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1、嵌入式系统嵌入式系统胡威玉泉校区曹光彪西楼2022009-3-71什么是嵌入式计算机什么是嵌入式计算机从产品的角度看嵌入式2浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/背景：计算机系统的三大应用领域背景：计算机系统的三大应用领域p服务器n目标：p可用性p可扩展性p有效带宽n利润最大的市场n包括大型机、超级计算机等p桌面n办公等用途n最广阔的市场n包括台式机，笔记本p嵌入式n非计算机形态n潜力最大的市场p以往计算机分类：n大型计算机、中型机、小型机和微计算机p目前计算机分类：n超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式
2、系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中3浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/动力动力p计算机硬件发展危机nVLSI发展到ULSI/GSIn主频瓶颈3.8Gp技术上两条出路n提高片内核的数量p发展到多核n集成外围电路到处理器中p发展到SOC（系统芯片，systemonchip）p产业上的出路nPC市场有没有出路，来源于对多核计算机的需求n将成熟的32位计算机技术融合（嵌入）到非PC产品中n使用计算机网络技术取代通讯4浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/计算机系统的创新：多核计算机系统的创新：多核p2006年突然推出双
3、核，年底到四核p2006年Q4英特尔内部已有16核处理器p2007年2月英特尔展示了80核计算机p2008年10月，英特尔展示32硬核128逻辑核的larlabeep市场对多核反应冷淡n技术准备不足p多处理器技术长期以来针对服务区p并行计算技术针对科学计算n实际难点多p应用软件，事务处理如何使用多核？p系统软件对多核的支持不足p软件开发对多核支持不足p机会与挑战并存5浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/计算机系统的创新：桌面计算机计算机系统的创新：桌面计算机p平板计算机p个人电脑ModBook 平板电脑Toshiba平板电脑ClickStart My F
4、irst ComputerViewsonic无线遥控平板 人人电脑计划(OLPC)双屏幕笔记本电脑6浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/计算机系统的创新：计算机系统的创新： UMPCpUltra-MobilePCp小巧的体积可以使UMPC轻松放到书包里面，随身携带pUMPC外形设计新潮，集成各种附加功能，一般有网络、GPS、键盘或屏幕手写等模块。pnetbookHTC Athena 大同UMPCoQoSony7浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统嵌入式系统p移动终端nUMPC，PDA，手机，移动电子书以及
5、电子词典p信息家电n智能冰箱、洗衣机、智能空调、数字电视、微波炉、无线家庭网关、数码相机与数码摄像机、游戏机p汽车电子n车载、车控p智能仪器仪表p通讯设备p其他8浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：嵌入式系统：PDAp个人信息助理p掌上电脑PDA 手机 + GPS 导航 Dopod U1000，且支持SkyPEMap-Star的GPS定位设备华硕GPS导航器SONY GPS导航器Nokia 6110 四频 HSDPA / GPS 导航器9浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：手机嵌入式系统：手
6、机p普通手机p智能手机n与PDA结合p网络手机ngphone韩国电信手机/电视遥控器二合一产品Sony Ericsson超小型手机电超小型手机电脑手机放在底座上成为电脑脑手机放在底座上成为电脑Nokia手机户外音响内置 DVB-H 移动电视手机10浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：嵌入式系统：PMPiLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上，与以前技术相反Sony家用影音综合设备XtremeMac开发的iPod音箱IPEVO支持Skype电话Nike的 iPod 帽Meizu M8Ipod nanoArchos带Wifi的704pPort
7、ableMediaPlayer11浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：办公用品嵌入式系统：办公用品p录音笔pFLY数字笔n能“看懂”在专用纸上所写的内容n能“阅读”写作和纠正语法错误n完成简单的算术运算n将英文互相翻译成西班牙文等pGenius数字便笺n存储100页便笺n2000LPI分辨率n32MB板载内存n可通过USB连接电脑n笔迹识别软件pPolymerVision手机书n使用可卷电子纸的电子书阅读器12浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：手表嵌入式系统：手表pMartinFrey手表
8、n日程表n和手机联动n获取网络连接和GPS定位信息p手表手机：M300n1英寸的显示屏nUSB接口n可播放音乐n支持蓝牙pNike的Speed+手表n结合iPod和运动计测p韩国防性罪犯的电子手镯n可追踪罪犯的定位和坐标p爱国者视频MP4手表13浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：运动玩具游戏嵌入式系统：运动玩具游戏pGTX公司定位的运动跑鞋n内置的GPS接收器和可充电电池p遥控蜻蜓p次世代三大主流n三款主机Xbox360，WII，PS3GameCube XboX360PS3Wii, 手柄, 手套, 枪14浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入
9、式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：摄像器材嵌入式系统：摄像器材p数码相机pDV15浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/智能家电智能家电p智能冰箱（有时称为网络冰箱）n在冰箱内部装有摄像头、RFID接收器或者条码扫描器n可以通过这些设备采集冰箱内部存货的信息，并通过网络进行传输信息n对冰箱的温度控制n韩国一家公司的“网络冰箱”，门上有一个15英寸液晶显示器，用户可以通过冰箱上网、打可视电话和观看影片p网络微波炉、网络电饭煲、网络空调等家电n功能现对简单，可以通过网络下载食谱，可以通过网络进行控制16浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式
10、 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：智能家居嵌入式系统：智能家居p智能家具p智能家电Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子DangerBomb 闹钟 不起床就爆炸啰配备电子食谱的锅铲coo.boo智能型垃圾桶 i.Master浙江大学显示营养智能果汁机17浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/浙江大学产品创新中心的智能割草机浙江大学产品创新中心的智能割草机18浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/主要特点主要特点l 通过显示屏显示榨
11、出的果汁通过显示屏显示榨出的果汁的主要营养成分的主要营养成分l 根据水果的软硬程度自动调根据水果的软硬程度自动调整转速，最大程度保存营养成分整转速，最大程度保存营养成分l 联网实时更新程序，享受科联网实时更新程序，享受科技的进步，不会贬值的果汁机技的进步，不会贬值的果汁机l 根据不断变化的个人特点给根据不断变化的个人特点给与实时的营养建议与实时的营养建议智智能能营营养养果果汁汁机机19浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：多媒体终端嵌入式系统：多媒体终端pIP电话p视频会议p可视电话基于视频电话的小型视频会议系统(MCU) 语音识别电话基于H.
