嵌入式系统原理.ppt
课程名称：嵌入式系统原理,学时：32学时,环境监测房屋测量航空应用,讲授方式：讲与交流,内容来源：专业基础业界前言科研总结,评测方式：作业/报告,课程基础：*数字电路*计算机原理*自动控制原理*操作系统*接口电路*信息论*算法与语言等课程,适合的听课对象：*计算机、自动化、*信息安全、电子/通讯类 硕士研究生,教材说明嵌入式系统原理以嵌入式系统为对象，对其涉及的相关方面做了较为全面的讲解，从系统概念到五层结构和数学模型，然后按照五层结构体系，分别讲解了硬件体系、引导、属于中间件嵌入式操作系统和数据库、应用编程和数据处理、系统测试，接着给出了系统的指标体系和工程方法，最后采用本书给出的概念框架、模型、体系架构、指标体系和评价方法对几大类嵌入式系统分别有针对性的进行了分析，从而使读者能够在高层次全面理解嵌入式系统的原理。,一、主要思想1嵌入式系统定义与分类方式嵌入式系统作为概念并不是新词，大约二十多年前就已经有定义了，被学科和人们开始重视，应该也仅是近十几年的事情，但就“嵌入式系统”定义的角度，却发生了较大的分歧，由此对形成对系统评判和构造的方向性差异，也就是：应用设备系统（本书中称作对象体系）中含有专用计算机系统将专用计算机系统嵌入到应用设备系统中这是方向的不同，本书中强调后者，即“将专用计算机系统嵌入到应用设备系统中”，但也不绝对否认前者，因为前者是很多单片机系统的构造方式，至今依旧是嵌入式系统中的重要组织方式，从这个角度，本书作为教材是兼收并蓄的，而不是学术极化。本课程依据嵌入式系统的可靠性、实时、交换和可信四个主轴，为现存的嵌入式系统进行了全面的分类，因此为学生建立前面的嵌入式系统概念，建立了全局的基础，例如按照本书的划分，将WinCE系统划分为：可崩溃可交换非可信非实时系统，这样从类别的角度，可让学生清晰的建立全局观，客观的审视和评价周边的嵌入式系统。这一点应该是本教材的突破，既屏蔽应用和商业带来的障碍，又提高了学习过程的感知和理解度。,2系统结构层次l 五层结构按照常规的嵌入式系统层次分法，大都将嵌入式系统分为三层，即硬件+操作系统+应用，但本书中将系统细分为五层，主要思想来源于PC产业的细分，PC中的BIOS(Basic Input Output System基本输入/输出系统)将PC的硬件制造和个人计算机系统分离，同时也将硬件和软件变化分离，由此可以保证系统的整体可靠性，书中强化了最小系统和驱动部分，并将操作系统的UI(User interface用户接口)剥离；l 裁减控制关于内核的描述上，书中引入了层次结构下的模块式结构和插件式结构，明晰和强调了嵌入式系统的另一大特征-可裁剪性。l 控制数学模型在结构性分析的同时，课程中强调了工程控制论思想，明确了在嵌入式系统土壤中如何构造以精确控制为目标的控制数学模型。,3评价体系l 系统与平衡对于嵌入式系统的评价，很难用绝对的方式进行衡量，就像人的健康状态，极化任何一个方面，都可能造成误导，因此建立嵌入式系统评价体系，从系统和平衡的着眼点进行考量；l 过程与生存环境评价应该包括嵌入式系统全过程，从系统的创建、设计、制造，到运行/维护和消亡，也因此形成了设计空间、制造空间、运维空间和用户空间的嵌入式系统环境概念，这是大多数教材和论著忽略的，但在本书中相对强化了该点，这些在本书封面上都有所体现；l 系统制约与干扰嵌入式系统不是孤立的，它与对象体系既息息相关，又有制约和干扰。表达方式上，书中采用了蜘蛛图的方式进行，比较形象。整体的评价体系充分的吸收了我国传统阴阳系统二元逻辑，多级对称的精髓，注重在很多方面强调了两极互补、互动的关系，比如硬件与软件、处理器和存储、程序与数据等，客观地定位了大多数人强化嵌入式操作系统和数据库的观点，将其定位为课程定义体系下的中间件，即在设计中，工程师希望他们越庞大越好，但在用户使用时，则希望其越瘦、越薄为好，否则在性能、可靠性、成本等方面都会受到影响。