操作系统l第四阶段l基于Internt接入为标志的嵌入式系统53从从4个方面考察嵌入式系统历史个方面考察嵌入式系统历史l可从4个方面考察嵌入式系统的历史l硬件l软件l代表产品l系统结构l近6年以来嵌入式系统成为计算机业界的热点技术，全球大型IT企业无一不在进军嵌入式技术。54嵌入式硬件历史大事嵌入式硬件历史大事l1971年11月微处理器诞生，代表产品Intel4004微处理器l1980年美国Intel公司推出MCS-51单片机l1985年美国Xilinx公司推出FPGAlFPGAl现场可编程门阵列lFieldProgrammableGateArrayl1994年英国ARM公司推出ARM610l1988年DSP微处理器问世l代表产品是美国德州公司TMS320C3055军用嵌入式计算机系统发展军用嵌入式计算机系统发展l第一阶段1970年代到1980年代l军用标准阶段l美国陆军的NEBULA架构l美国海军的UYK-43架构和AYK架构等l使用的编程语言不统一l陆军使用NEBULA、空军使用PASCAL、海军使用CMS2l第二阶段1980年代中期到1980年代末l美军在通用化标准化系列化上作了重大改进l军内统一使用ADA语言l实时操作系统趋于完善56军用嵌入式计算机系统发展（续）军用嵌入式计算机系统发展（续）l第三阶段1990年代初开始l32位嵌入式处理器广泛使用l多种实时操作系统出现lPSOS+mliRMKIII57嵌入式软件历史回顾嵌入式软件历史回顾l早期的单片机执行由专用的监控程序控制，不含操作系统。l目前许多简单的单片机应用仍然使用监控程序作为控制软件。l1980年代，开始在单片机上使用基于操作系统的控制程序。l现在高端嵌入式系统软件都在操作系统的支持下运行58嵌入式操作系统简况嵌入式操作系统简况l1981年ReadySystem开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），它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。l后来，出现了如WRS公司的VxWorks、QNX公司的QNX、Symbian公司的Symbian、IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS。l此外，还有PalmOS、WinCE、嵌入式Linux、LynxOS、uCOS、Nucleus、以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。591.3 嵌入式系统的特点l专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。l技术融合集计算机，通信及其它高新技术于一体。l有实时约束一般采用实时操作系统l有功耗约束l软件没有系统和应用的区别，软件固化。l系统内核小l软硬件可裁剪l高可靠性l资源比PC少得多l嵌入式系统需要专用的开发工具l非垄断市场60软件硬件基本要素软件硬件基本要素硬件硬件l嵌入式处理器l各种类型存储器l模拟电路及电源l接口控制器及接插件软件软件l实时操作系统（RTOS）l板级支持包（BSP）l设备驱动（DeviceDriver）l协议栈（ProtocolStack）l应用程序（Application）611.4嵌入式系统的分类 l有多种对嵌入式系统的分类方法，以下是部分分类方法：按用途分类：军用/民用按载体分类：宇航/车载按通信性质分类：无线/有线按网络性质分类：联网/单机按环境分类：普通/恶劣按功耗分类：低功耗/普通功耗主要分类方法按硬件软件性质621.4.1 按照技术复杂度分类按照技术复杂度分类l根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类：l无操作系统控制的嵌入式系统lNOSES，Non-OScontrolEmbeddedSystem；l小型操作系统控制的嵌入式系统lSOSES，SmallOScontrolEmbeddedSystem；l大型操作系统控制的嵌入式系统lLOSES，LargeOScontrolEmbeddedSystem。631.4.2 按照用途分类按照用途分类l按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类：l工业用l军用l民用641.5嵌入式系统基本组成l嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、外围电路和外部设备三大部分所组成。l嵌入式处理器包括：嵌入式微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）。l外围电路包括：各式存储器（RAM、ROM、FLASH），时钟电路，各种I/O接口电路，调试接口（JTAG、BDM等）。l外部设备包括：存储卡（CF、SD卡）、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。