嵌入式系統(tǒng)硬件設計.ppt

1、a,1,嵌入式系統(tǒng)硬件設計,復旦大學軟件學院 張睿,a,2,課程介紹,課程名稱：嵌入式系統(tǒng)硬件設計 課程性質：選修課 周課時： 6 （周日9:00-14:45） 地點：3108 教學方式：授課,a,3,聯(lián)系方式,授課教師：張睿 電話：55665134 Email： BBS ID: jorry,a,4,課程目的,在學習完這門課程之后，學生應該能夠對嵌入式系統(tǒng)有一個深入的了解，熟悉基于Intel Xscale 產(chǎn)品的嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特別是硬件設計的方案，能夠在工作中運用這些方法解決實際問題,a,5,課程內容,嵌入式系統(tǒng)綜述 ARM和Xscale架構的嵌入式系統(tǒng)內核及接口介紹

2、。 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)流程 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實例,a,6,考核方法,考察 方案設計 40 階段報告40 平時（20,a,7,參考書目,1. 嵌入式系統(tǒng)(修訂本) Intel XScale結構與開發(fā) 復旦大學計算機科學與工程系 陳章龍等 2. Embedded Systems Building Blocks, 2nd Edition 3. Embedded Systems Design: An Intro-duction to Processes, Tools and Techniques,a,8,資料下載及作業(yè)提交,軟件學院網(wǎng)站 教師email：,a,9,第一章 嵌入式系統(tǒng)綜述,內容： 什么

3、是嵌入式系統(tǒng)？ 嵌入式系統(tǒng)的組成。 嵌入式系統(tǒng)的硬件。 嵌入式系統(tǒng)的軟件。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā),a,10,1. 什么是嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)無所不在 可用于移動計算平臺(PDA、掌上計算機)，信息家電(數(shù)字電視、機頂盒、網(wǎng)絡設備)，無線通信設備(智能手機、股票接收設備)，工業(yè)/商業(yè)控制(智能工控設備、POS/ATM機)，電子商務平臺，甚至軍事應用等諸多領域。據(jù)估計，其在全球每年帶來的相關工業(yè)產(chǎn)值已超過1萬億美元,a,11,嵌入式系統(tǒng)的例子 n 汽車:其中的電子系統(tǒng)控制 n 機床：動作控制 n 手機生產(chǎn)線：貼片控制，位置控制 n 洗衣機:回旋，溫度, 水流控制 n 數(shù)碼照相機：讀寫數(shù)據(jù)卡 n 打印

4、機：打印強度，顏色，翻頁 n 飛機：參數(shù)控制 n,a,12,1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會(Embedded System Conference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統(tǒng)的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)生一個每年1500億美元的新市場。 美國汽車大王福特公司的高級經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的計算能力已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算機工業(yè)的規(guī)模和廣度,a,13,嵌入式系統(tǒng)的類型和市場 n 常規(guī)計算 n 控制系統(tǒng) n 信號處理 n 通信與網(wǎng)絡 n 平均每個家庭使用225個嵌入式處理器; 每個汽 車需要35個； n 50億處理器在使用- 94%世界市場; Intel Pent

5、ium, Motorola PowerPC, etc. 總共6,a,14,2000年根據(jù)IDC估計，全球信息家電（Inform-ation Appliance，IA）產(chǎn)業(yè)將由1999年的1100萬臺產(chǎn)值24億美元發(fā)展為2004年的8900萬臺產(chǎn)值178億美元。產(chǎn)量與產(chǎn)值的年增長率分別為33.5%和39.1%。其中智能型掌上設備成長最快。如下圖所示,a,15,a,16,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,嵌入式軟件的發(fā)展歷程，可分為以下幾個階段：1）早在20世紀60年代后期，通信領域里就出現(xiàn)了“存儲程序控制”系統(tǒng)，這是早期的嵌入式系統(tǒng)。 2） 20世紀70年代后期，專用嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)方開始出現(xiàn)。 3）20世

6、紀80年代，嵌入式商業(yè)操作系統(tǒng)開始得到蓬勃發(fā)展。4）近年來，互聯(lián)網(wǎng)得到了飛速發(fā)展，形態(tài)各異的3C合一產(chǎn)品將成為網(wǎng)絡接入設備的一大主流，也將成為工作和家庭生活的必備品,a,17,以應用為中心、以計算機技術為基礎；軟件硬件可裁剪；適合于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 A combination of computer hardware and software, and perhaps additional mechanical or other parts,designed to perform a dedicated function. contrast w

