第1課 嵌入式系統(tǒng)概述

1、嵌入式系統(tǒng)An Introduction to Embedded System第1課 嵌入式系統(tǒng)概述陳文智 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2009年4月1提綱 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研2嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用可剪裁軟硬件，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能 34計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的劃分桌面通用型高端服務(wù)型小型專用型5嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(1/7)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)是專用而確定的心臟監(jiān)視器只

2、需運(yùn)行信號(hào)輸入、信號(hào)處理、心電圖顯示任務(wù)如要更改任務(wù)，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或在線維護(hù)桌面通用系統(tǒng)需要支持大量的、需求多樣的應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)中運(yùn)行的程序不作假設(shè)程序升級(jí)、更新等方便6嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(2/7)嵌入式系統(tǒng)往往對(duì)實(shí)時(shí)性提出較高的要求。實(shí)時(shí)系統(tǒng)：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)。（POSIX 1003.b ）嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為：強(qiáng)實(shí)時(shí)型：響應(yīng)時(shí)間sms級(jí)；一般實(shí)時(shí)：響應(yīng)時(shí)間mss級(jí)；弱實(shí)時(shí)型：響應(yīng)時(shí)間s級(jí)以上。7嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(3/7)嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)一般是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)數(shù)量眾多，如：VxWorksWindow

3、s CEpSOSQNX國(guó)產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如：HOPENDeltaOS。OS8嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(4/7)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行需要高可靠性保障，比桌面系統(tǒng)的故障容忍能力弱很多嵌入式系統(tǒng)需要忍受長(zhǎng)時(shí)間、無人值守條件下的運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境惡劣9嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(5/7)嵌入式系統(tǒng)大都有功耗約束。如：珍貴文物微氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)要求1分鐘采樣一次，每個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)采用電池供電，1年更新一次。采用常規(guī)的方法，能量只能持續(xù)工作5天！引入間歇工作方式，從而降低功耗，節(jié)省能量。10嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(6/7)嵌入式系統(tǒng)比桌面通用系統(tǒng)可用資源少得多為降低系統(tǒng)成本，降低功耗，嵌入

4、式系統(tǒng)的資源配置遵循夠用就行！嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要專用工具和特殊方法：開發(fā)：交叉編譯、交叉鏈接調(diào)試：仿真器、虛擬機(jī)更新：在線升級(jí)等11嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(7/7) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)綜合的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：狀態(tài)控制器、中斷控制器處理匯編語言：操縱外圍設(shè)備、端口操作系統(tǒng)：設(shè)置運(yùn)行任務(wù)、通訊、互斥編譯原理：交叉編譯、bootloader加載12提綱 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研13嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，40多年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各

5、項(xiàng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)迅猛擴(kuò)大，已深入生產(chǎn)和生活的各個(gè)角落。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起 （19601970）嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（19711989）嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展 （1990至今）14嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起第一代電子管計(jì)算機(jī)(19461957年)，無法滿足嵌入式計(jì)算所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等一系列要求。60年代，第二代晶體管計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始應(yīng)用：第一臺(tái)機(jī)載專用數(shù)字計(jì)算機(jī)是美國(guó)海軍艦載轟炸機(jī)“民團(tuán)團(tuán)員”號(hào)研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。1962年美國(guó)乙烯廠實(shí)現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個(gè)直接數(shù)字控制。19651970年，第

6、三代集成電路化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用：第一次使用機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)控制：1965年發(fā)射的Gemini3號(hào)第一次通過容錯(cuò)來提高可靠性：1968年阿波羅4號(hào)、土星5號(hào)。15嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟、硬件日臻完善嵌入式系統(tǒng)的大發(fā)展是在微處理問世之后：1971年11月，Intel公司推出了第一片微處理器Intel4004。 人們?cè)僖膊槐貫樵O(shè)計(jì)一臺(tái)專用機(jī)而研制專用的電路、專用的運(yùn)算器了，只需以微處理器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1976年，第一個(gè)單片機(jī)Intel 8048出現(xiàn)。1982年，第一個(gè)DSP出現(xiàn)，比同期的CPU快1050倍。80年代后期，第三代DSP芯片出現(xiàn)。軟件技術(shù)的進(jìn)步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善：早期嵌入式系統(tǒng)：采用匯編

7、語言，基本不采用操作系統(tǒng)硬件的提升軟件技術(shù)發(fā)展16嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展 應(yīng)用充分普及：工業(yè)控制、數(shù)字化通訊、數(shù)字化家電汽車：50個(gè)以上嵌入式微處理器飛機(jī)：70個(gè)以上嵌入式系統(tǒng)嵌入式微處理器32位、64位嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用比率越來越高早期：10；90年代初：30；目前：8090嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具越來越豐富嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈形成17嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈18嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模及平均增長(zhǎng)率（20032006）19嵌入式軟件系統(tǒng)生命周期發(fā)展20提綱 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研21嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)一般由嵌

