嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用

1、 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用段勃1 課程安排n 理論學(xué)時 541-13周每周2次n 實驗學(xué)時 30第3周起每次時間3小時2 課程考核n 本課程的評分依據(jù)為實驗+考試課程小論文+實驗報告25%50%課程綜合設(shè)計25%筆試3 第一講嵌入式基本概念4 計算機系統(tǒng)？5 計算機發(fā)展史n 1946年，第一臺電子計算機在美國賓州大學(xué)誕生6 計算機發(fā)展史n 1947年，晶體管誕生n 1957年，集成電路的概念被提出n 1958年，TI 基爾比制作出第一片集成了電阻電容等分立元件的半導(dǎo)體n 1959年，F(xiàn)airChild 諾伊斯使用平面工藝制作出第一片集成電路n 新技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了新

2、冒險家的誕生，Intel等公司在這種背景下開始出現(xiàn) 7 第一顆微處理器的誕生n 1971年，Intel Ted Hoff，40048 個人PC的誕生n 處理器的發(fā)展從4004，到4040，8008，8080n 1974年，在8080的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了為人們熟悉的PC機SOL-20型，基于8080SOL-20型內(nèi)部結(jié)構(gòu)9 嵌入式系統(tǒng)的起源n 微機時代的到來70年代微處理器的出現(xiàn)4004n 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)70年代微機在控制方面的應(yīng)用外形上，失去了原有的微機系統(tǒng)的外觀特征用途上，失去了原有的微機系統(tǒng)的通用性特征結(jié)構(gòu)上，附加了很多外設(shè)接口電路 嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)是把一個計算機系統(tǒng)嵌入到另一個對象體系中去

3、 10 通用處理器與嵌入式處理器的差異？n 速度、體積、功耗、外設(shè)接口電路11 計算機系統(tǒng)的兩個發(fā)展分支n 通用微型機系統(tǒng)發(fā)展分支目標(biāo)：高速海量的數(shù)字處理能力路線：總線速度的無限提升；存儲量的無限擴大；其他：功耗的增加；體積的增加； n 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展分支目標(biāo)：與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入式性能、控制能力控制的可靠性 路線：單芯片實現(xiàn)；多樣性 其他：低功耗、小體積、接口豐富12 通用微處理器的發(fā)展道路n 從1978年8086的誕生開始飛速發(fā)展，經(jīng)歷80186，286，386，486，奔騰I，II，III，IV13 使用通用微處理器的個人計算機使用8088的筆記本電腦使用80286處理器的個人PC1

4、4 嵌入式處理器發(fā)展道路n 嵌入式處理器的獨立發(fā)展的標(biāo)志為IntelMCS51處理器的誕生n 在此之后，Intel逐漸退出嵌入式處理器市場，開始百家Zilog Z8080C5115 嵌入式處理器的發(fā)展道路n 單片機標(biāo)志著嵌入式系統(tǒng)開始獨立發(fā)展n 嵌入式處理器的發(fā)展階段 SCM（Single Chip Microcomputer） MCU/MPU（Micro Controller/Processor Unit） SoC（System on Chip） n 不同字長的嵌入式微處理器 8位機 16位機MCS-51、M68HC08M68HC16 32位機ARM系列16 計算機系統(tǒng)兩個分支的發(fā)展?fàn)顟B(tài)n

5、通用微型機系統(tǒng)發(fā)展分支 件上的高處理性能，大容量存儲介質(zhì)軟件上龐大而日益完善的操作系統(tǒng)開發(fā)團隊上的高度專業(yè)化n 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展分支件上的多樣性，單芯片解決方案軟件上精簡、可靠、實時的系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的廣泛化 17 嵌入式系統(tǒng)的定義 英國電機工程師的定義 ：嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器或甚至工廠運作的裝置。它具備了下列的特性：通常執(zhí)行特定功能；以微電腦與周邊構(gòu)成核心；嚴格的時序與穩(wěn)定度要求； 全自動操作循環(huán)。嵌入式系統(tǒng)是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。18 嵌入式系統(tǒng)的特點件方面 穩(wěn)定