7、ith general purpose computer,嵌入式系統(tǒng)的定義,a,18,面向特定應用，可根據(jù)需要靈活定制； 功耗低、可靠性高； 功能強大、性能價格比高； 實時性強，支持多任務； 占用空間小，效率高,嵌入式系統(tǒng)的特點,a,19,不同層次的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)采用“量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入至各種應用系統(tǒng)中。隨著應用形式的不同,可有： 1）IP(Intellectual Property)級，即所謂的SoC級； 2）芯片級； 3）模塊級 3種不同的體系架構,a,20,SoC嵌入式系統(tǒng)處理器,SoC（System on a Chip）是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，就是將計算機系統(tǒng)的

8、一些關鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SoC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上。它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產(chǎn)品,a,21,1)開放式平臺架構，易于與其他系統(tǒng)整合； (2)體積越來越小，性能要求更穩(wěn)定，成本更低廉； (3)應用趨向多元化，個性化的服務； (4)功能趨向單一，集成的功能與一般PC不同； (5)實時定制的操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)主要有幾個個發(fā)展趨勢,a,22,2. 嵌入式系統(tǒng)的組成,嵌入式系

9、統(tǒng)是由下面三部分組成： 1）包括嵌入式處理器及其周邊接口在內的硬件部分； 2）嵌入式系統(tǒng)軟件 3）嵌入式應用軟件,a,23,Microprocessor Memory (RAM ROM other) TIC (Test Interface Controller) Comms Interfaces HID (Human Interface Devices) Interfaces Intellectual Property (IP) Bus Interconnect (e.g. SH, AMBA) Real time Operating System (RTOS) Application soft

10、wares,a,24,3. 嵌入式系統(tǒng)的硬件部分,處理器微處理器 存儲器 外設器件 IO端口 人機接口,a,25,嵌入式處理器,嵌入式系統(tǒng)的核心：嵌入式處理器EMPU (Embedded Micro-Processor Unit) 要求： 1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心的執(zhí)行時間減少到最低限度,a,26,2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。 3）可擴展的處理器結構，以能最迅速地擴展出滿足應用的最

11、高性能的嵌入式微處理器,a,27,4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至W級,a,28,嵌入式微處理器 vs.通用CPU,通用計算機中的CPU是嵌入式微處理器的基礎（功能基本一樣） 在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面，EMPU一般都做了各種增強 任何微處理器MPU或微控制器MCU(即常稱的單片機)都可以作為嵌入式系統(tǒng)的核,a,29,目前的EMPU產(chǎn)品,X86系列 Motolora系列 MIPS系列 ARM系列 SH/HP-RISC等系列 其它,a,30,X86系列,優(yōu)點： CPU性能價格比良好 開發(fā)

12、簡單，軟件兼容性好。 軟件資源豐富 開發(fā)平臺簡單 目前有大量工控104板，CPCI板可使用,方便二次開發(fā),a,31,X86系列,缺點： 體積大 功耗高 實時性差,a,32,X86系列,采用該架構的嵌入式系統(tǒng)較多出現(xiàn)在對體積和功耗要求不高的工業(yè)控制和臺式設備的應用領域。80186/188是最早使用于嵌入式系統(tǒng)的處理器。80386EX則是最早SOC型的單片式PC,a,33,X86系列,Intel的EIA架構,a,34,X86系列CPU,一個典型的EIA結構,a,35,X86系列CPU,Intel公司 AMD公司 NS公司,a,36,Motorola系列處理器,Motorola公司是世界著名的處理器

13、制造商，其CPU抗干擾能力強，適合工業(yè)控制/軍方應用。 主要處理器： 1）MC68000微處理器占有美國軍方市場的70%。代表產(chǎn)品：DRAGONBALL,a,37,Motorola系列處理器,2）QUICC系列通信處理器功能強大，在通信產(chǎn)品中獲得廣泛應用。MPC860、MPC8260為其典型產(chǎn)品，內部集成了PowerPC嵌入式處理器內核,a,38,Motorola系列處理器,3） M-CORE ： MMC2107是32位M-CORE系列MCU，是以M210microRISC核為CPU，最高系統(tǒng)時鐘可達33MHz。MMC2107是基于M210 CPU的、通用MCU系列中的第一個成員，具有很低的功

14、耗；在主模式下，以最大系統(tǒng)時鐘運行，并且片內所有模塊全部處于運行狀態(tài)時，最大的工作電流為200mA，特別適合于由電池供電的應用場合,a,39,MC68360,MC68EN360,MC68MH360,MC68QH360,MC68SC360,MC68DP360,MC68PM360,A、68-CPU系列,MC68010,MC68020,MC68EC020,MC68030,MC68EC030,MC68040,MC68EC040,MC68060,B、68K-QUICC系列,MC68302,MC68EN302,MC68LC302,MC68PM302,MC68QH302,MC68SC302,MC68302系

