嵌入式系统与软件.ppt

1,嵌入式系统与软件,电子科技大学计算机学院 嵌入式实时系统教研室詹瑾瑜 副教授,2,课程的主要内容,嵌入式系统概述概念、分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势嵌入式硬件系统基本组成、嵌入式微处理器、总线、存储系统嵌入式软件系统分类、特点、体系结构、嵌入式操作系统嵌入式实时内核任务管理、中断管理、任务间通信与同步、时间管理、存储管理、I/O管理、嵌入式系统开发和环境嵌入式软件运行过程、嵌入式软件开发工具、嵌入式系统设计方法和原则,3,电子科技大学嵌入式方向,长期从事嵌入式系统技术研究、开发、咨询服务和本科/硕士/博士生培养 所研究内容属计算机应用博士点的主要学术方向之一承担并完成了国家863、电子发展基金、国防预研等多项嵌入式系统相关的重点课题，开发出具有自主版权的嵌入式实时操作系统CRTOS系列及开发工具。成果获得了多项部级科技进步奖,4,参考教材及参考资料,参考教材：嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版社嵌入式系统原理及应用开发技术（第2版），桑楠主编，高等教育出版社参考资料：嵌入式计算系统设计原理（美）Wayne Wolf Computers as Components：Principles of Embedded Computing System Design嵌入式系统设计（美）Arnold Berger Embedded Systems Design：An Introduction to Processes，Tools and T,5,嵌入式系统概述,6,20世纪科学技术发展的三大主题,原子与物质-量子革命基因与生命-分子生物革命计算机与思想-计算机革命,7,计算机发展的三大阶段,第一阶段：始于五十年代的由IBM、Honeywell等公司率先研制的大型机；第二阶段：始于七十年代的个人计算机；第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。,8,PC机的优势,PC机进入办公室和家庭，破除了计算机的贵族形象，开辟了计算机普及之路；发展出以台式机为基础的若干新的计算模式：网络计算、分布式计算、移动计算和虚拟计算，促进了互联网时代的到来，有力地推动了计算机技术进步。,9,PC机强调人去适应由电脑制造出来的虚拟世界，令人陷入而不可自拨，分散人的精力；端坐在电脑桌前才能接受信息服务,束绑了人的活动自由，不符合人类普遍的实际情况，从而限制电脑真正普及。,PC机存在的问题与局限,而嵌入式系统注重人的个性，以人为中心主动提供所需服务，即电脑适应人。,10,无处不在的计算机,施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser（“无处不在的计算”之父）认为：“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。,11,无处不在的计算机,全世界计算机科学家的共识：计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物，而是将变得小巧玲珑,无处不在。他们藏身在任何地方，又消失在所有地方，功能强大，确又无影无踪。人们将这种思想命名为:“无所不在的计算机”。,12,嵌入式系统的应用领域,13,嵌入式系统的应用领域,14,火星探测,欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，开始了人类的火星之旅。,勇气号,15,“哥伦比亚”号，高56米。,航天飞机,16,宇宙飞船,17,世界上最大的常规动力航空母舰“小鹰”号,航空母舰,18,机器人,19,可穿戴计算,20,手机,不仅仅是通话的工具,21,手机,22,数码相机,23,高清晰度数字电视（HDTV）,24,程控交换机,25,飞机驾驶模拟器,26,全球定位系统（GPS）,27,汽车电子,28,汽车电子,29,还有很多示例,医院用的B超、CT、核磁共振；住宅小区的智能管理；工业控制；油田探井；无线传感网络；,30,计算机无处不在；计算机与使用者的比率达到和超过100:1的阶段；无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系统；在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机；嵌入式应用带动了计算机产业的迅猛发展。,嵌入式系统的应用领域,31,通用计算机-看得见的计算机,如：PC机、服务器、大型计算机等。,硬 件,诸如主机、显示器、键盘、鼠标等看得见部件,32,软件,应用程序可按用户需要随时改变,即重新编制。,通用计算机-看得见的计算机,33,嵌入式系统的几种定义,定义一：早期的定义,看不见的计算机，一般不能被用户编程,它有一些专用的I/O设备,对用户的接口是应用专用的。,34,定义二：IEEE的定义,Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants.,嵌入式系统的几种定义,35,定义三：跨行业的定义,先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。,嵌入式系统的几种定义,36,定义四：基于OS的定义,由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视、管理等功能的计算机系统。,嵌入式系统的几种定义,37,定义五：广义的定义,作为某种技术过程的一个核心处理环节，能直接与宿主环境接口或交互的计算机系统。,嵌入式系统的几种定义,38,定义六：当前国内通用的定义,嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件、硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统的几种定义,39,嵌入式系统的特点,嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的软硬件综合体 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率 地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。每种嵌入式微处理器大多专用于某个或几个特定的应用，工作在为特定用户群设计的系统中。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。,40,嵌入式系统的特点,嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。在嵌入式微处理器产业链上，IP核设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已形成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。