嵌入式系统设计及应用课件简介

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1、嵌入式系统设计与应用嵌入式系统设计与应用 第一章 绪论 西安交通大学电信学院 梅魁志 自我介绍自我介绍 梅魁志，教授，博士生导师。梅魁志，教授，博士生导师。 1999年，年，2002年年 西安交大西安交大电子科学与技术系电子科学与技术系 学士、硕士学士、硕士 学位学位 2006年年 西安交大西安交大控制科学与工程专业控制科学与工程专业博士学位博士学位 2003至今至今西安交大西安交大电信学院自动化系人机所电信学院自动化系人机所 主要研究领域：视频视觉信息处理、多核主要研究领域：视频视觉信息处理、多核SoC设计与嵌设计与嵌 入式系统软件。入式系统软件。 2 课件、助教与答疑课件、助教与答疑 课件

2、下载：课件下载：http:/ 助教：高榕，硕士研究生，助教：高榕，硕士研究生， 答疑联系方式：答疑联系方式： Email : Office : 曲江校区西曲江校区西4楼楼2楼楼 3 教学用书教学用书 Wayne Wolf，嵌入式计算系统设计原理嵌入式计算系统设计原理，机械工业出版社，机械工业出版社， 2002年年 Steve Furber，ARM SoC体系结构体系结构，北京航空航天大学出，北京航空航天大学出 版社版社 邵贝贝等，邵贝贝等，嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统uC/OS-II，北京航空航天，北京航空航天 大学出版社，大学出版社，2003年年 4 5 嵌入式系统的学习内容嵌入式

3、系统的学习内容 硬件设计以及底层软件，如BootLoader、 Board Support Package。 嵌入式操作系统和应用软件的开发： 掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理 熟悉嵌入式操作系统 熟悉嵌入式软件开发流程与项目。 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算系统定义嵌入式计算系统定义 任何包括一个可编程计算机的设备，但本身并未被刻 意设计为一台通用计算机，如：通过微处理器构建的 传真机或时钟。 CPU mem input output ana

4、log analog embedded computer 8 嵌入式系统应用领域嵌入式系统应用领域 工厂自动化军事工业交通环境监控 自动化电信网络 移动通信 物流 智能家居数字医疗安防监控信息查询 嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史 Late 1940s: MIT的Whirlwind是第一台支持实时操作 的计算机，目标为作为一种装置控制飞行模拟器。 early 1970s：第一个微处理器器Intel 4004：目标为 嵌入到计算器中应用。 HP-35计算器：用几块芯片实现了微处理器，第一 台手持的科学（支持三角、对数）的计算器，初始 定价： US$395，19721975。 第一台电子计

5、算机第一台电子计算机 ENIAC 二次世界大战末，美国陆军委托宾州大学，以电子计算机二次世界大战末，美国陆军委托宾州大学，以电子计算机 来计算弹道资料，来计算弹道资料，1946年完成人类第一台电子计算机。年完成人类第一台电子计算机。 包含了包含了17468个真空管，重量达个真空管，重量达27吨，耗资吨，耗资50万美元。万美元。 10 第一台嵌入式系统雏形第一台嵌入式系统雏形Whirlwind 二次世界大战末，美国海军二次世界大战末，美国海军U.S. Navy委托委托MIT开发一套开发一套 能能实时实时模拟飞行器的系统来训练轰炸机飞行员。模拟飞行器的系统来训练轰炸机飞行员。 受受ENIAC的启发

6、，的启发，MIT开发了旋风计算机，由开发了旋风计算机，由4000多个真多个真 空管组成。空管组成。 11 12 微处理器的多样性微处理器的多样性 Microcontroller（微控制器）: 包括板上存储器，I/O 设备 。 Digital signal processor (DSP): 专为数字信号处理优 化的处理器。 典型字宽: 8-bit, 16-bit, 32-bit，64-bit（ARM V8指令集）。 汽车设计者从1970s开始在引擎控制使用微处理器： 控制燃料与气体混合，火花塞点火 多种模式操作：加热，定速巡航，爬坡等 目标为借助微处理器实现复杂控制算法：提供低油耗和低 排放。

