《嵌入式系统简介》PPT课件

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,*,嵌入式系统简介,严丽军,E-mail,：,Agenda,嵌入式系统概述,嵌入式系统硬件基础,嵌入式系统软件基础,嵌入式系统开发过程,什么是嵌入式系统,根据,IEEE（,国际电气和电子工程师协会）的定义：,嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为,devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。,何谓嵌入式系统,简单地讲,嵌入性,：嵌入到对象体系中，有对象环境要求,专用性,：软、硬件按对象要求裁减,计算机,：实现对象的智能化功能,就是嵌入到对象体中的专用计算机系统,三要素：,嵌入、专用、计算机,嵌入式系统的特点:由三要素引出,何谓嵌入式系统,广义地说,一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。,即以应用为中心、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。,嵌入式系统发展的最高形式,片上系统（,SOC）,何谓嵌入式系统,嵌入式系统的分类,芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）,模块级嵌入（系统中的某个核心模块）,系统级嵌入,非实时系统（,PDA,）,软实时系统（消费类产品）,硬实时系统（工业和军工系统）,按表现形式分（硬件范畴）：,按实时性要求分（软件范畴）：,嵌入式处理器的分类和现状,微控制器（,MCU）,何谓嵌入式系统,数字信号处理器（,DSP）,片上系统（,SOC）,可编程片上系统（,SPOC）,MCU,何谓嵌入式系统,嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。,单片机芯片内部集成,ROM/EPROM、RAM、,总线逻辑、定时/计数器、看门狗、,I/O、,串行口、脉宽调制输出、,A/D、D/A、Flash、EEPROM,等各种必要功能和外设。,MCU,处理能力非常有限,何谓嵌入式系统,MCU,微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个,MIPS，,进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。,MPU,何谓嵌入式系统,嵌入式微处理器（,Micro Processor Unit),MPU,嵌入式微处理器是由通用计算机中的,CPU,演变而来的，8038680387,与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,DSP,何谓嵌入式系统,DSP,处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、,FFT、,频谱分析等各种仪器上,DSP,获得了大规模的应用。,DSP,是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。,SOC,何谓嵌入式系统,SOC（,片上系统）是,IC,设计的发展趋势。采用,SOC,设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。,SOC,芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。,SPOC,何谓嵌入式系统,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作,SOPC。,可编程片上系统（,SOPC）,是一种特殊的嵌入式系统：,首先它是片上系统（,SOC），,即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；,其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,嵌入式系统和实时系统,嵌入式系统经常被误解为就是实时性系统。其实，多数嵌入式系统并不需要实时性,Linux,是嵌入式操作系统，并非实时操作系统。,Vxwork,、,pSOS,等是嵌入式实时操作系统,嵌入式系统与普通系统,在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间,对于实时系统来说最重要的要求就是实时操作系统必须有满足在一个事先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力,此外作为实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高效的,I/O,能力来处理有严格时间限制的数据收发应用,实时多任务操作系统与分时多任务操作系统,分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。,实时操作系统，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能够在严格的时限内作出响应（系统响应时间），即使是在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。,实时操作系统中的重要概念,系统响应时间,(System response time),系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。,任务切换时间,(Context-switching time),是任务之间切换而使用的时间。,中断延迟,(Interrupt latency),是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并转入中断服务程序的时间。,实时操作系统应具有如下的功能,任务管理（多任务和基于优先级的任务调度）,任务间同步和通信（信号量和共享内存等）,存储器优化管理（含,ROM,的管理）,实时时钟服务,中断管理服务,嵌入式系统发展趋势,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。,联网成为必然趋势,支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本,提供精巧的多媒体人机界面,实时系统的体系结构设计,实时系统的体系结构必须满足,1.,高运算速度,2.,高速的中断处理,3.,高的,I/O,吞吐率,4.,合理的处理器和,I/O,设备的拓扑连接,5.,高速可靠的和有时间约束的通信,6.,体系结构支持的出错处理,7.,体系结构支持的调度,8.,体系结构支持的操作系统,9.,体系结构支持的实时语言特性。