[信息与通信]嵌入式系统第2讲.ppt
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1、嵌入式系统,第二讲 嵌入式系统基础知识,计算机分类嵌入式系统定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统与单片机、PC的区别,计算机分类,1989年11月IEEE提出一个分类报告,它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用,考虑到计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势,把计算机分成6大类:巨型计算机、小巨型机、主机、小型计算机、工作站和个人计算机。目前国际上比较流行的分类是:巨型计算机、主机、小型计算机和个人计算机。,随着计算机技术和产品对其他行业的广泛渗透,以应用为中心的分类方法变得更为切合实际,也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用
2、计算机。通用计算机一般具有标准的硬件配置,通过安装不同的应用软件,以适应各种不同应用的需求;而嵌入式计算机一般是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,是为某种特定应用而设计的。,计算机分类,计算机分类嵌入式系统定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统定义IEEE定义,根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义:Devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.,嵌入式系统定义IEEE定义,
3、根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义:嵌入式系统(Embedded System)是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。,可以看出此定义是从应用上考虑的,嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机电等附属装置。,单片机与嵌入式系统应用定义,嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统,嵌入式系统的一般定义,“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。”,嵌入式系统定义要素,专用计算机系统(非PC智能电子设备)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
4、求 知识集成应用系统(CSEA)技术密集资金密集高度分散不可垄断面向应用不断创新,计算机分类嵌入式系统定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的特点,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。,、系统精简、专用性强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。嵌入式系统的个性化很强,其中的软件
5、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。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。,、嵌入式系统及其关注成本嵌入式系统必须能根据特定应用的需求,对软硬件进行裁剪以满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积等的要求。在多数情况下,需要注意的是系统成本。处理器成本固然是一个因素,但是如果采用高度集成的微控制器MCU,而不是微处理器MPU和独立外设器件的组合,就能减小印制电路板的面积、减少所使用器件的个数、降低对电源输出功率的要求,这些
6、都可降低器件总成本、生产管理和装配成本、产品调试成本。同时也可提高产品的可靠性,降低产品的维护成本。,、高实时性OS为使程序能满足系统功能的要求,在必须保证程序逻辑正确性的同时,响应时间也必须达到系统的要求。控制响应时间是程序设计的关键。此类系统一般采用嵌入式操作系统(Embedded Operation System,EOS)来管理系统的硬件资源和时间资源。对实时系统,采用具有实时特性的嵌入式操作系统实时操作系统(Real Time OS,RTOS)。,5、嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知
7、识集成系统。通用计算机行业中,占整个计算机行业90%的个人电脑产业,绝大部分采用的是Intel的x86体系结构,而芯片厂商则集中在Intel,AMD,Cyrix等几家公司,操作系统方面更是被微软占居垄断地位。这样的情况不会在嵌入式系统领域出现。这是一个分散的,充满竞争、机遇与创新的工业,没有哪个公司的操作系统和处理器能够垄断市场。,6、嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向特定应用的,嵌入式系统中的CPU与通用型CPU的最大不同就是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。嵌入式系统CPU具有低功耗、体积小、集成度高等特点,能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于整个系统设
8、计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率,去除冗余,针对用户的具体需求,对系统进行合理配置,才能达到理想性能。,7、嵌入式系统多为低功耗系统,经常在极恶劣的环境下运行许多嵌入式系统没有充足的电源供应(采用电池供电),而且功耗越小散热越容易、系统温升降低,系统的稳定性和可靠性越高。极端恶劣的环境一般意味着严酷的温度与很高的湿度,特殊场合下使用的嵌入式系统必须还要考虑防震、防尘、防水、防电磁干扰等问题。集成电路芯片分为商业级、工业级和军品级,嵌入式系统一般应选择工业级或军品级。,8、嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构系统所采用的处理器确定了系统的体系结构(包括系
9、统硬件的组成和指令系统)。可选择的处理器有MCU、MPU、DSP,还可选择SOC.,9、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。,10、嵌入式系统开发需要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力,即使设计完成以后,用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改,必须有一套开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统的开发工具由软件和硬件组成。软件包
10、括交叉编译器、模拟器、调试器、集成开发环境(Integrated Development Environment,IDE)等;硬件包括ROM防真器、在线防真器(In-Circuit Emulator,ICE)、在线调试器(In-Circuit Debugger,ICD)、片上调试器(OCD)等。,开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。,计算机分类嵌入式系统定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类嵌入式处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式系统的分类,根据不同的分类标准,嵌入式系统有不同的分类方法。这里根据嵌入式系统
11、的复杂程度,将嵌入式系统分为4类。单个微处理器嵌入式处理器可扩展的系统复杂的嵌入式系统在制造或过程控制中使用的计算机系统,单个微处理器这类系统一般由单片嵌入式处理器组成,嵌入式处理器上集成了存储器I/O设备、接口设备等,嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟元件等就可以工作。单个微处理器这类系统可以在小型设备中(如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器)找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。常用的嵌入式处理器有Philips公司的89LPCXXX系统,Motorola公司的MC68HC05、08系列等。,嵌入式系统的分类,单个微处理器嵌入式处理器可扩展的系统复杂的嵌入式系统在制造或过程控
12、制中使用的计算机系统,嵌入式处理器可扩展的系统,这类嵌入式系统使用的处理器根据需要,可以扩展存储器,也可以使用片上的存储器,处理器一般容量在64KB左右,字长为8位或16位。在处理器上扩充少量的存储器和外部接口,以构成嵌入式系统。这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。,嵌入式系统的分类,单个微处理器嵌入式处理器可扩展的系统复杂的嵌入式系统在制造或过程控制中使用的计算机系统,复杂的嵌入式系统,这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16位、32位等,用于大规模的应用。由于软件量大,因此需要扩展存储器。扩展存储器一般在1MB以上,外部设备接口一般仍然集成在处理器上。常用的嵌
