嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論——第一章

1、嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論2013年2月桑楠桑楠 信息與軟件工程學(xué)院前前 言言3教師簡(jiǎn)介教師簡(jiǎn)介教授，信息與軟件工程學(xué)院本科、研究生畢業(yè)于四川大學(xué)計(jì)算機(jī)系所屬團(tuán)隊(duì)嵌入式實(shí)時(shí)計(jì)算主要研究方向 嵌入式實(shí)時(shí)高可信技術(shù)； 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)。 實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件工程與應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù) 4背景背景 從上個(gè)世紀(jì)九十年代中期到現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)（應(yīng)用）已經(jīng)從一個(gè)不起眼的單詞，發(fā)展成覆蓋所有應(yīng)用領(lǐng)域、家喻戶曉的時(shí)髦話題。 我國(guó)已經(jīng)是世界最大的加工廠（嵌入式產(chǎn)品），也是各類電子產(chǎn)品應(yīng)用和消費(fèi)的大國(guó)，但國(guó)內(nèi)工業(yè)界的技術(shù)水平、特別是設(shè)計(jì)水平相當(dāng)落后。 5背景背景 產(chǎn)品研發(fā)的新要求：能夠使用工具縮短開(kāi)發(fā)周期；能夠自行

2、規(guī)劃、選型、設(shè)計(jì)、并組織開(kāi)發(fā)一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。 . 課程課程內(nèi)容內(nèi)容7本課程目標(biāo)本課程目標(biāo)第一第一門門嵌入式方向嵌入式方向課課，三個(gè)核心目標(biāo)，三個(gè)核心目標(biāo) 入門導(dǎo)引入門導(dǎo)引幫助學(xué)生全面了解嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)概覽、發(fā)展趨勢(shì)。 提升提升方向方向?qū)W習(xí)興趣，拓展知識(shí)面學(xué)習(xí)興趣，拓展知識(shí)面引導(dǎo)學(xué)生更為投入地學(xué)習(xí)其它后續(xù)課程。 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)應(yīng)用能力培養(yǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用能力培養(yǎng)8本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容共共32學(xué)時(shí)，課堂講授學(xué)時(shí)，課堂講授16學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室講授及實(shí)，實(shí)驗(yàn)室講授及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)16學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng)無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng) 基本概念；與其他領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)；發(fā)展歷

3、程；知名的組織、企業(yè)、網(wǎng)站等。嵌入式系統(tǒng)方向知識(shí)體系嵌入式系統(tǒng)方向知識(shí)體系知識(shí)體系，教學(xué)體系，學(xué)科發(fā)展；學(xué)生應(yīng)具備的素質(zhì)和能力。嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)一些核心概念，特點(diǎn)、軟硬件子系統(tǒng)、非功能性保障要求等。9本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容（續(xù)）（續(xù)）共共32學(xué)時(shí)，課堂講授學(xué)時(shí)，課堂講授16學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室講授及，實(shí)驗(yàn)室講授及實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)體系嵌入式軟件開(kāi)發(fā)體系基本開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)；編程語(yǔ)言：嵌入式軟件工程思想；開(kāi)發(fā)方法；常用工具鏈。嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)鏈嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈；開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈嵌入式系統(tǒng)方向的典型問(wèn)題嵌入式系統(tǒng)方向的典型問(wèn)題并發(fā)控制；智能產(chǎn)品；物聯(lián)網(wǎng)；可信嵌入式系統(tǒng)等

4、10本課程本課程考核考核本課程成績(jī)由四部分組成：本課程成績(jī)由四部分組成： 平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)10%；考勤、作業(yè)等。 期中成績(jī)期中成績(jī)10%；一個(gè)小報(bào)告 實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)40%；實(shí)驗(yàn)過(guò)程及報(bào)告 實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)40%；開(kāi)卷第一章第一章無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng)無(wú)所不在的嵌入式系統(tǒng)信息技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)信息技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程與其他學(xué)科的關(guān)系與其他學(xué)科的關(guān)系知名的人物知名的人物、組織、組織和企業(yè)和企業(yè)12科學(xué)、工程、技術(shù)科學(xué)、工程、技術(shù)科學(xué)科學(xué)籠統(tǒng)地說(shuō)，科學(xué)即反映自然、社會(huì)、思維等的客觀規(guī)律的分科知識(shí)體系工