,41,嵌入式系统的特点,嵌入式系统通常极其关注成本 成本是产品竞争的关键因素之一嵌入式的系统成本包括:一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本(如专利费等)产品成本:硬件、外壳包装和软件版税等批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本,42,嵌入式系统的特点,嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加在内存中运行，具有快速启动的特点。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启机制。,43,嵌入式系统的特点,嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种类型处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器可根据应用的情况进行剪裁、配置嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限，如内核规模在几十KB嵌入式操作系统一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法,44,嵌入式系统的特点,同时目前一些操作系统还提供了HA（High Available）机制 嵌入式操作系统能与应用软件一样固化运行,45,嵌入式系统的特点,嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：1、产品定义2、软件与硬件设计与实现3、软件与硬件集成4、产品测试与发布5、维护与升级,46,嵌入式系统的特点,嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。,47,嵌入式系统的发展历程,1.嵌入式系统的出现和兴起（1960-1970）应当说把计算装置嵌入在系统和设备之中，在电子数字计算机出现之前就有了。出现：20世纪60年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为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(Verdan)。同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。1962年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制(DDC)。,48,嵌入式系统的发展历程,1.嵌入式系统的出现和兴起（1960-1970）兴起：在19651970年，当时计算机已开始采用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下 第一次使用机载数字计算机控制的是1965年发射的Gemini3号，第一次通过容错来提高可靠性是1968年的阿波罗4号、土星5号。1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDP11系列，成为工业生产集中控制的主力军。在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要求，还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入式计算机系统。,49,嵌入式系统的发展历程,2.嵌入式系统开始走向繁荣，软件和硬件日臻完善（1971-1989）(1)嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的微处理器，包括Intel 8080/8085，Motorola 的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。微处理器不单用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统。仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其中大部分是用于嵌入式工业控制应用。,50,嵌入式系统的发展历程,(1)嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总线的诞生。,51,嵌入式系统的发展历程,(1)嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后 1976年Intel推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/S的Multibus。1978年Prolog设计简单的STD总线广泛用于小型嵌入式系统。1981年Motorola推出的VME_Bus则与Multibus瓜分高端市场。目前在工业控制领域，嵌入式PC、PC104、CPCI（Compact PCI）总线已广泛应用到工业控制领域。,52,嵌入式系统的发展历程,(2)单片机、DSP出现 随着微电子工艺水平的提高,集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中,制造出面向I/O设计的微控制器，就是我们俗称的单片机。还有一批专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器DSP。通用DSP和专用DSP两种。,53,嵌入式系统的发展历程,(3)软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/M(编译器象汇编但语言象pascal的结构化语言，也称做“高级汇编语言”)、C等高级语言。对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。,54,嵌入式系统的发展历程,(3)软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 Ready System(后来的Microtec Research、后来又被Mentor Graphic收购)公司Integrated System Incorporation(ISI)WindRiver公司（Vxworks嵌入式操作系统）QNX公司（QNX嵌入式操作系统）商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。,55,嵌入式系统的发展历程,3.嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现在）进入20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。,56,嵌入式系统的发展历程,3.嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现在）嵌入式系统的硬件4位、8位、十六位微处理器芯片已逐步让位于32位嵌入式微处理器芯片。面向不同应用领域的（Application-Specific）、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的32位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。