第一章、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計概論

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計陳天洲參考書l嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計原理，computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 機械工業(yè)出版社，2002lARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)，馬忠梅等，北航出版社，2002l嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado，孔祥營等，中國電力出版社，2002第一課、嵌入式系統(tǒng)概述l嵌入式系統(tǒng)的歷史與概念嵌入式系統(tǒng)的歷史與概念l無所不在的嵌入式系統(tǒng)無所不在的嵌入式系統(tǒng)l普適計算普適計算l嵌入式系統(tǒng)的基本組成嵌入式系統(tǒng)的基本組成與設(shè)計與設(shè)計l嵌入式

2、熱點領(lǐng)域嵌入式熱點領(lǐng)域一、什么是嵌入式系統(tǒng)lEmbedded systeml個人電腦嵌入式系統(tǒng)計算機工業(yè)的分類l以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機l目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機l亞微計算機(嵌入式計算機) 是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中歷史l電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的歷史幾乎電腦自身的歷史一樣長l計算機控制系統(tǒng)l單片機掀起電子化浪潮l微處理器高速發(fā)展推動了嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的演變l8031/8051單片機系統(tǒng)，自行編寫程序；l68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡單的操作系統(tǒng)；l32位嵌入式處理器pSoS嵌入式

3、操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；l各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設(shè)備server以及各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧GUI圖形界面無線模塊現(xiàn)代可移動的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備后PC技術(shù)的時代l小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡(luò)家電，智能家電，車載電子設(shè)備l嵌入式系統(tǒng)是這個后PC時代的擎天之柱l1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達到13000億美元，預(yù)計2005年，銷售額將達18000億美元。嵌入式簡單定義l嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中。l可以認為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)狹義定義l使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨

4、立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)l微處理器專指32位以上的微處理器嵌入式系統(tǒng)的定義l以應(yīng)用為中心以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用的專用計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 二、無所不在的嵌入式系統(tǒng)無所不在的嵌入式系統(tǒng)l嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用遠遠超過了各種通用計算機l一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器：l鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、USB集線器等均是由

5、嵌入式處理器控制的。l在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。 經(jīng)典應(yīng)用lCISCO的路由器l華為、中興的以太網(wǎng)交換機l恒基偉業(yè)的商務(wù)通PDA；l摩托羅拉的手機l美國宇航局的火星探測器lSony的機器狗AIBO嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（一） l家用市場家用市場 機頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、車載導(dǎo)航器系統(tǒng)等l通信市場通信市場 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動電話等l工業(yè)市場工業(yè)市場 制造工廠，污水處理系

6、統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護和測試的工具，石油提煉和相關(guān)的貯運設(shè)施，建筑設(shè)備，計算機輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機器人系統(tǒng)等l商業(yè)和金融市場商業(yè)和金融市場 自動柜員機，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（二）l辦公市場辦公市場 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復(fù)印機，計時系統(tǒng)，照相機和攝象機l運輸市場運輸市場 航空、鐵路、公路運輸系統(tǒng)，燃料服務(wù)，航空管理，信令系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應(yīng)急設(shè)備等l建筑市場建筑市場 電力供應(yīng)，備用電源和發(fā)電機，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風(fēng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車

7、庫管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險柜，警鈴等l醫(yī)療市場醫(yī)療市場 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等l軍事軍事 武器控制嵌入式系統(tǒng)熱點應(yīng)用l信息家電l車載系統(tǒng)l軍事工業(yè)l醫(yī)療器械信息家電應(yīng)用特點l市場巨大l低成本要求l利潤空間小l競爭激烈l人機界面友好l網(wǎng)絡(luò)化車載系統(tǒng)應(yīng)用特點l與汽車工業(yè)相配套l利潤空間較大l可靠性要求較高l無線通訊要求軍事工業(yè)應(yīng)用特點l市場壟斷性強l高利潤l可靠性要求高l安全性要求高l成本要求布不高軍事工業(yè)產(chǎn)品l數(shù)字化單兵信息裝備l夜視掃描、全球定位、指揮通信醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用特點l市場廣闊，進入門檻

8、較高l利潤極高三、普適計算普適計算 Pervasive Computing l普適計算是指使用小型計算設(shè)備、在位置不斷移動的過程中或在地理位置分布很廣的范圍內(nèi)，在不穩(wěn)定的通信條件下實現(xiàn)聯(lián)機事務(wù)處理和企業(yè)核心數(shù)據(jù)訪問。 l普適計算是指無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式；l主要針對移動設(shè)備；l普適計算設(shè)備可以一直或間斷地連接著網(wǎng)絡(luò) 普適計算和無線互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)計算比較l普適計算是網(wǎng)絡(luò)計算的自然延伸 l它使得不僅PC機而且其它小巧的智能設(shè)備也可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，從而方便人們即時地獲得信息并采取行動 l人們就可以以一種一致的方式，使用所喜歡的設(shè)備（主要是嵌入式系統(tǒng)設(shè)備），隨時隨地獲得信息 普適計算需