,4工程方法嵌入式系统的工程方法主要强调设计空间环节，以及与之密切相关的制造和维护空间。l 时间指标量化传统的控制和仪表系统，大都在时序控制和时间精细安排方面有着众多的原则和理论支撑，但在计算机系统中，软件编程人员往往淡化这一概念，真对于这一方面本书也安排了相关融合内容，来强调时间量化和时序的重要性l 系统可裁减系统配置和条件编译，无疑是裁减过程重要环节，但嵌入式系统的可裁减性应该体现在所有的环节、模块，为此本书从软件封装到硬件支撑等许多部分都安排了相关内容的讲解，来使读者了解相关的设计考虑。l,系统整合嵌入式系统整合是从事嵌入式系统设计人员必须具备的意识和能力，如Motorola发布的A780手机，基于嵌入式linux操作系统，整体就整合了十几家嵌入式软件产品，才形成了最终的用户产品，这意味了整合本身就需要很强的评判、界定和融合能力。作为于裁减相对应的部分，这一概念也是本课程中强调的重点之一。l 透明可测性设计复杂系统性能和可靠性的保障，不完全靠认真，或者负责任，必须依靠合理有效的方法去保障，其中每个环节加入透明可测设计，是非常有效的，此类方法是故障隔离的前提，尽管在设计的初期会产生性能或用户体验的下降，但在系统成熟的过程中，优势会充分体现出来。,5发展与变化电子和IT领域中有一个重要的特点，就是变化快，思想和感悟难于沉淀，嵌入式系统同样难以逃离这样的规律，本书中试图将抽象的模型、体系判据和工程方法与具体的商业产品分开，减少变化引起的冲击；由于课程中主要采用了系统辩证的方法，去解释和阐述，使得该书作为教材具有较强的适应力，尽管如此也很难以书面的方式应对所有的问题，因此本书在出版的同时，也在南开大学嵌入式系统与信息安全实验室的网站上专门开辟了嵌入式系统原理论坛（http:/:8080/cgi-bin/leobbs.cgi）,第一章 嵌入式系统历史与现代特征 本章从嵌入式系统的定义作为起点，以辩证与发展的观 点，在回顾嵌入式系统发展历史的基础上，指出嵌入式 系统发展中的特征和危机。以帮助读者探究嵌入式系统 的全貌。1.1、嵌入式产品世界 1.2、嵌入式系统与相关领域的历史 1.3、危机与发展特征 1.4、嵌入式系统定义,第二章 系统结构与模型从系统论的角度出发，借助数学模型的工具，针对嵌入式系统的宏观及微观问题进行讨论，在明确系统的五层结构的基础上，给出了系统的物理和逻辑体系架构，并以此为基础展开系统数学模型的讨论，在合理假设前提下，给出了几种数学模型的建立方法 以及模型的使用，从而为后续章节做好了系统分析的基础。,2.1系统与系统思想 系统思想 系统结构的一些概念 2.2系统五层结构模型 物理结构与逻辑结构 五层结构模型 各层的功能及指标 五层模型的应用与评价 2.3 模型建立 嵌入式系统模型定义 建模原则 建模方法与步骤 面向对象的建模过程,2.4 模型使用 结构化综合控制模型 对象化环模型 建模示例,第三章 系统硬件体系 硬件是嵌入式系统的基石，是五层结构的第一层，本章以嵌入式系统的硬件为背景，对主要部件给予了客观的分类和评判，尤其针对嵌入式处理器、存储器做了详述；同时对于系统设计的基本问题，比如：时钟、总线、能耗控制机理做了系统的讲解，最后给出了硬件体系的评价方法，作为硬件整体裁剪的标准。