《嵌入式系統(tǒng)介紹》PPT課件.ppt

1、嵌入式系統(tǒng)介紹,主講: 邢海峰 2010年1月12日,嵌入式系統(tǒng)基本概念 嵌入式系統(tǒng)的組成結構 嵌入式系統(tǒng)硬件組成 嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式計算機 嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)的分類 嵌入式系統(tǒng)的應用范圍,嵌入式系統(tǒng)基本概念,嵌入式計算機_發(fā)展歷史,在電子計算機發(fā)展的初期，計算機一直是“供養(yǎng)”在特殊的機房中的大型、昂貴的專用設 備，主要是實現(xiàn)一些特殊的數(shù)值計算。 同時微處理器表現(xiàn)出的智能化水平引起了設備制造、機電控制等專業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個控制對象的體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。 微處理器的問世極大的促進了控制領域的發(fā)展，復雜的控制系統(tǒng)最初只是由簡單的設備組

2、成，以微處理器這樣的部件作為主要的控制和反饋器件，極大的提高了系統(tǒng)的可控性和智能化,嵌入式計算機_發(fā)展歷史,經(jīng)過發(fā)展，到80年代初微處理器及微控制器各自已發(fā)展為一個龐大的家族，以Intel公司x86為主流的應用于個人計算機PC的微處理器格局已形成。 為了區(qū)別于原有使用在PC的通用計算機，把嵌入到對象體系中、實現(xiàn)對象體系智能化控制的微控制器的計算機，稱作嵌入式計算機。 因此，嵌入式計算機是誕生于微處理器發(fā)展時代,嵌入式計算機_基本特征和應用范圍,嵌入式計算機在應用數(shù)量上已遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外設中就包含了多個嵌入式微處理器。鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem

3、、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、USB集線器等都是由嵌入式處理器控制的。 在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機廣泛應用的領域,嵌入式系統(tǒng)的概念,嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)，以嵌入式計算機為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡技術之后，又一個新的技術發(fā)展方向。 IEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義為： 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”（devices used to control、monitor、or assist the operation of equipment、machinery or

4、 plants） 這主要是從應用對象上加以定義，涵蓋了軟、硬件及輔助機械設備,嵌入式系統(tǒng)的概念_國內(nèi)的定義,國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為： 以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統(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)。 相比較而言國內(nèi)的定義更全面一些，體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)“嵌入”、“專用性”、“計算機”的基本要素和特征,嵌入式系統(tǒng)的特點(嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別,嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺 嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多 嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比PC機大得多 嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求 嵌入式

5、系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持 嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具,嵌入式系統(tǒng)的分類,按表現(xiàn)形式分（硬件范疇） 芯片級嵌入（含程序或算法的處理器） 模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊） 系統(tǒng)級嵌入 按實時性要求分（軟件范疇） ： 非實時系統(tǒng)（PDA） 軟實時系統(tǒng)（消費類產(chǎn)品） 硬實時系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的應用領域_嵌入式技術無處不在,嵌入式應用_無線電的發(fā)展,Bush收音機 7個晶體管單二極管,Evoke DAB收音機1億個晶體管2-3個嵌入式處理器,BTH礦石收音機 單二極管,電話的發(fā)展,電話 無晶體管,BT DECT 1千萬個晶體管3個處理器,諾基亞手機 超過7億個晶體管(多數(shù)用于存儲器

6、)5-6個處理器,194020012002,計算機的發(fā)展,Apple Macintosh 黑白顯示器1 MIP 處理器,惠普康柏掌上電腦 彩色顯示200 MIP 處理器 64MB 內(nèi)存 袖珍型,Acorn Archimedes彩色顯示器10 MIP 處理器 RISC集,航海儀器的發(fā)展,地圖、時鐘、指南針 印刷及磁技術無晶體管,GarminGPS定位器 約1億個晶體管2-3個處理器 + 4個人造衛(wèi)星,Raytheon 船用航海儀器,175919992002,日用電器的發(fā)展,Apple IPOD 100 張CDs袖珍型 四處理器,HP 1315 照片質量彩色打印機 雙處理器,GameBoy Adv

7、ance 手持式彩色聯(lián)網(wǎng)型 雙處理器,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,消費類電子智能玩具、手持通訊的核心,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,智能玩具與機器人,汽車電子,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,軍事國防領域,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,航天領域,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,嵌入式系統(tǒng)的組成結構,嵌入式系統(tǒng)硬件組成_處理器,嵌入式處理器可以分為三類： 嵌入式微處理器（Microprocessor） 嵌入式微控制器MCU（Microcontroller Unit） 嵌入式DSP（Digital Signal Processor,嵌入式微處理器,嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的C