12、323协议族的网络视频电话20浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：家庭音响嵌入式系统：家庭音响p引入计算机技术的音响配备B&O与Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院Sonos ZP80无线音响LG HD DVD/蓝光播放器Motorola支持M卡的 HD DVR 录像机iPhone21浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：电视嵌入式系统：电视p高清电视p数字电视p立体显示技术LG内置数字录像机的 LCD TVAppleTV:Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of
13、 L2 高速缓存nVidia G72M 显示卡 64MB DDR2 内存内置的 40GB 硬盘播放 iTunes能输出 1080p 高画质影像的 iPod Dock数字电视机顶盒22浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p家庭相册p远程宠物喂养器n远程观看到宠物的行动n跟它对话n远程喂养宠物23浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：通讯设备嵌入式系统：通讯设备p有计算机能力的各种通讯设备p路由器/交换机/防火墙等Buffalo 路由器 / USB 网卡套装VPN产品产品千兆网关防火墙千兆网关防火墙 24浙浙
14、 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：仪器仪表嵌入式系统：仪器仪表pDCG(动态心电图仪)p便携式多参数监护仪p中医指套传感器脉象虚拟仪器p推拿手法测试仪p电动机故障状态监测保护系统监控仪手持仪25浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：交通相关嵌入式系统：交通相关p汽车电子n处理器个数可达三位数n车载p娱乐，定位等n车控pABS、EBD等p其他中国版月球车汽车立体声音响HD Radio扩展包 改装遮阳板 DVD / TV / MP326浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心
15、http:/嵌入式系统：军工嵌入式系统：军工p武器控制系统p数字化单兵系统n有苛刻要求p尺寸和重量p功率消耗p震动和冲击p温度和湿度21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统夜视扫描、全球定位、指挥通信27浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统：新兴硬件嵌入式系统：新兴硬件GPS/蓝牙双拼模块芯片龙芯2号增强型处理器芯片Intel 八十核心处理器2007年2月服用的 RFID 芯片 Intel Tolapai计划要把南北桥做在芯片中AMD Swift已经集成了北桥、CPU、显卡28浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:
16、/嵌入式系统案例分析：嵌入式视频服务器嵌入式系统案例分析：嵌入式视频服务器p无需使用完整的计算机p需要的功能分析n音视频采集，压缩n网络功能n存储n硬件系统n处理器n存储器n外存n采集设备n网卡n软件系统n视频采集、压缩、传输n网络交互29浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统应用案例分析：智能家电集成嵌入式系统应用案例分析：智能家电集成数数数数字字字字化化化化家家家家庭庭庭庭30浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统应用案例分析：网络产品集成嵌入式系统应用案例分析：网络产品集成信息化社会信息化社会
17、信息化社会信息化社会31浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/CCID数据数据p2000年嵌入式软件市场规模为70.33亿元p2001年为95.43亿元p2002年118.56亿元n2002年中国软件市场为345.0亿元，嵌入式软件约占软件总市场的34.37。p2003年嵌入式软件市场中国市场规模达到188亿元p2004年，673.62亿元n软件统计数据为：n套装软件共计478亿元，为具有独立产品形态的软件。p其中包括系统软件89亿元（操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元）、p中间件软件6.98亿元、p应用软件304
18、.53亿元（包括通用应用软件（安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等）与行业应用软件（金融、电信、政府等）、n嵌入式软件（673.62亿元）n另外软件服务（937.48亿元）：除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动，包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等p2005年，1061.4亿元n2005年，中国嵌入式软件产业在整个软件产业中的比重已经接近40%,占全球嵌入式软件产业的比重已经提升到4.8%32浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统是一种技术，应用技术嵌入式系统是一种技术，应用技术p以实现产业产品为目的p嵌入式产品
19、n任何包含一个或多个专用或者通用计算机部件的电子设备n不以计算机形态出现n将计算机”嵌入嵌入“在电子设备内n能执行特定功能的计算机硬件和软件的结合体p广义广义:任何一个非计算机的计算系统任何一个非计算机的计算系统33浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统必要条件嵌入式系统必要条件p有处理器n计算机五大部件p运算器，控制器合称处理器p存储器p输入输出n如果只有存储器、输入输出，不能认为是嵌入式系统p不能执行计算机最基础的功能p常用32位处理器n价格与单片机接近n性能高n网络支持能力强34浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心
20、心http:/嵌入式产品硬件特征嵌入式产品硬件特征p通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备组成p高集成度n逐步形成单芯片解决方案p系统芯片(SOC)p定制性n面向用户n面向产品n面向应用p解决方案不唯一n不可垄断的高度分散的工业，候选器件太多n而PC由WINTEL（window，intel）垄断35浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件36浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式产品软件特征嵌入式产品软件特征p包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件、开发工具p软件要求固态化存储p稳定性要求高n软
21、件代码高质量、高可靠性p可能无系统软件p软硬件紧密结合，协同开发37浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/其他可能有的要求其他可能有的要求p实时性强p功耗低p支持升级n软件和硬件结合紧密p由于定制，可能无硬盘，无通用操作系统p产品升级换代困难p和硬件同步升级n具有较长的生命周期38浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/定义定义p微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。p英国电机工程师学会的定义:n“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”
22、n通常执行特定功能n以微电脑和外围构成核心n严格的时序和稳定性要求n全自动操作循环p精确定义:n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39互联网企业蚕食嵌入式互联网企业蚕食嵌入式40浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Google手机发布手机发布pT-MobileG1n硬件p高通MSM7201处理器，GPS卫星导航、300万像素摄像头,3.17英寸触摸屏480x320分辨率，18GBMicroSD卡p支持WCDMA/HSPA网络，理论下载速率7.2Mbps；支持Wi-Fin软