8、入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個(gè)部分組成 22一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用23嵌入式微處理器1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOCARM RISC （ARM）TMS320 DSP（TI）Trimedia （Philips）StrongARM （Intel）Xscale （Intel）MIPS RISC （MIPS）DragonBall（Motorola）24外圍硬件設(shè)備 （1/2）片外總線：連接系統(tǒng)各個(gè)部件，進(jìn)行互連和傳輸信息的信號(hào)線。ESIA總線、SCSI總線、PCI總線AMBA總線：ARM研發(fā)的總線規(guī)范專用總線CompactP

9、CI總線：工業(yè)控制CAN總線：汽車電子總線1553B總線：航空工業(yè)總線電子盤：采用flash芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，體積小、功耗低、抗震DOC：Disk on ChipDOM：IDE電子盤CF：CompactFlashSM：Smart MediaMS：Memory Stick25外圍硬件設(shè)備 （2/2）I/O設(shè)備A/D、D/A中斷控制器UARTLCD通訊設(shè)備有線通訊：IEEE1394、USB無線通訊：IrDA、Bluetooth、802.11b/g26嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)典型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）近200種操作系統(tǒng)，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS面向SOC的操作系統(tǒng)：Symbi

10、an的Epoc、Express Logic的ThreadX、ATI的Nucleus開放源碼的操作系統(tǒng)：Linux系列、uC/OS典型性能指標(biāo)內(nèi)核大?。簬譑幾百K；調(diào)度時(shí)間片：1ms；實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間：2040微妙一般任務(wù)響應(yīng)時(shí)間：20微妙幾百毫秒27提綱 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研28嵌入式技術(shù)的應(yīng)用手機(jī)韓國(guó)電信手機(jī)/電視遙控器二合一產(chǎn)品Sony Ericsson超小型手機(jī)電腦手機(jī)放在底座上成為電腦Nokia手機(jī)戶外音響內(nèi)置 DVB-H 移動(dòng)電視手機(jī)普通手機(jī)智能手機(jī)與PDA結(jié)合29智能家居智能家電Roto-

11、Rooter公司馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb 鬧鐘 不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶 i.Master浙江大學(xué)智能割草機(jī)浙江大學(xué)顯示營(yíng)養(yǎng)智能果汁機(jī)嵌入式技術(shù)的應(yīng)用智能家居30嵌入式技術(shù)的應(yīng)用PDA個(gè)人信息助理掌上電腦PDA 手機(jī) + GPS 導(dǎo)航 Dopod U1000，且支持SkyPEMap-Star的GPS定位設(shè)備華碩GPS導(dǎo)航器SONY GPS導(dǎo)航器Nokia 6110 四頻 HSDPA / GPS 導(dǎo)航器31嵌入式技術(shù)的應(yīng)用PMPiLuv可即時(shí)將視頻錄制到iPod/閃存卡上，與以前

12、技術(shù)相反Sony家用影音綜合設(shè)備XtremeMac開發(fā)的iPod音箱IPEVO支持Skype電話Nike的 iPod 帽Meizu M8Ipod nanoArchos帶Wifi的704Portable Media Player32錄音筆FLY數(shù)字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內(nèi)容能“閱讀”寫作和糾正語法錯(cuò)誤完成簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數(shù)字便箋存儲(chǔ)100頁便箋 2000LPI分辨率32MB板載內(nèi)存可通過USB連接電腦筆跡識(shí)別軟件Polymer Vision手機(jī)書嵌入式技術(shù)的應(yīng)用辦公用品33嵌入式技術(shù)的應(yīng)用手表Martin Frey手表日程表和手機(jī)聯(lián)動(dòng)獲取網(wǎng)絡(luò)連接和GPS

13、定位信息手表手機(jī)：M3001英寸的顯示屏USB接口可播放音樂支持藍(lán)牙Nike的Speed+手表結(jié)合 iPod 和運(yùn)動(dòng)計(jì)測(cè)韓國(guó)防性罪犯的電子手鐲可追蹤罪犯的定位和坐標(biāo)愛國(guó)者視頻MP4手表34嵌入式技術(shù)的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)玩具游戲GTX公司定位的運(yùn)動(dòng)跑鞋內(nèi)置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓次世代三大主流三款主機(jī)Xbox 360，WII，PS3GameCube XboX360PS3Wii, 手柄, 手套, 槍35嵌入式技術(shù)的應(yīng)用攝像器材數(shù)碼相機(jī)DV36嵌入式技術(shù)的應(yīng)用多媒體終端IP電話視頻會(huì)議可視電話基于視頻電話的小型視頻會(huì)議系統(tǒng)(MCU) 語音識(shí)別電話基于H.323協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)視頻電話37嵌入式技術(shù)的應(yīng)用