7、多个微处理器：高可靠性的分布式实现方式 15 汽车电子应用汽车电子应用 高端汽车多达100多个微处理器 BMW 850i（1990） brake sensor brake sensor brake sensor brake sensor ABS hydraulic pump 嵌入式计算应用的特点嵌入式计算应用的特点 复杂功能 满足截止实现 制造成本 功率与能耗 严格期限内的小规模团队研发 功能复杂性功能复杂性 需要运行复杂的的算法或多个应用算法 移动电话（通信、网络/本地应用） 提供复杂的人机交互界面 满足截止实现的实时操作满足截止实现的实时操作 在截止时限必须完成的操作 硬实时系统: 超出时

8、限将导致系统的失败，如安全系统。 软实时系统：超出时限将导致系统性能降低：如超出打 印机的数据等待时间，发生打印页混乱 多速率系统：需要在比较宽的速率范围处理操作， 如多媒体的音视频同步: ITU的推荐认为，从观众或听众捕捉节 目内容的角度来看，可容忍的范围应该分别不大于90ms(音频 超前于视频)和185ms(音频滞后于视频)。 非功能性需求非功能性需求 许多嵌入式系统是市场占有量大的产品，因此需 要低的制造成本： 有限的存储器, 处理器计算能力等. 在电池供电系统中功耗是其中关键因素： 电源的寿命和散热量非常重要，对桌面应用有时 也如此。 设计团队设计团队 建立在微处理器上的小规模团队的系

9、统构建：如小 规模的手机design House。 需要满足严格的限期规定 如6个月的市场窗口时间：移动产品的多系列。 为什么使用微处理器为什么使用微处理器? 替代方案: FPGA, 定制的逻辑芯片等，但是： 微处理器是实现数字系统的十分有效的方法。 微处理器使设计在不同价位提供不同特性的产品 系列变得容易。 性能悖论性能悖论 处理器通常比定制芯片使用更多的电路逻辑。 但仍然有可能是处理器的速度更快： 深度流水线使处理器的速度更快和运行效率越高 大的设计团队的深度优化 使用有竞争力的制造工艺； 基于处理器易于实现软硬件协同设计。 功耗处理功耗处理 定制芯片的功耗低，但是处理器仍然有有利因素：

10、现代处理器可以提供很多特性降低功耗 软件设计技术可以降低功耗 异构系统：对于预设的一些功能使用定制电路，对 其他处理使用CPUs+软件。 平台平台 嵌入式计算平台：硬件结构+关联的软件 许多平台是多处理器的，如：用于手机基带处理 的单片多核 基于移动处理器发展的技术，将有希望成为下一 代计算平台 26 嵌入式系统的设计挑战嵌入式系统的设计挑战 需要多少硬件? 选择何种处理器? 存储器类型、容量? 如何满足截止时限? 更快的硬件 程序速度受存储系统影响 如何降低系统功耗? 降低系统运算速度 如何设计以保证系统可升级 是否能正常工作？ 嵌入式系统本身引起的设计困难嵌入式系统本身引起的设计困难 测试

11、的复杂性 有限的可观察性和可控性 受限的开发环境 嵌入式计算的性能嵌入式计算的性能 在一般的计算中，性能都是指平均情况。 嵌入式计算的核心是实时计算 在实时系统中，性能必须满足截止时限。 性能的分析性能的分析 必须从不同的抽象层次上分析系统性能： CPU：影响程序行为，尤其是带有高速缓存 Platform：包括总线和I/O设备 Program：需要考虑程序的整体结构，确定其整体 性能 Task：多任务系统的任务之间的相互作用会对性能 影响 Multiprocessor：多处理器间的相互作用是整体性能 分析变得复杂 设计方法设计方法 嵌入式系统的设计过程有助于了解设计步骤和设计 方法学的思考：

