嵌入式系統(tǒng)概論A版

中明得琴技，大號(hào)

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法概論

Embeddedreal-timesystems

(EmbeddedComputing)

李曦llxx@

陳香蘭xlanchen@

PresentationOutline

?嵌入式系統(tǒng)概述

-嵌入式系統(tǒng)的定義

-嵌入式系統(tǒng)的特征與指標(biāo)

-嵌入式系統(tǒng)分類(lèi)

?發(fā)展方向：CPS?

熱點(diǎn)應(yīng)用示例

-汽車(chē)電子

-課瘟筋就

Ilxx@2/87

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

Ilxx@3/87

EmbeddedSystemsaroundus

Traffic

Management

FaxMachineSecurity5/stem

消費(fèi)電子、通信產(chǎn)品

工業(yè)控制、信息家電T?l?visionPnnter

AircraftFlightControl

AudioSyttrnn

Carrwra

MicrcwxveOvenUltraSoundMachine

USTC

ComputingGrowthDriversOverTime,1960-2020E

Morethan

JustPhonos

1,000,000

Mobile乎ad

InternetSmaftphone

100.000Kindle

DesktopTjkteHOt

10,000InternetMP3

CMahone/

PDA

1000

PC10B*C*rElxkona

Units???GPS.ABS.A?V

100Mobdej

IB*Units/

MinicomputerVkf?G

100MM*UsersHcxne

UnitsEEurtaicment

Mainframe

10MM*Units

Wreto4?Home

1MM*UnitsLAp0mnces

1960197019801990200020102020

Industrialcontrols

Consumere4ecironics

Communications/nelwk

Automotwe

Medical

Electronicinstr

AeraMittary(Nel)

InternetofThings'

Compulers'perphs

Video&imaging

Security

Powergenerationutils

Transportation

Govt&municipal

M2M

Audio

美國(guó)進(jìn)口一部“中國(guó)產(chǎn)"iPhone

?總價(jià)=$179

一日本34%:閃存=$24,屏幕=$35

一德國(guó)17%:GPS+攝像+wiFi=$30

-南韓13%：處理器+零部件=$23

一米國(guó)6%:藍(lán)牙+錄音+3G=$12

-其他：材料+軟件許可+專(zhuān)利=$48

一中國(guó)3.6%：組裝=$6.5

hin.

Ilxx@7/87

WhatisanEmbeddedSystem?

Embed

—LongmanDictionary:tofix(something)

firmlyanddeeply

—WebserDictionary:toenclosecloselyina

surroundingmass

System

-implicitlyacontrollingsystem.

Ilxx@8/87

嵌入式系統(tǒng)的定義（1）

A

“devicesusedtocontrol,monitor,orassistthe

operationofequipment,machineryorplants

-英國(guó)電機(jī)工程師協(xié)會(huì)

-早期的典型應(yīng)用領(lǐng)域在制造業(yè)

?1962年，美國(guó)一個(gè)乙烯廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)裝置中的直接數(shù)字化控制

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嵌入式控制系統(tǒng)的軟/硬件框架》

驅(qū)動(dòng)器1傳感器1

驅(qū)動(dòng)器2傳感器2

機(jī)械裝置

......??????

驅(qū)動(dòng)器N傳感器N

被控對(duì)象

功能層應(yīng)用程序

圖形用戶(hù)

文件系統(tǒng)任務(wù)管理

軟件層接口

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

中間層BSP/HAL硬件抽象層/板極支持包

D/A通用接口

嵌入式

A/DROM

硬件層微處理器

I/OSDRAM

人機(jī)交互接口

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

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嵌入？

單板機(jī)SingleBoardcomputer

-Z80

單片機(jī)SingleChipcomputer

-8051:CPU+片上存儲(chǔ)+I/O控制(INT/DMA)+GPIO

?SOC/SOPC

—System-on-a-Programmable-Chip

—XilinxZynq系歹U

?GPP+DSP+Accelerator+片上存儲(chǔ)+I/O-

可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)

