第一章 嵌入式系統(tǒng)概論(2013)

1、嵌入式控制系統(tǒng)主講：陳龍燦聯(lián)系方式望大家有所收獲希望大家有所收獲1、掌握一種學(xué)習(xí)方法2、學(xué)習(xí)了解嵌入式技術(shù)研發(fā)的基本概念、方法和知識3、獲得嵌入式開發(fā)設(shè)計實踐經(jīng)驗課程目的 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論（概念、分類、發(fā)展歷程、特點、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢） 嵌入式硬件系統(tǒng)（基本組成，嵌入式微處理器，外圍電路等） 嵌入式軟件系統(tǒng)（分類、特點、體系結(jié)構(gòu)、運行流程、操作系統(tǒng)、開發(fā)方法） 嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的一些新動態(tài)和成果 學(xué)生基礎(chǔ)：學(xué)過C語言、微機(jī)原理和單片機(jī)等社會對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才的迫切需求社會對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人才的迫切需求 通訊行業(yè)：華為、中興、大唐、 國內(nèi)IT業(yè)：聯(lián)想、同方、方正、 外資

2、企業(yè)：微軟、IBM、GE、 工業(yè)領(lǐng)域：Siemens、ABB、研華、 國內(nèi)中小型高新技術(shù)企業(yè)目錄第一章 嵌入式系統(tǒng)概論第二章 嵌入式微處理器 第三章 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)外圍硬件設(shè)計 第四章 嵌入軟件體系結(jié)構(gòu) 第五章 嵌入式實時操作系統(tǒng) 第六章 板級支持包與系統(tǒng)引導(dǎo)第七章 嵌入式軟件設(shè)計方法第八章 嵌入式軟件編程 第九章 嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境第十章 嵌入式系統(tǒng)可靠性測試與評估第十一章 前沿技術(shù)介紹第1章 嵌入式系統(tǒng)概論第1章 目錄q1. 無所不在的嵌入式系統(tǒng)q2. 嵌入式系統(tǒng)的定義q3. 嵌入式系統(tǒng)的特征q4.嵌入式系統(tǒng)的分類q5.嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)q6.嵌入式應(yīng)用開發(fā)第1章 目錄q1. 無所

3、不在的嵌入式系統(tǒng)無所不在的嵌入式系統(tǒng)q2. 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義q3. 嵌入式系統(tǒng)的特征嵌入式系統(tǒng)的特征q4.嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的分類q5.嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)q6.嵌入式應(yīng)用開發(fā)嵌入式應(yīng)用開發(fā)無所不在的嵌入式系統(tǒng)無所不在的嵌入式系統(tǒng) 計算機(jī)將變得小巧玲瓏，藏身在任何地方, 又消失在所有地方；功能強大, 無影無蹤。 計算機(jī)變得無處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫紙上等等，隨用隨取、伸手可及 嵌入式系統(tǒng)示例嵌入式系統(tǒng)示例汽車控制系統(tǒng)馬達(dá)控制器車燈 嵌入式系統(tǒng)示例嵌入式系統(tǒng)示例汽車控制系統(tǒng)尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的

4、控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)1.1 嵌入式系統(tǒng) 1.1.1 概述 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨特的個性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。 什么叫“嵌入”？原意：“緊緊地埋入 、鑲?cè)搿?狹義：宿主、寄主 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念 目前，對嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功

5、能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。 現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng) 即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中也有多達(dá)幾十個嵌入式系統(tǒng)。 在日常生活中，人們使用各種

6、嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實上，幾乎所有帶有一點“智能”的家電（全自動洗衣機(jī)、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。 現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)蘋果A4、 A5的一些數(shù)據(jù)對比:iPhone A4iPhone A5iPad A4iPad A5架構(gòu)ARMv7ARMv7ARMv7ARMv7頻率800MHz800MHz1GHz1GHz運行頻率731MHz685MHz984MHz808MHz處理器數(shù)量1111核心1212一級指令緩存32.0KB32.0KB32.0KB32.0KB一級數(shù)據(jù)緩存32.0KB32.0KB