12、理解方法有助于不遗漏重要的设计工作。 允许开发一些辅助的工具(如makefile、脚本)。 方便设计团队中设计人员的交流。 嵌入式系统的设计步骤嵌入式系统的设计步骤 需求 规格说明 体系结构 组件 系统集成 Top-down 和和bottom-up方法方法 Top-down设计: 从最抽象的描述开始-最细节部分 Bottom-up设计: 从小部件到大系统的构建 真正的设计过程两种方法都使用 设计目的设计目的 性能 全局速度, 截止时限 生产成本 功耗、能耗 逐步求精逐步求精 在每个抽象级： 在设计的每一步进行设计分析，决定如何 才能满足规格说明要求； 不断细化设计，添加要求； 不断核实设计，保

13、证满足所有的系统目标 设计需求设计需求 需求分析：从客户收集系统的非形式描述 对需求提炼，形成规格 功能性和非功能性需求功能性和非功能性需求 功能性需求: 作为相关输入的输出 非功能性需求: 软件性能度量（完成特定操作的硬截止时限） 尺寸, 重量等 功耗、可靠性等 成本 需求表格需求表格 名称、目的； 输入/输出 数据类型 数据特性 输入/输出设备类型 功能、性能 生产成本：涉及到目标产品定位 功耗 物理尺寸和重量 示例：示例：GPS移动地图需求分析移动地图需求分析 为用户显示当前所处 位置周围的地形地图 地图内容随该设备的 位置改变而改变 lat: 40 13 lon: 32 19 I-78

14、 Scotch Road GPS移动地图需求移动地图需求 功能性: 对汽车驾驶，需要显示主要的道路与地标建 筑. 用户接口：至少400 x 600像素屏幕，最多3个按键， 按下按钮应弹出菜单，允许用户选择 性能：地图能够平滑滚动，加电后显示在1秒钟内出 现，系统可以核查位置并在15秒内显示 生产成本: $120零售价（ approx. $40 cost） 功耗：4节AA电池至少连续运行8小时 GPS 移动地图需求表格移动地图需求表格 名称名称GPS 移动地图移动地图 目的为开车者提供用户级移动地图 输入一个电源按钮、2个控制按钮 输出背光LCD显示器400*600 功能使用5种接收器的GPS系

15、统；三种用 户可选的分辨率，总是显示当前的经 纬度，0.25秒内更新一次屏幕 生产成本40美元 功耗100mw 物理尺寸和重量 不大于2”*6”,12 盎司 规格说明规格说明 规格说明解释系统做什么，并不涉及如何做 对系统更精确的描述 不指示特定的架构 提供架构设计过程的输入 GPS规格规格 包括 GPS卫星接收到的数据； 地图数据; 用户接口; 必须执行的满足客户需求的操作; 保持系统运行所需的后备操作，如操作GPS接收机 体系结构设计体系结构设计 描述系统如何实现规格的功能 使用哪些组件能够满足规格的实现? 硬件组件： CPUs，外设等. 软件组件: 主要程序和操作 必须考虑满足功能和非功能性需求 需要对系统进行建模与估算确认满足规格要求。 GPS移动地图框图移动地图框图 GPS 接收器 搜索引擎绘图部 用户接口 数据库 显示器 体系结构的创建被认为是设计的第一阶段，在框图中 并未规定CPU上的软件执行什么操作 移动地图系统的硬件体系结构移动地图系统的硬件体系结构 GPS 接收器 CPU I/O面板 显示器 幁缓冲区 存储器 移动地图的软件结构移动地图的软件结构 位置 数据库搜索绘图器 计时器用户接口 像素 为了得到完整体系结构描述，需要细化：软件框图 中的单元在硬件框图的什么地方执行，何时操作。 硬件和软件组件的设计硬件和软