嵌入式系統(tǒng)第1講

1、2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理專業(yè)：醫(yī)學(xué)信息與計(jì)算機(jī)2006級(jí)四年制本科主講：李偉鵬單位：生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系電話：48284址：LWPFIMMU.COM時(shí)間：2009.09.07-2009.11.13南方醫(yī)科大學(xué)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系2第一講 第1章嵌入式系統(tǒng)概述2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系3第一章 嵌入式系統(tǒng)概述n本講主要內(nèi)容:n嵌入式系統(tǒng)的定義n嵌入式系統(tǒng)的基本組成n嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢n嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述nARM嵌

2、入式微處理器概述2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系4第1節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的定義2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系5第1章 嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義n第一種定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。n第二種定義：把基于處理器（通用處理器和嵌入式處理器）的設(shè)備稱為計(jì)算機(jī)，把計(jì)算機(jī)分成兩大部分，即通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī) 。n這兩個(gè)定義都十分明確地表述嵌入式系統(tǒng)屬于一種專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。n 嵌入式系統(tǒng)-嵌入式計(jì)算機(jī)，即非通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2022年3月20日星期

3、日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系61.1嵌入式系統(tǒng)的定義n嵌入式系統(tǒng)可應(yīng)用于所有電器：個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、手機(jī)、機(jī)頂盒、汽車控制系統(tǒng)、微波爐控制器、電梯控制器、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)控制器、醫(yī)療儀器、立體音響、自動(dòng)取款機(jī)等。n嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的、它寄生于應(yīng)用領(lǐng)域，與應(yīng)用市場一起發(fā)展，因此，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者往往不是計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才，而是各個(gè)行業(yè)的技術(shù)人員，例如開發(fā)數(shù)字醫(yī)療設(shè)備，往往是生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員和計(jì)算機(jī)專業(yè)的技術(shù)人員一起來參與完成。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系7第2節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的基本組成2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子

4、技術(shù)系81.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成n嵌入式系統(tǒng)由硬件、軟件和開發(fā)系統(tǒng)組成n硬件結(jié)構(gòu)圖電源晶振電路復(fù)位電路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232IrDALCDKeyboardCPU和外圍電路外部電路2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系91.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系101.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成1.嵌入式系統(tǒng)的硬件n嵌入式核心芯片：nEMPU-嵌入式微處理器nEMCU-嵌入式微控制器nEDSP-嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器nESoC-嵌入式片上系統(tǒng)nEPSoC-嵌入式可編程片上系統(tǒng)n存儲(chǔ)器系統(tǒng)n程序存儲(chǔ)器（ROM,

5、EPROM,Flash）n數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器）n參數(shù)存儲(chǔ)器（EEPROM）nNVRAMn外部接口n一般嵌入式處理器上已集成了接口，但是外設(shè)需要外接。例如大多數(shù)的嵌入式通信控制器集成了以太網(wǎng)接口，但是收發(fā)器需要外部電路。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系111.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成2.嵌入式系統(tǒng)的軟件n分為兩大部分，4個(gè)層次。n嵌入式操作系統(tǒng)：VRTX、pSOS、VxWorks、Windows CE、EPOC、Linux、PALM、OS9、Java CHORUS OS、QNX、NAVIOn應(yīng)用軟件:為不同應(yīng)用而編寫的軟件。n4個(gè)層次：n設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口（DDI，Device

6、Driver Interface）-負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息交互；n實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，Real Time Operation system）n基本模塊：是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)高度，存儲(chǔ)分配、時(shí)鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面（GUI，Graphics User Interface）等基本服務(wù)。n擴(kuò)展模塊：提供操作的擴(kuò)展功能，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等。n可編程應(yīng)用接口（API，Application Programmable Interface） 也稱為編程中間件、應(yīng)用中間軟件，是為編制應(yīng)用程序提供的各種編程接口庫。n應(yīng)用軟件-針對(duì)不同就用而由開發(fā)者自己編寫的軟件。2

