嵌入式系統(tǒng)課件1-概述

Embeddedcomputing

嵌入式計算陳天洲tzchen@參考書嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計原理，computersascomponents,principlesofembeddedcomputingsystemdesign,waynewolf,機械工業(yè)出版社，2002ARM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，2002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1、什么是嵌入式系統(tǒng)2、嵌入式系統(tǒng)組成3、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用4、1、什么是嵌入式系統(tǒng)Embeddedsystem個人電腦≠嵌入式系統(tǒng)計算機工業(yè)的分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：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計算機控制系統(tǒng)單片機掀起電子化浪潮微處理器高速發(fā)展推動了嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的演變8031/8051單片機系統(tǒng)，自行編寫程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器＋pSoS嵌入式操作系統(tǒng)＋tcp/ip協(xié)議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web設(shè)備server以及各種復雜網(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)備嵌入式系統(tǒng)是這個后PC時代的擎天之柱1999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，預計2005年，銷售額將達18000億美元。嵌入式簡單定義嵌入式系統(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?？梢哉J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)狹義定義使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨立系統(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)微處理器專指32位以上的微處理器嵌入式系統(tǒng)的定義以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)

2、嵌入式計算機應(yīng)用遠遠超過了各種通用計算機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：鍵盤、鼠標、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集線器等均是由嵌入式處理器控制的。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CISCO的路由器華為、中興的以太網(wǎng)交換機恒基偉業(yè)的商務(wù)通PDA；摩托羅拉的手機美國宇航局的火星探測器Sony的機器狗AIBO嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（一）

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、車載導航器系統(tǒng)等通信市場

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，移動電話等工業(yè)市場

制造工廠，污水處理系統(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）辦公市場

電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復印機，計時系統(tǒng)，照相機和攝象機運輸市場

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)，供熱和通風系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，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)等軍事武器控制嵌入式系統(tǒng)熱點應(yīng)用信息家電車載系統(tǒng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械信息家電應(yīng)用特點市場巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機界面友好網(wǎng)絡(luò)化車載系統(tǒng)應(yīng)用特點與汽車工業(yè)相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求軍事工業(yè)應(yīng)用特點市場壟斷性強高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求布不高軍事工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用特點市場廣闊，進入門檻較高利潤極高3、嵌入式系統(tǒng)的基本組成

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)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”交叉學科先進的計算機技術(shù)半導體技術(shù)電子技術(shù)各個行業(yè)面向具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品特征

硬件：嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面嵌入式軟件生命周期＝嵌入式產(chǎn)品軟件以只讀存儲器為載體不可以隨意更換嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件

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32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)嵌入式計算機內(nèi)核分類

嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

嵌入式微處理器(EMPU)

通用計算機中的CPU專門設(shè)計的電路板

只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能

增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計算機相似嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機

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、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)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。

代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、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DSP處理器(EDSP)DSP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。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。有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320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。DSP56000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)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng)

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應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔

SOC可以分為通用和專用兩類。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。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SmartXA嵌入式系統(tǒng)軟件的特征

(1)軟件要求固態(tài)化存儲

(2)軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性

(3)系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求

(4)多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標準化道路的基礎(chǔ)

嵌入式軟件主流VxWorks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)。Os-9是主要為高科技產(chǎn)品設(shè)計的，提高了很好的安全和容錯性，并且有很好的升級能力和靈活性。