5、程工程工程是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用：利用自然界的物質(zhì)和能源，做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西技術(shù)技術(shù) 人類改變或控制其周圍環(huán)境的手段或活動(dòng)；涵蓋了人類生產(chǎn)力發(fā)展水平的標(biāo)志性事物13常用的計(jì)算機(jī)常用的計(jì)算機(jī)天河1號(hào)車載計(jì)算機(jī)直觀、桌面、簡(jiǎn)便龐大、高速、高性能、復(fù)雜多樣、隱藏、專用、.14科學(xué)家的共識(shí)科學(xué)家的共識(shí)計(jì)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(qiáng)大, 無(wú)影無(wú)蹤。計(jì)算機(jī)變得無(wú)處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫(xiě)紙上等等，隨用隨取、伸手可及日常接觸日常接觸的各類應(yīng)用的各類應(yīng)用16手機(jī)：功能日益復(fù)雜手機(jī)：功能日益復(fù)雜智能手手機(jī)機(jī)4G手機(jī)手機(jī)手機(jī)手機(jī)游戲游戲17智能電視機(jī)頂盒電

6、視：越來(lái)越像計(jì)算機(jī)電視：越來(lái)越像計(jì)算機(jī)3D電視18Google電視電視19汽車電器汽車電器車載電腦輪胎氣壓監(jiān)視未來(lái)的CIS20數(shù)碼產(chǎn)品數(shù)碼產(chǎn)品數(shù)碼數(shù)碼產(chǎn)品產(chǎn)品 數(shù)碼數(shù)碼奧巴馬奧巴馬 21網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意交換機(jī) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備便攜式交換機(jī) 22摩托車駕駛 模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)殲十座艙通道飛機(jī)模擬數(shù)字油田 23智能機(jī)器人智能機(jī)器人24仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人仿人仿人機(jī)器人機(jī)器人機(jī)器人創(chuàng)意機(jī)器人創(chuàng)意 娛樂(lè)娛樂(lè)機(jī)機(jī)器人器人：分布式控制：分布式控制25單兵數(shù)字化裝備單兵數(shù)字化裝備26美軍陸地勇士系統(tǒng)美軍陸地勇士系統(tǒng)27國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)28艦載綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)艦載綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)電子偵察系統(tǒng)信號(hào)截獲系統(tǒng)雷達(dá)告警系統(tǒng)

7、單脈沖測(cè)向系統(tǒng)電子干擾系統(tǒng)超視距目標(biāo)瞄準(zhǔn).29月球探測(cè)月球探測(cè)30中國(guó)的月球探測(cè)中國(guó)的月球探測(cè)31醫(yī)療儀器醫(yī)療儀器顯微手術(shù)設(shè)備 32醫(yī)療儀器：血液采集系統(tǒng)醫(yī)療儀器：血液采集系統(tǒng)33普適計(jì)算普適計(jì)算34可穿戴計(jì)算可穿戴計(jì)算可穿戴計(jì)算基本模型美國(guó)：可穿戴電腦支持環(huán)境、設(shè)備和人的高效感知與自然交互35智能小區(qū)管理智能小區(qū)管理36其他其他 工業(yè)控制 油田探井 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng) 游戲 .37小結(jié)小結(jié)38小結(jié)（小結(jié)（2） 嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，桌面系統(tǒng)依然有用 計(jì)算機(jī)與使用者的比率達(dá)到和超過(guò)100:1的階段 95%以上都是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 嵌入式應(yīng)用帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)定義不同的

8、起源及其定義方式40早期的認(rèn)知早期的認(rèn)知看不見(jiàn)的計(jì)算機(jī)，一般不能被用戶編程, 它有一些專用的I/O設(shè)備, 對(duì)用戶的接口是應(yīng)用專用的。41不同行業(yè)的考慮不同行業(yè)的考慮先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物合后的產(chǎn)物42專注于專注于OS的提法的提法由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視、管理等功能 43較廣義的認(rèn)知較廣義的認(rèn)知作為某種技術(shù)過(guò)程的一核心處理環(huán)節(jié)，能直接與宿主環(huán)境接口或交互的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)44國(guó)內(nèi)通用定義國(guó)內(nèi)通用定義嵌入式系

