嵌入式緒論20130317

1、 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)山東經(jīng)濟學院計算機學院山東經(jīng)濟學院計算機學院劉崢劉崢Sdiecs_Sdiecs_2課程目的n本課程介紹嵌入式系統(tǒng)的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢，重點講述基于ARM微處理器的嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟硬件系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。n采用理論學習和實踐并重的教學方法，著重培養(yǎng)實際動手能力，通過熟悉開發(fā)環(huán)境與開發(fā)流程、編程實踐等基礎(chǔ)實驗，使學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。3需要的基礎(chǔ)知識n先導課程操作系統(tǒng)微機原理C編程計算機組原理計算機網(wǎng)絡(luò)4課程實驗采用基于采用基于ARM9的教學用嵌入式開發(fā)板的教學用嵌入式開發(fā)板分組實驗分組實驗5n掌握一種學習方法-理論學習和實踐并重n學習嵌入式

2、軟硬件系統(tǒng)的基本概念、基本原理和設(shè)計方法n獲得嵌入式開發(fā)設(shè)計的實踐經(jīng)驗n獲得學分n為未來職場的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)大家能夠期望的收獲61C H A P T E R緒論緒論7 7主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程8嵌入式系統(tǒng)簡介n計算機系統(tǒng)的三大領(lǐng)域n服務(wù)器市場n功能強n利潤最大的市場n可用性強n可擴展性n桌面市場n最廣闊的市場n嵌入式市場n潛力最大的市場9嵌入式系統(tǒng)簡介n以往計算機分類：n大型計算機、中型機、小型機和微計算機n目前計算機分類：n超級計算機，大

3、型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機) 是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中10嵌入式系統(tǒng)簡介11嵌入式系統(tǒng)簡介n 一般定義n以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪,應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術(shù)角度）n嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）n術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個嵌入式系統(tǒng)。n廣義定義n任何一個非計算機的計算系統(tǒng)12

4、nIEEE定義n嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機器、設(shè)備或裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。n通常執(zhí)行特定功能n嵌入式系統(tǒng)的核心-嵌入式微處理器n嚴格的時序和穩(wěn)定性要求n全自動操作循環(huán)嵌入式系統(tǒng)簡介13嵌入式系統(tǒng)簡介n發(fā)展歷史發(fā)展歷史 嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的MP3MP3和一個和一個PC104PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認為是嵌入的微型工業(yè)控制

5、計算機都可以認為是嵌入式系統(tǒng)。式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近3030年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。 最早的單片機是最早的單片機是IntelIntel公司的公司的80488048，它出現(xiàn)在，它出現(xiàn)在19761976年年MotorolaMotorola同時推出了同時推出了68HC0568HC05，ZilogZilog公司推出了公司推出了Z80Z80系列，系列，這些早期的單片機均含有這些早期的單片機均含有256256字節(jié)的字節(jié)的RAMRAM、4K4K的的ROMROM、4 4個個8 8位位并口、并口、1 1個

6、全雙工串行口、兩個個全雙工串行口、兩個1616位定時器。位定時器。 之后在之后在8080年代初，年代初，IntelIntel又進一步完善了又進一步完善了80488048，在它的，在它的基礎(chǔ)上研制成功了基礎(chǔ)上研制成功了80518051。 1419811981年年Ready SystemReady System開發(fā)了世界上第開發(fā)了世界上第1 1個個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VTRX32VTRX32），包含了許），包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。

7、存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如隨后，出現(xiàn)了如Integrated System Integrated System Incorporation (ISI)Incorporation (ISI)的的PSOSPSOS、IMGIMG的的VxWorksVxWorks、QNXQNX公司的公司的QNXQNX 等，等，Palm OSPalm OS，WinCEWinCE，嵌入式，嵌入式LinuxLinux，LynxLynx，uCOSuCOS、NucleuxNucleux，以及國內(nèi)的，以及國內(nèi)的HopenHopen、Delta OSDelta OS等嵌入式操作系統(tǒng)也相繼出等嵌入式操作系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)

