第一章,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,*,*,嵌入式系统设计,嵌入式系统设计,李明,第一章 嵌入式系统概述,1.1,嵌入式系统,现实中的嵌入式系统,2024/11/27,3,嵌入式系统的应用领域,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,消费电子,军事国防,电子商务,网络,工业控制,2024/11/27,4,嵌入式系统的应用领域,汽车领域,2024/11/27,5,嵌入式系统的应用领域,军事领域,2024/11/27,6,嵌入式系统的应用领域,航天领域,2024/11/27,7,嵌入式系统的应用领域,嵌,入,式,网,络,应,用,2024/11/27,8,嵌入式系统的应用领域,智,能,玩,具,与,机,器,人,2024/11/27,9,嵌入式系统的应用领域,手,持,通,讯,设,备,2024/11/27,10,IEEE,定义的嵌入式系统,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”,（,Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment machinery or plants)。,2024/11/27,11,嵌入式系统的定义,(,都不全面,),1,。,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。,2,。,嵌入式系统是,完成复杂功能的,硬件,和,软件,，并使其紧密耦合在一起的,计算机系统,。,2024/11/27,12,嵌入式系统的组成,嵌入式系统,一般由以下几部分组成,:,嵌入式微处理器,(,含,Embedded MPU,、,Embedded MCU,、,Embedded DSP,、,SOC,等,),外围硬件设备,嵌入式操作系统,特定的应用程序,2024/11/27,13,1.2,嵌入式处理器简介,常见的嵌入式微处理器,ARM/StrongARM/XSCALE,MIPS,Power PC,X86,68K/Coldfire,2024/11/27,15,常用嵌入式处理器-,ARM,ARM,（,Advanced RISC Machines,）,公司是全球领先的,16/32,位,RISC,微处理器知识产权设计供应商。,ARM,公司通过转让高性能、低成本的、低功耗的,RISC,微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。,ARM,已经成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的,RISC,标准。,ARM,处理器有三个主要的特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；,16/32,位指令集；全球众多的合作伙伴。,ARM,处理器目前有五个系列的产品：,ARM7,、,ARM9,、,ARM9E,、,ARM10,ARM11,和,SecurCore,。,2024/11/27,16,常用嵌入式处理器-,MIPS,MIPS,是,Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages,缩写，是一种处理器内核的标准，它是由,MIPS,技术公司开发的。,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,公司设计,RISC,处理器始于80年代初；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（1994）、R10000（,于1996年）和,R12000（,于1997年）等型号。之后，,MIPS,战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，,MIPS,公司发布了,MIPS32,和,MIPS64,标准，为未来的,MIPS,处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了原来所有的,MIPS,指令，并且增加了许多更强大的功能。2000年，,MIPS,公司发布了针对,MIPS 32 4Kc,的新版本以及未来64位,MIPS 64 20Kc,处理器内核。,MIPS,的定位很广，在高端有64位的20,Kc,家族，在低端市场有,Smart MIPS。,2024/11/27,17,常用嵌入式处理器-,Power PC,Power PC,架构的特点是可伸缩型号，方便灵活。,Power PC,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等各个方面。,目前，,Power PC,独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从25,MHz,700MHz,不等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊，主要产品模块有主频350,MHz700MHz Power PC 750CX,和750,Cxe,以及主频400,MHz,的,Power PC 440GP,等。,Power PC,的处理器都用在电信、金融等领域。,2024/11/27,18,常用嵌入式处理器-,X86,X86,系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于,Intel,架构的8086，在发展出286、386、486，直到现在的,Pentium 4、Athlon,和,AMD,的64位处理器,Hammer。,从嵌入式来看，486,DX,是当时和,ARM、68K、MIPS,和,SuperH,齐名的五大嵌入式处理器之一，8080是第一款主流的处理器。今天的,Pentium,和当初的8080使用相同的指令集，这虽然保持了兼容性，至少十年前写的程序在现在的机器上还能运行，但弊端是限制了,CPU,性能的提高。