15、列,系列,Motorola系列處理器,a,40,Motorola系列處理器,MPC860,MPC850,系列,MPC740A,MPC750A,MPC750F,MPC8260,系 列,MPC860DP,MPC860DE,MPC860DH,MPC860EN,MPC860MH,MPC860SR,C、PowerPC,CPU 系列,MPC601,MPC602,MPC603,MPC603E,MPC604,MPC604E,MPC603P,MPC604R,D,PowerPC,QUICC系列,MPC821,a,41,MIPS系列,MIPS (Microprocessor without Interlocked

16、Pipeline Stages) 技術公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續(xù)推出R8000（1994年）、R10000（1996年）和R12000（1997年）等型號。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS 32和MIPS 64架構標準。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對MIPS 32 4Kc的新版本以及未來64位MIPS 64 20Kc處理器內核,a,42,MIPS系列,由于MIPS有效合理的硬件架構，可以使處理器在有限的時鐘下發(fā)揮很高的工

17、作效率，所以有許多廠商特別是日本的廠商采用MIPS先進的RISC技術，發(fā)展出不少知名產(chǎn)品。例如： NEC公司的Vr4100/Vr4300(MIPS64)和V800 （MIPS32)系列嵌入式微處理器 SONY公司的Playstation2采用了MIPS RISC架構處理核心 任天堂的Nintendo64采用的是R4300i-class (MIPS64)處理器，其系統(tǒng)時鐘為93.75MHz,a,43,MIPS系列,Cisco公司的PDA產(chǎn)品E-125(Vr4122處理器、150MHz)和E-500 (Vr4121處理器、168MHz) 日本NTT DoCoMo公司的PHS移動電話也部分采用了Vr

18、4121處理器 美國康柏公司推出了含有MIPS處理器的掌上電腦810C和2010C，操作系統(tǒng)為WINDOWS CE,a,44,ARM系列,ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)正式成立于1990年。在1985年4月26日,第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機有限公司誕生(在美國VLSI公司制造)。ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識產(chǎn)權IP供應商,它為ARM架構處理器提供了ARM處理器內核和ARM處理器核。由各半導體公司(ARM公司合作伙伴)在上述的處理器內核或處理器核基礎上進行再設計,嵌入各種外圍和處理部件,形成各種嵌入式微處理器MPU或微控制器

19、MCU,a,45,ARM是一個CPU內核。ARM公司自己并不生產(chǎn)或銷售芯片，它采用技術授權模式，通過出售芯片技術授權，收取授權費與技術轉讓費。隨著ARM/MIPS/ARC等成熟內核的推出，很多過去沒有32位cpu研發(fā)能力的半導體公司進入這一行列。 ARM 公司作為32位處理器內核的提供者，擁有100多家半導體合作伙伴，ARM core是目前消費類電子市場中市場占有量第一的CPU體系，其占有32位嵌入式處理器市場的份額高達76.8,ARM系列,a,46,主流ARM內核： ARM7 ：arm7tdmi,arm720t(MMU) ARM9 ARM10 StrongARM/Xscale,ARM系列,a

20、,47,ARM系列,ATMEL公司： AT91系列MCU(ARM7TDMI內核) Cirros公司： EP及CL-PS系列 (ARM720T核) Hyundai公司： GMS30C7201 (ARM7TDMI內核) Intel公司： SA-1110 (StrongARM核) Linkup Systems公司： L720互聯(lián)網(wǎng)處理器(ARM720T核) OKI公司： ML67000系列MCU(ARM7TDMI內核） Rohm公司： Bu6616K ISDN處理器(ARM7TDMI內核) Samsung公司： KS32/KS17 (ARM7TDMI內核) Sharp公司： LH77790 (ARM

21、7TD內核) Netsilicon公司： NET+15/40/50 (ARM7DMI內核,a,48,ARM系列,Intel的ARM架構處理器： StrongARM SA-1100和SA-1110 Xscale PXA210、PXA250、PXA255,a,49,DSP數(shù)字信號處理器 MCU微控制器 RISC處理器,其它嵌入式處理器,a,50,嵌入式系統(tǒng)軟件的特征： (1) 軟件要求編碼體積小，固態(tài)化存儲 (2) 軟件代碼高質量、高可靠性 (3) 高實時性和多任務操作系統(tǒng) (4)面向應用,可裁剪和移植,4. 嵌入式系統(tǒng)軟件,a,51,嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating Syst