65嵌入式系统常用硬件器件嵌入式系统常用硬件器件l嵌入式处理器lMCU,DSP,MPUl可编程逻辑器件lFPGA,CPLDl存储器芯片l电源模块l周边元件和接插件66典型嵌入式系统硬件组成（典型嵌入式系统硬件组成（1）67典型嵌入式系统硬件组成（典型嵌入式系统硬件组成（2）68嵌入式系统的软件基本构成嵌入式系统的软件基本构成69基于基于VxWorks操作系统的操作系统的嵌入式软件层次结构嵌入式软件层次结构70嵌入式系统结构演变嵌入式系统结构演变l硬件系统l4位单片机l8位单片机/16位单片机l32位专用微处理器l32位DSP微处理器lSoClSoPCl软件系统l实时监控程序l专用系统l通用系统711.5.1 实时性能分类实时性能分类l依据操作系统的实时性能类型划分，有以下几种依据操作系统的实时性能类型划分，有以下几种类型。参看下图：类型。参看下图：嵌入式系统嵌入式系统分时系统分时系统实时系统实时系统软实时系统硬实时系统721.5.2 按照电路板分类按照电路板分类l中国计算机协会微机专业委员会对嵌入式系统给出以下分类：l单硅片嵌入式系统lSingle-SiliconEmbeddedSysteml单板嵌入式系统lSingle-BoardEmbeddedSysteml多板嵌入式系统lMulti-BoardEmbeddedSystem73高端嵌入式产品中高端嵌入式产品中各种各种CPU所占市场份额所占市场份额74嵌入式系统开发工具嵌入式系统开发工具l高级语言编译器lCompilerToolsl源程序模拟器lSourceSimulatorl目标监控器lObjectMonitorl实时在线仿真系统ICElIn-CircuitEmulator75嵌入式系统与单片机区别嵌入式系统与单片机区别l从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。但是，它们都是专用的计算机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。l低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板l高端嵌入式系统：SoC761.6 嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，嵌入式处理器有多种功能。按照处理器功能分类，主要如下五种：l通用型嵌入式微处理器（简称：通用型嵌入式微处理器（简称：MPU）l微控制器（微控制器（MCU）l数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）l混合处理器和片上系统（混合处理器和片上系统（SOC）l嵌入式双核或者多核处理器嵌入式双核或者多核处理器77通用型嵌入式微处理器通用型嵌入式微处理器l英文全称英文全称lGeneral Purpose Embedded Micro Processorl也称为嵌入式微处理单元也称为嵌入式微处理单元lEmbedded Micro Processor Unitl缩略语：缩略语：EMPU，或者，或者MPU78通用型嵌入式微处理器有两种类型通用型嵌入式微处理器有两种类型l一类是嵌入式系统中使用的通用处理器lx86处理器（从80186、80386到PentiumM）就是这一类处理器的典型代表。l另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器l属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。l使用通用型嵌入式微处理器时都要在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面采取各种措施。79微控制器微控制器l又称单片机（又称单片机（SCM，Single Chip Microcomputer）l它将整个计算机系统集成到一块芯片中，体积减小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，电磁辐射更少。它通常以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM、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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。有代表性的通用微控制器系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。80数字信号处理器数字信号处理器l本教材中讨论的嵌入式DSP处理器（简称为DSP处理器或者DSP）是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。它是系统结构和指令集做了特殊设计的处理器，使其适合执行DSP算法程序。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC（电磁兼容）改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器；二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器。lDSP处理器可分为两大类：定点DSP和浮点DSP。l嵌入式DSP处理器中比较有代表性的产品是德州仪器公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。