23、件pAndroid操作系统p各种谷歌的服务Gmail、GoogleMaps、YouTube、Google日历、GoogleTalkpChrome精简版p一键搜索pAndroidMarket下载，全免费基于图片的导航软件“BreadCrumbz”用手机唱卡拉OK的软件“TuneWiki”n179美元41浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/几个问题几个问题p1、互联网企业进入手机领域p2、手机未来是否就是计算机p3、手机技术走势如何42浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/处理器作为发动机，让手机飞起来处理器作为发动机，
24、让手机飞起来p处理器发展趋势n制造工艺发展到32nm，实现小尺寸、微功耗和低成本n需要计算能力，提供精巧的多媒体人机界面n联网成为必然的趋势，芯片上集成Wifi、WiMaxp最新处理器nARM(16/32-bit),XScale(32-bit)nVIANano(64-bit,5-25w)nIntelAtom(32-bit,0.6-2.5w)p本地+远程n本地提供相对充足的计算能力n远程提供超级计算能力nScottMcNealy:Thenetworkisthecomputer.p多核n双核-多核-千核43浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/能耗是风阻，让手
25、机飞行时间变短能耗是风阻，让手机飞行时间变短p能耗n是手机等移动终端所面临的一个重要问题p解决方法n硬件节能：低功耗设计、工艺n软件节能：解决内存墙，动态调频，节能编译，节能调度n提高电池容量p燃料电池可能从根本上解决能耗问题n其能量密度，理论上可为锂离子电池的五至十倍以上n补充供电燃料仅需数秒；n最适合可携式微小型系统p质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池p在室温下运作、体积小、重量轻、方便电池堆设计n挑战：p小型化；p安全性44浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/联网方式是飞行通道联网方式是飞行通道p移动通信n2G、2.5Gn3GpWCDMApCDM
26、A2000pTD-SCDMA中国造pWiMAX挑战巨大n4G：p无线接入技术n802.15(无线个域网，WPAN)n802.11(无线局域网，WLAN)n802.16a/d(无线固定接入，FWA)n802.20(宽带移动接入，WBMA)p发展方向n带宽更大，至少保证流畅视频n安全性更高n多模手机45浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/存储扩容，资料丰富存储扩容，资料丰富p器件n速度、容量增长p内存n基本可以运行桌面上的软件p外存n可以插拔n网络存储p依托互联网p本地存储基本的程序、数据；p其他数据保存在网络存储中46浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式
27、式 研研 发发 中中 心心http:/终端硬件终端硬件p手机终端n计算能力强n支持多种互联网和移动通讯网络接入n待机时间长n便携小尺寸p分类界限逐步模糊n手机nPDAnMID/PMPnUMPCn笔记本电脑p手机硬件与台式机无差别nX86，大存储，大屏幕，人机设备47浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/手机嵌入式软件的需求变化手机嵌入式软件的需求变化p1、实时性需求n到底哪些嵌入式设备需要实时？手机实时性要求不高p2、内核小n小内存vs大内存p3、处理器架构不一样nARM（RISC架构）vsatom（X86架构）p4、软件定制化n定制化的软件vs可以随意安
28、装卸载软件p5、基带芯片协议栈n已经非常完备p手机软件需要研究什么？n手机嵌入式操作系统：No.有足够多的解决方案了n手机支撑软件与应用软件：从桌面移植48浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/手机终端软件架构手机终端软件架构p传统手机软件:层次化架构nBSPn专业操作系统nGUIn定制应用软件p手机软件革命：平台结构n平台软件p封装手机操作系统、驱动、网络浏览器、GUIp以API形式提供应用开发者n应用软件p基于开放API开发的软件p通过网络获取定制应用，人机友好，用户下载p革了谁的命革了谁的命?49浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发
29、中中 心心http:/网络化手机软件网络化手机软件p计算机的网络化n以前：单机为主n现在：必须在网，大部分工作依赖于网络p手机的网络化n开机即在网p连接移动通讯网启动计算机网络n手机=移动网络终端p在网的终端与非在网终端，软件上的差异性在哪里n计算机p单机操作系统网络操作系统n手机p支持移动网的操作系统普通手机p支持协议栈的操作系统智能手机p网络化操作系统网络手机50浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/WebOS应运而生应运而生pWebOSn基于网络（Web）的操作系统nWeboperatingsystem或者Web-basedOperatingSyst
30、emp内涵n运行在浏览器中的虚拟OS，是基于Web的服务的开放式集合n提供了WebOSAPI，能够根据WebOSAPI进行编程n能够在WebOS中打开应用程序p外延n用户通过浏览器运行基于Web的在线应用n能实现PC操作系统上的各种操作n程序语言以PHP,XML,JS等Web语言为主，尽可能消灭高级语言pAndroid是典型的WebOS51浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/WebOS是下一代手机软件平台吗？是下一代手机软件平台吗？p优点n基于Web的标准化程度很高，不同的程序和服务能够方便的对接n无需下载，维护方便，软件升级扩展性好n免受病毒木马的骚扰
31、，容易解决盗版问题，解决了收费困难的问题n可在不同浏览器、不同的OS上运行程序，甚至可以在其他的终端p缺点n执行效率低p机器码运行osos运行浏览器浏览器运行weboswebos运行webservicep传统：机器码运行osos运行softwaren网络依赖性过强，对网络要求高nWebOS本身开发难度大，js调试困难，浏览器的兼容性差n隐私性：操作在网上，数据在服务器上p个人观点nWebOS使得一切工作都在线nWebOS是一种趋势、一种方向52浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Android/chrome都是一种都是一种WebOSpAndroid:go
32、oglephonepChrome：googlebrowserp屏蔽底层OS/驱动/GUInOS可以是linux或其他n驱动程序支持各种BSPnGUI可以是各类p提供上层应用以APIn非OS的APIp技术路线nLinux内核+apachep运行机制n完全开放开源n遵循Apachev2Licensep免费的商业性使用n软件服务提供商p提供专业的Android平台应用服务n手机开发厂商p可以方便的基于Android平台添加个性化的应用和服务n收费p广告引擎53浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/终端软件终端软件p单点技术的研究热情逐步消退p与台式机逐步融合p平
33、台化趋势明显p在网要求越来越强54浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式热点领域嵌入式热点领域p日益增长的功能密度p更高的可靠性保障p灵活的网络连接p分布式应用和移动应用p多媒体信息处理p更便捷的信息共享p适应更加激烈的市场竞争55嵌入式系统中的处理器嵌入式系统中的处理器56浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/1嵌入式系统中的处理器嵌入式系统中的处理器p嵌入式系统的核心部件n品种总量已经超过1000多种每个月都有新产品出现n流行体系结构有三十几个系列n8051体系的占有多半n32,64位微处理器是目前嵌入式系统