22、em,嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點,a,52,1981年ReadySystem發(fā)展了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內核（VRTX32）。當時的產(chǎn)品IPI公司的MTOS和80年代末ISI公司的PSOS。產(chǎn)品主要用于軍事和電信設備。20世紀90年代中期代表性的產(chǎn)品有Vx

23、work，QNX,Lynx和WinCE等。 RTOS追求的是實時性、可確定性、可靠性,嵌入式實時操作系統(tǒng) （Real Time Operation System, 簡稱RTOS,a,53,1系統(tǒng)級：指RTOS運行在1個小型的計算機系統(tǒng)中完成實時的控制作用。主要有微軟WINDOWS的嵌入式版本，Sun的Solaris以及嵌入式Linux。2板級：傳統(tǒng)的RTOS的主要市場。如Vxwork、QNX、Lynx和VRTX，應用主要集中在航空航天、電話電訊等設備上。3SOC級：新一代RTOS的領域：主要應用在消費電子、互聯(lián)網(wǎng)絡和手持設備等產(chǎn)品上。代表的產(chǎn)品有Symbian的Epoc、ATI的Nucleus

24、,Expresslogic的Threadx。老牌的RTOS廠家的產(chǎn)品VRTX和Vxwork也很注意這個市場,RTOS的劃分,a,54,實時操作系統(tǒng)最大的特點就是實時性和多任務。 應具有如下的功能： 1) 任務管理（多任務和基于優(yōu)先級的任務調度） 2) 任務間同步和通信（信號量和郵箱等） 3) 存儲器優(yōu)化管理（含ROM的管理） 4) 實時時鐘服務 5) 中斷管理服務,RTOS的特點,a,55,嵌入式操作系統(tǒng)按其應用對象不同,有以下幾類： 基于或與Windows兼容： Window CE、嵌入式Linux、EPOC 工業(yè)與通信(傳統(tǒng))類： VxWorks、pSOS、QNX、Neculeus、VRT

25、X 單片機類： iRMX、CMX、C/OS 面向Internet類： Palm OS、Visor、Hopen、PPSM,a,56,代表性的產(chǎn)品有QNX、VxWorks、pSos、lynx，還有Hopen，中文名稱為女媧，它是由中科院開發(fā)的中國人自己的嵌入式OS。 其特點是： 模塊化 實時性好 穩(wěn)定性好 價格昂貴,1) 專用的實時操作系統(tǒng)（RTOS,a,57,2) 微軟的嵌入式OS,WINDOWS CE 與前述OS最大不同是其應用編程接口（API）與Win32 API兼容，這樣Windows上的程序都可以重新編譯后移植到Win CE上來，開發(fā)人員可用開發(fā)Windows同樣的開發(fā)工具來開發(fā)Win

26、CE程序。 缺點同樣是源代碼不公開(向學術機構開放)，對每一個應用都要收取版稅。例如，某機頂盒采用Win CE，每臺需交納20-30美圓給微軟，另外，Win CE 體積龐大，占用很多的ROM和RAM,a,58,2) 微軟的嵌入式OS（續(xù)1,b) WINDOWS CE .NET Windows CE 3.0的后繼產(chǎn)品 為快速建立下一代智能移動和小內存占用的設備提供了一個健壯的實時操作系統(tǒng)。 它包括了創(chuàng)建一個基于Windows CE操作系統(tǒng)的定制設備所需的一切，例如：強大的聯(lián)網(wǎng)能力、強勁的實時性、小內存占用以及豐富的多媒體和Web瀏覽功能,a,59,2) 微軟的嵌入式OS （續(xù)2,c) Windo

27、ws XP Embedded Windows XP Professional操作系統(tǒng)的組件化版本，它能夠快速開發(fā)出最為可靠的全功能連接設備。 Windows XP Embedded采用與Windows XP Professional相同的二進制代碼，從而使得嵌入式開發(fā)人員能夠只選擇其嵌入式設備/產(chǎn)品所需的豐富的定制化特性,a,60,3) 嵌入式Linux,這是嵌入式操作系統(tǒng)的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點 目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。 據(jù)IDG預測嵌入式LINUX將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50,a,61,3) 嵌入式Linux （續(xù)1,由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，并且查錯也很容易。 遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。 有大量的應用軟件可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的?？梢陨约有薷暮髴糜谟脩糇约旱南到y(tǒng)。 有大量的免費的優(yōu)秀的開發(fā)工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的,a,62,3) 嵌入式Linux （續(xù)2,有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發(fā)和維護成本很低。 優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能，這在Internet時代尤其重要。 穩(wěn)定-這