嵌入式系统第1讲绪论.ppt
嵌入式系统,第1讲 绪论Email：,2023/10/28,什么是嵌入式系统有何历史渊源,2023/10/28,发展史,1946年2月，美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台大型通用数字电子计算机ENIAC(爱尼亚克)。,18000个电子管1500个继电器 重30吨占地面积约170m2,2023/10/28,发展史,1959年，IBM公司生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090,2023/10/28,发展史,1958年美国工程师Jack Kilby(杰克基尔比)发明了集成电路（IC），将3种电子元件结合到一片小小的硅片上。随着更多的元件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得体积更小、功耗更低、速度更快，典型的机型是IBM360、IBM370系列。,发展史,1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。,发展史,两个发展方向：通用计算机平台 辅助其他设备完善功能的单片器件,银河-十亿次巨型计算机 1992年研制,单片机,发展史,两个发展方向，都得到巨大发展,通用计算机的发展第一代计算机：电子管时代1946年，世界上第一台电子计算机ENIAC诞生。第二代计算机：晶体管时代第三代计算机：集成电路第四代计算机：大规模集成电路和超大规模集成电路新一代计算机：智能计算机/知识处理。知识存储和知识库管理，能利用已有的知识进行推理判断，具有联想和学习功能,计算机（第4代）时代Intel 8086、8088 准16位Intel 80286 全16位 Intel 80386 全32位 Intel 80486 全32位Pentium Pentium Pentium 4Centrino 迅驰 Core 2 Duo(酷睿2)双核处理器：,单片器件的发展,Intel-4004是历史上第一颗单片机，由Intel公司1971年生产出来的。自从Intel 4004诞生后，CPU遵从摩尔定律在运行速度、数据位数和存储器等方面迅速发展。单片机的初级阶段 1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列的单片机，以其体积小、重量轻、控制功能齐全和低价格的特点，得到了广泛的应用，为单片机的发展奠定了坚实的基础。单片机的发展阶段 80年代初,Intel公司推出了8位的MCS-51系列的单片机，随着单片机的应用的急剧增加，其它的单片机也随之大量涌现如：motorola的68系列，Zilog的Z8系列等。,Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。,需求决定发展,按照处理器功能分类，主要如下四种：微控制器（MCU）微处理器（MPU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）,20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高,微控制器（MCU）,目前仍是主流，占市场份额70%左右,1978年，AMI公司宣布第一个DSP问世，但人们一般认为，20世纪70年代后期推出的Intel 2920才是第一片具有独立结构的DSP。1981年，美国德州仪器（TI）公司 研制出了著名的TMS320系列的首片低成本、高性能的DSPTMS320C10。DSP技术向前跨出重大一步。,数字信号处理器（DSP）,片上系统（SOC）,把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。为了解决SoC设计中遇到的难题，设计方法必须进一步优化。因此，人们提出了基于FPGA的SoC设计方案可编程片上系统（System On a Programmable Chip，称为SOPC）。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP 核（知识产权核）和可重构的嵌入式处理器软核的出现，作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点，具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。,微处理器（MPU）,以ARM作为典型代表,ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器。1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它提供ARM技术知识产权（IP）核，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务。,微处理器（MPU）,几种嵌入式处理器ARMPowerPCArcaMIPS,ARM简介,基于ARM技术的微处理器应用占据了32位嵌入式微处理器大部分的市场份额。全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。“掌上计算”相关的所有领域皆为其所主宰。ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。,微控制器（MCU）微处理器（MPU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）,统称嵌入式,什么是嵌入式系统？,顾名思义：包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。基本描述：专门用途的计算机系统常常用于控制广泛存在包含硬件和软件,嵌入式系统的定义（1）,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、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。”