,10.,系统的稳定性和容错也非常重要,11.,还要考虑到实时的分布式应用。,Agenda,嵌入式系统概述,嵌入式系统硬件基础,嵌入式系统软件基础,嵌入式系统开发过程,嵌入式系统硬件架构,嵌入式系统硬件架构,处理器：,微处理器：,x86,68K,PPC,ARM,MIPS,微控制器：单片机8051等,DSP:,适用于音频及视频通信,存储器：,只读,ROM,随即读取,RAM:SRAM,DRAM,混合型：,EEPROM,FLASH,NVRAM(,带后备电池的,SRAM),外设：通用和专用,关于,ARM,ARM=,A,dvanced,R,ISC,M,achine,RISC,的典型代表,32位处理器技术,嵌入式领域的主力军,ARM,的产品,ARM,处理器内核，以,IP,的形式提供给,IC,生产厂家,硬核,软核,ARM,开发工具、,SOC,开发工具、评估板等,ARM,公司不生产芯片,ARM,的特点（1）,ARM,微处理器的主要特点,系列化：,ARM7,ARM9,ARM10,独特的指令系统,32位架构，定长。,32位,ARM,指令,16位,Thumb,指令,大部分为单周期指令,条件执行,Load/Store,流水线结构,ARM7：3,级流水线,ARM9：5,级流水线,高性能、低功耗,ARM,的特点（2）,ARM,微处理器的主要特点,支持,JTAG,调试,7种工作模式,User,:,用户模式，非特权,FIQ,:,快速中断,IRQ,:,普通中断,Supervisor,管理模式,Abort,:,存取异常模式,Undef,:,未定义指令模式,System,:,系统模式,2种工作状态,ARM,Thumb,支持,ARM/Thumb,的交互工作,嵌入式技术无处不在,处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机,各种使用嵌入式技术的电子产品，如：,MP3,、,PDA,、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等,在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式,国际芯片市场来看,据统计每年只有,10-20%,的计算机芯片是为台式,PC,或膝上电脑而设计的。,嵌入式系统设计制造的,CPU,每年大概有,10-20,亿片。,每年又有,1,万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。,如：手持设备市场。,2000,年的全球产销量为,1290,万部，而到今年时预计将为,6340,万部。,中国信息家电市场,2001,年达到,500,亿,700,亿元，今年有望达到,3500,亿,5000,亿元。,国内现有,8000,万有线电视网用户、,3,亿多台彩色电视机和,7000,多万台,VCD,DVD,机。,业内分析，未来,10,年是国内机顶盒生产的黄金时期，,10,年总量可望达到,1,1.5,亿台，总产值在,600,1500,亿元人民币之间。,仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到,10,15,亿元。,嵌入式技术将成为后,PC,时代的主宰,嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。,使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。,嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，,以致一些学者断言嵌入式技术将成为后,PC,时代的主宰。,后,PC,时代产品的蓬勃发展,ARM,的应用,应用领域,社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用,中国正在成为世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用领域,嵌入式技术刺激了许多新的应用需求,嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器,消费电子,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,工业,军事国防,电子商务,网络,嵌入式系统的应用领域,工业控制 工业设备是机电产品中最大一类,过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。,嵌入式系统的应用领域,随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。,嵌入式系统的应用领域,信息家电,信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。,嵌入式系统的应用领域,只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。,具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的应用领域,消费类电子,智能玩具、手持通讯的核心,嵌入式系统的应用领域,交通管理、环境监测,交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前,GPS,设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,嵌入式系统的应用领域,水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。,加油站、停车场管理,嵌入式系统的应用领域,智能玩具与机器人,嵌入式系统的应用领域,嵌入式,Internet,应用,嵌入式系统的应用领域,汽车电子,嵌入式系统的应用领域,军事国防领域,嵌入式系统的应用领域,航天领域,嵌入式系统的应用领域,未来嵌入式系统的发展趋势,互联网的普及,半导体技术的改善,3C,（,Compute,Communication,Consumer,）技术的快速融合,使用者的需求,信息服务应用生活化,未来嵌入式系统的发展趋势,技术的渗透性和融合性,未来嵌入式系统的发展趋势,设备的关联性,未来嵌入式系统的发展趋势,个性化服务,未来嵌入式系统的发展趋势,Any Time