13、入式处理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列、Coldfire系列等。这类系统可见于开关装置、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监测系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件,由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组件可同计算机一起操作,并可包括某种数据库。,嵌入式系统的分类,单个微处理器嵌入式处理器可扩展的系统复杂的嵌入式系统在制造或过程控制中使用的计算机系统,在制造或过程控制中使用的计算机系统,对于这类系统,计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中,计算机用于总体控制和监视,而不是对单个设备
14、直接控制。过程控制系统可与业务系统连接(如根据销售额和库存量来决定订单或产品量)。在许多种情况下,两个功能独立的子系统可在一个主系统操作下一同运行。如控制系统和安全系统:控制子系统控制处理过程,以便系统中的不同设备能正确地操作和相互作用与生产产品;而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。,嵌入式系统的分类,按表现形式分:(硬件范畴)芯片级嵌入(含程序或算法的处理器)模块级嵌入(系统中的某个核心模块)系统级嵌入按实时性要求分:(软件范畴)非实时系统(PDA)软实时系统(消费类产品)硬实时系统(导引头等工业和军工系统),计算机分类嵌入式系统定义嵌入式系统的特点嵌入式系统的分
15、类嵌入式处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统与单片机、PC的区别,嵌入式处理器是嵌入式硬件系统的核心,就像系统的神经控制中枢,所提供功能的强弱直接决定嵌入式应用的适应范围和开发复杂度。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司加入到嵌入式处理器的设计队伍中来。据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行体系结构有30多个系列,每个系列都有多个衍生品。嵌入式处理器的寻址空间一般为64KB-16KB,处理速度为0.1MIPS-2000MIPS,常用封装为8-144个引脚。,嵌入式处理器,嵌入式处理器嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的分类典型的嵌入
16、式处理器评估嵌入式处理器的主要指标嵌入式处理器的发展趋势嵌入式微处理器的选型原则,嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。可扩展的处理器结构,以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有
17、mW甚至W级。,嵌入式处理器嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的分类典型的嵌入式处理器评估嵌入式处理器的主要指标嵌入式处理器的发展趋势嵌入式微处理器的选型原则,嵌入式处理器的发展Intel 4004 Microprocessor,Introduced in 1970First microprocessor4 bit architecture!2,250 transistors12 mm2Clock:108 kHz,Intel 8085 Microprocessor,Introduced in 19748-bit architectureStill used in some mic
18、rocontroller applications!,Intel 8086 Microprocessor,Introduced in 197929,000 transistors33 mm2Clock:5 MHz16 bit architecture,Intel 386 Microprocessor,Introduced in 1985275,000 transistors43 mm2Clock:16 MHz32 bit architecture,Intel 486 Microprocessor,Introduced in 19891,200,000 transistors81 mm2Cloc
19、k:25 MHz32 bit architecture1st pipelined implementation of IA32,Intel Pentium Microprocessor,Introduced in 19933,100,000 transistors296 mm2Clock:60 MHz32 bit architecture1st superscalar implementation of IA32,Pentium Processor Details,StateRegistersMemoryControl ROMCombinational logic,REG,嵌入式处理器嵌入式处
20、理器的特点嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的分类典型的嵌入式处理器评估嵌入式处理器的主要指标嵌入式处理器的发展趋势嵌入式微处理器的选型原则,微处理器可以分成几种不同的等级,一般用字符宽度来区分:8位微处理器大部分都是用在低端应用上,也包括了外围设备或是内存的控制器;16位微处理器通常用在比较精密的应用上,需要比较长的字符宽度来处理;32位微处理器,大部分是RISC的微处理器,则提供高性能的运算能力,以满足需要大量运算的应用。,但是从应用的角度来划分,嵌入式处理器包含了下 面几种类型。,嵌入式微处理器分类,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
21、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。嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。,1、嵌入式微处理器(MicroProcessor 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。但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上,称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。近年来,德国
22、、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。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,2、嵌入式微控制器(MCU),嵌入式微控制器又称单片机。顾名思义,就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/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、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设,还可以集成A/D、D/A转换接口。,微控制器的最大特点是单片
23、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。,由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司,将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Micro
24、controller,MOTOROLA公司把以PowerPC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广。,3、嵌入式数字信号处理器(DSP),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(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。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
25、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。,嵌入式DSP处理器有两个发展来源,一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器,TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴;二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器,例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化,例如各种带有智能逻辑的消费类产品,生物信息识别终端,带有加密解密算法的键盘,ADSL接入、实时语音压解系统,虚拟现实显示等。这类智能化算法一
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