DSP向高速、高精度、低功耗发展。DSP与通用嵌入式微处理器集成已成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手机、IP电话等。,57,Microprocessor Chaos,1980,1990,1996,1998,58,嵌入式系统的发展历程,3.嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现在）嵌入式系统的硬件在工业控制领域，嵌入式PC大量应用于嵌入式系统中。PC104、CPCI（Compact PCI）总线应其成本低、兼容性化也已广泛应用。嵌入式系统的软件随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。,59,嵌入式软件危机,低价位的 RISC/32-位微处理器,日益复杂的应用,产品推向市场的时间压力,开发成本的提高,嵌入式软件危机,60,嵌入式系统的发展历程,3.嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现在）嵌入式系统的软件为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由80年代只有内核发展为包括内核、网络、文件、图形接口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等丰富功能的集合。此外，嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。,61,嵌入式操作系统的演变,*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded device,Kernel,62,63,嵌入式系统的分类,按嵌入式处理器的位数来分类嵌入式系统分为4位、8位、16位、32位和64位。目前正在使用的有4位、8位、16位、32位嵌入式系统但32位嵌入式系统是主流高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用64位嵌入式处理器按应用来分类嵌入式系统可分为信息家电类、移动终端类、通信类、汽车电子类、工业控制类等,64,嵌入式系统的分类,按实时性来分类 1.按确定性分类根据实时性的强弱，可将嵌入式系统分为硬实时、软实时系统.硬实时:系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。软实时:系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃。,65,2.按响应速度分类 强实时系统,其系统响应时间在毫秒或微秒级;一般实时系统,其系统响应时间在几秒的数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一些。弱实时系统,其系统响应时间约为数十秒或更长。这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。,66,嵌入式系统的分类,按嵌入式系统软件复杂程度来分类 循环轮询系统有限状态机系统前后台系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统,67,嵌入式系统组成,嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。,68,嵌入式系统基本结构,69,嵌入式硬件组成,70,嵌入式软件组成,71,嵌入式系统的发展趋势,以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度灵活的网络联接轻便的移动应用多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动支持二次开发和动态升级等,72,形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台 嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PC一样只有一种平台吸取PC的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。,嵌入式系统的发展趋势,73,形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台 在工业控制等领域，嵌入式PC已成为一种标准的软硬件平台。硬件兼容PC，以ISA、CPCI为标准总线，并扩展DOC（Disk On Chip）、DOM（Disk On Module）、Flash等多种存储方式。软件以BIOS为基础，可运行多种嵌入式操作系统。欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口。,嵌入式系统的发展趋势,74,面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SOC（System On Chip）将成为应用主流 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SOC 除8位/16位处理器核外各种32位通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。,嵌入式系统的发展趋势,75,用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。,嵌入式系统的发展趋势,76,嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向:可适应不同的嵌入式硬件平台具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展,嵌入式系统的发展趋势,77,嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 嵌入式开发工具将向支持多种硬件平台覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段高效高度集成的工具集方向发展,嵌入式系统的发展趋势,78,嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用消费电子产品Internet基础构架设备Internet接入设备微型Internet服务器汽车电子,嵌入式系统的发展趋势,79,嵌入式系统联网成为必然趋势针对外部联网要求，嵌入式系统必需配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览器和Web Server。,嵌入式系统的发展趋势,80,互联的价值,嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、内容和信息的访问能力为动态修改嵌入式软件提供了可能，如:修改系统代码或“固件”增添新的应用软件模块增强了系统和设备的可管理性,81,嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。,嵌入式系统的发展趋势,