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1、嵌入式系统嵌入式系统 浙江大学计算机浙江大学计算机学院学院 陈文陈文智智 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 An Introduction to Embedded SystemAn Introduction to Embedded System 提纲提纲 嵌入式系统概念嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素嵌入式系统构成要素 嵌入式应用领域嵌入式应用领域 提纲提纲 嵌入式系统概念嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素嵌入式系统构成要素 嵌入式应用领域嵌入式应用领域 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心
2、，以计算机技是以应用为中心，以计算机技 术为基础，采用术为基础，采用可剪裁可剪裁软硬件，适用于对软硬件，适用于对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严 格要求的格要求的专用计算机系统专用计算机系统。 IEEE定义：定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助嵌入式系统是“控制、监视或者辅助 设备、机器和车间运行的装置设备、机器和车间运行的装置 （devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 计算机应用领域的计算机应用领域的划分
3、划分 桌面通用型桌面通用型 高端服务型高端服务型 小型专用型小型专用型 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(1/7) 嵌入式系统中运行的任务是嵌入式系统中运行的任务是专用而确定专用而确定的的 心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务 如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护 桌面通用系统需要支持桌面通用系统需要支持大量的、需求多样大量的、需求多样的应用程序的应用程序 对系统中运行的程序不作假设对系统中运行的程序不作假设 程序升级、更新等方便程序升
4、级、更新等方便 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(2/7) 嵌入式系统往往对嵌入式系统往往对实时性实时性提出较高的要求。提出较高的要求。 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。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。 （POSIX 1003.b ） 嵌入式实时系统可分为：嵌入式实时系统可分为： 强实时型：响应时间强实时型：响应时间 s smsms级；级； 一般实时：响应时间一般实时：响应时间msmss s级；级； 弱实时型：响应时间弱实时型：响应时间s s级以上。级以上。 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的
5、区别(3/7) 嵌入式系统中使用的操作系统一般是嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统实时操作系统 嵌入式实时操作系统数量众多，如：嵌入式实时操作系统数量众多，如： VxWorks Windows CE pSOS QNX ucOS 国产嵌入式实时操作系统，如：国产嵌入式实时操作系统，如： HOPEN DeltaOS 。OS 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(4/7) 嵌入式系统运行需要嵌入式系统运行需要高可靠性高可靠性保障，比桌面系统的故障保障，比桌面系统的故障 容忍能力弱很多容忍能力弱很多 嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行嵌入式系统需要忍受长时
6、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运行的环境恶劣 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(5/7) 嵌入式系统大都有嵌入式系统大都有功耗约束功耗约束。 如：珍贵文物微气象环境监测如：珍贵文物微气象环境监测 要求要求1 1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，1 1年更新年更新 一次。采用常规的方法，能量只能持续工作一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5 5天！天！ 引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量。引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量。 WSNWSN（无线传感网）节点一般能工作（无线传感网）
7、节点一般能工作1 1- -2 2年年 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(6/7) 嵌入式系统比桌面通用系统嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少可用资源少得多得多 为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用 就行！就行！ 因此早年的嵌入式系统的主题是“裁剪”因此早年的嵌入式系统的主题是“裁剪” 随着集成化模块化趋势，目前某些领域的嵌入式系统，如刀片随着集成化模块化趋势，目前某些领域的嵌入式系统，如刀片 式路由器，其可用资源接近甚至超过桌面通用系统式路由器，其可用资源接近甚至超过桌面通用系统 嵌入式系统的开
