嵌入式系统概述第2节.ppt

嵌入式微处理器在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制。 嵌入式系统与一般的PC机应用系统不同，不同的嵌入式系统彼此之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，简单，在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制较多。 目前，嵌入式系统还没有比较权威、比较统一的定义，人们从不同的角度来理解嵌入式系统，描述嵌入式系统。,嵌入式系统定义,嵌入式系统描述一,嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。(应用角度),嵌入式系统是指嵌入式计算机及其应用系统，是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机系统，它主要完成信号控制的功能，体积小，结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中，它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。(计算机角度),嵌入式系统描述二,嵌入式系统是计算机技术，通信技术，半导体技术，微电子技术，语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，是技术密集，投资强度大，高度分散，不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。(技术角度),嵌入式系统描述三,嵌入式系统定义：是现代科学多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进入Internet网络技术的连接，从而适应应用环境的产品。嵌入式系统无多余软件，软件以固化态出现，硬件亦无多余存储器，可靠性高，成本低，体积小，功耗少，包含于各种不同类型的设备。,嵌入式系统综合描述,1专用性强 嵌入式系统面向特定应用，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的小型化。 2技术融合 嵌入式系统将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合，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。 3软硬一体，软件为主 软件是嵌入式系统的主体，有IP核。嵌入式系统的硬件和软件都可以高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，可以在同样的硅片面积上实现更高的性能。,嵌入式系统特点,4.比通用计算机资源少 由于嵌入式系统通常设计成只完成少数几个任务。设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU，这就意味着管理的资源少，其成本低，结构更简单。 5具有固化在非易失性存储器中的代码 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘中。 6需专门开发工具和环境 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 7体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强,嵌入式系统特点,嵌入式系统开发产业是一个分散的工业,充满了竞争、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。 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业90%的PC产业，其中80%采用Intel的80x86体系结构，芯片基本上出自Intel，AMD等几家公司。在操作系统和文字处理器方面，Microsoft的Windows及Word占8090%，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由Wintel（Microsoft和Intel 90年代初建立的联盟）垄断的工业。,嵌入式系统特点,关注成本,嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。 嵌入式的系统成本包括(研究费用+产品化费用) 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本,嵌入式系统面向用户，面向产品，面向应用。如果独立于应用，自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约,这也是各个半导体厂商之间竞争的热点。,嵌入式系统开发的热点,嵌入式系统是一种计算机系统，由硬件系统和软件系统组成 嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。 嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。,嵌入式系统组成,嵌入式系统的典型组成,嵌入式系统硬件核心是嵌入式处理器。 嵌入式处理器可以分为四类： 嵌入式微处理器EMPU （Embedded Microprocessor Unit） 嵌入式微控制器EMCU （Embedded Microcontroller Unit） 嵌入式数字信号处理器EDSP （Embedded Digital Signal Processor） 嵌入式片上系统ESoC （Embedded System on Chip）,嵌入式处理器,嵌入式微处理器EMPU,嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，并在母板上设计了和嵌入式系统相关的功能模块即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。 嵌入式微处理器制造商：摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、NEC、东芝、AMD、国家半导体、Zilog、IDT、富士通、Atmel、SUN、微系统、夏普、Oki、飞利浦等。 主要的嵌入式微处理器包括：IBM PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。 嵌入式微处理器又可分为CISC和RISC两类。大家熟悉的大多数台式PC都是使用CISC微处理器，如Intel的x86。RISC结构体系有两大主流：Silicon Graphics公司（硅谷图形公司）的MIPS技术；ARM公司的Advanced RISC Machines技术。此外，Hitachi（日立公司）也有自己的一套RISC技术SuperH。,嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设接口封装在同一片集成电路里。 嵌入式微控制器制造商：摩托罗拉、英特尔、英飞凌科技、 Atmel、日立、NEC、三菱、东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技等。 主要的嵌入式微控制器包括：MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR等系列。,嵌入式微控制器EMCU,嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理等领域应用广泛。 DSP正在大量进入嵌入式市场，目前广泛应用的是德州仪器的产品TMS320C2000 /C5000系列，另外Intel和Siemens也有相应的产品。,嵌入式数字信号处理器EDSP,ESoC：在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。 各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标准库，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述。 用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后，就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。 这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。,嵌入式片上系统ESoC,嵌入式系统硬件应用领域,目前，国内单片机应用开发已由8位转向32位嵌入式产品。冰箱用上了DSP，汽车电子全面走向32位，通信相关产品更是32位处理器的天下。 MCS-51系列是单片机普及系列，在各个领域有广泛的应用，嵌入式设计人员几乎都掌握该系列。 ARM系列32位处理器在低功耗移动通信设备方面占有绝对优势。 Motorola的M683系列、Power PC系列主要用在工控与汽车电子方面。,嵌入式系统软件核心包括： 系统软件：嵌入式操作系统 嵌入式操作系统嵌入式中间件（CORBA、 Java）等等 支撑软件：嵌入式软件开发平台及工具 系统分析设计工具 仿真开发工具 交叉开发工具 测试工具 配置管理工具 维护工具等 应用软件：嵌入式应用软件 手机软件 路由器软件 交换机软件 飞控软件等,嵌入式系统软件,嵌入式软件系统的体系结构,硬件,应用层,驱动层,操作系统层,中间件层,嵌入式软件系统的体系结构,驱动层 驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需的驱动的支持。该层主要包括三种类型的程序。,板级初始化程序(系统资源初始化+设备初始化) 这些程序在嵌入式系统上电后初始化系统的硬件环境，包括嵌入式微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等的初始化。,与系统软件相关的驱动 这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的驱动程序，它们的开发要按照系统软件的要求进行。 目前操作系统内核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微处理器中了，因此操作系统厂商提供的内核驱动一般不用修改。,与应用软件相关的驱动 与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连接，这些驱动的设计和开发由应用决定。,嵌入式软件系统的体系结构,操作系统层 操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分。 其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。,嵌入式软件系统的体系结构,中间件层 目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向应用领域的中间件软件。 如基于嵌入式CORBA的应用于软件无线电台的应用中间件SCA（Software Core Architecture）等。,1软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮在磁盘中。 2软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。,嵌入式系统软件的特征1,3操作系统软件具有高实时性 在多任务嵌入式系统中，对各项任务进行统筹兼顾、合理调度是保证系统功能的关键，单纯提高处理器的速度是无法完成这些要求的，也是没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此操作系统软件的高实时性是基本要求。 嵌入式系统应用语言： 据统计，在嵌入式系统设计中，最受欢迎的前3种编程语言分别是C(74.6%)、汇编(69.6%)和C+ (50.1%)。,嵌入式系统软件的特征2,