8、PU。 在應用中，早期的嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在電路板上設計了和嵌入式系統(tǒng)相關的功能模塊，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。 目前的嵌入式處理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola 68000、ARM、MIPS系列等等,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設封裝在同一片集成電路里。 常見的有8051。嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下

9、降、可靠性提高,嵌入式微控制器,微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN（控制器局域網(wǎng)）、LCD及眾多專用MCU和兼容系列,嵌入式DSP,嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。 DSP處理

10、器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。 在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正在從通用微處理器中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器實現(xiàn)DSP功能,ARM系列內(nèi)核介紹,ARM體系結構和VLSI實現(xiàn)技術特點 把簡單的硬件和指令集結合起來，這是 RISC思想的基礎; 但仍然保留一些CISC的特征，并且因此達到了比純粹RISC更高的代碼密度，使得ARM獲得其功耗效率和較小的核面積。 VLSI實現(xiàn)技術,ARM系列內(nèi)核介紹,ARM處理器核當前有6 個系列產(chǎn)品： ARM7 ARM9 ARM9E

11、 ARM10E, SecurCore ARM11 Intel公司推出的： StrongARM XScale,嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式實時操作系統(tǒng) 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)一般具有實時特點。所謂實時系統(tǒng)，是指一個優(yōu)先等級高的任務能夠獲得立即的、沒有延遲的服務，它不需要等候任何其它任務。而且在得到CPU的使用權后，它可以一直執(zhí)行到工作結束或是有更高等級的進程出現(xiàn)為止。 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應用軟件的可移植性,RTOS的結構圖,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,嵌入式操作系統(tǒng)

12、的種類繁多，但大體上可分為兩種商用型和免費型。 目前商用型的操作系統(tǒng)主要有VxWorks、Windows CE 、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,它們的優(yōu)點是功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，而且提供了如圖形用戶界面和網(wǎng)絡支持等高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級的功能; 缺點是價格昂貴且源代碼封閉性，這大大限制了開發(fā)者的積極性,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,目前免費型的操作系統(tǒng)主要有Linux和C/OS-II，它們在價格方面具有很大的優(yōu)勢。 比如嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大、易于移植而且程序源碼全部公開等優(yōu)點正在被廣泛采

13、用，成為新興的力量,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,C/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 C/OS-II是一個可裁減的、源碼開放的、結構小巧、可剝奪型的實時多任務內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。 C/OS-II中最多可以支持64個任務，分別對應優(yōu)先級063，其中0為最高優(yōu)先級。實時內(nèi)核在任何時候都是運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務，是真正的實時操作系統(tǒng)。 C/OS-II最大程度上使用ANSI C語言開發(fā)，現(xiàn)已成功移植到近40多種處理器體系上,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,WinCE操作系統(tǒng) Microsoft Windows CE是針對有限資

14、源的平臺而設計的多線程、完整優(yōu)先權、多任務的操作系統(tǒng)，但它不是一個硬實時操作系統(tǒng)。 高度模塊化是WinCE的一個鮮為人知的特性，這一特性有利與它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。 WinCE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM，它支持 Win32 API子集、多種用戶界面硬件、多種的串行和網(wǎng)絡通訊技術、COM/OLE和其他的進程間通訊的先進方法。Microsoft公司為Windows CE提供了Platform Builder和Embedded Visual Studio開發(fā)工具,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,Clinux Clinux是針對無MMU 微處理器開發(fā)的，已經(jīng)被廣泛使用在ColdFire、ARM、MIPS、SPARC、SuperH等等沒有MMU的微處理器上。 雖然Clinux的內(nèi)核要比原Linux 2.0內(nèi)核小的多, 但保留了Linux 操作系統(tǒng)穩(wěn)定性好，網(wǎng)絡能力優(yōu)異以及對文件系統(tǒng)的支持等主要優(yōu)點,典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹,Clinux同標準Linux的最大區(qū)別在于 內(nèi)存管理。標準Linux是針對有MMU的處理器設計的，在這種處理器上，虛擬地址被送到MMU，把虛擬地址映射為物理地址。通過賦予每個任務不同的虛擬-物理地址轉換映射，支持不同任務之間的保護。 對于Clinux來說，其設計針對沒有MMU的處理器，不能使用虛擬內(nèi)存管理技