嵌入式系统讲义1_01

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1、2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,1,主要内容,1.1 引言 1.2 嵌入式系统的定义 1.3 嵌入式系统的体系结构 1.4 嵌入式系统的特点 1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势 1.6 嵌入式系统的应用,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,2,1.1 引言,从幼苗茁壮成长到参天大树 经过三十多年的发展，嵌入式系统从最开始的涓涓细流，发展壮大成了目前数量最多，使用范围最广的电子信息系统 在人们的日常生活中，嵌入式设备几乎随处可见，已经成为生活的重要组成部分 虽然数量众多，但却不为人所知 嵌入式系统一般隐藏在产品中 在使用过程中主要完成无形的信息处理，用户不

2、容易感知到它的存在,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,3,1.2 嵌入式系统的定义,计算机分类 从通用性角度来分类：通用计算机和嵌入式计算机 通用计算机系统 巨型机、大型机、小型机、微型机 服务器、工作站、台式机、笔记本计算机 嵌入式系统 坦克、导弹、飞机、军舰、雷达 DVD机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器 手机、MP3播放器、数码相机、数码摄像机、机顶盒 键盘、鼠标、闪存盘、CD-ROM、交换机、路由器,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,4,1.2 嵌入式系统的定义（续）,嵌入式系统 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用

3、系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统 简而言之，是含有处理器的专用软硬件系统 具有自主的信息处理能力（信息装备） 英国电机工程师协会的定义 Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants（用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置）,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,5,1.2 嵌入式系统的定义（续）,微机学会的定义 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、模块级、芯片级 系统级：各种类型的工

4、控机 以标准总线互联（背板结构）的工控机：CPCI、PCI-ISA、VME 、STD 模块级：各种类型的带CPU的模块 嵌入式CPU模块：PC104模块、Biscuit板 芯片级：各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核心的产品 个性化设计,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,6,1.3 嵌入式系统的体系结构,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,7,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,8,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,硬件层 嵌入式处理器 嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器 SoC(Syst

5、em on Chip)FPGA、ASIC 存储器系统 ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等 中断控制器、DMAC、定时器/计数器 UART、USB控制器、LCD控制器 其它I/O接口 CAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES等等,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,9,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,中间层（BSP） 板级支持包（Board Support Package） 系统软件与底层硬件隔离 相关硬件的初始化 数据的输入输出操作 硬件设备的配置功能 特点 硬件相关性 操作系统相关性,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,10,

6、1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,操作系统层 嵌入式操作系统（EOS） 标准内核（API） 封装资源时钟、定时器、中断、DMA、I/O 简化软件设计、提高软件系统可靠性 文件子系统 图形子系统 网络子系统 其它通用模块 CAN、蓝牙、Zigbee、Modbus、LIN协议栈,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,11,1.3 嵌入式系统的体系结构（续）,应用层 与应用密切相关 面向目标和用户 完成特定的功能 例如 星载遥感图像处理系统 星载合成孔径雷达 机载相控阵雷达,机载相控阵雷达,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,12,2018/9/14, 国防科技大

7、学计算机学院601室,13,1.4 嵌入式系统的特点,嵌入专用 嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的系统中 综合性强 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物 是一个技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统 设计高效 可裁剪嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,14,1.4 嵌入式系统的特点（续）,程序固化 软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性 需要独立的开发系统 嵌入式系统本身不具备自

8、举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发 生命周期长 嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期 可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,15,1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势,20世纪70年代 单片机出现 1975年TI推出了第一片4位单片机TMS-1000 1976年Intel：80488051（8位） 20世纪90年代 ARM（1991年，32位） ARM7系列、ARM9系列 ARM10E系列、 ARM11系列 SecurCore系列、Cortex系列 Power PC、MIPS