34、的核心p主要硬件厂商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等p2001年嵌入式系统国际会议年会JimTurley的报告中，统计得到PC的数量只占CPU总耗量的0.1%。 数字化 产品上上 游游嵌入式系统软件平台嵌入式系统软件平台下下 游游芯片、硬件 嵌入式 操作系统 嵌入式 应用组件 嵌入式 开发环境57浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/2嵌入式计算机内核分类与综述嵌入式计算机内核分类与综述 p嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)p嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU
35、)p嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)p嵌入式片上系统(SystemOnChip)58浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式微处理器嵌入式微处理器(EMPU)p通用通用计算机中的CPUp专门设计的电路板n只保留和嵌入式应用有关的母板功能p增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面p功能与和工业控制计算机相似p嵌入式处理器主要类型nAm186/88n386EXnSC-400nPowerPCn68000nMIPSnARM系列59浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:
36、/嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)p又称单片机p以某一种微处理器内核为核心p芯片内部集成nROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设p特点n单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高p代表性的通用系列n8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。p半通用系列n支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及
37、众多专用MCU和兼容系列p占嵌入式系统约70的市场份额60浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式DSP处理器(EDSP)pDSP应用n数字信号处理n限时完成pDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。p在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。p代表性的产品nTexasInstruments的TMS320系列pTMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系
38、列，以及性能更高的C6000和C8000系列。nMotorola的DSP56000系列pDSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器61浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式片上系统(SOC)p在一个硅片上实现一个复杂的系统p整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去p应用系统电路板将变得很简洁pSOC可以分为通用和专用两类。n通用系列pInfineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motor
39、ola联合研制的Neuron芯片等。n专用SOC一般专用于某个或某类系统中p代表性的产品:Philips的SmartXA62浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/处理器位数处理器位数4位8位163264单片机型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05Z88096/9768200ARMRISCCOREMIPS32COREMIPS64CORE一般用途型4004404080856809Z806502680280868028680186Z8000803868048668000/10/20/30/40PentiumII/III/I
40、V/?/Core2duo嵌入式处理器应用产品4位遥控器相机防盗器玩具简易计量表等8位电视游戏机空调传真机电话录音16位手机摄象机录象机各种多媒体应用32位MODEM掌上电脑路由器数码相机GPRS网络家庭64位高级工作站新型电脑游戏机各种多媒体应用63浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式嵌入式CPU特点特点p处理速度快或者相当pI/O功能强p功率损耗低p实时响应快64浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/3维处理器发展前沿维处理器发展前沿p微处理器成为处理器的主流p研究热点n进一步提高单个微处理器的性能p全面提高
41、计算机的系统性能：可用性，可维护性，可缩放性。n基于微处理器的多处理器体系结构。p多核n三维器件p背包SOCp三维VLSIn光速极限问题pIC电路有极限：p线宽不能无限缩小；p性能价格+低功耗n新型器件p光计算机p分子计算机pDNA计算机65浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Multicore 66浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/3D Chip67浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/主流处理器迅速在嵌入式领域得到使用主流处理器迅速在嵌入式领域得到使用pCISCnEIA:
42、EmbeddedIA,工业控制nMulticore:ViiV欢跃双核,用于数字电视pRISCnARMnMIPSnPPCnPA-RISC等n嵌入式中的主流p数字信号处理器(DSP)n乘法与加法运算n离散傅立叶变换(DFT)n离散余弦变换(DCT)nFiniteImpluseResponesnFilterpRISC主流的理由n指令使用频度较均衡n控制逻辑规整，适于VLSI工艺n软硬功能分配合理n利于指令级并行技术n芯片代码公开n可定制性强n桌面市场被CISC积压,需要寻找出路n性能强pIA架构的挑战nEIA通用性太强n开放环境成熟度高68浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中
43、心心http:/嵌入式处理器五大类体系结构嵌入式处理器五大类体系结构pARMpMIPSpPOWERPCpX86pSH系列69浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/4主流嵌入式处理器主流嵌入式处理器ARMp属于RISC体系p工业标准pARM:AdvancedRISCMachinesn只设计内核的英国公司n85年英国剑桥ARM原型n90年成立ARMltd.n不制造VLSI设备，只提供授权n2001年，市场占有率75pARM内核被授权给数百家厂商nARM主要应用于无线局域网、3G、手机、手持设备、有线网络通讯n应用形式：集成到专用芯片中作控制器n集成ARM内核的
44、芯片p英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon，Parthus70浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/ARM体系结构体系结构pARM7采用冯.诺依曼体系pARM9采用哈佛体系p对汇编程序员透明pARM架构nV1版架构nV2版架构nV3版架构n
45、V4版架构nV5版架构pARM流水线nARM7的三级流水线nARM9的五级流水线71浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/ARM系列产品表示系列产品表示pARM系列产品很多,以ARM7系列为例,其内核ARM7TDMI表示为：pARM7：ARM系列具有32位整数运算核pT：内含16位压缩指令集ThumbpD：支持片内Debug调试,pM：采用增强型乘法器(Multiplier),pI：内含嵌入式ICE宏单元p另外,各产品的后缀提供了各种形式与功能的选择：p-S：可综合的软核Softcorep-E：具有DSP的功能p-J：Jazeller,允许直接执行Java