8、簡介15嵌入式系統(tǒng)簡介n基于8位，16位，32位的嵌入式系統(tǒng)n微處理器飛速發(fā)展的結(jié)果是嵌入式計算成為一門學科 。在嵌入式系統(tǒng)的早期階段，所有基本硬件構(gòu)件相對較小也較簡單，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶體管等，其軟件子系統(tǒng)是采用一體化的監(jiān)控程序，不存在操作系統(tǒng)平臺。而今天組成嵌入式系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)件已較復雜，如：16位、32位CPU或特殊功能的微處理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其軟件設(shè)計的復雜性成倍增長。因此研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理及技術(shù)，提供系統(tǒng)的設(shè)計方法和開發(fā)工具是嵌入式計算學科的關(guān)鍵技術(shù)。16嵌入式系統(tǒng)簡介n典型的8位微處理系統(tǒng)nMCS-51系列的單片機是低端嵌入式

9、系統(tǒng)中用得最多的微處理器。17嵌入式系統(tǒng)簡介n典型的16位微處理系統(tǒng)nMCS-96系列單片機和16位DSP芯片18嵌入式系統(tǒng)簡介n典型的32位微處理系統(tǒng)nARM系列是應(yīng)用較廣泛的32位微處理器。實際上該系列的MCU芯片很多，但大都是已ARM微內(nèi)核為核心的。32位的DSP應(yīng)用的也很廣泛。19n特點n功耗限制n嵌入式系統(tǒng)中，尤其是在用電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，這是一個主要考慮的因素。大耗電量直接影響到硬件費用，并影響電源壽命以及帶來散熱問題。n低成本n包含硬件成本和軟件成本。硬件成本主要決定于所使用的微處理器、所需的內(nèi)存及相應(yīng)的外圍芯片；軟件成本通常難于預測，但一個好的設(shè)計方法有利于降低軟件成本。n

10、多速率n系統(tǒng)同時運行多個實時性任務(wù)，系統(tǒng)必須同時控制這些動作，但這些動作有些速度慢，有些速度快。n環(huán)境相關(guān)性n嵌入式系統(tǒng)不是獨立的，而是與其被嵌入的設(shè)備緊密相關(guān)聯(lián)。嵌入式系統(tǒng)簡介20嵌入式系統(tǒng)簡介n特點n系統(tǒng)內(nèi)核小n由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。n比如ENEA公司的OSE實時OS，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。n專用性強n嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。n同時針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“

11、升級”是完全不同的概念。21嵌入式系統(tǒng)簡介n特點n不可壟斷性nPC有WinTel壟斷n嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。n產(chǎn)品相對穩(wěn)定性n普通處理器18月n嵌入式處理器810年22嵌入式系統(tǒng)簡介n實時性n實時性的本質(zhì)是任務(wù)處理所化費時間的可預測性，即任務(wù)需要在規(guī)定的時限內(nèi)完成。n實時系統(tǒng)n實時系統(tǒng)的正確性依賴于運行結(jié)果的邏輯正確性和運行結(jié)果產(chǎn)生的時間正確性，即實時系統(tǒng)必須在規(guī)定的時間范圍內(nèi)正確地響應(yīng)外部物理過程的變化。n嵌入式系統(tǒng)實時系統(tǒng)n有些嵌入式系統(tǒng)沒有實時性要求23嵌入式系統(tǒng)簡介n硬實時軟實時n“軟”意味著如果沒有滿足指定的時間約束并不會導致災(zāi)難性

12、的后果，而對于硬實時系統(tǒng)來說卻是災(zāi)難性的 n從實踐上說，軟實時和硬實時之間的區(qū)別通常（隱含的和錯誤的）與系統(tǒng)的時間精度有關(guān)：由于這個原因，典型的，軟實時任務(wù)的調(diào)度精度必須大于千分之一秒，而硬實時任務(wù)為微秒級。 24嵌入式系統(tǒng)簡介n實時頻譜圖25嵌入式系統(tǒng)簡介n市場n2001年嵌入式系統(tǒng)國際會議年會Jim Turley的報告中，統(tǒng)計得到 PC的數(shù)量只占CPU 總耗量的0.1%。n據(jù)CCID2003年的數(shù)據(jù)顯示，2000年嵌入式軟件市場規(guī)模為70.33億元，2001年為95.43億元，2002年118.56億元，三年平均增長38.85%。n2002年中國軟件市場為345.0億元，嵌入式軟件約占軟件