9、,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,16,1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）,20世纪80年代 实时操作系统出现 1981年，Ready System: VRTX32 WindRiver: VxWorks 实时性强、可靠性高 20世纪90年代 实时多任务操作系统 WindRiver: VxWorks Microsoft: WinCE 友好的图形界面,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,17,1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）,市场巨大、发展迅速、前景广阔 产品种类不断丰富，应用范围不断普及 性能不断提高 核心处理芯片位数更高 多种媒体处理能力的

10、汇聚 功耗不断降低，体积不断缩小 软件成为影响价格的主要因素 硬件模块化、标准化 软件越来越复杂,Nvidia Ion平台（离子平台） Ion=ATOM+Geforce 9400M 54GFLOPS、14W,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,18,1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）,程序设计语言 汇编语言C语言C+语言 优秀的开发环境 软件开发环境完善、友好的工具链 项目管理、编辑、编译、调试、下载 硬件开发环境 开发板、仿真器、万用电表、示波器、逻辑分析仪 嵌入式系统设计工程 硬件、软件、开发环境集成化、一体化 网络化、图形化、多媒体化,2018/9/14, 国防科

11、技大学计算机学院601室,19,固件设计语言选用情况,美国版EETimes子网站Embedded Systems Design十三年来针对嵌入式软件所应用之设计语言的调查统计表,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,20,1.6 嵌入式系统的应用,军事应用 航空航天 工业控制 机器人 仪器仪表 办公设备 家用电器 消费电子 ,机载合成孔径雷达,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,21,坦克,自行加榴炮,步兵战车,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,22,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,23,战斗机,防空导弹,轰炸机,20

12、18/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,24,神舟六号,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,25,火星一无所有的荒漠,“索杰纳” 轮探测车,“火星探路者”飞船,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,26,工业控制,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,27,机械脚示教,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,28,合成孔径雷达实时成像,多处理器,波束成形 XOUT = w *XIN,目标检测 XOUT = |XIN|c,滤波 XOUT = FIR(XIN ),2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,29,小

13、结,目的与要求 掌握嵌入式系统的定义、体系结构 熟悉嵌入式系统的特点 了解嵌入式系统的发展历史、应用、发展趋势和实现 重点与难点 嵌入式系统的定义、体系结构和特点 阅读章节：第1.11.6节 作业：补充作业,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,30,补充作业,1 什么是嵌入式系统？嵌入式系统主要的特点是什么？ 2 列举出一些你所知道的嵌入式系统，分析一下它们的特点。,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,31,补充读物 工控机（IPC）,工业控制计算机 指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。符合一定的技术、尺寸规范，由专业

14、厂家生产 基于背板（底板，BackPlane）结构 与商用及个人机比较 工控机的特点是强大的过程输入输出能力，高可靠性与实时性 类似之处：普通微处理器、Embedded Win2000/XP、Embedded Linux、普通硬盘,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,32,PISA总线型,背板结构 PISA，包含PCI、ISA总线的半长卡 特点 可用于对空间要求极高的应用中（半长卡） 在PISA系统中可运行旧的ISA卡（升级 ） PCI总线导线的长度减少了一部分，减少了电磁容量发散/再发散的问题,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,33,基于 PISA总线

15、无源背板结构 工控机,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,34,Compact PCI,背板结构 Compact PCI总线 PCI总线的电气规范 标准针孔连接器（IEC-1076-4-101） 欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1） 特点 使用工业标准、牢固的欧卡规格 支持热插拔、热切换、多处理器能力 Compact PCI最多可支持八个板 PCI总线母板只能扩充到三个或四个板,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,35,CPCI连接器,以太网卡,2018/9/14, 国防科技大学计算机学院601室,36,基于Compact PCI总线的星载计算

16、机,Custom Commercial Open cPCI Chassis,Flight-like COTS DP nodes,Flight-like Mass Memory Module,Backplane Ethernet Extender Cards,System Controller (flight RHSBC),NMP ST8 Dependable Multiprocessor(DM),嵌入式系统设计的主要步骤,以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶

17、段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。,需求分析与规格说明,在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段，我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。 在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实际的期望，表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户的需求中整理形成正式的规格说明。,