7、022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系121.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系131.2嵌入式系統(tǒng)的基本組成3.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)系統(tǒng)n開發(fā)工具：獨(dú)立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外，用于開發(fā)主機(jī)，包括語言編譯、連接定位器、調(diào)試器-構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)和開發(fā)工具。n開發(fā)語言：C語言，嵌入式C+，Java，匯編語言。n匯編語言使用場合：n開發(fā)小系統(tǒng)時(shí)，可有效地減少代碼存儲(chǔ)空間；n用于系統(tǒng)的初始化和與硬件有關(guān)的代碼；n對(duì)于時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用，例如基于DSP數(shù)據(jù)處理的嵌入式系統(tǒng)。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系14第3節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

8、2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系151.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)n通常含有面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU。n是計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。n其硬件和軟件的設(shè)計(jì)效率要高。n與具體應(yīng)用緊密結(jié)合，其升級(jí)換代也與具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此生命周期較長。n其軟件均固化在存儲(chǔ)芯片或單片機(jī)中，因此，速度和可靠性較高。n不具備獨(dú)立開發(fā)能力，必須借助外部開發(fā)工具或系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此用戶不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系161.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n嵌入式處理器n嵌入式處理器分為三類：n微處理器，MP

9、U。與通用計(jì)算機(jī)的CPU相對(duì)應(yīng)的微處理器。n微控制器，MCU。它將CPU、存儲(chǔ)器和其他外設(shè)封裝在同一集成電路里，也稱為單片機(jī)。n數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，DSP。專門用于對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。n微內(nèi)核結(jié)構(gòu)n大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本功能，如：任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等。其他應(yīng)用組件，如：網(wǎng)絡(luò)功能、文件管理、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。應(yīng)用組件是可剪裁的。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系171.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n任務(wù)調(diào)度n在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)即進(jìn)程或線程。大多數(shù)嵌入

10、式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)。任務(wù)調(diào)度有三種方式：n可搶占式n不可搶占式n時(shí)間片輪轉(zhuǎn)n硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)n軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好。n硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)不能滿足，可能引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系181.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n內(nèi)存管理n針對(duì)有MMU處理器而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，能與硬件配合采用虛擬存儲(chǔ)器的概念。虛擬內(nèi)存地址被送到MMU，MMU將它映射為物理地址。物理地址是分頁的，采用分頁加載進(jìn)程，操作系統(tǒng)將當(dāng)前要運(yùn)行的部分頁裝入內(nèi)存運(yùn)行。n大多數(shù)操作系統(tǒng)針對(duì)沒有MMU的處理

11、器設(shè)計(jì)，不使用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，而是采用實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。對(duì)內(nèi)存的訪問是直接的，直接送到地址線上輸出，即使用的地址是實(shí)際的物理地址。操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù)，程序運(yùn)行前需要分配好內(nèi)存空間。n內(nèi)核加載方式n嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核可在Flash直接運(yùn)行，也可加載到內(nèi)存運(yùn)行。n嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)用戶程序一般采用靜態(tài)鏈接的形式。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系191.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)n嵌入式系統(tǒng)的核心是微處理器，而嵌入式微處理器具備以下四個(gè)特點(diǎn)：n具備實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力；n具有存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；n可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)；n功耗很低。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系20

12、第4節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系211.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n家庭信息化網(wǎng)絡(luò)n網(wǎng)絡(luò)瀏覽、視頻點(diǎn)播、文字處理、電子郵件、個(gè)人事務(wù)管理。n機(jī)頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、嵌入式視頻服務(wù)器、車載導(dǎo)航器系統(tǒng)等n移動(dòng)計(jì)算設(shè)備n手機(jī)、PDA、掌上電腦。n網(wǎng)絡(luò)設(shè)備n路由器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。n工業(yè)控制、仿真、醫(yī)療儀器n這些領(lǐng)域?qū)η度胧较到y(tǒng)的需求在不斷增長，同時(shí)也對(duì)嵌入式微處理器的運(yùn)算速度、可擴(kuò)充能力、系統(tǒng)可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。n同時(shí)，Jav

13、a技術(shù)的發(fā)展，對(duì)開發(fā)相關(guān)無線通信軟件起到推動(dòng)作用。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系221.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系231.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n嵌入式視頻服務(wù)器的架構(gòu)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系241.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n現(xiàn)代化家庭2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系251.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n中國數(shù)字電視發(fā)展規(guī)劃n20022002年完成地面廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)的測試；年完成地面廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)的測試；n20022002年底頒布國家數(shù)字電視有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)；年底頒布國