,2024/11/27,19,X86,架构的新型处理器,Atom(,凌动,),处理器,面向移动互联网终端的英特尔凌动处理器包括,Z500,、,Z510,、,Z510P,、,Z510PT,、,Z515,、,Z520,、,Z520PT,、,Z530,、,Z530P,、,Z540,、,Z550,、,N270,。,凌动处理器是,3,瓦以下功耗处理器中速度最快的产品,凌动处理器支持高达,720p,和,1080i,的高清视频格式,凌动处理器支持支持流畅,3D,图形,英特尔凌动处理器拥有超低功耗。,2024/11/27,20,新型,AMD GEODE?,处理器为移动嵌入式设备提供,PC,功能,AMD Geode LX,8000.9W,处理器,使公司向“,x86,架构无所不在”的集成计算目标又迈进了一步,2005,年,5,月,27,日，北京讯,AMD,公司,(NYSE:AMD),宣布推出,AMD Geode LX,8000.9W,处理器*，使消费者能在基于,x86,的下一代嵌入式移动设备上体验与台式,电脑,完全相同的计算功能。,AMD Geode LX,8000.9W,处理器功率不到,1W*,，支持,Microsoft,Windows XP,和,XP,嵌入式,操作系统,，使用户能在低功率、无风扇的便携产品上实现熟悉的商务和消费应用。,业界标准的,x86,架构、低功耗和出色性能使,AMD Geode LX,处理器适用于广泛的消费电子和计算市场，包括多媒体设备、单板机、接入设备和其他通用嵌入式应用。,HDTV,、,IP,机顶盒、瘦客户机、销售点服务亭和采用,Windows,的平板电脑等产品将受益于,AMD Geode LX,处理器的优秀功能。此外，现在市场上还推出了新的基于,x86,的移动多媒体设备，结合了完整的台式电脑计算功能与小巧外观、电池供电的便携性。,2024/11/27,21,英特尔推出五款嵌入式,Sandy Bridge,架构,CPU,据国外媒体报道，在官方发布,Sandy Bridge,架构两个月后，,英特尔,仍旧保持其处理器产品的更新，最近该公司又推出五款新型的嵌入式,CPU,，其中两款采用了节能设计。,第一款处理器是,Core i3 2310E,，双核设计，,3M,三级缓存，时钟频率为,2.1GHz,，,35,瓦的散热设计功耗。该处理器支持,英特尔,的超线程技术，但该处理器也是新发布的五款处理器中，唯一没有采用智能加速技术的嵌入式处理器。除此之外，该处理器还采用了,ECC,内存支持技术。,第二款处理器是,Core i5 2510E,，时钟频率为,2.5GHz,（使用智能加速技术可以超频到,3.1GHz,），同样为双核，,35,瓦的散热设计功耗。该处理器也是唯一一款使用,G2,套接技术和,ECC,内存支持技术的,i5,处理器。,第三款为,Core i5 2515E,，与,2510E,相比，该处理器使用了,BGA1023,封装技术。,最后两款处理器是,Core i7 2610UE,和,i7 2655E,。这两款处理器的时钟频率分别为,1.5GHz,和,2.2GHz,，散热设计功耗分别为,17,瓦和,25,瓦。均使用,16G,的,ECC,内存，并有额外的,PCI,快速通道，支持智能加速，超线程，,AVX,和,AES,以及可信执行和虚拟化技术。（,2011-02-28,日网络消息）,目前这五款产品的价格信息还未知，知晓范围很可能只限于,OEM,厂商。,2024/11/27,22,常用嵌入式处理器-,68,K/Coldfire,Motorola 68000（68K）,是出现得比较早的一款嵌入式处理器，68,K,采用的是,CISC,结构，与现在的,PC,指令保持了二进制兼容。,CISC,是个人电脑常用的，,Intel、AMD、VIA,都采用,CISC,指令集，只有,Apple,电脑中的,Power PC,采用了,RISC,架构。最初使用的,CISC,指令集是有道理的，因为,CISC,指令数量少，执行效率很高，而且当时的,CPU,时钟频率不同，没有涉及到现在的超标量和超流水线的问题。,RISC,是精简指令集，每条指令长度都一样，有利于简化译码结构，减少处理器的晶体管数量，这对于嵌入式处理器来说是很重要的。,68,K,最初曾用在,Apple2,上，比,Intel,的8088还要早。,SUN,也把这款处理器用于其最早的工作站。现在68,K,芯片已经完全用于嵌入式系统了，1992年68,K,的销售量达到了两千万片，现在,Motorola,每年还能销售75万片。1994年，,Motorola,推出了基于,RISC,结构的68,K/ColdFire,系统微处理器。目前基于该架构的嵌入式微处理器主要有,MCF5272，,它基于第二代,ColdFire V2,核心。与所有,ColdFire,产品一样，,MCF5272,系统提供了优秀的编码密度，同时达到出色的系统性能水平。,2024/11/27,23,1.3,嵌入式操作系统,嵌入式软件主要是嵌入式操作系统。早期的嵌入式系统很多都不用操作系统，它们只是为了实现某些特定功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理，不具备现代操作系统的基本特征（如进程管理、存储管理、设备管理、网络通信等）。不可否认，这对一些简单的系统而言是足够的。但是，我们的系统越来越复杂，利用的范围越来越广泛的时候，缺少操作系统就成为了一个最大缺点，因为每设计个一项新的功能都可能需要从头开始设计，实际上增加了开发成本和系统的复杂度。,C,语言的实现使我们的操作系统开发变得越来越简单，可以利用,C,语言很快地写出一个小型的、稳定的操作系统。,2024/11/27,24,嵌入式操作系统的基本功能,嵌入式操作系统的基本功能,在嵌入式操作系统中一般使用微内核（,micro-kernel）,体系结构，其内核主要实现如下功能：,多任务调度，系统设计人员只需设计任务，然后通过操作系统调度实现多任务的同时处理。,内存管理，微内核内存管理主要是提供内存页面的申请和释放工作。在没有操作系统的情况下，内存的申请和释放是由嵌入式应用程序本身完成；在有操作系统的情况