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1、嵌入式系统Embedded System,河北科技大学 赵哲,Before the Begin,你的职业理想：研发工程师本专业相关辅助工作与专业完全无关的工作考研没有理想,你的未来掌握在自己的手中,大四对你人生的影响不亚于高考,对这门课的要求,知道什么是嵌入式系统知道嵌入式系统涉及到哪些知识知道嵌入式设计的一般流程了解嵌入式发展的动态和方向搭建学习嵌入式系统的框架，减少日后自学的盲目性（自学的最大难点是如何客服盲目性）,嵌入式系统是一个无限大的系统,嵌入式系统入门的要求：建立了本专业完整的知识体系熟悉计算机相关的知识对编程有感觉实践自学,第一章 嵌入式系统概况,河北科技大学 赵哲,本章内容,1
2、.1 嵌入式系统的定义,1.2 嵌入式技术的应用领域及发展趋势,1.3 嵌入式系统组成简介,发展历史,ARM是Advance Risc Machine的缩写。ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，前身为Acorn计算机公司。ARM公司是知识产权（IP）公司，本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。ARM公司已成为移动通信，手持设备，多媒体数字消费嵌入式解决方案的Risc标准。,嵌入式系统的定义,3.IEEE定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或得辅助操作机器和设备的装置”。可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置
3、。,嵌入式系统的定义,IEEE(国际电气和电子工程师协会)定义原文：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants. 由此可以看出，从应用上考虑，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,嵌入式系统的定义,4. 一般定义：“以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。,嵌入式系统的定义,5. 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP
4、3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。总之，嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中。6、有些资料甚至把FPGA都称为“嵌入式系统”,嵌入式系统的定义,6.我的定义外沿：电视、洗衣机、微波炉、飞机、坦克等等应用逻辑控制单元的电子产品或应用电子技术的产品的控制系统。,1.1、嵌入式系统的定义,6.我的定义内涵：必要条件：1、计算机系统2、独特的应用3、结合其他部件工作,1.1、嵌入式系统的定义,6.我的定义内涵：充分条件：1、以操作系统为软件平台；2、专门设计的为应用优化的硬件平台。,1.1、嵌入式系统的定义,6.我的定义广义：非通用计算机系统。狭
5、义：以嵌入式处理器为硬件核心，以嵌入式操作系统为软件核心，为某专一用途专门设计的计算机系统。,嵌入式系统与单片机、PC的区别,单片机系统多为4位、8位、16位机，它们不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能；嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计。单片机大多采用软硬件流水设计；嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同。,嵌入式系统与PC之间的区别（1）,通用计算机系统要求的是高速、海量的数值运算和需求多样的应用程序。在技术发展上追求总线速度不断提升、存储容量不断扩大。嵌入式计算机系统要求的是对象体系的智能化控制能力，任务是专用而
6、确定的。,嵌入式系统对实时性提出较高要求。实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。嵌入式实时系统可分为： 强实时性：响应时间usms级 一般实时性：响应时间mss级 弱实时性：响应时间s级,嵌入式系统与PC之间的区别（2）,嵌入式系统运行需高可靠性保证，比PC机的故障容忍能力弱得多。嵌入式系统运行需忍受长时间，无人值守条件下的运行。嵌入式系统运行的环境恶劣。,嵌入式系统与PC之间的区别（3）,嵌入式系统大都有功耗约束。 如：珍贵文物微气象环境监测 要求一分钟采样一次，每个采样节点用电池供电，十年更新一次。采用常规方法，能量只能持续5天。 采用间歇式工作方式，节省电能，降低功耗
7、。,嵌入式系统与PC之间的区别（4）,嵌入式系统比PC可用资源少的多。 为降低成本和功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行。嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法。 开发：交叉编译，交叉链接 调试：仿真器，虚拟机 更新：在线升级等。,嵌入式系统与PC之间的区别（5）,嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术。系统结构：状态控制器，中断控制器处理汇编语言：操纵外围设备，端口操作系统：设置运行任务，通讯编译原理：交叉编译,嵌入式系统与PC之间的区别（6）,计算机系统,机器以运算器为中心，输入-输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器