TypicalEmSFunctionalRequirements

?Controllaws

—e.g.PIDcontrol,fuzzycontrol?Sequencing

control

—e.g.FSMs,modechanges,switchingbetween

controllaws

?Signalprocessing

—e.g.voice,video*

Faultresponse

——e.g.detection,reconfiguration

Application-specificuserinterfacedevice

—e.g.buttons,bells,lights

Ilxx@12/87

嵌入式系統(tǒng)定義（2）

?定義2: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(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

-量身定做

-資源有限

-“在過(guò)去的20年中，雖然嵌入式系統(tǒng)仍是許多消費(fèi)電

子設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和軍方設(shè)備中不可見(jiàn)的部分，但它

作為一個(gè)整體已經(jīng)脫穎而出。如今，嵌入式計(jì)算不再

限于簡(jiǎn)單設(shè)備控制，它已經(jīng)能以高實(shí)時(shí)處理率和低能

耗來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的處理任務(wù)”。

?WayneWolf,《高性能嵌入式計(jì)算》

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應(yīng)用程序

應(yīng)用層

文件系統(tǒng)/圖形用戶(hù)應(yīng)用程序接口

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）

軟件

驅(qū)動(dòng)層設(shè)備馬反動(dòng)不呈序、HAL、BSP

硬件

Timer/

UIVIA

SRAM

ADC/DAC

人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)

嵌入式計(jì)算機(jī)組成

llxx@14/87

Characteristics

ApplicationandDomainSpecific

ReactiveandReal-time

Distributed

Heterogeneous

Operateinharshenvironments

Mustmeethigh-integrityqualityattribute

requirements

SmallSizeandWeight

Powerconcerns

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QualityAttributes

ThroughputAvailability/Usefulness

ResponseReliability

SecuritySafety

Maintainable

abilitytoundergo

repairsandevolution

SurvivabilityTmage^lze

FiyurtfromBumsand

Dependability

Figure1.1-Dependability

Ilxx@16/87

性能指標(biāo)

?性能(Performance)

—時(shí)鐘頻率、IPS(instructionspersecond)等

?但不是好指標(biāo)：用戶(hù)關(guān)心數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)生照片的速度

?吞吐率(Throughput)

—Taskspersecond,相機(jī)A每秒處理4幅照片

-吞吐率比延遲可以更好的描述并發(fā)性

?相機(jī)B每秒處理8幅照片(存儲(chǔ)前一幅照片的同時(shí)抓拍一張新照片)

?響應(yīng)時(shí)|司(responsetime)

-任務(wù)開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間

?相機(jī)0.25s完成照片處理

一延遲Jtency)

?加速比(Speedup)

-如B相對(duì)于A的加速比=B的性能/A的性能

Throughputspeedup=8/4=2

“可用性’度量：緩急度函數(shù)r>

?實(shí)時(shí)任務(wù)的松弛度(laxity):決定優(yōu)先級(jí)/實(shí)時(shí)性等

-實(shí)線(xiàn)：導(dǎo)彈，晚了，無(wú)效或炸錯(cuò)，不如不投。

-點(diǎn)線(xiàn)：刷卡消費(fèi)，連接時(shí)間長(zhǎng)后，不耐煩或放棄。

-短線(xiàn)：股票顯示系統(tǒng)，允許一些數(shù)據(jù)延遲，但可用性下降很快，大的延遲造成損失

tardiness

FIGURE3-3Examplesofusefulnessfunctions.

“成本”度量指標(biāo)

Time-to-prototype.thetimeneededtobuilda

workingversionofthesystem

Time-tO-market.thetimerequiredtodevelopa

systemtothepointthatitcanbereleasedandsoldto

customers

UnitCOSt.themonetarycostofmanufacturingeach

copyofthesystem,excludingNREcost

NRECOSt.Theone-timemonetarycostofdesigningthe

system

-Non-RecurringEngineeringcost

Flexibility:theabilitytochangethefunctionalityofthe

systemwithoutincurringheavyNREcost

Time-to-market:ademandingdesignmetric

*aH\

?TTM

-從設(shè)計(jì)開(kāi)始到產(chǎn)品可以銷(xiāo)售所需的時(shí)間

?MarketWindow

MarketWindow

-產(chǎn)品投放市場(chǎng)的最佳時(shí)間

?平均TTM是8個(gè)月

TTM的推遲將導(dǎo)致產(chǎn)品利潤(rùn)下降

Aheadofschedule

Onschedule

Lateby1-2months

Lateby3-6months

Lateby6-12months

Lateby13-18months02014(N-1574)