6、性，表現(xiàn)在對元器件的選擇、接量要求、電源的穩(wěn)定性等方面； 件的質(zhì)低功耗，一方面處于省電，另一方面出于散熱考慮 ；體積受限，這是被嵌入的對象系統(tǒng)的要求； 看門狗電路，系統(tǒng)不受干涉長期運行的需要；成本控制嚴格，夠用即可；（內(nèi)存一般較小、處理器一般不帶浮點運算單19 嵌入式系統(tǒng)的特點n 軟件方面實時性，在早期很重要，近來有所模糊可裁減性精簡性，系統(tǒng)代碼一般都固化在ROM中人機界面要求不高20 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的市場趨勢n 嵌入式系統(tǒng)分為四部分嵌入式軟件嵌入式處理器嵌入式存儲器嵌入式板卡 n 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 航天/國防、制造、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)、消費電子及電信設(shè)備等21 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的市場趨勢n 中國

7、市場將直接從8位機向32位機轉(zhuǎn)變n 融合更多的功能、使用更小的封裝、增加模擬功能n 從應(yīng)用來看，汽車電子和消費類電子將成為行業(yè)增長的動力22 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的廠商n 嵌入式存儲器市場預(yù)計在未來三年將出現(xiàn)最高的增長，其后是嵌入式軟件、嵌入式處理器及嵌入式板卡嵌入式系統(tǒng)的主要廠商23 嵌入式系統(tǒng)的基本組成軟件部分件部分24嵌入式處理器 硬 周邊外設(shè) 嵌入式操作系統(tǒng) 中間件，API應(yīng)用軟件 嵌入式系統(tǒng)件結(jié)構(gòu)n 基于CirrusLogic的CS92288的DVD錄像機結(jié)構(gòu)25 CS92288內(nèi)部結(jié)構(gòu)26 當(dāng)前32位嵌入式微處理器介紹n MIPS只設(shè)計內(nèi)核的美國公司n ARM只設(shè)計內(nèi)核的英國公司n X8

8、6Inteln PowerPCIBM和Motorola共有n 68K/ColdFireMotorola獨有n 其他27 MIPS處理器n 高速，跨入64位時代，多處理核集成n 主要被PMC和IDT產(chǎn)品化 PMC 主要生產(chǎn)高端產(chǎn)品 IDT 主要生產(chǎn)低端接口類芯片n 主要用于通信領(lǐng)域28 X86系列n CPU性能價格比良好n 開發(fā)簡單，軟件兼容性好。n 軟件資源豐富n 開發(fā)平臺簡單n 主要由Intel和AMD公司生產(chǎn)產(chǎn)品29 ARM系列n ARM被授權(quán)給全世界上百家半導(dǎo)體廠商n 分為ARM7、ARM9、ARM10、StrongARM/Xscalen 應(yīng)用范圍從工業(yè)控制到手持設(shè)備和消費電子、通信行業(yè)

9、n 成本低、功耗小30 PowerPCn 在高速和低功耗之間作了妥協(xié)，接口豐富，被Motorola公司廣泛應(yīng)用，形成了一個龐大的n 曾被廣泛用于手持設(shè)備，現(xiàn)在逐漸被ARM取代 n 廣泛用于通信領(lǐng)域，在國內(nèi)被華為和中興大量采用31 68K/ColdFiren 68K是最早廣泛應(yīng)用的嵌入式內(nèi)核，其著名代表是68360n 抗干擾能力強，適合工業(yè)控制/軍方應(yīng)用，MC68000微處理器占有美國軍方市場的70%，由此可見其產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性之高。32 其他處理器n EPSONC33、34處理器功耗低、成本低，在國產(chǎn)手機和便攜式數(shù)碼產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用開發(fā)方便n 各種DSP 主要公司為TI和AD AD的Bla

10、ckfin系列體現(xiàn)了嵌入式微處理器同DSP之間的融合 TI的OMAP架構(gòu)則是另一種雙內(nèi)核的融合方式33 SOPC嵌入式系統(tǒng)n 除了前面提到的那些嵌入式處理器廠家，原來生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商也開始瞄準嵌入式處理這個大市場 n Xilinx公司 內(nèi)嵌PowerPC MicroBlazen Altera，PicoBlaze NiosIIn Lattice ARM34 嵌入式處理器的市場分布n ARM成為絕對主流35 嵌入式軟件n 所有的嵌入式系統(tǒng)都有應(yīng)用軟件在運行，但并不一定都有嵌入式操作系統(tǒng)n 在復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了合理地調(diào)度多任務(wù)，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)，以及和庫函數(shù)接口，應(yīng)該自行選配嵌入式操作