14、家庭音響引入計(jì)算機(jī)技術(shù)的音響配備B&O與Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院Sonos ZP80無線音響LG HD DVD/藍(lán)光播放器Motorola支持M卡的 HD DVR 錄像機(jī)iPhone38嵌入式技術(shù)的應(yīng)用電視高清電視數(shù)字電視立體顯示技術(shù)LG內(nèi)置數(shù)字錄像機(jī)的 LCD TVAppleTV:Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of L2 高速緩存nVidia G72M 顯示卡 64MB DDR2 內(nèi)存內(nèi)置的 40GB 硬盤播放 iTunes能輸出 1080p 高畫質(zhì)影像的 iPod Dock數(shù)字電視機(jī)頂盒39嵌入式技術(shù)的應(yīng)用通訊設(shè)備有計(jì)算機(jī)能力的各種通訊設(shè)備路

15、由器/交換機(jī)/防火墻等Buffalo 路由器 / USB 網(wǎng)卡套裝VPN產(chǎn)品千兆網(wǎng)關(guān)防火墻 40嵌入式技術(shù)的應(yīng)用儀器儀表DCG (動(dòng)態(tài)心電圖儀)便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中醫(yī)指套傳感器脈象虛擬儀器推拿手法測(cè)試儀電動(dòng)機(jī)故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng) 監(jiān)控儀手持儀41嵌入式技術(shù)的應(yīng)用交通相關(guān)汽車電子處理器個(gè)數(shù)可達(dá)三位數(shù)車載娛樂，定位等車控ABS、EBD等其他中國(guó)版月球車汽車立體聲音響HD Radio擴(kuò)展包 改裝遮陽板 DVD / TV / MP342嵌入式技術(shù)的應(yīng)用軍工武器控制系統(tǒng)數(shù)字化單兵系統(tǒng)有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震動(dòng)和沖擊溫度和濕度21世紀(jì)部隊(duì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)夜視掃描、全球定位、指揮通信43嵌入式技

16、術(shù)的應(yīng)用新興硬件GPS/藍(lán)牙雙拼模塊芯片龍芯2號(hào)增強(qiáng)型處理器芯片Intel進(jìn)入二十倍數(shù)時(shí)代，五年后給我們八十核心處理器服用的 RFID 芯片 Intel Tolapai計(jì)劃要把南北橋做在芯片中44提綱 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研45課程應(yīng)該扮演什么角色？領(lǐng)域多樣性教學(xué)多樣性實(shí)現(xiàn)多樣性通訊 汽車電子信息家電消費(fèi)產(chǎn)品 其它控制電子工程計(jì)算機(jī)信電儀器儀表硬件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件綜合46嵌入式系統(tǒng)課程的地位嵌入式系統(tǒng)理論嵌入式體系結(jié)構(gòu) 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式軟件開發(fā)計(jì)算機(jī)組成操作系統(tǒng)原理計(jì)算體系結(jié)構(gòu)信號(hào)與系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)實(shí)

17、時(shí)系統(tǒng)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件硬件協(xié)同 機(jī)器人其它研究熱點(diǎn)文獻(xiàn)閱讀項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。競(jìng)賽472002年2003年浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系開始開設(shè)微機(jī)課程在軟件學(xué)院開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)組成員多次參加INTEL全國(guó)高校嵌入式教學(xué)研討會(huì)2004年與IBM展開嵌入式，操作系統(tǒng)等相關(guān)課程聯(lián)合教學(xué)2004-2006自編講義和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,陸續(xù)出版相關(guān)的教材2007年不斷豐富和改革實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、建立了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 開設(shè)歷史微軟教育部精品課程”和“教育部英特爾精品課程”國(guó)家精品課程48教材與教學(xué)內(nèi)容自編教材為主、國(guó)內(nèi)優(yōu)秀教材和規(guī)劃教材為參考、外文教材為指導(dǎo) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實(shí)踐 邊干邊學(xué)Linux內(nèi)核指導(dǎo) 本門課程分?jǐn)?shù)比例分配如下出勤、課堂討論等平時(shí)成績(jī)：約30實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量與成績(jī)： 約50期終考查（或考試）成績(jī)： 約20有特色貢獻(xiàn)者可以在以上總分的基礎(chǔ)上再加分。課程共設(shè)64課時(shí)，理論課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課32學(xué)時(shí)49教材主教材參考教材50教學(xué)條件（實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5次更新?lián)Q代1）2002使用自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2）2003年由Intel捐贈(zèng)了Xscale （Sitsang）及EIA 各15套，HP公司捐贈(zèng)的Pocket PC h5500共計(jì)180套。3）2004年由與億道公司合作，購買Pxa255實(shí)驗(yàn)板30套、龍珠實(shí)驗(yàn)板30套以及相關(guān)