14、家數(shù)字電視有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)；n20032003年底前頒布國家數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)和年底前頒布國家數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)配套標(biāo)準(zhǔn)，確定數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)體系；相關(guān)配套標(biāo)準(zhǔn)，確定數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)體系；n20052005年在有條件的城市推廣數(shù)字電視播出；年在有條件的城市推廣數(shù)字電視播出；n20082008年的北京奧運(yùn)會(huì)上向全世界傳輸數(shù)字高清年的北京奧運(yùn)會(huì)上向全世界傳輸數(shù)字高清晰度電視節(jié)目，主要的大城市開始數(shù)字電視商晰度電視節(jié)目，主要的大城市開始數(shù)字電視商業(yè)廣播；業(yè)廣播；n20152015年數(shù)字電視成為我國電視播出的主要方式。年數(shù)字電視成為我國電視播出的主要方式。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技

15、術(shù)系261.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n通信市場通信市場n電話交換系統(tǒng)n電纜系統(tǒng)n衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D）n數(shù)據(jù)交換設(shè)備n移動(dòng)電話nPDA2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系271.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n通信市場通信市場n智能網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)n通過普通電話線與網(wǎng)絡(luò)相連。n寬帶網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)n通過寬帶接入Internet。n目前IP電話發(fā)展現(xiàn)狀n據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球電話業(yè)務(wù)收入綜合年增長率將以的速度增長，到年電話已占國際電話業(yè)務(wù)量的三分之一。到年，國際長途將占業(yè)務(wù)市場的。電話已成為當(dāng)前各國電話運(yùn)營重點(diǎn)發(fā)展的業(yè)務(wù)之一。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系281.4 嵌入

16、式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n工業(yè)市場工業(yè)市場n制造工廠污水處理系統(tǒng)n發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)n自動(dòng)化工廠控制系統(tǒng)開發(fā)，維護(hù)和測試的工具n石油提煉和相關(guān)的貯運(yùn)設(shè)施，建筑設(shè)備n計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)n能源控制系統(tǒng)，核電站n機(jī)器人系統(tǒng)等n商業(yè)和金融市場商業(yè)和金融市場n自動(dòng)柜員機(jī)n信用卡系統(tǒng)n售貨端系統(tǒng)n安全系統(tǒng)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系291.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n辦公市場辦公市場n電話系統(tǒng)n傳真系統(tǒng)n復(fù)印機(jī)n計(jì)時(shí)系統(tǒng)n照相機(jī)和攝象機(jī)n運(yùn)輸市場運(yùn)輸市場n航空、鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)n航空管理、雷達(dá)系統(tǒng)n交通指揮系統(tǒng)n停車系統(tǒng)、售票系統(tǒng)n乘客信息系統(tǒng)n檢票系統(tǒng)n行李處理系統(tǒng)n應(yīng)急設(shè)備等

17、2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系301.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n建筑市場建筑市場 電力供應(yīng)，備用電源和發(fā)電機(jī)，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風(fēng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險(xiǎn)柜，警鈴等n醫(yī)療市場醫(yī)療市場n心臟除顫器n心臟起搏器n患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)n理療控制系統(tǒng)n電磁成像系統(tǒng)n便攜式生理參數(shù)記錄儀2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系311.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)PACSPACSn主要功能：n醫(yī)學(xué)影像的采集和數(shù)字化n圖像的存儲(chǔ)和管理n醫(yī)學(xué)圖像的高速傳輸n圖像的數(shù)字化處理和重

18、現(xiàn)n圖像信息與其他信息nPACSPACS子系統(tǒng)子系統(tǒng)n影像實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng) n影像分析處理子系統(tǒng) n影像的查詢、管理和存儲(chǔ)子系統(tǒng) n圖文編輯及打印子系統(tǒng) n數(shù)字圖像回寫子系統(tǒng) n遠(yuǎn)程會(huì)診子系統(tǒng) n系統(tǒng)管理子系統(tǒng)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系321.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)PACSPACS2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系331.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域n軍事工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)n市場壟斷性強(qiáng)n高利潤n可靠性要求高n安全性要求高n成本要求不高n軍事工業(yè)產(chǎn)品n數(shù)字化單兵信息裝備n夜視掃描、全球定位、指揮通信21世紀(jì)部