9、統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可配置，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格約束的專用系統(tǒng)。45IEEE的定義的定義Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants46計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類計(jì)算機(jī)工業(yè)的分類 傳統(tǒng)的分類大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī) 特殊分類PC 新的分類嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)47另一種思路另一種思路嵌入式系統(tǒng)不是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)!關(guān)于實(shí)時(shí)的概念關(guān)于實(shí)時(shí)的概念49幾個(gè)示例幾個(gè)示例 學(xué)校上課 搭乘火車、出租車 醫(yī)院手

10、術(shù) 股票交易 收看電視節(jié)目 接聽(tīng)電話 .成功與否有時(shí)間約束50實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng) POSIX 1003.b定義能夠在限定響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 一般性定義一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指計(jì)算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間：如果系統(tǒng)的時(shí)間約束條件得不到滿足，將會(huì)發(fā)生系統(tǒng)出錯(cuò)。51實(shí)時(shí)的認(rèn)知實(shí)時(shí)的認(rèn)知實(shí)時(shí)并不等于快！它是一個(gè)相對(duì)的概念，確切定義應(yīng)該是“及時(shí)”，即在系統(tǒng)允許的時(shí)間范圍內(nèi)完成任務(wù) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程發(fā)展歷程53發(fā)展歷程簡(jiǎn)圖發(fā)展歷程簡(jiǎn)圖54嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 雛形雛形 20世紀(jì)60年代 采用晶體管計(jì)算機(jī)、磁芯存儲(chǔ)61，多功能數(shù)字分析器，多功能數(shù)字分析

11、器Verdan，艦載艦載“民團(tuán)團(tuán)民團(tuán)團(tuán)員員”，A-5A，15分鐘分鐘1961，D-17自動(dòng)導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)，民兵導(dǎo)彈，首個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)1962，乙烯廠，第一次工業(yè)裝置中的直接數(shù)字控制（DDC）首個(gè)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)：阿波羅首個(gè)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)：阿波羅導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，1968，MIT55簡(jiǎn)單嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)單嵌入式系統(tǒng) 20世紀(jì)60年代末到70年代 微處理器、單片機(jī)、DSP，無(wú)操作系統(tǒng)1971，Intel 4004，6萬(wàn)/s，4位1975，第一塊單片機(jī)，TEXAS的TM1000，4位1980，8051，8位1978，DSP，AMI的S2811，8位56復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng) 20世紀(jì)80

12、年代到90年代 16或32位處理器，嵌入式OS，廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)1981，第1個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核VRTX32，Ready System1983，DynaTAC8000X手機(jī)，10年，1億，半小時(shí)Cisco 路由器57網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng) 20世紀(jì)90年代末開(kāi)始 各類設(shè)備上網(wǎng)，移動(dòng)設(shè)備，.Android PhoneApple TV上網(wǎng)冰箱與其他學(xué)科的關(guān)系與其他學(xué)科的關(guān)系59嵌入式嵌入式技術(shù)的領(lǐng)域關(guān)聯(lián)技術(shù)的領(lǐng)域關(guān)聯(lián)嵌入式領(lǐng)域嵌入式領(lǐng)域企業(yè)、機(jī)構(gòu)企業(yè)、機(jī)構(gòu)61知名企業(yè)知名企業(yè) 62標(biāo)準(zhǔn)化組織、機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化組織、機(jī)構(gòu)ISO：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的英語(yǔ)簡(jiǎn)稱，International Orga

13、nization for Standardization或International Standard OrganizedIEC：國(guó)際電工委員會(huì)， International Electrotechnical Commiss，1906，有關(guān)電氣工程和電子工程領(lǐng)域中的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作PLCopen：解決與工業(yè)控制編程相關(guān)主題，1992PICMG： 高性能通信和工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1994IGRS：閃聯(lián)，信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)（Intelligent Grouping and Resource Sharing），聯(lián)想，家庭63網(wǎng)站、論壇網(wǎng)站、論壇中電網(wǎng)：http:/ 硬件/軟件中國(guó)Linux公社：/嵌入開(kāi)發(fā)網(wǎng)： http:/ Strata 工程師國(guó)際認(rèn)證（廠家無(wú)關(guān)、熱門廠家無(wú)關(guān)、熱門） 證書(shū)的價(jià)值不高