46、字节码72浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/系列系列pARM7n系列产品pARM7TDMI/ARM7TDMI/ARM720TpARM7EJ最低功耗n具有：p嵌入式ICE-RT逻辑硬件上提供片上断点与调试点支持p非常低的功耗p提供0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯.诺依曼体系pARM9n系列产品pARM920T与ARM922TpARM940Tn具有：p5级流水线p1.1MIPS/MHz的哈佛结构pARM9En系列产品pARM966E-SpARM946E-SpARM926EJ-Sn提供pDSP扩充p嵌入式ICE-RT调试逻辑p1.1MIPS/MHz的5
47、级流水线和哈佛结构p紧耦合存储器（TCM）接口，可使存储器以最高处理器速度运转，可直接连到内核上pARM10En产品系列pARM1022Erev0/ARM1020Erev1n提供pDSP扩展p嵌入式ICE-RTp全性能MMUpCachep对于指令与数据，64位AHB接口p6级流水线p内部64位数据通道p1.25MIPS/MHzp比同等ARM9器件，同样时钟下，性能提高50pSecurcoren专为安全设计n抗窜改（resisttampering）n逆向工程（reverseengineering）n保护机构确保操作系统与数据安全v采用采用ARM7内核最多内核最多v最典型为最典型为ARM7TDMI
48、、ARM720T73浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/ARM特定功能的变种特定功能的变种 pT变种(Thumb指令集)：nThumb指令集n严格控制产品成本n比采用ARM指令更多的指令，不适合对时间要求苛刻的场合pM变种(长乘法指令)：n增加了两条用于进行长乘法操作的ARM指令n首先在ARM体系版本3引入，在ARM体系版本4之后，M变种成为系统的标准功能；pE变种(增强型DSP指令)：n包含附加指令用于增强处理器对一些典型DSP算法的处理性能nE变种首先在ARM体系版本5T中使用pJ变种(Java加速器Jazelle)：n提供Java加速功能pD变种(
49、片内Debug)：n支持片内Debug调试；pI变种(嵌入式ICE)：n集成嵌入式ICE宏单元；pSIMD变种(ARM媒体功能扩展)：n高性能的音频/视频处理技术74浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/ARM体系结构特点体系结构特点1p1）16/32位指令集并存nThumb指令集的16位指令集p32ARM指令集的子集p代码密度高，性能高n状态pARM状态，Thumb状态n每指令集都有p切换状态的指令pARM指令集n32位长度n字对准n可以传送8bit，16bit，32bit符号/无符号数据pThumb指令集n16位长度n半字对准n操作寄存器中是32bit
50、n数据访问和取指使用全32bit地址n条件分支指令是唯一一句CPSR的Thumb指令n大多数指令访问R0R775浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/ARM体系结构特点体系结构特点2p2）寄存器n37个寄存器p31个32bit通用寄存器p6个32bit状态寄存器（实际只用12bit）pR13堆栈pR14返回地址pR15=PCn寄存器分成可以重叠的组76浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Thumb状态的寄存器集状态的寄存器集p可访问的寄存器集是ARM的子集p8个通用寄存器R0R7pPC(R15)pSP（R13）pLR
51、(R14)pCPSR77浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Thumb指令集指令集p与ARM指令集的区别n分支语句p向后转移p条件下向前转移p转向子程序p从Thumb状态切换到ARM状态n数据传送指令p操作的结果放第一个寄存器eg:R1=R1+R2p数据处理操作少p访问R8R15受到限制n单寄存器加载与存储指令p只访问R1R7n多寄存器加载与存储指令pLDMIAR3!,R0-R7pSTMIAR0!,R6,R7pPUSHR3,R5-R7pPOPR2,R5n没有协处理器指令n没有信号量指令n没有访问CPSR指令78浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研
52、研 发发 中中 心心http:/ARM特点特点p内核耗电少p成本低p功能强p特有16/32位双指令集p部分软件功能硬件化p硬件支持调试开发79浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/5ARM系列高端处理器系列高端处理器XScalep基于ARMV5TE体系结构p兼容ARMV5TEISA指令集（不支持浮点指令集）p在处理器内核周围提供了n指令和数据存储器管理单元n指令、数据和微小数据缓存n写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器n电源管理n性能监控n调试nJTAG单元以及协处理器接口nMAC协处理器n内核存储总线80浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发
53、中中 心心http:/XScale系统结构图 81浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/XScale架构特点（一）p采用采用7/8级超级流水线级超级流水线n动态跳转预测、分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBaffer)p支持多媒体处理技术支持多媒体处理技术n新增乘/加器MAC、40位累加器、兼容ARMV5TE指令、特定DSP型协处理器CP0p指令快存指令快存(I-Cache)：32K字节p数据快存数据快存(D-Cache)：32K字节n可以重构为28K字节片内RAMp微小数据快存微小数据快存(Mini-DCache)：2K字节p指令存储器管理单
54、元指令存储器管理单元IMMUn32路变换后备缓冲器TLB(快表)p动态电源管理82浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/XScale架构特点（二）p数据存储器管理单元数据存储器管理单元DMMUn32路变换后备缓冲器TLB(快表)p中断控制器中断控制器p总线控制器总线控制器p1G字节/秒、ECC协议p调试调试(Debug)接口：接口：n性能监控：协处理器CP14、硬件断点、硬件观察点、BKPT指令、异常中断、JTAG接口、迹缓冲器83浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/6主流主流x86处理器，嵌入式处理器，嵌入式IA架
55、构架构pEmbeddedIA，嵌入式IA架构p芯片组（Chipset）技术n“支持电路”和“接口电路”n简化硬件部分的设计，减少主板上芯片的数量，增加可靠性n用少量几片VLSI芯片的组合称为“控制芯片组”，简称“芯片组”p“整合型芯片组”n1999年开始n将板卡（I/O卡）或其它部件的功能，如显示卡、声卡、MODEM、ATA66/33硬盘接口等支持功能集成于芯片组84浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/19751975198019801985198519901990199519952000200010,00010,0001,0001,0001010100
56、1001 10.10.1MIPSMIPS808680868086PentiumPentium IV IV IV 802868028680286i386i386i386i486i486i486PentiumPentiumPentium PentiumPentium II IIIIPentiumPentium IIIIIIIII85浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/凌动凌动ATOMp采用45nmHigh-KCMOS工艺制造n集成4700万个晶体管nDIE核心面积均为7.83.1毫米24.2平方毫米n封装硅片体积13141.6毫米n统一配备512KB二级缓存
