第一讲嵌入式系统概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,讲 嵌入式系统概述,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,陈慈发,三峡大学电气信息学院,嵌入式系统设计,Embedded System Design,1,1,嵌入式系统的概念,嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集成电路技术的发展而发展起来的，已成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。,定义,1,：,嵌入式系统是以应用为中心、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。,定义,2,：,把基于处理器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分为两大部分，即,通用计算机,和,嵌入式计算机,。嵌入式系统也称为嵌入式计算机，或非通用计算机系统。,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。,硬件包括嵌入式处理器,/,控制器,/,数字信号处理器、存储器及外设器件、,I/O,端口、图形控制器等。,软件包括,操作系统,（嵌入式操作系统）和,应用程序,（应用软件）。,嵌入式系统是,面向用户、面向产品、面向应用,的。,嵌入式系统的,核心,是,嵌入式处理器,，其技术指标如功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等均受到应用要求的制约。其,应用软件,是实现嵌入式系统功能的,关键,，一般要求固化存储（,Firmware,），软件代码要求,高质量、高可靠、强实时,。,1,2,嵌入式系统的特点,1,2,1,嵌入式系统的特点,a),嵌入式系统通常是面向特定应用的，因此嵌入式,CPU,与通用,CPU,的最大不同是嵌入式,CPU,大多工作在为特定用户群设计的系统中。,ARM,手机，,DragonBallPDA,，,PowerPCNetworks,。一般地，决定嵌入式处理器的应用环境的因素主要是集成的外部接口的功能和处理速度，通常具有,功耗低,、,体积小,、,集成度高,等特点，能够把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，设计小型化，提高可靠性，移动能力强，网络性能好。,b),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的产物，是一个,技术密集,、,资金密集,、,高度分散,、,不断创新,的,知识集成系统,。,c),嵌入式系统的硬件和软件效率高，量体裁衣、去除冗余，在同样的硅片面积上实现更高的性能，竞争力强。,d),嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的,关键,。,e),嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品同步进行，具有较长的生命周期。,f),嵌入式系统本身不具备自开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的软件功能进行修改，必须有一套,开发工具和环境,才能进行开发。,1,2,2,嵌入式,处理器,的特点,a),对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务，并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。,b),具有功能很强的存储区保护功能。软件结构模块化，避免软件模块之间出现错误的交叉作用，有利于软件诊断。,c),可扩展的处理器结构，能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。,d),功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统，只有,mW/W,级。,1,2,3,嵌入式,操作系统,的特点,一般地，嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统（,EOS,）开发平台。对于小规模的嵌入式系统，应用程序可以没有操作系统，直接在芯片上运行；对于较大规模的系统来说，为了合理地调度多任务，管理和利用系统资源、系统函数，以及和专用库函数接口，应配置,EOS,平台，以保证程序执行的实时性、可靠性，减少开发时间，保证软件质量。,一个优秀的,EOS,是嵌入式系统成功的关键。,EOS,具备一般,OS,最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，还应具备以下特点：,更好的硬件适应性，良好可移植性，支持尽量多的硬件平台；,占用更少的硬件资源，几,KB,至几十,KB,；,高可靠性；,强大的网络功能，支持,TCP/IP,协议等，协议栈可裁剪；,友好高效的,GUI,；,实时性能；,可裁减性，如微内核结构、模块化结构。,1,2,4,嵌入式系统的,共性,嵌入式系统具有多样性、复杂性，但仍有许多共性：,虽然嵌入式处理器品种众多，指令系统、集成的部件不同，但是具有处理器的共同特点，如,总线结构,、,中断能力,等；,嵌入式处理器由通用处理器内核加上外部设备组成，同一类外部设备完成的功能相似，虽然它们的组成细节不同。