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,*,嵌入式开发平台组,嵌入式系统概论,嵌入式系统概述,嵌入式系统的基本知识,嵌入式系统的设计原则及方法,1.1,什么是嵌入式系统,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由以下几部分组成,:,嵌入式微处理器,外围硬件设备,嵌入式操作系统,特定的应用程序,1.2,嵌入式系统的特点,特点：,应用的特定性和广泛性,技术、知识、资金的密集性,高效性,较长的生命周期,高可靠性,软硬一体，软件为主,无自举开发能力,1.3,嵌入式系统与,PC,的不同,一般专用于特定的任务，而,PC,是一个通用计算机。,使用多种类型的处理器和处理器体系结构。,及其关注成本,有实时约束,使用实时多任务操作系统,软件故障造成的后果比,PC,系统更严重,大多有功耗约束,经常在极端的环境下运行,系统资源比,PC,少的多,通常所有的目标代码存放在,ROM,中,需要专用工具和方法进行开发设计,嵌入式系统的数量远远超过,PC,1.4,嵌入式系统的应用领域,1.4,嵌入式系统的应用领域,1.5,嵌入式系统的产品,网络设备,:,交换机、路由器,MODEM,消费电子,:,手机、,MP3,、,PDA,、可视电话、电视机顶盒、数字电视、数码照相机、数码摄像机、信息家电,办公设备,:,打印机、传真机、扫描仪,汽车电子,:ABS(,防死锁刹车系统,),、供油喷射控制系统、车载,GPS,。,工业控制,:,各种自动控制设备,我们正步入一个崭新的“数字世界”,嵌入式应用,1.6,嵌入式系统的历史,20,世纪,70,年代：单片机出现,嵌入式系统最初的应用是基于单片机。汽车，工业机器，通信装置等成千上万种产品通过内嵌电子装置获得更佳的使用性能。,20,世纪,80,年代：嵌入式操作系统出现,商业嵌入式实时内核包含传统操作系统的特征，使得开发周期缩短，成本降低，效率提高促使嵌入式系统有了更为广阔的应用空间。,20,世纪,90,年代：实时多任务操作系统,软件规模的不断上升，对实时性要求的提高，使得实时内核逐步发展为实时多任务操作系统，并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。,1.7,巨大的市场,计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正有力推动着,21,世纪工业生产，商业活动科学试验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。,嵌入式产品的巨大商机全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居。,你接触的每一样东西将装有芯片和嵌入式软件。,1.8,创新的机遇,通用计算机产业是垄断的。,嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞争、机遇与创新。,没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。,2.,嵌入式系统的基本结构,嵌入式系统的构架,嵌入式微处理器,嵌入式操作系统,启动程序,BootLoader,介绍,2.1,嵌入式系统的构架,API(Application,Programming Interface),2.2,嵌入式系统的硬件基本结构,2.3,嵌入式处理器,支持实时多任务,.,较短的中断响应时间,存储区保护功能,可扩展的处理器结构,较低的功耗,分类：,嵌入式微控制器（,Microcontroller Unit,）,嵌入式,DSP,处理器,EDSP(Embedded,Digital Signal Processor),嵌入式微处理器,(Embedded Microprocessor Unit),嵌入式片上系统,SOC(System,On Chip),2.3.1,嵌入式微处理器,特点,:,功能和微处理器基本一样,是具有,32,位以上的处理器,具有较高的性能,.,具有体积小,功耗少,成本低,可靠性高的特点,.,有的可提供工业级应用,.,流行的嵌入式微处理器,:,ARM/Strong(ARM,公司,),PowerPC(MOTOROL,公司,),68000(MOTOROL,公司,),MIPS(MIPS,公司,),MIPS,处理器,MIPS,技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式,32,位和,64,位处理器的厂商。在,RISC,处理器方面占有重要地位。,MIPS,的意思是“无内锁流水段微处理器”（,Microprocessor without interlocked piped stages,），,最早是在,80,年代初期由美国斯坦福大学,Hennessy,教授领导的研究小组研制出来的。,1986,年推出,R2000,处理器，,1988,年推出,R3000,处理器，,1991,年推出第一款,64,位商用微处理器,R4000,。,之后，又陆续推出,R8000,（,于,1994,年）、,R10000,（,于,1996,年）和,R12000,（,于,1997,年）等型号。之后，,MIPS,公司的战略发生变化,MIPS,处理器,此外，,24K,微架构能符合各种新兴的服务趋势，为宽频存取以及还在不断发展的网络基础设施、通讯协议提供软件可编程的弹性。,在嵌入式方面，,MIPS,系列微处理器是目前仅次于,ARM,的用得最多的处理器之一（,1999,年以前,MIPS,是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。,MIPS,的系统结构及设计理念比较先进，在设计理念上,MIPS,强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。,PowerPC,处理器,PowerPC,架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。,PowerPC,处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。,处理器芯片主要型号是,PowerPC 750,，,它于,1997,年研制成功，最高的工作频率可以达到,500MHz,，,采用先进的铜线技术。