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1、1 嵌入式系统 第一讲 引言 于哲舟 教授、博士生导师 Email：yuzz Tel:18804310520 2 本节提要 1 1 3 3 2 2 5 5 4 4 为什么要学习嵌入式系统 嵌入式系统的定义、特点及架构 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统与单片机、PC的区别 嵌入式系统的应用领域 3 计算机发展史上的重要里程碑 18000个电子管 总体积约90立方米 重达30吨 占地170平方米 每秒5000次加法 无程序存储器 l第一台电子数字计算机（ENIAC） l时间：1946年2月14日完成； l承担单位：美国宾夕法尼亚大学； l设计人：莫契利、埃克； l设计目的：陆军试炮场的弹道计算。
2、4 l计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。 l电子管(真空管) 20世纪初 l1904，英国人，弗莱明，真空二极管。 l1906，德福雷斯特，真空三极管。 l体积大 l功耗高 l寿命短 l可靠性差 1. 计算机的发展史 5 l第二代：晶体管计算机的诞生 l1954，贝尔实验室，TRADIC l（装有800个晶体管）。 l1958，IBM公司，第一台全部使用晶体管的计算机RCA501 型。 l计算速度每秒几十万次 l主存容量10万以上。 计算机发展史上的重要里程碑 6 l计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。 l半导体晶体管（晶体管）（1948年） l贝尔实验室 l特点 l体积
3、小 l功耗低 l可靠性高 1. 计算机的发展史 7 l第三代：计算机(集成电路芯片) l时间：1964， l研制单位：IBM公司， l设计人：吉恩阿姆达尔 G.Amdahl l主持设计IBM 360系统 l兼容性 l指令 l软件 l外设 计算机发展史上的重要里程碑 8 l计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。 l集成电路芯片 (Integrated Circuits) （1959年） l基尔比 l“第一块集成电路的发明家” l诺依斯 l“提出了适合于 l工业生产的 l集成电路理论”的人。 l特点 l速度快 l功耗低 l可靠性高 1. 计算机的发展史 9 l第四代计算机(超大规模集成电路
4、) l全面使用大规模集成电路 l克雷公司的Cray系列 lILLIAC-IV计算机 lIBM公司的370系列等 l日本富士通公司的M系列 计算机发展史上的重要里程碑 10 1. 计算机的发展史 l计算机的发展是伴随着微电子器件的发展而发展的。 l集成电路芯片 (Integrated Circuits) （1959年） l按晶体管集成度 lSSI(小规模集成电路) 100个以下 lMSI(中规模集成电路) 100 3000 lLSI(大规模集成电路) 30003万 lVLSI(超大规模集成电路) 10 万1亿 lULSI(甚大规模集成电路) 1亿以上 11 Chapter 1 Computer
5、Abstractions and Technology 11 处理器和存储器制造技术 Year计算机中使用的技术相对性能/单价 1951真空管1 1965晶体管35 1975集成电路900 1995大规模集成电路2,400,000 2005超大规模集成电路6,200,000,000 12 1965，Intel公司的创办人摩尔发现 ：“在相等面积(制作成本)上，CPU上的 晶体管数量以每18个月倍增的趋势增加 ，执行性能的提升大体也符合这个趋势 。” 摩尔定律 13 计算机发展史上的重要里程碑 l存储程序概念的提出 l 1945，冯诺依曼（John Von Naumann） l“存储程序控制计算
6、机结构”(即 诺依曼机） l五大部件 l采用二进制 l程序和原始数据先存入存储器 ，然后再启动计算机工作。 l奠定了现代计算机的体系结构 14 l 第一台存储程序计算机 l1949 ， EDSAC（埃迪萨克） l英国剑桥大学威尔克斯 （M.Wilkes ） l由3000只电子管为主要元件 计算机发展史上的重要里程碑(附录) 15 l微型计算机的出现 l1971，Intel公司推出了微处理器芯片。 l1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM l PC个人电脑出世。 计算机发展史上的重要里程碑（ 16 微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有
7、 元件都放入同一块芯片内的产品，微处理器诞生了。 1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004 复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而4004 和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的 中央处理器。 1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 1989年4月i486问世 1993年推出了全新一代的高性能处理器Pentium 586 17 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 17 计算机革命 l计算机技术的进步 l按摩尔定律持续增长 l使许
8、多新应用成为可行 l车载计算机 l手机 l人类基因项目 l万维网 l搜索引擎 l计算机应用非常广泛 1.1 Introduction 18 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 18 计算机分类 l桌面计算机 l广泛应用,运行大量的第三方软件 l主要特点是性能良好，价格低廉 l服务器 l基于网络访问 l大容量，良好的性能和高可靠性 l服务器的功能和价格有很大的伸缩范围Range from small servers to building sized l嵌入式计算机 l通常和硬件集成在一起 l面向单一需求的嵌入式应用通常被严格限制成本或功