81片上系统片上系统l把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。l为了解决SoC设计中遇到的难题，设计方法必须进一步优化。因此，人们提出了基于FPGA的SoC设计方案可编程片上系统（SystemOnaProgrammableChip，称为SOPC）。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP核（知识产权核）和可重构的嵌入式处理器软核的出现，作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点，具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。82嵌入式双核处理器嵌入式双核处理器l双核（DualCore）处理器就是基于单个半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。83嵌入式多核处理器嵌入式多核处理器l嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频处理。这些DSP处理器的主要结构是一个或多个的微控制器（MCU）核外加一个DSP核。l例如，美国AD公司生产的Blackfin系列产品是适用于多格式音频、视频、语音和图像处理的嵌入式DSP处理器系列。采用Blackfin芯片的最终产品可以是便携式媒体播放器(PMP)、VoIP（通过IP传输话音）电话机、网络摄像机（IPNetwork.Camera）以及移动电视设备等。84Blackfin系列多核处理器系列多核处理器lBlackfin系列中的ADSP-BF561处理器是一款双内核的具有对称多处理（SMP）架构的DSP处理器，时钟频率为750MHz，它能够以两种工作方式执行。l下图是第1种工作模式。在该模式下，可以让CoreA运行操作系统、网络协议栈和控制任务，让CoreB运行信号处理的RISC/DSP任务。85BF561处理器的第处理器的第1种工作模式种工作模式86BF561处理器的第处理器的第2种工作模式种工作模式871.7 嵌入式系统发展趋势嵌入式系统发展趋势196019701980199020002010年代11/100100每人使用计算机数量时代特点时代特点2020MFPCCE88如何描述当前的如何描述当前的IT时代？时代？l后PC时代？lPostPCeral信息电器（信息家电）时代？lInformationAppliancel3C时代?lConsumerElectronics、Computer、Communicationl普适计算时代？lPervasiveComputingl无所不在的计算时代？lUbiquitousComputing89后后PC时代时代IA时代时代l若干年前未来学家的语言正在变成现实，现在已经进入了后PC时代。l美国著名未来学家尼葛洛庞帝(NicholasNegroponte)1999年初来华访问时说过：l嵌入式智能工具将是继PC和Internet之后最伟大的发明。lMIT的DavidClark于1999年首次提出“后PC时代（post-PCera）”的概念，他认为：l在后PC时代，具有联网功能的信息电器（IA）和手持设备（handhelddevice）将逐步取代PC。90计算机产品发展路线图计算机产品发展路线图l摩尔定律仍然适用大型机大型机:60年代年代 小型机小型机:70年代年代 PC:80-90年代年代 后后PC:2000年年VLSILSIMSISoC91嵌入式产品和台式计算机嵌入式产品和台式计算机处理器芯片使用量比较处理器芯片使用量比较92后后PCPC时代的新秀时代的新秀-信息电器信息电器l信息电器(InformationAppliance，IA)l1998年HP公司的一名资深专家DonNorman给出了IA的定义：lAnappliancespecializingininformation:Knowledge,facts,graphics,images,video,orsound.Aninformationapplianceisdesignedtoperformactivity,suchasmusic,photography,orwriting.Adistinguishingfeatureofinformationapplianceistheabilitytoshareinformationamongthemselves.93后后PC时代时代当前业界特征当前业界特征l后PC时代特征表现在以下几个方面：l产品发展趋势l国民产值l研究和开发方向l社会物质和精神需要l人才需求94IT产业界涉及时代特点的若干大事产业界涉及时代特点的若干大事l近几年来大事记l2002年11月高性能嵌入式32位微处理器神威I号在上海复旦微电子公司研制成功，并一次流片成功。l2004年底联想公司收购IBM公司的PC事业部l2005年微软公司大力推广WindowsCE操作系统l2007年MIPS公司宣布该公司不再研发桌面处理器l2007年苹果公司总裁乔布斯宣布苹果公司不再是计算机公司，它是一个消费电子公司l2007年IT巨头公司Google宣布了手机开发平台AndriodlMotorola公司因为业绩原因，进行了公司内部改组，并裁员几千人。