2013(N=2,055)

Latebymorethan18months■2012(N=1658)

?2011(N7859)

Canceled

RevenueModel

Simplifiedrevenuemodel

—Productlife=2W,peakatW

Peakrevenue

—Timeofmarketentrydefinesa

triangle,representingmarket

penetration

—Triangleareaequalsrevenue

Loss

Delayed

—Thedifferencebetweenthe

Dw2W

on-timeanddelayedtriangle

On-timeDelayedTime

areasentryentry

Lossesduetodelayedmarketentry(cont.)

Area=1/2*base*height

-On-time=1/2*2W*W

-Delayed=1/2*(W-Peakrevenue

D+W)*(W-D)

Percentagerevenueloss

=(D(3W-D)/2W2)*100%

examples

—Lifetime2W=52wks,delayD=4wksD

2W

-(4*(3*26-4)/2*26A2)=22%On-timeDelayed

Time

entryentry

—Lifetime2W=52wks,delayD=10wks

-(10*(3*26—10)/2*26%=50%

產(chǎn)品研發(fā)成本(NRE)與產(chǎn)品成本(UNtCost)

?成本:

——totalcost=NREcost+unitcost*#ofunits

分?jǐn)?Amortizing

-per-productcost=totalcost/#ofunits

=(NREcost/#ofunits)+unitcost

Example

-NRE=$2000,unit=$100

—For10units

—totalcost=$2000+10*$100=$3000

—per-productcost=$2000/10+$100=$300

k_____________________/

7

AmortizingNREcostovertheunitsresultsinanadditional$200perunit

一怦管猜測(cè)，須5年制造第一臺(tái)jP咿邛機(jī)花碗冬限M二的費(fèi)時(shí)費(fèi)用。

Comparetechnologiesbycosts

bestdependsonquantity

—TechnologyA:NRE=$2,000,unit=$100

—TechnologyB:NRE=$30,000,unit=$30

—TechnologyC:NRE=$100,000,unit=$2

Numberofunits(volume)Numberofunits(volume)

But,mustalsoconsidertime-to-market

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

Power

?設(shè)計(jì)目標(biāo)

-設(shè)計(jì)差實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足需求約束的一個(gè)系統(tǒng).

?設(shè)計(jì)才旨標(biāo)(Designmetric)

Performance

-系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可度量特征

?關(guān)鍵問(wèn)題：

NREcost

—optimizingdesignmetrics

,Trade-off:多種設(shè)計(jì)指標(biāo)(性能、功耗、成本)優(yōu)化和權(quán)衡?

硬件、軟件工程師都需要優(yōu)化其設(shè)計(jì)指標(biāo)

DMAcontrollerDisplayCtrl

Software

MemorycontrollerISAbusinterfaceUARTLCDCtrl

邊際收益遞減律

?Thelawofdiminishingmarginalutility

-資源投入對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)出的效用是不斷遞減的

-100

圖2-1邊際產(chǎn)出變化圖

?按應(yīng)用領(lǐng)域

-消費(fèi)電子：信息家電、移動(dòng)終端、通信產(chǎn)品

-安全關(guān)鍵?1:汽車(chē)電子、工業(yè)控制

-位數(shù)：4位?64位

—性能：iW］、中、低5

?按實(shí)時(shí)性能■Q

-實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)<>

?硬實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）r

?軟實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品）,

-非實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)

?按系統(tǒng)特征<fifficfiowality——stressingon-implement"。"?