不同种类的嵌入式处理器由,通用处理器内核,加上不同种类的,外部设备,构成。,嵌入式软件开发人员需要关心硬件的细节，除非有设备驱动程序。,掌握,TCP/IP,协议栈的实现细节具有额外的优势，,网络功能,将成为嵌入式系统的标准配置。,软件开发在内核层编程，需要了解,OS,的调用细节。虽然目前,EOS,种类繁多，但比较,类似,，可触类旁通。,嵌入式系统的开发人员，必须掌握硬件和软件的,综合知识,，进行硬件系统和软件系统的,综合设计,。,嵌入式系统的软件开发人员需要掌握多种,EOS,的用法。,OS,、编程语言和开发工具的多样性是一个有利条件，开发人员可以为具体应用选择合适的平台。,嵌入式系统设计师,根据应用选平台,是至关重要的，包括硬件平台和软件平台。,嵌入式系统开发往往需要行业人员和计算机专业人员,协作完成,。,1,3,嵌入式系统的组成,1,3,1,硬件,包括,嵌入式核心芯片,、,存储器系统,及,外部接口,。,嵌入式核心芯片：,EMPU,嵌入式微处理器；,EMCU,嵌入式微控制器；,EDSP,嵌入式数字信号处理器；,ESoC,嵌入式片上系统；,ESOPC,嵌入式可编程片上系统等。,存储器系统：,程序存储器、数据存储器、参数存储器等。,外部接口：,一般嵌入式处理器上已集成了接口，但是外设需要外接，可扩展。,1,3,2,软件,包括,EOS,和,应用软件,。,EOS,具有一定的通用性,，几十种，但常用的就那些，如,uC/OS-II,、,VxWorks,、,Windows CE,、,Linux,、,pSOS,、,VRTX,、,Palm OS,、,QNX,、,EPOC,等，不同,EOS,有不同的适用范围。,嵌入式应用软件种类繁多,，不同的嵌入式系统具有完全不同的嵌入式应用软件。,第,1,讲 嵌入式系统概述,1,3,3,开发工具和开发系统,包括,仿真器,和,集成开发系统,，通常独立于嵌入式系统产品之外，主要有语言编译器、连接定位器、调试器、烧写器等。,常用开发语言有,C,语言、汇编语言，或,C+,语言、,Java,语言。汇编语言最好，必不可少，在以下情况下必须使用汇编语言：,开发小系统时，系统资源和存储器容量有限，可有效减少代码存储空间和程序效率；,系统的初始化和与硬件有关的代码，如操作系统的,BSP,；,对于时间要求苛刻的应用程序。,第,1,讲 嵌入式系统概述,1,4,嵌入式系统的应用,1,4,1,消费类电子产品,机顶盒,：电视,+,电脑，数字电视、数字广播、,Internet,访问、远程教学、会议电视、电子商务、,Web,接入等，具有家庭网关的功能；,个人移动设备,：种类繁多，层出不穷，手机、,PDA,、蓝牙设备等；,数字音视频播放器,：,MP3,、,MP4,；,数码（摄）相机,：,DC,、,DV,；,游戏机,：,SONY,、任天堂、,XBox,等；,IP,电话机,：具有网络接口、电话线接口、宽带接口等多种接口，直接上网打电话。,1,4,2,办公自动化产品,打印机、传真机、扫描仪、复印机、投影仪等。,1,4,3,控制系统与工业自动化,智能控制设备、智能仪表、现场总线设备、数控机床、机器人。,1,4,4,生物医学系统,检验检查监测设备：,X,光机、,EEG,和,ECG,设备、,CT,、超声检测设备、核磁共振设备等。,1,4,5,现场仪器,测量仪器,：测量温度、湿度、电压、电流、功率、频率、频谱等；,基于,DSP,的音频和视频测量仪器,；,各种协议分析仪器,；,虚拟仪器,；,数字示波器,等智能仪器。,1,4,6,网络通信设备,MODEM,、协议转换器（网关、路由器等）数据通信基础设备、加解密设备、,GPS,接收机、交换机、网络接入盒等。,1,4,7,电信设备,电话交换机、传送回路、,ISDN,网络终端、,ATM,交换机、帧中继、移动基站设备、移动交换中心、地面站控制器、星载处理元件、遥测系统、遥感系统、有线电视基础设施的网络元件等。,1,5,嵌入式系统的发展趋势,1,5,1,硬件发展,单片机,：面向小控制系统的应用。包括,CPU,、程序存储器、数据存储器、,E,2,PROM,外围接口集成在一个单芯片上，代码量小，存储器不扩充。,单板机,：用于大的嵌入式系统应用，外部设备接口集成的处理器上，存储器需扩充。,DSP,：用于多媒体应用、信号分析等对大量数据处理。,SoC,：把除了处理器、存储器之外的所有逻辑电路、时序电路、数据处理电路等使用单芯片,PLD,器件完成，减少电路板的面积，提高可靠性、集成度和功能，整个系统包括,CPU,、,MEM,、,PLD,，,SoC,就是把原来的一个电路板设计到一个,PLD,器件上。,1,5,2,软件发展,EOS,的发展,：向开源方向，如,Linux,、,uC/OS-II,；,嵌入式,GUI,：,miniGUI,、,Qt,等；,嵌入式软件组件化,；,嵌入式协议栈,等。,1,5,3,系统发展,开发平台的完备化,：仿真器、,IDE,、硬件参考设计、,BSP,等，开发人员注重解决应用实际问题；,嵌入式系统的网络化,：串行口、以太网接口、,CAN,总线接口、,HDLC,接口等，嵌入式系统的网络化是发展趋势，支持,TCP/IP,协议、,IEEE1394,协议、,USB,接口、无线接口（,Bluetooth,、,IrDA,等），支持嵌入式,Web,服务器和嵌入式浏览器。,集成度和性能指标的提高,：高度集成，精简内核，降低成本，提高可靠性，降低功耗，操作系统可裁减，应用软件算法优化。,友好的人机界面,：大多数嵌入式系统都与人进行交互，友好的人机界面是基本的配置要求。类,Windows,界面是主流，新的人机界面如手写输入技术、语音,I/O,技术、图像输出技术等将是发展的趋势。,思考题,1,、通过查阅资料，写一篇某领域嵌入式系统应用的情况报告。,