95信息电器与嵌入式系统信息电器与嵌入式系统l信息电器的核心就是嵌入式系统l信息电器的成本取决于嵌入式系统的成本l信息电器使用性能取决于嵌入式系统的软件l信息电器的发展方向决定着嵌入式系统的发展方向l讨论题：哪些是信息电器？96普适计算基本特征普适计算基本特征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。它使计算机融入人的生活空间。l普适计算主要通过移动设备，如信息家电或各种嵌入式设备实现。l包括：如掌上电脑、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、智能手机、机顶盒、POS销售机、屏幕电话（除了普通话机的功能还可以浏览因特网）等。l普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与Internet、Intranet及Extranet连接，使用户能够随时随地获取各种信息，并做出回应。97普适计算模式将对计算和信息的方普适计算模式将对计算和信息的方式带来一场变革。式带来一场变革。l普适计算形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”(Anytime,Anywhere,Invisible)的计算环境。在这样的环境中，计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。l普适计算可包括移动计算，但普适计算不是移动计算，前者更强调环境驱动性。98无所不在计算无所不在计算l无所不在计算(ubiquitouscomputing)l强调人与计算环境的紧密联系，使计算机和网络更有效地融入人们的生活，让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷地获得网络计算提供的各种服务。l无所不在计算研究的两个关键技术：l自然人机交互自然人机交互l网络计算网络计算99普适计算大事记普适计算大事记l1988年，MarkWeiser提出了普适计算的思想，并预测计算模式会发展为普适计算。l1990年代末，普适计算这一概念得到广泛关注，逐渐升温。l1999年，IBM正式提出普适计算的概念。l同年，召开第一届Ubicomp国际会议。lhttp:/www.ubicomp.org/l2000年，第一届PervasiveComputing国际会议。l2002年，IEEEPervasiveComputing期刊创刊。100普适计算知识领域普适计算知识领域l包括以下计算机科学与技术知识领域l分布式计算l多媒体技术l移动计算l人工智能l人机交互l嵌入式系统嵌入式系统l信息融合l感知网络101普适计算的科研动向普适计算的科研动向l现在和未来的计算机科学技术研究热点l美国排名前10位的大学无一例外地投巨资设立了以“普及计算”为主要方向的研究计划。主要有以下4个：l卡耐基梅隆大学的Aura计划l麻省理工大学的Qxygen计划l加州大学伯克利分校的Endeavour计划l华盛顿大学的Portolano计划102普适计算相关网站地址普适计算相关网站地址lhttp:/oxygen.lcs.mit.edu/lhttp:/www-2.cs.cmu.edu/aura/lhttp:/endeavour.cs.berkeley.edu/lhttp:/portolano.cs.washington.edu/lhttp:/ Attention.Todayssystemsdistractauserinmanyexplicitandimplicitways,therebyreducinghiseffectiveness.lProjectAurawillfundamentallyrethinksystemdesigntoaddressthisproblem.Aurasgoalistoprovideeachuserwithaninvisiblehaloofcomputingandinformationservicesthatpersistsregardlessoflocation.104CarnegieMellonUniversitysProjectAura（2）lMeetingthisgoalwillrequireeffortateverylevel:fromthehardwareandnetworklayers,throughtheoperatingsystemandmiddleware,totheuserinterfaceandapplications.lProjectAurawilldesign,implement,deploy,andevaluatealarge-scalesystemdemonstratingtheconceptofa“personalinformationaura”thatspanswearable,handheld,desktopandinfrastructurecomputers.105当前研究热点当前研究热点l硬件方面l国外的主流嵌入式微处理器进入中国lARM公司的ARM核大学计划lTI公司的DSP大学计划l积极地研发自主知识产权的嵌入式微处理器l龙芯l博芯106当前研究热点（续当前研究热点（续1）