9、要的條件 l第一，處理器價格越來越便宜，而體積越來越小，使得計算機功能得以廣泛應(yīng)用?？梢詫⒂嬎銠C部件安裝在任何用于監(jiān)控或采集數(shù)據(jù)的各種小型計算物理設(shè)備上，例如家用電器、數(shù)據(jù)采集器、跟蹤器等。l第二，高的網(wǎng)絡(luò)帶寬也確保了網(wǎng)絡(luò)連接更快、更方便、更便宜，更完善的網(wǎng)絡(luò)保證了網(wǎng)絡(luò)連接的質(zhì)量和效率。l第三，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用的蜂窩技術(shù)也有了很大的發(fā)展。蜂窩式移動通訊系統(tǒng)的覆蓋能力和范圍比任何通信系統(tǒng)都要廣，且價格低廉。 蜂窩電話不必插在墻壁上，用戶在任何地方都能打。通過蜂窩技術(shù)的連接，不用物理連線就可以將POS銷售機連到局域網(wǎng)上。 普適計算的特性 l間斷連接l普適計算的第一個特征是間斷連接，是服務(wù)器能否不時

10、地同用戶（特別是移動用戶）保持聯(lián)系。用戶必須能夠存取服務(wù)器信息，在中斷聯(lián)系的情況下，可以處理這些信息。 l輕量計算l即計算資源相對有限。普適計算主要用于商業(yè)用途的數(shù)據(jù)處理，通常針對移動辦公的工作人員和需要經(jīng)常在旅途中存取公司系統(tǒng)數(shù)據(jù)的職員，他們需要不受地域和時間限制地獲取和處理核心系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)。 普適計算對數(shù)據(jù)庫的要求 l第一，在普適計算設(shè)備上安裝一個系統(tǒng)開銷低的小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于在本地存取信息。 l第二，在軟件的分布、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)、移動存取等方面，要具備高效、實時的數(shù)據(jù)復(fù)制能力。 l第三，普適計算也與電子商務(wù)緊密聯(lián)系在一起，那些電子商務(wù)應(yīng)用程序要求能夠交流、存取信息。普適計算對于系統(tǒng)

11、開銷的要求 l按普適計算對于系統(tǒng)開銷的要求通常可以分為三種類型，分別使用三類操作系統(tǒng)，適用于不同類型的用戶，針對不同的市場，有三種不同的數(shù)據(jù)存儲需求。l第一種是Windows CE，它具有典型的前端辦公形式應(yīng)用程序，是用于商務(wù)處理的完整操作系統(tǒng)，在小型輕便個人計算機上運行。用戶用微型鍵盤輸入數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)開銷大約為2 MB，所以數(shù)據(jù)庫的開銷很小 ，大約只有1 MB，物理存儲量約在500 MB600 MB之間。 l第二種是手持設(shè)備（又叫掌上機，Palm），運行生產(chǎn)商特制的掌上機操作系統(tǒng)（Palm OS）。這種設(shè)備比Windows CE設(shè)備更小，通過手寫筆進行數(shù)據(jù)錄入，配有一個很小的瀏覽窗口。通常

12、該設(shè)備上數(shù)據(jù)庫可用的內(nèi)存容量小于1MB，物理存儲量在500 MB以下。 l第三種設(shè)備的代表是汽車的內(nèi)置計算機部件。這種設(shè)備只有100 KB的內(nèi)存，沒有硬盤存儲，運行用專用的實時操作系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)的操作系統(tǒng)。普適計算用途及前景 l普適計算主要用于商業(yè)，通常針對移動辦公的工作人員和需要經(jīng)常存取公司系統(tǒng)信息的職員。 l數(shù)字家庭能通過家庭網(wǎng)關(guān)將寬帶網(wǎng)絡(luò)接入家庭，家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)可以是無線或有線的。在家庭內(nèi)部，手持設(shè)備、PC或者家用電器通過有線或者無線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)，從而提供了一個無縫、交互和普適計算的環(huán)境。 四、嵌入式系統(tǒng)的基本組成與設(shè)計 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)

13、用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”交叉學(xué)科l先進的計算機技術(shù)l半導(dǎo)體技術(shù)l電子技術(shù)l各個行業(yè)l面向具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品特征嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品特征 l硬件：嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面l嵌入式軟件生命周期嵌入式產(chǎn)品l軟件以只讀存儲器為載體l不可以隨意更換嵌入式處理器 l嵌入式系統(tǒng)的核心部件 l品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半嵌入式系統(tǒng)硬件主流l32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心l主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等l每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)

14、嵌入式計算機內(nèi)核分類 l嵌入式微處理器嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) l嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) l嵌入式嵌入式DSP處理器處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) l嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 嵌入式微處理器嵌入式微處理器(EMPU) l通用計算機中的CPUl專門設(shè)計的電路板 l只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能 l增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面l功能與和工業(yè)控制計算機相似l嵌入式處理器目前主

15、要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)l又稱單片機 l以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)l微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)l代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC6

16、8HC05/11/12/16、68300等。l另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。 嵌入式嵌入式DSP處理器處理器(EDSP) lDSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。l在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式嵌入式DSP處理器處理器(EDSP)l有代表性的產(chǎn)

17、品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。lTMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。lDSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)l在一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng) l整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去l應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔 lSOC可以分為通用和專用兩類。l通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。l專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA嵌入式系統(tǒng)軟件的特征嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 l(1) 軟件要求固態(tài)化存儲 l(2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 l(3) 系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求 l(4) 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ) 嵌入式軟件主流lVxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。lOs-9是主要為高科技產(chǎn)品