9、耗 19 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 19 19972007，手机、PC和电视的年销售数量 20 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 20 理解程序性能 l算法 l决定源代码的数量和执行I/O操作的数量 l程序语言，编译器和体系结构 l决定每行源代码对应机器指令的数量 l处理器和存储器系统 l决定指令执行的速度快慢 lI/O系统（硬件和操作系统） l决定I/O操作执行的速度快慢 21 Chapter 1 Computer Abstractions and Technolo
10、gy 21 Below Your Program l应用软件(Applications software) l用高级语言编写 l系统软件(System software) l编译程序：把用高级语言编写的程序翻译成机器代码 l操作系统：提供各种服务和监控 l处理基本的输入和输出操作 l分配外存和内存 l为多个应用程序提供共享计算机资源的服务 l硬件（Hardware） l处理器，存储器，输入和输出设备 1.2 Below Your Program 22 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 22 程序语言级别 l高级语言 l最接近问题领域的
11、抽象级别 l提供了语言的高效性和可移植 性 l汇编语言 l指令的文本表示 l机器语言 l二进制数字（位） l可编码指令和数据 23 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 23 计算机组成部件 l所有种类的计算机都有相同的组成部件 l桌面计算机, 服务器,嵌入式计算机 l输入和输出部分包括 l用户界面设备 l显示器，键盘，鼠标 l存储设备 l硬盘, CD/DVD, 闪存flash l网络适配器 l与其他计算机通信 1.3 Under the Covers The BIG Picture 24 Chapter 1 Computer Abstr
12、actions and Technology 24 桌面计算机 Output device Input device Input device Network cable 25 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 25 打开机箱Opening the Box 26 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 26 多核处理器内部构成 lAMD Barcelona: 4 核处理器 27 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 27 抽象
13、 l抽象（层次结构）便于构建复杂系统 l掩盖底层计算机系统细节 l指令集-体系结构（ISA） l硬件和底层软件之间的接口 l应用二进制接口（ABI） l基本指令集和操作系统接口 l实现 l相关的细节和接口The details underlying and interface The BIG Picture 28 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 28 数据安全 l易失性主存储器 l断电时会丢掉所有数据 l非易失性二级存储器 l磁盘 l闪存 l光盘 (CDROM, DVD) 29 Chapter 1 Computer Abstract
14、ions and Technology 29 网络 l通信， 资源共享，远距离访问 l局域网 (LAN): 以太网Ethernet l同一个建筑物内 l广域网 (WAN）: the Internet l无线网: WiFi, Bluetooth 30 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 30 响应时间和吞吐率 l响应时间 l完成某任务需要的总时间时间，包括硬盘访问、内 存访问、I/O活动、操作系统开销和CPU执行时间等。 l吞吐率 l也叫带宽，单位时间内完成的任务数量 l例如，任务数，交易数 /小时 l响应时间和吞吐率受哪些因素影响？ l
15、更换更高型号的处理器？ l增加多个处理器来分别处理独立的任务? l现在我们把重点放在响应时间上 31 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 31 相对性能 l定义：性能 = 1/执行时间 l“X是Y的 n 倍快” l举例: 运行一个程序 l计算机A需要10s, B需要15s l执行时间B / 执行时间A= 15s / 10s = 1.5 l因此 A 是 B 的1.5倍快。 32 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 32 性能的测量Measuring Execution Time l
16、总耗时间 Elapsed time l总的响应时间，包括 l处理时间, I/O操作, OS开销, 空闲时间等 l决定了系统的性能 lCPU 时间 l在程序本身花费的时间 l不包括等待I/O或者运行其他程序的时间 l包括运行用户程序的时间和操作系统为用户服 务花去的CPU时间 33 Chapter 1 Computer Abstractions and Technology 33 CPU时钟CPU Clocking lOperation of digital hardware governed by a constant-rate clock 时钟 (周期) 数据传送 和计算 恢复时间 时钟周期 l时钟周期：一个时钟持续的时间 l例如：