l软件方面l嵌入式软件向平台化方向发展l中国厂商因应Linux转型l发展趋势l平台化l标准化lLinux势不可挡107手机开发平台技术竞争激烈手机开发平台技术竞争激烈l以手机操作系统为例l2003年以前，三分天下lSymbian、PalmOS、WindowsCEl现在，新三分天下lSymbian、WindowsCE、Linuxl手机开发平台lS60、S90、MOAP、UIQlAndroid、MOTOMAGXlJ2ME、.NET、BREW108当前研究热点（续当前研究热点（续2）l国外的主流嵌入式操作系统进入中国l科银京成公司研发出嵌入式软件开发平台道系统（DeltaSystem）l中科院软件所研发出女娲（Hopen）嵌入式操作系统l无线多媒体技术l华东计算所研究与VxWorks兼容的嵌入式操作系统109嵌入式系统近期发展预测嵌入式系统近期发展预测l有以下发展趋势：l由32位处理器更广泛地得到普及l由单核向多核过渡l向网络化功能发展l更加友好的多媒体人机界面lMCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进l嵌入式操作系统呈多元化趋势l无线应用（GPS、GPRS、3G、FRID）将普及l平台技术更加成熟110手机操作系统的趋势分析和预测手机操作系统的趋势分析和预测l四大主流手机操作系统分割市场地局面将继续维持下去，因为三大商用手机操作系统各有市场优势，包括Palm公司也有它存在的空间。l从IT巨头公司的Google、Motorola、Nokia、联想公司和Winriver纷纷采用Linux操作系统的现状来看，嵌入式Linux操作系统将在未来几年迅速地扩大市场占有率。l国产手机操作系统将仍然处于困境中，前景不乐观。l手机操作系统将会出现向少数几个品种集中的局面。lLinux操作系统将不仅在手机开发领域，而且在其它嵌入式产品开发领域扩大市场占有率。1112008年的市场格局年的市场格局l四大热点l多媒体手机l2005年手机销量达到7600万部l年平均复合增长率达到15%20%lHDTVl机顶盒l联网的工业设备/终端l中国的税控收款机总需求4000万台1121.8 嵌入式系统的学科领域嵌入式系统的学科领域l嵌入式系统技术领域本身的核心学科和技术有4个，分别是：微电子学、计算机科学与技术、电子工程学、自动控制学。l与嵌入式系统关联密切的技术领域主要有：信信息安全、普适计算、人机交互、多媒体技术、息安全、普适计算、人机交互、多媒体技术、数据库、无线传感器网络数据库、无线传感器网络等1131.9 重要的中文网站地址重要的中文网站地址l嵌入式系统研发社http:/ 复习题与思考题（复习题与思考题（1）l试评价有关嵌入式系统的几种定义和解释并给出你自己的观点。l嵌入式系统在体系结构上同通用计算机有区别吗？l如何对嵌入式系统进行分类？l在当前和未来的信息产业中，嵌入式系统处于何种位置？l试论述嵌入式系统的未来技术发展方向。118第第1讲讲 复习题与思考题（复习题与思考题（2）l移动支付：一种新型的消费支付方式l在许多亚太地区，可支付手机已逐渐取代传统付费电话，被普遍应用于餐馆买单、家庭购物、购买地铁票或自动售货机中的饮料等交易活动中。l有的分析家认为：“模式又一次发生了转变。过去我们曾预测现金将被信用卡所取代，而现在，从技术角度讲，蜂窝电话便可以实现支付功能。”l由此，推论并预测“IC信用卡将会在10年内被淘汰，它的功能将由可刷卡手机所取代”，你同意这种观点吗？l查找资料，对具有刷卡支付功能的手机应用，列出关键开发技术。119第第1讲讲 复习题与思考题（复习题与思考题（3）l考察智能手机的多功能化，展望智能手机的未来几年发展前景如何？主要思考点包括：l关键应用功能MP3，MP4，实名制，门禁识别，IPTV，手机游戏，手机遥控、视频电话、定位服务互动式语音应答IVRl手机的开发平台Symbian，WindowsMobile，PalmOS，LinuxOSl根据你的调研和考察结果，撰写一篇题目为“展望智能手机未来发展”的短篇论文。120第第1次习题布置次习题布置l题1，请给出你对嵌入式系统的理解，并通过两个典型的嵌入式系统产品说明嵌入式系统的基本结构和特点。l题2，与嵌入式系统关系密切的技术学科有哪些？l题3，你是如何理解嵌入式系统开发平台的？121嵌入式开发平台综述题提示嵌入式开发平台综述题提示1嵌入式系统涵盖技术面广，作为开发人员只能在有限的几个开发平台上开展工作，嵌入式系统开发受平台制约。2从软件复用的角度看，各个研发机构无不构建自己的局部开发平台，以提高生产效率。3四大基础平台：硬件平台、软件平台、SOPC平台和DSP平台4实际开发平台与上述基础平台的关系5操作系统是软件平台的基础，现有的主流嵌入式操作系统有：Linux，VxWorks，WindowsCE，Symbian，ECOS，Nucleus，COS-II。6多种嵌入式开发平台：操作系统无关的开发平台：J2ME、BREW基于WindowsCE的开发平台：.NET 基于Linux的开发平台：WorkBench（风河公司）、Motomegx（摩托罗拉公司）、Andriod（Google公司）基于VxWorks的开发平台：基于Symbian的开发平台：S60、S80、UIQ、MOAP7商用开发平台竞争导致优胜劣汰，促进嵌入式开发技术向前发展。122l谢谢!123