7、32.0KB32.0KB二級緩存512KB1.00MB512KB1.00MB總線頻率100.0MHz200.0MHz100.0MHz250MHzCPU型號：高通 驍龍Snapdragon APQ8064APQ8064采用的Krait CPU微架構(gòu)是高通公司基于ARMv7-A 指令集自主設(shè)計的新型高性能架構(gòu)，采用異步對稱式多核處理技術(shù)（aSMP），較高通第一代Scorpion CPU微架構(gòu)在性能上提升60%以上，功耗降低65%。Krait的設(shè)計采用了使用新電路技術(shù)的定制設(shè)計流程以提高性能，降低功耗 1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1消費類電子產(chǎn)品應(yīng)用 如智能冰箱、流媒體電視等

8、。大家最熟悉的莫過于手機(jī)、PDA、電子辭典、數(shù)碼相機(jī)、MP3/MP4等。 2智能儀器、儀表類應(yīng)用 這類產(chǎn)品可能離日常生活有點距離，但是對于開發(fā)人員來說卻是實驗室里的必備工具，比如網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)字示波器、熱成像儀等。3通信信息類產(chǎn)品應(yīng)用 這些產(chǎn)品多數(shù)應(yīng)用于通信機(jī)柜設(shè)備中，如路由器、交換機(jī)、家庭媒體網(wǎng)關(guān)等。4過程控制類應(yīng)用 過程控制類應(yīng)用主要指在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。5國防武器設(shè)備應(yīng)用 如雷達(dá)識別、軍用數(shù)傳電臺、電子對抗設(shè)備等。6生物微電子應(yīng)用 指紋識別、生物傳感器數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中也廣泛采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用我們正步入一個嶄新的“數(shù)字世界” 醫(yī)療市場醫(yī)療市場 心臟除顫器 心臟起搏

9、器 患者信息和監(jiān)視系統(tǒng) 理療控制系統(tǒng) 電磁成像系統(tǒng)等 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè)控制 工業(yè)設(shè)備是機(jī)電產(chǎn)品中最大一類 過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設(shè)備主要采用是位單片機(jī)。 隨著技術(shù)發(fā)展，目前許多設(shè)備除了進(jìn)行實時控制，還須將設(shè)備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。 8位單片機(jī)是無法滿足這些要求，目前32位、64位的處理器逐漸替代了8位、16位處理器，成為工業(yè)控制設(shè)備的核心 汽車加油站 數(shù)控系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 軍事方面 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的阿

10、富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳赫耳墨斯墨斯”價值價值4 4萬美元，可攜帶萬美元，可攜帶2 2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。微型飛行器微型飛行器 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域最早的機(jī)器人技術(shù)是50年代MIT提出的數(shù)控技術(shù)。 “索杰納”火星車就是一個價值10億美金的技術(shù)高密集移動機(jī)器人，采用的是美國風(fēng)河公司的Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)，帶有機(jī)械手，可以采集火星上的各種地況，并且通過攝像頭把火星上的圖像發(fā)回地面指揮中心。這臺火星車在火星上自主工作了3個月。以索尼的機(jī)器狗為代表的智能機(jī)器寵物，可以僅僅使用8位的AVR，51單片機(jī)或

11、者16位的DSP來控制舵機(jī)，進(jìn)行圖像處理。 Windows CE等32位嵌入式操作系統(tǒng)的盛行，使得操控一個機(jī)器人只需要在手持PDA上獲取遠(yuǎn)程機(jī)器人的信息，并且通過無線通訊控制機(jī)器人的運行。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域智能機(jī)器人智能機(jī)器人 目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計和基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件設(shè)計 單片機(jī)系統(tǒng)多為4位、8位、16位機(jī)，不適合運行操作系統(tǒng)，難以進(jìn)行較為復(fù)雜的運算及處理功能 嵌入式系統(tǒng)強調(diào)基于平臺的設(shè)計、軟硬件協(xié)同設(shè)計，單片機(jī)大多采用軟硬件流水設(shè)計 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的核心是軟件設(shè)計（占70%左右的工作量），單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計所占

12、比例基本相同 1.1.3 嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng) 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(jī)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 1.1.4 嵌入式系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的區(qū)別機(jī)的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) PCPC機(jī)機(jī)實時系統(tǒng) POSIX 1003.b定義能夠在限定響應(yīng)時間內(nèi)提供所需水平服務(wù)的計算機(jī)系統(tǒng) 一般性定義一個實時系統(tǒng)是指計算的正確性不僅取決于程