57、n支持SSE3指令集、VT虚拟化技术、EDB防毒技术、高级散热管理技术p功耗n在800MHz频率下的Silverthornen只有不到0.65瓦的功耗86浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/7 嵌入式嵌入式DSPp案例：SHARC处理器n哈佛结构的DSPp支持浮点操作与并行执行p位数nSHARC指令48位n基本数据字32位n地址位32位p主要设计为浮点密集型运算n32位IEEE单精度浮点n40位IEEE扩展精度浮点n32位整数p片上带大量的存储器n系列中的21061有1Mbit片上存储器p存储器包括nPM：程序存储器nDM：数据存储器n两个数据地址发生器
58、（DAG)n数据可以并行取出p芯片外还能够加更多的存储器87浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/指令并行性指令并行性p允许几个操作同时执行p允许一条指令进行多数据提取p以下操作可以在单指令完成：n定点累加和加、减或平均n浮点乘法和ALU操作n乘法与双加减p限制：操作数的来源来自不同输入口88浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/8 其他嵌入式微处理器其他嵌入式微处理器pIntelStrongARMn停产pTI的OMAPn智能手机pMIPSRISCn32位和64位pMotorolanDragonBall龙珠pAMDnA
59、lchemypPPC系列p日立nSH体系结构pPhilipsnTrimedia89浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/9FPGApFieldProgrammableGateArrayp现场可编程门阵列pFPGA与CPLD(复杂可编程逻辑器件)n可编程逻辑器件nCPLD是基于与或阵列的nFPGA是基于查找表（Look-up-Table）p可重构的计算n嵌入式处理器，片内可编程pFPGA特点n静态可重复编程n动态在系统重构p硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改p极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性p缩短了产品的上市时间p降低了电子系统的开发成本p基于F
60、PGA的数字设计将在软硬件协同设计中介绍90浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/FPGA发展历史发展历史pFPGAFieldProgrammableGateArrayspFPGA起源于可编程逻辑p最早的可编程器件PROM:nPROM(mask)nEPROM可擦写PROM(field)nEEPROM电可擦写PROM(field)pPLDProgrammableLogicDevicePLD由一堆与门阵列和或门阵列连接而成，原理就是根据逻辑电路可以变换成SOP表达式,PLD是FieldProgrammablenPALProgrammableArrayLogic
61、，由可编程的与门阵列和固定（不可编程）或阵列构成nPLAProgrammableLogicArray,与门阵列和或门阵列都可编程91浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/FPGA发展历史发展历史pPROM虽然可以用来实现逻辑电路，但它的特点更适合作存储器。pPLD采用SOP方式，冗余内容较多。pFPGA由一系列基本单元构成的逻辑阵列，单元之间的连接可以由用户定义。p1985年，FPGA由Xilinx公司发明92浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/FPGA的架构的架构p基于SRAM结构的FPGA（Xilinx）pPLD
62、结构（Altera）p基于多路选择器结构（Actel）p其他p目前主流是SRAM和PLD结构p各个公司都有自己的专利技术p结构和CAD技术密切相关SSSSLLLLLLLLLCLBCLB可配置逻辑块可配置逻辑块可配置逻辑块可配置逻辑块Switch BoxSwitch Box交换布线盒交换布线盒交换布线盒交换布线盒93浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/基于基于SRAM结构结构FPGApXilinx系列FPGA多采用SRAM技术p层次化的结构p由可配置的可配置逻辑块（CLB）和可编程的互联资源（布线资源）构成。p顶层结构如下图所示：p岛式结构(islands
63、tyle)94浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/CPLD结构结构pCPLD:ComplexProgrammableLogicDevices复杂可编程逻辑器件p层次化的结构p由PIA（ProgrammableInterconnectArray，可编程互联阵列作布线资源）p和LAB（LogicArrayBlock，逻辑阵列块作逻辑功能单元）组成pAltera公司专利结构，基于EPROM编程技术（与RAM不同）p顶层示意图如下：95浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/CPLD结构结构pLAB实现类似PLD功能。Alte
64、ra对PLD机构进行改进，形成了由宏单元Macrocell和扩展乘积项ExpanderProductTerms构成的LABp这里不详细介绍LAB功能，只介绍一下PLD的原理，CPLD是基于类似的原理。pPLD一般基于与或阵列实现，这是因为任何一个逻辑表达式可以化成SOP模式p（SumofProduction）即积之和。p例：F=A+BCDp列出真值表：ABCD00011110000110010101111111101111找出所有令F1的项，然后根据变量值建立表达式，如果变量值为1，则不变，为0取反，将各个令F=1的项用“或”操作连接起来，化成SOP格式如下：F=ABCD+ABCD+ABCD+
65、ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD显然，上式完全可以用与或阵列实现，当然，冗余很多。96浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/FPGA和和CPLD的区别的区别pFPGA的逻辑块CLB，扇入（Fan-in）小；pCPLD的逻辑块扇入大p互联方式：FPGA是分布式的，延时与系统布局有关；CPLD是集总式的开关元件，等延时pCPLD逻辑能力强而寄存器少-控制密集型；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多数据密集型。p大规模的设计还是选用FPGA。97嵌入式外设嵌入式外设98浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发
66、中中 心心http:/1 总线总线p总线是连接I/O设备、CPU、存储器各子系统间的共享通信线路p优点n价格低、通用性、灵活性好p缺点n通信瓶颈（带宽）p总线的主要参数有n总线的带宽n总线的位宽n总线的工作时钟频率p传输方向n单向n双向（半双工、全双工）通常采用p用法n专用：流量高、无争用现象、控制简单；总线数目多，时间利用率低，难小型化。n非专用：共享性。造价低、模块性强，易扩充，会出现争用现象、对失效敏感。p常用系统总线nPC总线：IBM公司1981年基于8位机PC/XT的总线nAT总线：IBM公司于1984年推出了16位PC机PC/ATnISA总线：Intel公司IEEE和EISA集团，
67、与IBM/AT相近的8/16位的“工业标准结构”(IndustryStandardArchitecture)nPCI总线：1991年，Intel、IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外围部件互连专业组)，简称PCISIGnCPCI、ATCA、PCIEXPRESSnESIA总线：IBM-PC的ISA发展而来，32,33MnSCSI总线:来源于数组多路通道nIPI总线99浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pI2C(
68、inter IC 总线总线)nPHILIPS n用于内部用于内部IC 控制控制n简单的双向两线串行总线简单的双向两线串行总线pPC104n为嵌入式控制而定义的工业控制总线n紧凑型的IEEE-P996n有两个版本p8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应pPC104PLUS则与PCI总线相对应100浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/嵌入式系统中的总线嵌入式系统中的总线p嵌入式系统总线n定制性n非扩展性n结构简单p双向p专用与通用并存n专用:适用于器件固定,运行模式固定n通用:通用,需要扩展pCPU总线n传统计算机：CPU内存总线，I/O总线p商用事务处