8、集中控制。,计计算机中基本上有两股信息在流动。一种是数据，即各种原始数据、中间结果和程序等。原始数据和程序要由输入设备输入并经运算器存于存储器中，最后结果由运算器通过输出设备输出。在运行过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，中间结果也要存入存储器中。人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器向机器的各个部分发出相应的控制信号。另一种信息是控制信息，它控制机器的各部件执行指令规定的各种操作。,计算机系统,完成功能的方式：1、取指令和数据：从IO口读取指令和数据，指令指的是“要干什么”，数据指的是指令的对象2、运算：据指令和事先约定的逻辑关系
9、完成指令功能（数字电路的功能，例如3-8译码器可以理解为只有一条指令的CPU）3、输出：将结果从IO口输出4、所有的动作按照约定好的顺序完成,计算机系统与数字电路,1、计算机系统是以数字电路为基础的2、计算机系统是一种较为复杂的数字电路（冯.诺依曼结构的5部分）3、如果从原理上讲，任何数字电路都可以理解为可以完成“取指令、运算、输出”三个步骤的计算机系统,用通用数字电路搭建的CPU,用通用数字电路搭建的CPU,计算机系统的功能,控制运算通信-延伸出来，但是应用越来越广泛,嵌入式实时系统在通信系统的应用,嵌入式实时系统的应用范围已经扩展到许多领域，尤其在通信领域更是得到了前所未有的发展。随着网络
10、新业务的开通和新设备的增加，电信网络管理成为个日益突出的问题而备受关注。 通信网络的扩大、新业务和新设备的大量增加要求网络管理不但具备丰富管理功能，还要具备良好的管理性能效率；也就是说，网络管理必须满足一定的实时性。简言之，现代网络管理具有以下两个突出特点：完善的管理功能；良好的管理性能。,为了实现完善而高效的网络管理，通信设备必须增强自身性能，从而为高层网管提供高性能的软硬件平台。通信系统的设计出现了新的发展趋势，如图3所示。,出现这种趋势的原因主要在于：（1）先前以单片机为平台，应用程序直接运行于CPU之上的方式具有明显的不足：硬件功能有限，不能进行高效而复杂的设备管理；硬件平台简单，不能
11、有效地支持功能繁多而且复杂的网络管理；软件缺乏操作系统的支持，网络应用程序设计复杂，难以实现功能完善的性能网络管理。（2）通用计算机由于体积、成本以及效率等因素的限制，也不适合这种应用环境。（3）采用嵌入式实时系统是理想的解决方法：嵌入式实时系统在硬件上使用功能紧凑而高效的CPU，适合“嵌入”设备内部作为控制的硬件核心，可以支持复杂的设备管理；在软件上，嵌入式实时系统以高性能的嵌入式实时操作系统为核心，除了为系统提供良好的实时性保障以外，还简化了高层应用程序的设计。,各种可以完成逻辑功能的设备,1、标准计算机系统（大型机、服务器、工作站、PC、工控器等）2、单片机3、DSP4、数字电路5、可编
12、程逻辑器件6、嵌入式系统,非“计算机系统”,标准计算机系统,通用，功能更为丰富系统的升级能力强结构复杂功耗高难以用于“嵌入式”应用,单片机,体积小，结构简单，功能单一应用面广功耗低，工作频率低升级困难一般用作控制器（英文简写MCU）可以完成一定的“嵌入式”应用,DSP,单片机+特殊算法指令具有单片机的优点，补偿了单片机信号处理功能较弱的缺点。,数字电路,数字电路是计算机系统的基础数字电路也可以完成逻辑控制功能数字电路也可以完成算法只是没有人这么用而已,可编程逻辑器件（PLD ）,FPGA、CPLDASIC以非计算机系统的身份完成计算机系统完成的功能更为灵活开发较困难在FPGA、ASIC上完成算
13、法和复杂协议是电子技术发展的新方向,嵌入式系统,标准计算机系统、单片机和DSP的结合体在功耗、通用性、“可嵌入”等方面优势明显嵌入式系统的优势：可以在“单片”（简单系统，较小功耗，“可以嵌入”）的基础上实现图形界面实现网络协议实现一定的算法实现控制功能,1.2、嵌入式技术的应用领域及发展趋势,1.2.1 嵌入式技术的应用领域,1.2.2嵌入式技术的现状,1.2.3 嵌入式技术的发展趋势,嵌入式技术的应用领域,1.嵌入式技术可应用在：工业控制交通管理信息家电 家庭智能管理网络及电子商务环境监测机器人工业、军事和日常生活的各个方面。,嵌入式技术的应用领域,2.在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已
14、经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用嵌入式系统来实现。嵌入式系统的应用领域如下图所示。,嵌入式系统的应用领域示意图,工控设备,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,智能仪表,汽车电子,网络设备,消费电子,军事国防,电子商务,工业控制,网络,一些典型的嵌入式系统应用实例,goReader Internet eBook,Samsung AnyWebInternet Screen Phone,eRemoteIntelligent Home Control
15、ler,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital AlbumDigital Photo Album,典型的嵌入式系统应用实例,嵌入式系统的具体应用,家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。,嵌入式系统的具体应用,家庭智能管理系统：社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。,嵌入式系统的具体应用,社会发展方面：嵌入式Internet应用，如下图所示。,嵌入式系统的具体应用,汽车电子：汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络。,VOLVO S80汽车的CAN总线网络,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,嵌入式系统的具体应用,智能玩具与机器人,嵌入式系统的具体应用,智能机器鱼技术研究,嵌入式系统的具体应用,仿人型机器人,Humanoid by University of Humanoid by Beijing Defense Technology in 1999Institute of Technology in 2002,嵌入式系统的具体应用,