,31硬件体系框架32硬件系统元素 微处理器和指令系统 存储器 输入输出设备 通信与扩展接口33系统设计要素 时钟与总线 内存管理 看门狗技术 供电与能耗,34 硬件系统评价 常规指标 资源分配 电气功耗 可靠性和稳定性,第四章 最小系统：引导与驱动 引导是系统启动和运转的第一步，是系统从硬件走向系统软件的开始，本章开始对计算机系统启动机理和主要类型做了必要的讨论，在讲解系统中断、I/O、存储管理初始化的基础上，给出了建立硬件与操作系统之间桥梁的引导层（BIOS）式五层结构的第二层，并对该层存在的必要性给予了足够的讲解，章中对引导层的内涵以PC BIOS为例进行了详述，同时也以UC-OS和Linux为例进行了验证性说明。,4.1引导层建立 引导部分 驱动部分 4.1.3BIOS 4.2引导模式 非片内引导 片内引导 4.3中断、I/O、MMU初始化 中断初始化 4.3.2 I/O初始化 4.3.3 MMU初始化,4.4 驱动部分（BSP）的设计 4.4.1 BSP的设计开发 4.4.2 BSP与BIOS 4.5 运行举例 最小系统 4.5.2WinCE 4.5.4 PC DOS,第五章 中间件：嵌入式操作系统与数据库中间件从使用对象的角度，希望此环节越薄，越小越好，但是从系统设计和延续的角度它是非常重要或者说是致命的环节，这是嵌入式系统的第三层和第四层，目前研究和产业界有着众多的开源和商业化操作系统和数据库，如何裂解这些对象抽象出基本的框架用以识别、分析判断以及在嵌入式系统设计中，正确的使用它们，将是本章讲解和讨论的重点，裂解的第一步是将操作系统的内核和SUI分开，OS内核是系统的第三层，从其结构的角度，层次和微内和是两种主流结构，但从使用的角度实时系统又是不可缺少的主题，因此将这三种内核机理都以例证的角度进行了讲解，SUI是嵌入式系统结构的第四层，从机理的角度可分解为文本式和图形式，在图形中由分为X-windows和？；实时操作系统完全是从整体系统时域指标为第一指标的角度设计的系统，软实时和硬实时是重要的两种类别；嵌入式数据库可以认为是SUI并架的第四层结构，本章从现代嵌入式系统特征的角度分析和讲解了，在嵌入式系统环境下数据快速处理和交换问题。本章的最后给出了嵌入式操作系统的三维评判原则。,5.1嵌入式操作系统 操作系统体系结构 实时特性 操作系统裁剪 嵌入式操作系统评测 5.2用户接口（UI）的定义 的发展历程 嵌入式UI的结构特点 嵌入式UI设计原则,5.3嵌入式数据库 定 义 作用与应用特性 设计要求 嵌入式移动数据库 嵌入式本地数据库,第六章 应用编程与数据处理 应用编程是嵌入式系统结构的第五层，与使用对象的接触最近，如何保证应用程序、数据的开放和兼容性是目前整个行业和学科面临的基础问题，本章以嵌入式系统设计涉及的三种基本语言（汇编、C和JAVA）为例，讲解了应用编程和数据处理的主要问题；本章的另外一个主题是工程测试，测试是从设计开始的，测试贯穿着始终，与第七章的指标域评价体系有明显的区别。,6.1程序与数据评价 程序与数据信息的表现 开放性 兼容性 6.2汇编与C 汇编语言 语言 汇编与C嵌入式编程举例 6.3 Java 体系结构 6.3.2JVM 标准与规范 与 C混合编程 嵌入式编程举例,与XML 6.4.1.NET战略 6.4.2XML 嵌入式设计举例 6.5应用编程与数据处理 应用编程 数据处理 电子阅读器应用举例 6.6嵌入式系统测试 软件测试 硬件测试 综合测试举例,第七章指标体系与系统类别分析 在熟悉了嵌入式系统的全过程后，从总结和评述的角度，提升对系统的全面认识和识别，给出了内在和互作用指标的说法，形成了本教材的高潮和精髓，在明确了这些体系和指标后，会容易理解作为专用计算机系统的嵌入式系统是从属在计算机专业范畴内的主题，不应与其他关联行业或专业内容相混，从而使嵌入式系统独立发展。