英文原文为：devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.,嵌入式系统的定义（2）,本课程使用的定义，也是国内流行的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、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、监视或管理等功能。,嵌入式系统的释义,全称嵌入式计算机嵌入式计算机系统简称嵌入式系统相关术语嵌入式设备嵌入式技术有时还进一步简称为嵌入式,不同声音（1）,嵌入式系统只是单板机在某种场合下的应用个体经营的单片机公司经理语我们的控制装置产品都用嵌入式系统设计方案中科院自动化研究所工程师语单片机是嵌入式系统的初级形态，SOC是嵌入式系统的高级形态南京市单片机协会理事资深专家语。,不同声音（2）,要想成功地设计一个嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的软件和硬件平台。电子工程专辑()主编语嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。单片机实验室高级工程师语国内外嵌入式系统市场是广阔天地，嵌入式系统是新的经济增长点。北京计算机高级专家工控学会资深理事语。,嵌入式系统基本框架,待嵌入的设备或装置,嵌入的MPU器件,板级支持包或驱动程序,操作系统,应用软件,软件硬件基本要素,硬件嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件,软件实时操作系统（RTOS）板级支持包（BSP）设备驱动（Device Driver）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）,典型嵌入式系统硬件组成,嵌入式系统的软件基本构成,按照技术复杂度分类,无操作系统控制的嵌入式系统NOSES，Non-OS control Embedded System；小型操作系统控制的嵌入式系统SOSES，Small OS control Embedded System；大型操作系统控制的嵌入式系统LOSES，Large OS control Embedded System。,嵌入式系统的特点,专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。技术融合集计算机，通信及其它高新技术于一体。有实时约束一般采用实时操作系统有功耗约束,软件没有系统和应用的区别，软件固化。系统内核小软硬件可裁剪高可靠性资源比PC少得多嵌入式系统需要专用的开发工具非垄断市场,嵌入式硬件历史大事,1971年11月微处理器诞生，代表产品Intel 4004微处理器1980年美国Intel公司推出MCS-51单片机1985年美国Xilinx公司推出FPGAFPGA现场可编程门阵列Field Programmable Gate Array1994年英国ARM公司推出ARM6101988年 DSP微处理器问世代表产品是美国德州公司TMS320C30,嵌入式软件历史回顾,早期的单片机执行由专用的监控程序控制，不含操作系统。目前许多简单的单片机应用仍然使用监控程序作为控制软件。1980年代，开始在单片机上使用基于操作系统的控制程序。现在高端嵌入式系统软件都在操作系统的支持下运行,嵌入式操作系统简况,1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），它包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。后来，出现了如WRS公司的VxWorks、QNX公司的QNX、Symbian公司的Symbian、Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS。此外，还有Palm OS、WinCE、嵌入式Linux、LynxOS、uCOS、Nucleus、以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。,操作系统分类,依据操作系统的实时性能类型划分，有以下几种类型。参看下图：,嵌入式系统与单片机区别,从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。但是，它们都是专用的计算机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板高端嵌入式系统：SoC,民用嵌入式设备或产品1,MOTOC350彩屏WAP移动电话,彪骐数字机顶盒,BlackBerry 7230移动电话,DL7100/DL7200 数字式示波器,嵌入式GIS,畅视2000可视电话,Palm Zire71型个人数字助理,民用嵌入式设备或产品2,苹果公司的媒体播放器和手机iPOD和iPHONE,嵌入式产品电子书阅读器,飞利浦Readius,亚马逊Kindle,手机的内部结构,手机的内部结构,诺基亚N95手机内部结构,用于水下勘测的螃蟹机器人,英国巴斯大学一位研究生设计的，它目前可以在陆地上任意移动，未来的开发设计将计划将它用于完全的水下勘测任务操作。,嵌入式系统高端应用的产品,美国AGM-86B战略空射巡航导弹,美国火星登陆车,国产战斗机F-7MG,机器人,国产88式坦克,2002年型林肯黑木(Blackwood)汽车,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统,如何描述当前的IT时代？,后PC时代？Post PC era信息电器（信息家电）时代？Information Appliance3C时代?Consumer Electronics、Computer、Communication普适计算时代？Pervasive Computing,嵌入式系统发展趋势,如何描述当前的IT时代？,后PC时代？Post PC era信息电器（信息家电）时代？