该处理器有许多品种，以便适合各种不同的系统。包括,IBM,小型机、苹果电脑和其他系统。,嵌入式的,PowerPC 405,（,主频最高为,266MHz,）,和,PowerPC 440,（,主频最高为,550MHz,）,处理器内核可以用于各种,SoC,设计上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。,2.3.2,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中,芯片内部集成,ROM/EPROM,RAM,总线,总线逻辑,定时,/,计数器,Watchdog,I,/O,串行口等各种必要功能和外设,.,其特点为,:,一个系列的微控制器具有多种衍生产品,;,单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高,;,是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统,70%,的份额,;,多是,8,位和,16,位处理器,流行的嵌入式微控制器,通用系列,:8051,MCS251,MCS-96/196/296,半通用系列,:,支持,I2C,CAN BUS,LCD,及众多专用,MCU,和兼容系列,2.3.3,嵌入式,DSP,嵌入式,DSP,处理器有两个发展方向：,是嵌入式,DSP,处理器和嵌入式处理器经 过单片化设计，片上增加丰富的外设成为具有高性能,DSP,功能的,SoC,；,是在通用微处理器、微控制器或,SoC,中增加,DSP,协处理器，例如,Intel,的,MCS-296,和,Siemens,的,TriCore,。,2.3.4,嵌入式外围接口电路和设备接口,根据外围设备的功能可分为以下,5,类,存储器类型,通信接口,输入输出设备,设备扩展接口,电源及辅助设备,存储器类型：,存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：,静态易失型存储器（,RAM,，,SRAM,）；,动态存储器（,DRAM,）；,非易失性存储器,ROM,（,ROMEPROM,，,EEPROM,，,FLASH,）；,硬盘、软盘、,CD,ROM,等。,通信接口,目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括,RS-232,接口（串口,UART,）,USB,接口（通用串行总线接口）,IrDA,（,Infra Red Data Association,红外线接口）、,SPI,（,串行外围设备接口）、,I2C,、,CAN,总线接口、,蓝牙接口（,Bluetooth,）,Ethernet,（,以太网接口）、,IEEE1394,接口和通用可编程接口,GPIO,。,输入输出设备,CRT,、,LCD,和触摸屏等，构成了嵌入式系 统中重要的信息输入输出设备，应用广泛。,触摸屏可以方便的实现鼠标和键盘功能。,设备扩展接口,简单的嵌入式系统如具有简单的记事本、备忘录以及日程计划等功能的,PDA,，,它所需要存储的数据量并不需要很大的内存。,由于目前的嵌入式系统功能越来越复杂，需要大容量内存，大的内存使得系统成本和体积加大。,目前一些高端的嵌入式系统都会预留可扩展存储设备接口，为日后用户有特别需求时，可购买符合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。,常用的扩展卡还有各种,CF,卡、,SD,卡、,Memory Stick,等。目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口。,电源及辅助设备,嵌人式系统力求外观小型化、重量轻以及电源使用寿命长，例如移动电话或,PDA,，,体积较大或者过重的机型已经被淘汰。,目前发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等。在便携式嵌入式系统的应用中，必须特别关注电源装置等辅助设备。,2.4,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台,.,嵌入式系统的出现,解决了嵌入式软件开发标准化的难题,.,嵌入式系统具有操作系统的最基本的功能,:,进程调度,内存管理,设备管理,文件管理,操作系统接口,(API,调用,),嵌入式操作系统具有的特点,:,系统可裁减,可配置,.,系统具备网络支持功能,系统具有一定的实时性,2.4.1,嵌入式操作系统的分类,按照对实时系统的定义,嵌入式系统可分为实时嵌入式系统与非实时嵌入式系统,:,实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证。,对外部事件的响应包括,事件发生时要识别出来,在给定时间约束内必须输出结果,实时操作系统,:,VxWorks,，,WinCE,，,QNX,Nucleus,非实时操作系统,:,嵌入式,Linux,2.4.2,嵌入式实时操作系统的特点,实时系统必须产生正确的结果,实时系统的响应必须在预定的周期内完成,这两点同样重要,实时系统是具有确定性的。在这些实时系统中，响应时间决定事件是有界的。一个确定的实时系统意味着系统的每个部件都必须具有确定的行为，使得整个系统是确定性的。,2.5,几种主流的嵌入式操作系统,Vxworks,:,美国,WindRiver,公司于,1983,年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。,Windows Embedded,:,支持具有丰富应用程序和服务的,32,位嵌入式系统。主要系列：,Windows CE3.0,Windows NT Embedded 4.0,和带有,Server Appliance Kit,的,Windows 2000,Palm OS,:Com,公司产品，在,PDA,市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口,(API),，可让用户灵活方便地定制操作系统。,嵌入式,Linux,：近两年来，,Linux,在嵌入式领域异军突起，他的独特性，使其作为开发嵌入式产品的操作系统具备巨大的潜力。,Linux,具有一些独特的优势：层次结构及内核完全开放；强大的网络支持功能；具备一整套工具链；广泛的硬件支持特性。,2.6,嵌入式系统软件的层次结构,如当设计一个简单的应用程序时，可以不使