11、系統(tǒng) 開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時 性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量36 嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)37Applcation應(yīng)用程序 Protocol stack協(xié)議棧 RTOS嵌入式操作系統(tǒng) 板支持包/設(shè)備驅(qū)動 BSP/Device Driverhardware硬件 嵌入式操作系統(tǒng)n 與微機操作系統(tǒng)類似的功能：任務(wù)調(diào)度進程間通信文件管理（可選）中斷處理 存儲器管理（可選）38 嵌入式操作系統(tǒng)n 嵌入式操作系統(tǒng)的特點：微內(nèi)核、模塊化、可方便裁減實時性，尤其對于控制系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能穩(wěn)定性強、不依賴于交互操作代碼固化 可以執(zhí)行好，適應(yīng)多種體系結(jié)構(gòu)39 嵌入式操作系統(tǒng)架構(gòu)40 當(dāng)前流行嵌入

12、式操作系統(tǒng)n Palm OSn Windows CE、n Linux（uCLinux）n RT Linuxn uC/OSIIn 其它商業(yè)OS：QNX、VxWorks等41 Palm OSn Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的OS。在編寫程序時，Palm OS充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況，因此它只占有非常小的內(nèi)存 n Palm OS使掌上電腦與PC機上的信息實現(xiàn)同步，把臺式同的功能擴展到了掌上電腦42 Windows CEWindows CE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是一個基于掌上型電腦類的電子設(shè)備的操作系統(tǒng)Windows CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windo

13、ws圖形界面，并且在Windows CE平臺上可以使用Windows 95/98/2000上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面風(fēng)格，使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續(xù)使用43 Linuxn 是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)n 資源豐富，而且免費n 目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，70%以上的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇n ucLinux不帶MMUn 對linux有經(jīng)過實時性改造的RTLinux44 Uc/OS IIn 簡單易學(xué)、源碼公開，核心代

14、碼5500行左右n 可移植性強，只有與微處理器相關(guān)的極少數(shù)文件用匯編n 可搶占任務(wù)調(diào)度，真正意義上的實時系統(tǒng)n 穩(wěn)定可靠45 其他操作系統(tǒng)n VxWorksWindRiver的產(chǎn)品，市場占有率最高的商用嵌入式操作系統(tǒng) 可靠性極高n QNX極小的實時可擴充內(nèi)核（12KB），僅提供四種服務(wù)（進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信、中斷處 理）運行速度極快，可將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系 統(tǒng)或是包括幾百個處理器的超級擬機操作系統(tǒng) 46 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程BSP調(diào)試n 元器件選型n 原理圖編制n 印制板 RTOS移植協(xié)議棧移植n 樣板試制應(yīng)用程序調(diào)試 件功能測試系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 樣機交付47 嵌入式系統(tǒng)軟件開

15、發(fā)特點n 嵌入式系統(tǒng)的一個特點在于其開發(fā)的特殊性與困難性。開發(fā)機器!=執(zhí)行機器開發(fā)環(huán)境!=執(zhí)行環(huán)境n 專門的開發(fā)環(huán)境與開發(fā)工具48 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境InternetPSTNLinux/PC服務(wù)器Modem筆記本電腦串行線 開發(fā)板BDM電纜Windows工作站 串行線 BDM電纜開發(fā)板Linux/PC工作站 49以太網(wǎng)Modem 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境磁盤網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)機宿主機串口連接.n 宿主機：開發(fā)機器，使用通用操作系統(tǒng)，運行編輯、輯、編譯、調(diào)試等軟件工具 n 目標(biāo)機：目標(biāo)程序運行的件平臺，使用嵌入式操作系統(tǒng)或者沒有操作系統(tǒng)n 交叉編譯：在宿主機上運行針對目標(biāo)機的編譯工具，編譯生成只能在目標(biāo)機上運行目標(biāo)的文件50 目標(biāo)機EPSON L11 開發(fā)平臺51 開發(fā)系統(tǒng)52S1C33209開發(fā)系統(tǒng) 嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的建立n 選定目標(biāo)機（主要是使用的嵌入式處理器）n 在一臺宿主機（普通PC機）上安裝針對目標(biāo)機的編譯工具軟件n 編輯編譯程