-反應(yīng)式系統(tǒng)

-DESReal-TimerimingconsTraints

~容錯(cuò)系統(tǒng)Reactive*stressingon

Embeddedhardwarecor^n'aints

§

實(shí)時(shí)=及時(shí)+按時(shí)Figure1:Thereal-timespectrum

"ft

reellimerealtimemltime

?牛津計(jì)算詞典

ComputerUserInternetCrubeTele-FllfhlEleetronk

simulationint?rUc?videocontrolcofnmuniaitiQnscontroltng)n?

-實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指那些產(chǎn)生輸出的時(shí)間至關(guān)重要的系統(tǒng)。

?因?yàn)檩斎雽?duì)應(yīng)于外界的某個(gè)運(yùn)動(dòng)，而輸出又必須與同一運(yùn)動(dòng)相關(guān)。

?自輸入時(shí)刻到輸出時(shí)刻的時(shí)間滯后必須充分小，以達(dá)到可接受的

及時(shí)性。

?Young(1982)

-任何必須在有限、指定的周期內(nèi)對(duì)外部發(fā)生的輸入激

勵(lì)做出響應(yīng)的信息處理活動(dòng)或系統(tǒng)。

?POSIX1003.b

-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)。

?DonaldGillies(1991or1992),廣泛弓|用

-“一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指計(jì)算的正確性不僅取決于程序的

邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間”

Ilxx@29/87

反應(yīng)式系統(tǒng)：激勵(lì)/響應(yīng)系統(tǒng)

?經(jīng)常是實(shí)時(shí)的

-需要在環(huán)境限定的時(shí)間間隔里對(duì)來(lái)自環(huán)境的激勵(lì)做出反映

?“時(shí)刻準(zhǔn)備著”、“按環(huán)境的步調(diào)”

?事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(控制驅(qū)動(dòng)、中斷驅(qū)動(dòng))

-汽車(chē)。手機(jī)、文字處理器？Knrironmcnf

?交互式

—狀態(tài)圖(statechart)、SDL、Petri網(wǎng)：〃

KeyDifferenceswithPC'sApp

Reacttoexternaleventsthatmaybe

particularlyrapid

—Elevatoronasky-scrapperat7:45amor4:55pm

——Missileflyingatlowaltitudeoveramountainousarea?Taskrequestwith

deadlines

Musthandleunusualevents

Auserblockinganelevatordoor

powerblackout

memoryfailure

Ilxx@31/87

HardReal-TimeReactiveSystems

Safetycriticalapplications:

■Avionics,automotive,trainindustries,manufacturingcontrol

Embeddedcontrollersmustfinish

theirtaskswithingiventimebounds.

Sideairbagincar,Reactionin<10mSec

Developerswouldliketoknowthe

Worst-CaseExecutionTime(WCET)

togiveaguarantee

Classic

EmbeddedSystems.

Crankcraft-synchronoustasks,

Reactionin<45//.Sec

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)多角色合作》

SoftwareEngineer

Marketing?designthecode

?studymarketneeds

?determinerequirements

?commonEnglishlanguageManufacturingEngineer

?dimensionsofobjects

?layout,location,etc

DesignArchitectNew

?specifications,behavio

?operatingrangeproductTestingEngineer

?environment7?developteststrategies

?architecture?checksspecifications,

CADengineere.g.,setuptime

?developtools

DesignEngineer

DesignTechnician

?designoffunctionalblocks

?selecttechnology

?interconnectionbetweenblocks

?actualhardwarerealization

?eg,schematic

?blockimplementation

?gate/transistor

Ilxx@33/87

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程"op-down

RequirementSpecific。tion

?<ochpstoextract

msof叭［Mwth

ciassiedtrip!Design

Specification/modelinq

fMar*Arch汁ectureHWArch.Dt

Functional、H/W&sA/Vpartitioning

Mod/Sim尸Lw

allocations

&SM

ArchMod/Sim

tggmg

CodeGen.

Verif.

JLatency/RT

//Analysis

AHoc./Sched.DPL

Analysis5WDeployment

I

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與工具?