Information Appliance3C时代?Consumer Electronics、Computer、Communication普适计算时代？Pervasive Computing无所不在的计算时代？Ubiquitous Computing,嵌入式系统发展趋势,后PC时代,若干年前未来学家的语言正在变成现实，现在已经进入了后PC时代。美国著名未来学家尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte)1999年初来华访问时说过：嵌入式智能工具将是继PC和Internet之后最伟大的发明。MIT的David Clark于1999年首次提出“后PC时代（post-PC era）”的概念，他认为：在后PC时代，具有联网功能的信息电器（IA）和手持设备（handheld device）将逐步取代PC。,计算机产品发展路线图,嵌入式产品和台式计算机处理器芯片使用量比较,IT产业界涉及时代特点的若干大事,近几年来大事记2002年11月高性能嵌入式32位微处理器神威I号在上海复旦微电子公司研制成功，并一次流片成功。2004年底联想公司收购IBM公司的PC事业部2005年微软公司大力推广Windows CE操作系统2007年MIPS公司宣布该公司不再研发桌面处理器2007年苹果公司总裁乔布斯宣布苹果公司不再是计算机公司，它是一个消费电子公司2007年IT巨头公司Google宣布了手机开发平台Andriod,信息电器与嵌入式系统,信息电器的核心就是嵌入式系统信息电器的成本取决于嵌入式系统的成本信息电器使用性能取决于嵌入式系统的软件信息电器的发展方向决定着嵌入式系统的发展方向,普适计算,普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。它使计算机融入人的生活空间。普适计算主要通过移动设备，如信息家电或各种嵌入式设备实现。包括：如掌上电脑、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、智能手机、机顶盒、POS销售机、屏幕电话（除了普通话机的功能还可以浏览因特网）等。普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与Internet、Intranet及Extranet连接，使用户能够随时随地获取各种信息，并做出回应。,普适计算模式将对计算和信息的方式带来一场变革。,普适计算形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”(Anytime,Anywhere,Invisible)的计算环境。在这样的环境中，计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。普适计算可包括移动计算，但普适计算不是移动计算，前者更强调环境驱动性。,当前研究热点,硬件方面国外的主流嵌入式微处理器进入中国ARM公司的ARM核大学计划TI公司的DSP大学计划积极地研发自主知识产权的嵌入式微处理器龙芯博芯,当前研究热点（续1）,软件方面嵌入式软件向平台化方向发展中国厂商因应Linux转型发展趋势平台化标准化Linux势不可挡,手机开发平台技术竞争激烈,以手机操作系统为例2003年以前，三分天下Symbian、Palm OS、Windows CE现在，新三分天下Symbian、Windows CE、Linux手机开发平台S60、S90、MOAP、UIQAndroid、MOTOMAGXJ2ME、.NET、BREW,当前研究热点（续2）,研究自己的操作系统科银京成公司研发出嵌入式软件开发平台道系统（Delta System）中科院软件所研发出女娲（Hopen）嵌入式操作系统无线多媒体技术华东计算所研究与VxWorks兼容的嵌入式操作系统,2008年的市场格局,四大热点多媒体手机2005年手机销量达到7600万部年平均复合增长率达到15%20%HDTV机顶盒联网的工业设备/终端中国的税控收款机总需求4000万台,嵌入式系统近期发展预测,有以下发展趋势：由32位处理器更广泛地得到普及由单核向多核过渡向网络化功能发展更加友好的多媒体人机界面MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进嵌入式操作系统呈多元化趋势无线应用（GPS、GPRS、3G、FRID）将普及平台技术更加成熟,1.8 嵌入式系统的学科领域,嵌入式系统技术领域本身的核心学科和技术有4个，分别是：微电子学、计算机科学与技术、电子工程学、自动控制学。与嵌入式系统关联密切的技术领域主要有：信息安全、普适计算、人机交互、多媒体技术、数据库、无线传感器网络等,1.9 重要的中文网站地址,嵌入式系统研发社http:/单片机与嵌入式系统应用杂志社http:/嵌入开发网电子工程专辑,国外重要网站地址,ARM公司网站风河公司网站,教学主要内容,以ARM的为主线讲述：ARM体系结构和指令集ARM的硬件开发ARM中常用接口技术,本课程简介,本科生选修课学分：2.5总课时：54学时+18实验时,前导课程知识,基础课程计算机组成原理，电子线路，数字电路软件专业课程汇编语言，C语言硬件专业课程微机原理与接口，单片机原理与接口,参考书,嵌入式系统基础教程，俞建新 王健 宋健建，机械工业出版社,嵌入式系统开发与应用田泽编著北京航空航天大学出版社简评：主要介绍嵌入式基本概念、ARM体系结构、ARM嵌入式程序设计、uCOS-II操作系统、设备驱动、uCLinux操作系统。,69,参考资料,Arm公司电子手册ARM Architecture Reference ManualARM Program Tecgniques意法半导体（ST）：http:/http:/documentation/课堂给出的各种电子资料以及网址充分利用网络资源,学习成绩评定,实验及平时成绩占40%无操作系统的ARM汇编语言程序、简单C语言程序和实验平台供应商提供的常规实验。占总分20%平时作业及考勤占20%期末考试成绩占60%客观题 占40%主观题 占20%,