69、理系统：I/O频繁p科学计算系统：I/O速度要与处理机速度相匹配n嵌入式系统：CPU，存储器加上设备p无需通用性p无需PNP101浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/CAN总线总线p控制器局域网pControllerAreaNetworkp被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络p发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置102浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/总结总结p嵌入式系统中总线n针对设备n无通用性n功耗低103浙浙
70、 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/2 高速输入与输出接口高速输入与输出接口pIrDA/FastIrDAn红外线发光二极管p发射n硅晶PIN光检二极管p接受n控制电路n距离小于一尺n低速9.6115Kbpsn高速14Mbpsn更高速16Mbpsp蓝牙模块（bluetooth)n无线传输收发单元n基频处理单元n数据传输接口n通信频率在1.2GHZ以内。104浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pUSBnIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel及Microsoftn12Mbpsn距离将差别很大的不同种器件在同
71、一个芯片上集成n大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高p进入到深亚微米和超深亚微米pVLSI工艺技术器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大p数百万门级的电路集成在一个芯片上n计算机性能的大幅度提高p软件基础nEDA综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高n硬件描述语言(HDL)的发展n为电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介n运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产265浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式
72、研研 发发 中中 心心http:/266浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/IP复用技术复用技术pSoC设计的基础pIP模块n知识产权核（IntellectualProperty）n一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。n芯核（CORE）：将已验证的各种超级宏单元模块电路制成芯核n可以是：微处理器、存储器、外设、多媒体、DSP、通信p三种不同形式n软IP核(softIPcore)n固IP核(firmIPcore)n硬IP核(hardIPcore)267浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:
73、/软软IP核核p基于IP模块功能的描述n在抽象的较高层次上对IP的功能进行描述n已经过行为级设计优化和功能验证p以HDL文档的形式提交给用户n包括逻辑描述、网表，以及一些可以用于测试，但不能物理实现的文件。p灵活性大p可移植性好268浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/硬硬IP核核p基于IP模块物理结构的描述p提供给用户的形式n电路物理结构掩模版图和全套工艺文件n是可以拿来就用的全套技术p优点n完成了全部的前端和后端设计n已有固定的电路布局局和具体工艺n可以确保性能n缩短SoC的设计时间p缺点n灵活性较差，难以移植269浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入
74、 式式 研研 发发 中中 心心http:/固固IP核核p基于IP模块结构的描述p介于硬IP和软IP之间的IP核p一般以门电路级网表和对应具体工艺网表的混合形式提交用户使用p可以根据需要进行修改，使它适合某种可实现的工艺流程270浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/IP复用技术复用技术pSoC设计普遍采用基于IP模块的设计方法n可以把注意力集中于整个系统n不必考虑各个模块的正确性和性能n缩短设计时间n降低设计和制造成本n提高可靠性p使芯片设计从以硬件为中心，逐渐转向以软件为中心p从门级的设计，转向IP模块和IP接口级的设计271浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌
75、 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/常用复用方法常用复用方法p依靠固核，将电阻晶体管级（RTL级）描述结合具体标准单元库进行逻辑综合优化，形成门级网表，再通过布局布线工具最终形成设计所需的硬核p在深亚微米（DSM）下很难用软的RTL综合方法达到设计再利p设计方法从电路设计转向系统设计p设计重心n原重心：逻辑综合、门级布局布线、后模拟n现重心：系统级模拟，软硬件联合仿真，以及若干个芯核组合在一起的物理设计272浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/IP 可复用可复用273浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/
76、SoC技术的优点技术的优点p采用内部讯号的传输，降低耗电量。p系统整合在一块芯片上，减少体积和重量p在相同面积上整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。p芯片内部信号传递的距离缩短，速度提高pIP模块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可适度节省成本274浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/SoC技术的缺点技术的缺点pIP核理解问题n要将IP模块集成到SoC中，要求设计者完全理解复杂IP模块的功能、接口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等。p时序问题n随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难n即使每个IP模块的布局是预先定
77、义的，但把它们集成在一起仍会产生一些不可预见的问题，如噪声，这些对系统的性能有很大的影响。275浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/2Case study: Intel XScale PXA255pXScale微架构处理器的时钟可以达1GHz、功耗1.6W,并能达到1200MIPS，最高端的嵌入式处理器p型号：IOP310、IOP321、PXA210、PXA25X、PXA26X、PXA27Xp采用采用7/8级超级流水线级超级流水线n动态跳转预测、分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBaffer)p支持多媒体处理技术支持多媒体处理技术n新增乘/加
78、器MAC、40位累加器、兼容ARMV5TE指令、特定DSP型协处理器CP0p指令快存指令快存(I-Cache)：32K字节p数据快存数据快存(D-Cache)：32K字节n可以重构为28K字节片内RAMp微小数据快存微小数据快存(Mini-DCache)：2K字节p指令存储器管理单元指令存储器管理单元IMMUn32路变换后备缓冲器TLB(快表)p动态电源管理p数据存储器管理单元数据存储器管理单元DMMUn32路变换后备缓冲器TLB(快表)p中断控制器中断控制器p总线控制器总线控制器p1G字节/秒、ECC协议p调试调试(Debug)接口：接口：n性能监控：协处理器CP14、硬件断点、硬件观察点、