在此基础上，可以根据嵌入式系统的内在形态将主要分为以下几种主要的类型：可崩溃、不可崩溃系统实时、非实时系统可交换、不可交换系统可信、非可信系统,7.1内在指标 传统评价 信息评价 7.2作用指标 干扰度 智能度 控制度 融合度 7.3封装与软件整合 封装 软件整合 7.4系统安全(选学）系统安全概述 嵌入式系统安全,本质安全概述 7.5可靠性 定义及说明 评价方法 优化方法 7.6剪裁 硬件剪裁 软件剪裁 7.7指标体系 7.8嵌入式系统类别分析 可崩溃、不可崩溃系统 实时/非实时系统 可交换/不可交换系统 可信/非可信系统,序 当前，中国ICT制造业的规模已达到世界第二位，但其工业增加值和利润率都很低，为了使中国能从一个“信息大国”发展到“信息强国”，我们必须努力掌握嵌入式系统的核心技术，将现在的各种简单的信息电子产品更新换代，发展成为具有数字化、智能化、网络化特征的嵌入式系统，这样，才能大大提高信息电子产品的附加值和竞争力，实现从“信息大国”向“信息强国”的过渡。因此，在一个相当长的时期内，我国都需要重视培养精通嵌入式系统的人才。但 由于嵌入式系统的覆盖面很广，它不但牵涉到硬件和软件，而且也牵涉到各种各样的应用领域，因此对嵌入式系统的教材也提出了很高的要求。在这种情况下，我们高兴地看到，李庆诚、刘嘉欣、张金等老师合著的嵌入式系统原理一书问世了。本书具有鲜明的特色，给人以耳目一新的感觉，这和本书作者的背景是分不开的。本书的主要作者具备跨本书涉及的三大学科（即计算机、自动化、通讯）的学识，对嵌入式系统有许多独到的见解。本书中涉及到的基本理论和方法，是作者们近二十年教学、科研和工程实践的结晶。他们多年的教学和科研实践，以及从事多种商业化嵌入式系统的规划、设计的成功经验，使本书既注重理论、方法的抽象沉淀，又注重理论、方法的工程实现；本书的讲述，理论和样例并举，讲授和实验融合，这些都使本书能做到深入浅出、通俗易懂。,按照五层结构，本书详细剖析了作为硬件核心的各类哈佛结构与冯氏结构的嵌入式处理器和指令系统类型；深入研究了构成嵌入式系统的最小系统的引导和驱动；准确定义了作为中间件软件核心的嵌入式操作系统和用户界面以及另一类常用的中间件嵌入式数据库；系统讲解了应用编程和数据处理问题，并强调了软件测试的重要性。本书突出了嵌入式系统的指标体系和量化方法，以可信性、可崩溃性、可交换性、实时性作为评价标准（即“多维评价图”或“蜘蛛图”），使读者对嵌入式系统有一个全面的认识和判别。为了使读者掌握正确的思维方法，本书在将现代计算机系统理论与我国传统的阴阳辩证逻辑的结合方面也作了有益的尝试，这有助于使读者更好地掌握嵌入式系统的本质。本书对象为计算机、自动化、通讯等专业本科和研究生。一方面，由于当前计算设备、自动化设备和通讯设备都会或多或少地含有嵌入式系统，这使嵌入式系统可以成为这三个学科的共同专业基础课程；另一方面，嵌入式系统也有它自身固有的原理、规则和方法，可以成为具有独立理论与工程意义的专业基础课程。总之，鉴于本书的上述特点，它的出版将为嵌入式系统人才的培养提供一部优秀的教材。,参考书目：1.现代操作系统 Andrew S.(荷兰)著 机械工业出版社（英文影印）第二版2嵌入式系统技术与应用 许海燕主编 机械工业出版社3嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado 孔祥营编 中国电力出版社4Windows CE.Net系统分析与实验教程 陈向群等编 机械工业出版社5C/OS-II-源码公开的实时嵌入式操作系统 Jean J著 中国电力出版6信息安全学 周学广编著 沈昌祥审 机械工业出版社7Java安全 Scott Oaks著 林琪译 中国电力出版社8深入嵌入式Java虚拟机 中国铁道出版社9Java与分布式系统 Marko Boger著 机械工业出版社,教材：嵌入式系统原理,参考网站：南开嵌入式系统与信息安全实验室嵌入式开发网中科院计算所嵌入式软件水木清华PDA日报,
