嵌入式系统教学课件：嵌入式系统及应用.ppt

嵌入式系统及应用,个人信息,宋晖电话：Email：,教材,嵌入式系统设计及实例开发基于ARM微处理器与UC/OS-II实时操作系统王田苗、魏洪兴编著清华大学出版社2008年1月第一版,参考书,嵌入式微处理器系统设计实例（第三版）.（美）鲍尔 著，苏建平等 译/2004年03月/电子工业出版社 C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统.（美）Jean J.Labrosse,邵贝贝译.北京：中国电力出版社，2001.8s嵌入式系统的构建.慕春棣 编著.清华大学出版社，2004ARM体系结构与编程，杜春雷 编著 清华大学出版社，2003,学习嵌入式系统最关键的两点,1、嵌入式系统是什么？2、学习嵌入式系统需要哪些知识？,嵌入式系统的组成,第一章 嵌入式系统概述,1,3,2,嵌入式系统简介,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的现状和发展趋势,4,本章小结,1、嵌入式系统简介,无处不在的嵌入式系统嵌入式系统的定义,计算机发展的三大阶段,第一阶段：始于五十年代的由IBM,Burroughs,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。,计算的发展过程,资源使用的灵活性,计算的自由性,无处不在的计算机,施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser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”。,无处不在的计算机,全世界的计算机科学家正在形成一种共识: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,确有无影无踪.人们将这种思想命名为:“无所不在的计算机”。,嵌入式系统无处不在,彼此互连,即使远在火星,勇气号,自1997年10月15日发射以来，经历了7年35亿公里航程的卡西尼号太空船在2004年7月1日10时30分进入土星轨道，开始进行人类有史以来对土星及其31颗已知卫星最详尽的探测。,土星探测,Wearable Computing,嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用,无处不在的计算机是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,通用计算机看得见的计算机,如：PC机、服务器、大型计算机等。,显示器,主 机,鼠 标,键 盘,硬 件,诸如主机、显示器、键盘、鼠标等看得见部件,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,嵌入式系统定义,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。An embedded system is a computer system contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device.“Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.”通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。,嵌入式系统定义,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“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）。,一般定义,“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”,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,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）,嵌入式系统定义,嵌入式系统是将先进的计算机技术、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。包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。,通用计算机与嵌入式系统对比,嵌入式系统的几个重要特征,（1）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,（）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。,（）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,（5）嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,嵌入式系统的组成,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。,嵌入式系统结构,嵌入式系统结构,计算机系统结构,嵌入式系统的软/硬件框架,嵌入式硬件层,嵌入式系统软件体系,嵌入式软件子系统,硬件抽象层,硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包(Board Support Package，BSP)。它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使得系统的底层驱动程序与硬件无关。,设备驱动程序,所谓的设备驱动程序，就是一组库函数，用来对硬件进行初始化和管理，并向上层软件提供良好的访问接口。大多数的设备驱动程序都会具备以下的一些基本功能。硬件启动：在开机上电或系统重启的时候，对硬件进行初始化；硬件关闭：将硬件设置为关机状态；硬件停用：暂停使用这个硬件；硬件启用：重新启用这个硬件；读操作：从硬件中读取数据；写操作：往硬件中写入数据。,嵌入式系统的分类,按处理器位数分类按产品应用类型分类按系统响应速度来分类按系统实时性程度来分类软件复杂程度来分类,按处理器位数分类,嵌入式系统分为4位、8位、16位、32位和64位；目前已大量应用的是4位、8位、16位嵌入式系统；32位嵌入式系统正成为主流发展趋势；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；,嵌入式微处理器分类,（1）嵌入式微控制器,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、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 RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。,微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,（2）嵌入式DSP处理器,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、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。,（2）嵌入式DSP处理器,DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。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。,（3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,SoC 就是System on Chip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,（4）嵌入式片上系统(System On Chip),新的发展方向：SOC,ASIC Core,Memory,Embedded ProcessorCore,AnalogFunctions,Communication,SensorInterface,按产品应用类型来分类,信息家电类,移动终端类,通信类,汽车电子类,工业控制类,按系统响应速度分类,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。,按系统实时性程度来分类,根据实时性的强弱，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，会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；,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；,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嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法,软硬件综合体,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；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,支持多种处理器,嵌入式系统得到多种类型和体系结构的处理器支持：与通用PC系统不同，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设计、面向应用的特定处理器设计、芯片制造有完整的产业链，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；,成本敏感,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:开发成本：专利授权使用费，开发软硬件平台购置成本，系统测试工具购置成本，人力成本，产品成本:硬件BOM成本、外壳成本、装饰件成本、包装和说明书成本，软件版税等;,实时性和可靠性,嵌入式系统有实时性和可靠性的要求大多数实时系统都是嵌入式系统；嵌入式系统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；如在硬件采用看门狗机制，软件上采用内存保护和重启机制；,嵌入式操作系统,一般采用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像嵌入式微处理器一 样，嵌入式操作系统也是多种多样的；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,嵌入式系统应用领域,goReader Internet eBook,Samsung AnyWebInternet Screen Phone,eRemoteIntelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital AlbumDigital Photo Album,一些典型的嵌入式系统应用实例,嵌入式系统的应用,家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。,家庭智能管理系统,社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。,现代化家庭,社会发展方面：嵌入式Internet应用,信息家电,信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。,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。,嵌入式系统的应用领域,信息家电的分类及特点,信息家电的分类:(1)网络电视（NetTV）(2)网上游戏机（Internet gaming device）(3)智能掌上型设备(Internet smart handheld device)(4)网络电话（Internet screen Phone）(5)Consumer NC client等。信息家电技术特点：(1)处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。(2)整合数字与模拟处理的技术。(3)较PC更强调通讯能力。(4)利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键),信息家电的应用,信息家电提供的服务,一、安全防范二、消费电子产品的智能控制 三、交互式智能控制四、家庭信息服务五、自动维护六、家庭医疗保健,典型的信息家电产品,嵌入式技术应用工业控制,工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础,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。,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。,嵌入式系统的应用领域,军事国防领域,嵌入式系统的应用领域,航天领域,嵌入式系统的应用领域,微型飞行器-“黑寡妇”,空中飞行器,嵌入式系统与机器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和Windows CE）,基于Win CE的移动机器人平台,基于RTLinux的仿人机器人,高 48 cm重:6 kg灵活性：20 DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB 1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24V x 6.2A(150W)制造：富士通,基于VXworks的火星探路者,2004年“勇气号”再次登陆火星,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,公共的电子设施ATM自动取款机,银行ATM机工作示意图,3、嵌入式系统的发展趋势,1提供强大的网络服务2小型化、低成本、低功耗3人性化的人机界面4完善的开发平台,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,技术的渗透性和融合性,未来嵌入式系统的发展趋势,Any Time,Any Where,Any Medium,Any Content,未来嵌入式系统的发展趋势,6、本 章 小 结,本章对嵌入式系统的基本概念做了简单的介绍，希望读者能够通过本章的学习对嵌入式技术有个总体上的认识。,The end,