13、序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時間：如果系統(tǒng)的時間約束條件得不到滿足，將會發(fā)生系統(tǒng)出錯。特別注意 實時并不等于快！它是一個相對的概念，確切定義應(yīng)該是“及時”，即在系統(tǒng)允許的時間范圍內(nèi)完成任務(wù) 實時系統(tǒng)衡量指標(biāo) 響應(yīng)時間 吞吐量 生存時間 嵌入式系統(tǒng)的實時性 從廣義概念上講，嵌入式系統(tǒng)都可以看成是一個實時系統(tǒng)。 嵌入式實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點：在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服

14、務(wù)，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。：但是，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費用。 1.3 嵌入式系統(tǒng)的特征 技術(shù)密集專用緊湊安全可靠多種多樣及時相應(yīng)成本敏感開發(fā)困難不可壟斷其它技術(shù)密集 嵌入式系統(tǒng)是計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。專用緊湊 嵌入式系統(tǒng)在體積、功耗、配置、處理能力、電磁兼容性等方面有明顯的應(yīng)用約束。安全可靠 可靠性要求極高網(wǎng)絡(luò)信息安全防危安全多種多樣 嵌入式處理器種類繁多外設(shè)隨應(yīng)用領(lǐng)域變化操作系統(tǒng)五花八門嵌入式開發(fā)工具不一嵌入式系統(tǒng)實時性多樣化應(yīng)用領(lǐng)域廣泛及時響應(yīng) 嵌入式系統(tǒng)需要實時性保障，能夠

15、盡可能快地對外部技術(shù)過程的請求發(fā)出響應(yīng)，及時完成。 成本敏感 嵌入式產(chǎn)品每一批次的產(chǎn)品數(shù)量大，單位成本對產(chǎn)品的市場前景和利潤影響極大 。開發(fā)困難 不可壟斷 嵌入式系統(tǒng)是一個分散的工業(yè)。沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。其他：確定性 任務(wù)個數(shù)確定每個任務(wù)執(zhí)行時序確定每個任務(wù)所占資源等確定任務(wù)間通信延遲確定 1.4 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 1.5 嵌入式系統(tǒng)的分類 按處理器位數(shù)劃分 按應(yīng)用類別劃分 按系統(tǒng)的實時性劃分 按工業(yè)界應(yīng)用的復(fù)雜程度劃分按處理器位數(shù)劃分 按所采用的處理器位數(shù)，可以分為4位、8位、16位、32位和64位系統(tǒng)。按系統(tǒng)實時性劃分硬實時汽車的ABS和安全氣囊系統(tǒng)、飛行控

16、制系統(tǒng)、核電控制系統(tǒng)軟實時電視信號、證券交易自適應(yīng)實時自動調(diào)整滿足環(huán)境需要，保證性能級別按工業(yè)界應(yīng)用的復(fù)雜程度劃分簡單單處理器系統(tǒng)可擴(kuò)展單處理器系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)制造或過程控制中使用的計算機(jī)系統(tǒng)1.6 嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 嵌入式硬件組成嵌入式軟件組成1.7 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計要求 功能實用、便于升級 并發(fā)處理、及時響應(yīng) 造型自然、結(jié)構(gòu)緊湊 接口方便、操作容易 穩(wěn)定可靠、維護(hù)簡便 功耗管理、降低成本1.8 嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 開發(fā)過程設(shè)計方法編程測試嵌入式軟件的重用開發(fā)平臺一、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程二、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計 軟件設(shè)計 硬件設(shè)計 集成設(shè)計三、嵌入式編程四、嵌入式系統(tǒng)測試軟件功能的測試依賴于硬件。強壯性測試、可用性測試難。測試用例、測試結(jié)果上載困難。測試線程、任務(wù)、子系統(tǒng)之間的交互、并發(fā)和容錯能力難。 嵌入式測試?yán)щy：常規(guī)測試之外，嵌入式系統(tǒng)測試還包括： 定期測試微處理器、存儲器、以及嵌入式程序占用的存儲空間。 外圍設(shè)備的測試。 電源測試。 耗材的測試，如燃料測試。 安全測試。 通信電纜測試。五、嵌入式軟件的重用 遵循Moore定律，嵌入式軟件的規(guī)模和復(fù)雜性迅速增大。 軟件多樣性迅速增加。 開發(fā)周