嵌入式系統(tǒng)1-概述

嵌入式系統(tǒng)主講：陳波cb@.c入式系統(tǒng)課程簡(jiǎn)介學(xué)時(shí)分配成績(jī)?cè)u(píng)估參考書課程簡(jiǎn)介課程的任務(wù)是學(xué)習(xí)嵌入式計(jì)算機(jī)硬件軟件構(gòu)成，以及嵌入式系統(tǒng)的主流操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)技術(shù)。課程內(nèi)容主要包括嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等。嵌入式體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)主要圍繞ARM體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行，并簡(jiǎn)單介紹sharc。ARM體系結(jié)構(gòu)在嵌入式領(lǐng)域占有相當(dāng)大的比例。學(xué)時(shí)分配總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)講課：26學(xué)時(shí)研討：6學(xué)時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)估平時(shí)成績(jī)：20%課堂研討：40%Project：40%參考書嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理(第2版)，computersascomponents,principlesofembeddedcomputingsystemdesign,waynewolf,機(jī)械工業(yè)出版社，2009ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)(第2版)，馬忠梅等，北航出版社，2007第一章概述計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1.1計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類以往計(jì)算機(jī)分類：大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī)目前計(jì)算機(jī)分類：超級(jí)計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)、亞微計(jì)算機(jī)亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī))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)中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三大領(lǐng)域服務(wù)器利潤(rùn)最大的市場(chǎng)可用性可擴(kuò)展性有效帶寬桌面最廣闊的市場(chǎng)嵌入式潛力最大的市場(chǎng)1.2嵌入式系統(tǒng)的定義英國(guó)電機(jī)工程師學(xué)會(huì)的定義:

“嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或甚至工廠操作的裝置”通常執(zhí)行特定功能以微電腦和外圍構(gòu)成核心嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性要求全自動(dòng)操作循環(huán)精確定義:以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。

1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求1.3.1嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)PC由WINTEL壟斷嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。1.3.2嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步,具有較長(zhǎng)的生命周期軟件和硬件結(jié)合緊密嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性普通處理器18月嵌入式處理器8~10年1.3.3嵌入式系統(tǒng)軟件的特征軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)1.3.4需要主機(jī)開發(fā)工具和環(huán)境通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，但一

般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。但為了保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。需要選配RTOS開發(fā)平臺(tái)1.3.5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士。嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。

因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求。

構(gòu)件化1.4嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件

品種總量已超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半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，Samsung，TI，高通，Philip，AMD等每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)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)

專門設(shè)計(jì)的電路板(類似通用計(jì)算機(jī)中的CPU)只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能

增強(qiáng)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(jì)算機(jī)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(jī)

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(shí)/計(jì)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(diǎn)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(MCU)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(chǎng)份額。

嵌入式DSP處理器(EDSP)DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器(EDSP)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(dòng)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(gè)不同系列的處理器。嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)

整個(gè)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(jiǎn)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(gè)或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA嵌入式外圍設(shè)備嵌入式外圍設(shè)備是指，在嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)試、現(xiàn)實(shí)等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：存儲(chǔ)器類型：靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(RAM/SRAM)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)，非易失型存儲(chǔ)器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲(chǔ)速度快，容量大及價(jià)格便宜等有點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)中都有其廣泛的應(yīng)用，但是以下幾種接口的應(yīng)用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。嵌入式操作系統(tǒng)主流VxWorks：是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)嵌入式Linux：較主流的有MontaVistaLinux等AppleIOS、GoogleAndroid、WindowPhone8：平板電腦、智能手機(jī)ucOS2等2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式視頻服務(wù)器的架構(gòu)數(shù)碼多媒體產(chǎn)品現(xiàn)代化家庭信息家電醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)PACS主要功能：醫(yī)學(xué)影像的采集和數(shù)字化圖像的存儲(chǔ)和管理醫(yī)學(xué)圖像的高速傳輸圖像的數(shù)字化處理和重現(xiàn)圖像信息與其他信息PACS子系統(tǒng)影像實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)

影像分析處理子系統(tǒng) 影像的查詢、管理和存儲(chǔ)子系統(tǒng)圖文編輯及打印子系統(tǒng)數(shù)字圖像回寫子系統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)診子系統(tǒng)系統(tǒng)管