?Keil:指令級(jí)系統(tǒng)仿真器

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)Co-design

ModelBasedDesign

ApplicationSpace

ApplicationInWance

try!DesignXilinxISE/XPS:

x->SWEET:WCESystem

團(tuán)妲HWPwr/Platform

Piatfom

Mod/Sim

ArchMod/SimVProInstance

ArchitecturalSpace

PIattomBa與仿

y。?；?MQTOPPAAL:形式化驗(yàn)證,modelchecker

^^\Analysis

SWDeploys

SystemPlatformStack

(meeting-in-the-middle)

“YChart”Approach:建模與分析］

ApplicationPlatform

ModelModel

Applic.ConstraintsResourcesQoS

?EnvironmentParams.?Capacity,speed,etc

?QualityRequirements?Reliability(availability,

?DesignConstraintsfaulttolerance,etc.)

Allocation

Alloc.InformationutFilesfor'---

?Applic.toPlatformnalysis

mapping

?Allocation-specific

propertiesAnalysisTools

Specificationof

Non-FunctionalProperties!

GeneratedCode

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)科與領(lǐng)域

?ME>EE>CE、SE、CS等

對(duì)象學(xué)科（嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域）

自動(dòng)控制、儀器儀表、通信工程、信息技術(shù)

-計(jì)算機(jī)學(xué)科（嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）

-體系結(jié)構(gòu)、軟硬件平臺(tái)、開(kāi)發(fā)環(huán)境。

-電子技術(shù)學(xué)科（電子電路設(shè)計(jì)）

-電路設(shè)計(jì)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、EDA、CPLD

-微電子學(xué)科（集成電路設(shè)計(jì)）

-ASIC、SoC、IP設(shè)計(jì)

Closelyrelatedareas:

Computerarchitecture.

Softwareengineering.Seldomanyoneof

Low-powerdesign.ushastheclear

Operatingsystems.

pictureofthewhole.

Programminglanguagesandcompilers.

Networking.

Secureandreliablecomputing.

Ilxx@37/87

UCB嵌入式系統(tǒng)研究與教學(xué)體工

S

E

l

u.Largeresearchprojects

一

0」「(e.g.PATH.GSRC,CHESS)

6

布

1Advancedcourses(290

S

Qseries)

P

O

E

Graduatecourses(e.g.

EE249:EmbeddedSystem

EDesign:Modeling,Validation

9

致andSynth8s⑸

s

C$152/252ArchitectureUndergraduatecourses(e.g.

O

EE141/142/241/242AnalogandDigitalDesign

oEE20:StructureandInterpretation

EECS145M/145LMicrocomputer/electronicsofSignalsandSystems)

EE125/128IntroductorycontrolsandroboticsE

\______4______AA______ZA______

EE20:STrucfureondInferprefofion

ofSignalsandSystems

k_________________________________________________________J

本課程目標(biāo)

?針對(duì)“嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)”

?重點(diǎn)是設(shè)計(jì)與分析，而不是簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)!

—Understandingofthebroadconceptofembedded

systems

—Practicalunderstandingforindustry

—Tostimulateresearchinterest

FindProblem

FindSolution

KnownProblem

FindSolution

編程人員KnownProblem

KnownSolution

系統(tǒng)管理員、DBA…

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法》要點(diǎn)

號(hào)統(tǒng)級(jí)和模型驅(qū)動(dòng)的工程化方法。

-步驟：設(shè)計(jì)、分析、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證

?討論嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題

-設(shè)計(jì)平臺(tái)與工具(微處理器、OS、仿真調(diào)試)

—數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

-軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

-系統(tǒng)建模與描述方法

-低功耗設(shè)計(jì)

-性能分析

-嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方法

-實(shí)町系統(tǒng)設(shè)計(jì)

—可罪性設(shè)計(jì)(Fault-Tolerant)

-分布式嵌入式系統(tǒng)

Ilxx@40/87

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法》大綱

?嵌入式系統(tǒng)概論

?嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

-系統(tǒng)硬件平臺(tái)：微處理器架構(gòu)，I/。系統(tǒng)，通信

-系統(tǒng)軟件平臺(tái)：RTOS(uC/OS,FreeOS,RTX,RTEMS)

-SOPC方法Hardwarearchitectures

?CPUs,co-design,multiprocessors,

實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)networks