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1、报告人：湘潭大学 邓清勇 电话号码：13873204011 嵌入式LINUX培训师,2019/2/25,嵌入式系统开发概述,2,提纲,1,3,2,现实中的嵌入式系统,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的概念,嵌入式开发流程,4,未来嵌入式系统的发展趋势,3,嵌入式技术无处不在,处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机,各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等,在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、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,现实中的嵌入式系统,4,国际芯
2、片市场来看,据统计每年只有10-20%的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的。,嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10-20亿片。,每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。,如：手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部，而到今年时预计将为6340万部。,现实中的嵌入式系统,5,中国信息家电市场,2001年达到500亿 700亿元，今年有望达到3500亿 5000亿元。,国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和7000多万台VCDDVD机。,业内分析，未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期，10年总量可望达到11.5亿台，总产
3、值在6001500亿元人民币之间。,仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到1015亿元。,现实中的嵌入式系统,6,嵌入式技术将成为后PC时代的主宰,嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。,使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。,嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。,现实中的嵌入式系统,7,后PC时代产品的蓬勃发展,现实中的嵌入式系统,8,什么是嵌入式系统,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系
4、统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。,嵌入式系统的概念,9,简单地讲,嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求,专用性：软、硬件按对象要求裁减,计算机：实现对象的智能化功能,就是嵌入到对象体中的专用计算机系统,三要素：嵌入、专用、计算机,嵌入式系统的特点:由三要素引出,现实中的嵌入式系统,10,广义地说,一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。,即以应用为中心、以计算
5、机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 。,嵌入式系统发展的最高形式片上系统（SOC）,嵌入式系统的概念,11,嵌入式系统的分类,芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入,非实时系统（PDA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（工业和军工系统）,嵌入式系统的概念,按表现形式分（硬件范畴） ：,按实时性要求分（软件范畴） ：,12,嵌入式处理器的分类和现状,微控制器（MCU）,嵌入式系统的概念,数字信号处理器（DSP）,片上系统（SOC）,可编程片上系统（SPOC）,13,MCU,嵌入式系统
6、的概念,嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。,单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。,14,MCU处理能力非常有限,嵌入式系统的概念,MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。,15,MPU,嵌入式系统的概念,嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的
7、，8038680387,与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,16,DSP,嵌入式系统的概念,DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。,DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。,17,SOC,嵌入式系统的概念,SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系
8、统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。 SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。,18,SPOC,嵌入式系统的概念,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：,首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；,其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。,19,应用领域,社会经济的发展产生了一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用 中国正在成为世界制造大国，在
9、消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用领域,20,嵌入式技术刺激了许多新的应用需求,嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器,嵌入式系统的应用领域,21,工业控制 工业设备是机电产品中最大一类,过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。,嵌入式系统的应用领域,随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。,22,嵌入式系统的应用领域,23,信息家电,信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。
10、,嵌入式系统的应用领域,只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。,具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。,24,嵌入式系统的应用领域,25,嵌入式系统的应用领域,26,消费类电子智能玩具、手持通讯的核心,嵌入式系统的应用领域,27,交通管理、环境监测,交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,嵌入式系统的应用领域,水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。,加油站、停车场管理,28,嵌入式系统的应用领域,29,
11、智能玩具与机器人,嵌入式系统的应用领域,30,嵌入式Internet应用,嵌入式系统的应用领域,31,汽车电子,嵌入式系统的应用领域,32,军事国防领域,嵌入式系统的应用领域,33,航天领域,嵌入式系统的应用领域,34,未来嵌入式系统的发展趋势,互联网的普及 半导体技术的改善 3C（Compute,Communication,Consumer）技术的快速融合 使用者的需求 信息服务应用生活化,未来嵌入式系统的发展趋势,35,技术的渗透性和融合性,未来嵌入式系统的发展趋势,36,设备的关联性,未来嵌入式系统的发展趋势,37,个性化服务,未来嵌入式系统的发展趋势,38,Any Time,Any W
12、here, Any Medium, Any Content,未来嵌入式系统的发展趋势,39,谢谢大家,问题 建议 反馈 后续 资源,40,基本概念,对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。,前后台系统,嵌入式操作系统,41,基本概念,中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。,循环中调用相应的函数完成相应的
13、操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差。,前后台系统,42,基本概念,操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。,操作系统,43,基本概念,实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有一个优
14、先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。,实时操作系统（RTOS）,44,基本概念,代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码，运行这些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入（这不是绝对的，如果中断不调用任何包含临界区的代码，也不访问任何临界区使用的共享资源，这个中断可能可以执行）。为确保临界区代码的执行，在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完成以后要立即开中断。,代码的临界区,45,基本概念,程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示器。资源也可以是一个变量、一个结构或一个数
15、组等。,资源,46,基本概念,可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占该资源，这叫做互斥。,共享资源,访问共享资源之前申请信号量,其它任务访问受阻 而不能使用共享资源,得到允许后，才能使用共享资源,47,基本概念,一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。,任务,48,基本概念,当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态
16、，即CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区，也就是任务自已的栈区之中。入栈工作完成以后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入CPU的寄予存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。这个过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。,任务切换,49,基本概念,多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如25的CPU运行时间、RAM和ROM等。 内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。,内核,50,基本概念,调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任