8、发需要嵌入式系统的开发需要专用工具专用工具和和特殊方法特殊方法： 开发：交叉编译、交叉链接开发：交叉编译、交叉链接 调试：仿真器、虚拟机调试：仿真器、虚拟机 更新：在线升级等更新：在线升级等 嵌入式系统与桌面通用系统的区别嵌入式系统与桌面通用系统的区别(7/7) 嵌入式系统开发是一项嵌入式系统开发是一项综合综合的计算机应用技术的计算机应用技术 系统结构：状态控制器、中断控制器处理系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、端口汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 编译原理：交叉编译、编译原理：交叉编译、bootlo
9、aderbootloader加载加载 提纲提纲 嵌入式系统概念嵌入式系统概念 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程 嵌入式系统构成要素嵌入式系统构成要素 嵌入式应用领域嵌入式应用领域 嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统出现于嵌入式系统出现于2020世纪世纪6060年代，年代，4040多年来随着计算机技多年来随着计算机技 术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发 展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。 嵌入式系统发展的三个阶段嵌入式系统发展的三个阶段 嵌入式系统的出
10、现和兴起嵌入式系统的出现和兴起 （1960196019701970） 嵌入式系统走向繁荣，软件、硬件日臻完善（嵌入式系统走向繁荣，软件、硬件日臻完善（1971197119891989） 嵌入式系统应用走向纵深化发展嵌入式系统应用走向纵深化发展 （19901990至今）至今） 嵌入式系统的出现和兴起嵌入式系统的出现和兴起 第一代电子管计算机第一代电子管计算机(1946(194619571957年年) )，无法满足嵌入式计算所要求，无法满足嵌入式计算所要求 的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。 6060年代，第二代晶体
11、管计算机系统开始应用：年代，第二代晶体管计算机系统开始应用： 第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员” 号研制的多功能数字分析器号研制的多功能数字分析器(Verdan)(Verdan)。 19621962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。 1965196519701970年，第三代集成电路化计算机系统应用：年，第三代集成电路化计算机系统应用： 第一次使用机载数字计算机控制：第一次使用机载数字计算机控制：19651965年发射的年发射的Gemini3Gemin
12、i3号号 第一次通过容错来提高可靠性：第一次通过容错来提高可靠性：19681968年阿波罗年阿波罗4 4号、土星号、土星5 5号。号。 16 嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善 嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后： 19711971年年1111月，月，IntelIntel公司推出了第一片微处理器公司推出了第一片微处理器Intel4004Intel4004。 人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运 算器了，只需以微处理器为基础进行设计。算器了，只需以
13、微处理器为基础进行设计。 19761976年，第一个单片机年，第一个单片机Intel 8048Intel 8048出现。出现。 19821982年，第一个年，第一个DSPDSP出现，比同期的出现，比同期的CPUCPU快快10105050倍。倍。 8080年代后期，第三代年代后期，第三代DSPDSP芯片出现。芯片出现。 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善：软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善： 早期嵌入式系统：采用早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统汇编语言，基本不采用操作系统 硬件的提升硬件的提升 软件技术发展软件技术发展 嵌入式系统应用走向纵深化发展嵌入式系统应用走向纵深化发展 应
14、用充分普及：应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电工业控制、数字化通讯、数字化家电 汽车：汽车：5050个以上嵌入式微处理器个以上嵌入式微处理器 飞机：飞机：7070个以上嵌入式系统个以上嵌入式系统 嵌入式微处理器嵌入式微处理器3232位、位、6464位、位、128128位位 嵌入式实时操作系统使用比率越来越高嵌入式实时操作系统使用比率越来越高 早期：早期：1010；9090年代初：年代初：3030；目前：；目前：80809090 嵌入式系统开发工具越来越丰富嵌入式系统开发工具越来越丰富 嵌入式系统产业链形成嵌入式系统产业链形成 马达 控制器 车灯 尾灯控制 系统 后车门控 制系统 前
15、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 两大分支两大分支 嵌入式软件市场规模嵌入式软件市场规模 全球规模全球规模600600亿美元亿美元，过去三年中，年均增长速度超过，过去三年中，年均增长速度超过12.5%12.5%。 国内，国内，20092009年嵌入式软件规模年嵌入式软件规模300300亿元亿元以上，过去三年中，年均增长以上，过去三年中，年均增长 速度超过速度超过20%20%，预计未来三年高达，预计未来三年高达25%25%。 全球分工与格局全球分工与格局 美国美国掌握了最先进的软件技术，控制着软件开发平台和软件工具，掌握了最先进的软件技术，控制着软件开发平台和软件工具， 在全球软件产业链中居于领先地位。在全球软件产业链中居于领先地位。 日本、英国、法国、德国日本、英国、法国、德国充分利用本国信息化的机遇，大力发展充分利用本国信息化的机遇，大力发展 系统软件、开发工具软件以及行业应用软件，在某些系统软件领域和系统软件、开发工具软件以及行业应用软件，在某些系统软件领域和 软件应用领域具有全球竞争优势。软件应用领域具有全球竞争优势。 欧盟欧盟在通讯软件、多