19、隊(duì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（FBCB2）C4ISR系統(tǒng)(指揮、控制、通訊、電腦、情報(bào)、監(jiān)視、偵察)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系341.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域的特殊要求軍事領(lǐng)域的特殊要求n尺寸和重量:n在軍事和航天環(huán)境中，空間是非常珍貴的。對(duì)用于航天器或航空器上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飛機(jī)上采用的另一個(gè)重要因素，但在工業(yè)上應(yīng)用并不重要。n功率消耗:n電池壽命自然是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)或可攜帶軍事系統(tǒng)和空間設(shè)備的關(guān)鍵問題。因?yàn)榘l(fā)熱與功耗成正比，降低功耗就成了對(duì)工作在較高溫度環(huán)境中的系統(tǒng)的重要要求。 n震動(dòng)和沖擊:n軍事和空間系統(tǒng)要適合在惡劣運(yùn)動(dòng)

20、環(huán)境中工作和貯存。這些環(huán)境包括：大范圍或小范圍的重復(fù)運(yùn)動(dòng)；芯片、模塊和模板可能部分或全部變位或斷線；由于震動(dòng)而加重的電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕，使模板互連金手指管腳的導(dǎo)電性能變差；由于使用硬盤驅(qū)動(dòng)器致使數(shù)據(jù)的完整性成為難題等。 n溫度和濕度:n大多數(shù)軍事和空間系統(tǒng)是工作在溫度和濕度環(huán)境相對(duì)不可控的條件下。用于軍事和空間產(chǎn)品的電子產(chǎn)品的可靠工作范圍必須在-40+85。 2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系351.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系361.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域n21世紀(jì)部隊(duì)旅及旅以下

21、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（FBCB2） 作為美國陸軍戰(zhàn)斗指揮系統(tǒng)的一部分，F(xiàn)BCB2應(yīng)用軟件將在Applique+ V4型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，構(gòu)成旅及旅以下級(jí)別陸軍的數(shù)字化戰(zhàn)斗指揮信息系統(tǒng)。FBCB2系統(tǒng)將向作戰(zhàn)的士兵和指揮官、戰(zhàn)斗支援部隊(duì)以及戰(zhàn)斗服務(wù)支援部隊(duì)提供在行進(jìn)中、近實(shí)時(shí)的事態(tài)感知以及指揮和控制信息，使他們?cè)谄聊簧暇湍芊直娉鲇逊讲筷?duì)和敵方部隊(duì)。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系371.4 嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域n軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域n關(guān)于中國C4ISR系統(tǒng)的消息n消息來源聲稱這一系統(tǒng)的研制已經(jīng)進(jìn)行多年，有關(guān)的分系統(tǒng)目前已經(jīng)部分進(jìn)入中國軍隊(duì)服役。戰(zhàn)區(qū)級(jí)別的C3I系統(tǒng)預(yù)計(jì)若干年之內(nèi)全面建成。

22、n規(guī)劃之中的國家級(jí)C4ISR系統(tǒng)包括2個(gè)以上的海岸指揮作戰(zhàn)中心下設(shè)若干海岸雷達(dá),海岸火炮,聲納分系統(tǒng)并使用數(shù)據(jù)鏈同國家宇宙作戰(zhàn)中心相連接。國家宇宙指揮作戰(zhàn)中心又通過衛(wèi)星同聯(lián)合作戰(zhàn)指揮中心,防空作戰(zhàn)中心、陸軍作戰(zhàn)指揮中心等分系統(tǒng)銜接.整個(gè)大系統(tǒng)還包括兩個(gè)以上的電子作戰(zhàn)指揮中心。每個(gè)下設(shè)電子對(duì)抗,電子作戰(zhàn)飛機(jī),電子偵察,電子支援分中心。它又透過國家宇宙作戰(zhàn)中心同防空指揮中心等銜接.在電子作戰(zhàn)指揮中心之外,還設(shè)有一個(gè)雷達(dá)信息處理系統(tǒng)。下設(shè)電子偵察,防空雷達(dá)等分系統(tǒng),并與戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)包括地對(duì)空導(dǎo)彈部隊(duì),防空雷達(dá),國土防空戰(zhàn)斗機(jī)等分系統(tǒng)。戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)又通過宇宙作戰(zhàn)中心同防空作戰(zhàn)中心聯(lián)網(wǎng)