79、BKPT指令、异常中断、JTAG接口、迹缓冲器276浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/XScale的处理核技术的处理核技术Intel, Intel XScale and the Intel logo are trademarks or registered trademarks of Intel Corporation or its subsidiaries in the United States or other countries.277浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/片上存储器片上存储器p嵌入式系统的
80、片上存储器nCachenScratchpadMemory278浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/PXA255 系统特性系统特性p处理器运算速度400MHzp采用CPU核心板加扩展板的设计结构n使调试和使用灵活方便,扩展方式得到延伸,客户可以根据设计需要更换或升级核心板有效保护前期资源。p外围资源丰富，具有n全功能串口（FFUART）、蓝牙高速串口（BTUART）、SD/MMC/SDIO接口、CF卡接口、TTL电平UART接口、LCD扩展接口、电源接口、USB接口、仿真器接口、JTAG接口、总线扩展接口、AC97接口、麦克接口、耳机接口等多种接口。279
81、浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/280浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/PXA255系统结构图系统结构图281浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/Case study : 多芯核结构多芯核结构ARM芯片芯片p为了增强多任务处理能力、数学运算能力、多媒体以及网络处理能力，某些供应商提供的ARM芯片内置多个芯核p常见的有nARM+DSPp为增强数学运算功能和多媒体处理功能，在ARM芯片内增加DSP协处理器pARM公司的PiccoloDSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核
82、、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP芯核等。nARM+FPGAp为提高系统硬件的在线升级能力，在ARM芯片内部集成了FPGAnARM+ARMp为了增强多任务处理能力和多媒体处理能力，芯片内置多个ARM核pPortalplayer公司的PP5002内部集成了两个ARM7TDMI芯核可以应用于便携式MP3播放器的编码器或解码器pMinSpeed公司多款高速通讯芯片中集成了24个ARM7TDMI内核282浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/3 常用常用IPp比较著名的IP提供商包括：ARM、Rambus、synopsys
83、、TTPCom、ParthusCeva、VirageLogic、Artisan、MIPS、Mentor和Mosys等公司。2002 年各嵌入式内核所占的市场份额。283浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/4 SoC的新发展的新发展SoPCpSystemonaProgrammableChip，片上可编程系统pSoC设计依赖于固定的ASICn通常采用全定制和半定制电路设计方法，进行修改、升级n花费昂贵的代价进行重复设计p可编程逻辑器件(PLD)的设计n灵活n开发周期较短n规模效应n具有成本优势pAltera公司提出了基于PLD的SoC设计方案SoPC284浙
84、浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/SoPC简介简介pSoC技术和可编程逻辑技术结合的产物p是一种特殊的嵌入式系统n将处理器、存储器、I/O口、LVDS、CDR等系统设计需要的东西集成到一个PLD器件上n构建成一个可编程的片上系统p它是SoCn可以由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能p它还是可编程系统n具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级n并具备一定的系统可编程功能p高灵活性、低成本285浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/SoPC的特点的特点pSoPC结合了SoC、PLD和FPGA各自的优点：n至少包含一个嵌
85、入式处理器内核n具有小容量片内高速RAM资源n丰富的IPCore资源可供选择n足够的片上可编程逻辑资源n处理器调试接口和FPGA编程接口n可能包含部分可编程模拟电路n单芯片、低功耗、微封装286参考文献参考文献287浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/参考文献参考文献(1)p嵌入式原理n嵌入式计算机系统设计原理ncomputers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 机械工业出版社，2002n嵌入式系统体系结构 编程与设计（影印版） nMCG
86、RAW-HILL， RAJ KAMAL，清华大学出版社，2005年2月 p嵌入式系统nARM嵌入式系统开发：软件设计与优化nARM SYSTEM DEVELOPERS GUIDE: DESIGNING AND OPTIMIZING SYSTEM SOFTWARE，ELSEVIER， ANDREW SLOSS, DOMINIC SYMES, CHRIS WRIGHT ，译者：沈建华，北京航空航天大学出版社，2005年5月nARM SOC设计的软件和硬件协同验证 n原书名：CO-VERIFICATION OF HARDWARE AND SOFTWARE FOR ARM SOC DESIGN，ELS
87、EVIER， JASON ANDREWS，译者：周立功 等，北京航空航天大学出版社，2006年8月 n基于FPGA的嵌入式开发与应用 n 徐光辉 程东旭 黄如 等，电子工业出版社，2006年9月 288浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/参考文献参考文献(2)p嵌入式软件n嵌入式系统软件教程 n原书名：AN EMBEDDED SOFTWARE PRIMER，ADDISON WESLEY/PEARSON， DAVID E.SIMON，译者：陈向群，机械工业出版社，2005年9月n嵌入式软件基础：C语言与汇编的融合（影印版） nFUNDAMENTALS OF
88、 EMBEDDED SOFTWARE: WHERE C AND ASSEMBLY MEET，PRENTICE HALL， DANIEL W. LEWIS，高等教育出版社，2004年8月 p嵌入式操作系统n构建嵌入式LINUX系统 n原书名：BUILDING EMBEDDED LINUX SYSTEMS，OREILLY， KARIM YAGHMOUR，译者：OREILLY TAIWAN公司，中国电力出版社，2004年12月 n嵌入式实时操作系统C/OS-II（第2版） n原书名：MICROC/OS-II THE REAL-TIME KERNEL,SECOND EDITIO，CMP，JEAN J.
89、LABROSSE，译者：邵贝贝，北京航空航天大学出版社，2003年5月n嵌入式软件与HOPEN系统 n钟锡昌 张倪，北京航空航天大学出版社，2004年6月 n嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornadon孔祥营等，中国电力出版社，2002289浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/参考文献参考文献(3)p嵌入式软件开发环境nWINDOWS CE嵌入式系统 n何宗键，北京航空航天大学出版社，2006年9月 n深入Brew游戏开发n卜佳俊，张海翔，陈天洲，清华大学出版社，2004p嵌入式实验n嵌入式intel架构微机原理实验教程n陈章龙，陈天洲等，北京航空航天大学出版社，2006年8月n嵌入式系统开发原理与实践 n陈文智，清华大学出版社2005年8月 290END291 素材和资料部分来自素材和资料部分来自网络，如有帮助请下载网络，如有帮助请下载!