23、。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系38第5節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系391.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)需要強(qiáng)大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持n面對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，功能要求更加多樣化和強(qiáng)大，將推動(dòng)開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的進(jìn)一步支持。n連網(wǎng)成為必然趨勢n為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和上網(wǎng)應(yīng)用需求，要求嵌入式系統(tǒng)配備有網(wǎng)絡(luò)通信接口。n支持小型電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本n為了適應(yīng)這些需求，要求嵌入式系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)更加簡化、采用更加先進(jìn)的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)。n提供精巧的多媒體人機(jī)界面n嵌入式設(shè)備之所

24、以得到用戶的接受，是因?yàn)樗鼈円殉醪骄邆渑_(tái)式計(jì)算機(jī)的多媒體人機(jī)界面的交互能力，但達(dá)到臺(tái)式計(jì)算機(jī)的功能還需要進(jìn)一步的努力。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系401.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系411.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系421.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系431.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n硬件發(fā)展的潛力2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系441.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

25、 n設(shè)計(jì)能力推動(dòng)工藝的改進(jìn)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系451.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n基于集成電路核的SOC設(shè)計(jì)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系461.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 n軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系47第6節(jié) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系481.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式系統(tǒng)硬件主流n32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心n主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等n每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)n嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)核分類n嵌入式微處理器(Em

26、bedded Microprocessor Unit, EMPU) n嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) n嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) n嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系491.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式微處理器嵌入式微處理器(EMPU)(EMPU)n通用計(jì)算機(jī)中的CPUn專門設(shè)計(jì)的電路板 n只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能 n增強(qiáng)工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面n功能與和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相似n嵌入式處理器目前主要有Am

27、186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系501.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式微控制器嵌入式微控制器(EMCU)(EMCU)n又稱單片機(jī) n以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)n微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。n代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS

28、-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。n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-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系511.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式嵌入式DSPDSP處理器處理器(EDSP)(EDSP)nDSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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。n在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)

29、域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。n有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。nTMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。nDSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系521.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)(SOC) n在一個(gè)硅片上實(shí)

30、現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) n整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去n應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔 nSOC可以分為通用和專用兩類。n通用系列包括Infineon (Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。n專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系531.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式外圍設(shè)備嵌入式外圍設(shè)備n嵌入式外圍設(shè)備是指在嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)試、

31、現(xiàn)實(shí)等輔助功能的其他部件。n根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：n存儲(chǔ)器類型：靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(RAM/SRAM)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)，非易失型存儲(chǔ)器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲(chǔ)速度快，容量大及價(jià)格便宜等有點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。n接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)中都有其廣泛的應(yīng)用，但是以下幾種接口的應(yīng)用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。n顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工

32、程學(xué)院電子技術(shù)系541.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式操作系統(tǒng)主流軟件nVxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。nOS-9是主要為高科技產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，提高了很好的安全和容錯(cuò)性，并且有很好的升級(jí)能力和靈活性。nPalm OS，是Palm公司的操作系統(tǒng)，和微軟的Windows CE是PDA操作系統(tǒng)的兩大巨頭。n嵌入式系統(tǒng)軟件嵌入式系統(tǒng)軟件n嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言 n嵌入式操作系統(tǒng) n嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境n實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICEICEn高級(jí)語言編譯器高級(jí)語言編譯器n源程序模擬器源程序模擬器2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系55

33、1.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述n嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)n實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real Time System) 一個(gè)能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能及對(duì)外部或內(nèi)部事件在同步或異步時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)，在邏輯或時(shí)序控制中如果出現(xiàn)偏差將會(huì)引起嚴(yán)重后果。n當(dāng)今的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，大多數(shù)是嵌入式系統(tǒng)。n有兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)：n軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好n硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤，一般在工業(yè)控制中應(yīng)用較多。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系56第7節(jié) ARM微處理器概述 2022年3月

34、20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系571.7ARM微處理器概述 1.7.1 ARM微處理器的特點(diǎn)及其應(yīng)用nARM：Advanced RISC Machines；n一個(gè)公司；n一類微處理器；n一種技術(shù)n采用知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微處理器，通稱為微處理器。nARM微處理器采用RISC體系結(jié)構(gòu)，具有下列特點(diǎn)：n支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集；n使用大量寄存器，數(shù)據(jù)操作大多數(shù)在寄存器中完成；n尋址方式靈活簡單，指令長度固定，執(zhí)行速度快、效率高。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系581.7ARM微處理器概述 1.7.2 ARM微處理器系列nARM微處理器包括ARM公司和其他

35、公司基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器。主要產(chǎn)品有：nARM7nARM9nARM9EnARM10EnARM11-它是ARM新指令架構(gòu)-ARMv6的第一代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。nARM12-cortexnSecurCorenXscalenStrong ARM2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系591.7ARM微處理器概述 nARM7微處理器系列n它是一種低功耗的位處理器，適合于低成本的消費(fèi)產(chǎn)品。n支持實(shí)時(shí)在線仿真器；n功耗極低；n三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集；n支持大多數(shù)操作系統(tǒng)，如：Windows CE、Linux、Palm OS等；n指令系統(tǒng)與ARM9、ARM9E和A

36、RM10E等系列兼容，方便于產(chǎn)品升級(jí)。n運(yùn)算處理能力高達(dá)130MIPS，適用于大多數(shù)復(fù)雜的應(yīng)用。nARM7系列產(chǎn)品種類nARM7TDMInARM7TDMI-SnARM720TnARM7EJ2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系601.7ARM微處理器概述 nARM9微處理器系列n它是ARM7的一種升級(jí)，功能更加強(qiáng)大。nARM9E微處理器系列n它是9的增強(qiáng)型，單一內(nèi)核，提供微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的綜合解決方案。nARM10E微處理器系列n采用兩種先進(jìn)的節(jié)能方式，除了功耗更低外，其功能比ARM9和ARM9E更強(qiáng)。nSecurCore微處理器系列n專為安全需要設(shè)計(jì)的，它除了

37、具有ARM功能外，還提供了信息安全解決方案。nStrongARM微處理器系列n屬于Intel公司的產(chǎn)品，主要有SA-1100系列。其結(jié)構(gòu)與ARM相同，主要是采用了Intel的設(shè)計(jì)技術(shù)，目前已應(yīng)用于多家公司的掌上電腦。nXscale處理器nIntel的一款主打產(chǎn)品，支持16位的Thumb指令和DSP指令集，主要應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)電話、PDA和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系611.7ARM微處理器概述 1.7.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1RISC體系結(jié)構(gòu) 微處理器采用RISC結(jié)構(gòu)，RISC結(jié)構(gòu)是CISC結(jié)構(gòu)演化而來的。nRISC的特點(diǎn)n具有大量的寄存器，大多操作都在寄存器中

38、完成；n尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；n通過載入和存儲(chǔ)指令訪問存儲(chǔ)器；n采用固定長度的指令格式；n所有的指令都可以條件執(zhí)行，以提高指令執(zhí)行效率；n同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯單元處理和移位處理；n使用地址自動(dòng)增加（減少）來優(yōu)化程序中的循環(huán)處理；n載入和存儲(chǔ)指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。2022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系621.7ARM微處理器概述 nRISC基本設(shè)計(jì)思想n減小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cyclen精簡指令集:保留最基本的,去掉復(fù)雜、使用頻度不高的指令n采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲(chǔ)器訪問方式n采用硬接線控制代替微程序控制nRISC精華:減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)nCPUtime= IC CPUtime= IC * *CPICPI * *CCCCnICRISC IC CISC, 30%-40%nCCRISC CCCISC，nCPIRISC CPICISC 差距在縮小超標(biāo)量、超流水線、VLIW等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 目標(biāo)在于減小CPI， 可使CPI12022年3月20日星期日生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)系631.7ARM微處理器概述 nRISC的提出與發(fā)展nLoad/Store結(jié)構(gòu)提出： CDC6600(1963)-CRAY1(1976)nRISC思想最早在IBM公司提出