13、總市場的34.37。26嵌入式系統(tǒng)簡介n市場n2004年，軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)為：n套裝軟件共計478億元，為具有獨立產(chǎn)品形態(tài)的軟件。n其中包括系統(tǒng)軟件89億元（操作系統(tǒng)44.19億元、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)20.06億元、支撐軟件25.71億元）、n中間件軟件6.98億元、n應(yīng)用軟件304.53億元（包括通用應(yīng)用軟件（安全軟件、辦公軟件、管理軟件、游戲軟件、教育軟件等）與行業(yè)應(yīng)用軟件（金融、電信、政府等）、n嵌入式軟件（673.62億元）n相關(guān)軟件服務(wù)（937.48億元）：除生產(chǎn)產(chǎn)品化軟件之外的所有的軟件研發(fā)及相關(guān)活動，包括系統(tǒng)集成、軟件外包、咨詢、數(shù)據(jù)加工和處理等。27嵌入式系統(tǒng)簡介處理器處理器存儲器存儲

14、器輸入接口輸入接口操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(協(xié)議棧協(xié)議棧)應(yīng)用程序應(yīng)用程序軟件子系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)組成輸出接口輸出接口外圍設(shè)備外圍設(shè)備28嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架29嵌入式系統(tǒng)簡介n硬件子系統(tǒng)30嵌入式系統(tǒng)簡介n嵌入式外圍設(shè)備n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、通信、I/O、調(diào)試等功能的其它部件。n分類n存儲器類型：靜態(tài)易失型存儲器(RAM/SRAM)，動態(tài)存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等有點在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。n接口類型：目前存

15、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。31嵌入式系統(tǒng)簡介n最小硬件系統(tǒng)32嵌入式系統(tǒng)簡介n嵌入式軟件子系統(tǒng)33嵌入式系統(tǒng)與單片機、PC相比的優(yōu)勢n采用32位RISC嵌入式微處理器和實時操作系統(tǒng)組成的嵌入式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)和基于PC的控制方式相比，具有以下突出優(yōu)點：u性能方面：性能方面：采用采用3232位位RISCRISC結(jié)構(gòu)微處理器，主頻從結(jié)構(gòu)微處理器，主頻從30MHz30

16、MHz到到624MHz624MHz以上，處理能力大大超出單片機系統(tǒng)，接近以上，處理能力大大超出單片機系統(tǒng)，接近PCPC機的水機的水平，但體積更小，能夠真正地平，但體積更小，能夠真正地“嵌入嵌入”到設(shè)備中；到設(shè)備中； u實性性方面：實性性方面：嵌入式機控制器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)（嵌入式機控制器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)（RTOSRTOS），），能夠完全保證控制系統(tǒng)的強實時性；能夠完全保證控制系統(tǒng)的強實時性；u人機交互方面：人機交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，提供功能強大的圖形用戶界面；輸入方法多種多樣；提供功能強大的圖形用戶界面；輸入方法多種多樣；u系統(tǒng)升

17、級方面：系統(tǒng)升級方面：嵌入式控制器可為控制系統(tǒng)專門設(shè)計，其功嵌入式控制器可為控制系統(tǒng)專門設(shè)計，其功能專一，成本較低，而且開放的用戶程序接口（能專一，成本較低，而且開放的用戶程序接口（APIAPI）保證了）保證了系統(tǒng)能夠快速升級和更新。系統(tǒng)能夠快速升級和更新。 3434主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程35goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent

18、 Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例36嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設(shè)備通信設(shè)備移動存貯移動存貯工控設(shè)備工控設(shè)備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電子商務(wù)電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制工業(yè)控制37嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用n家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設(shè)備的核心。38嵌入式視頻服務(wù)器39現(xiàn)代化家庭4

19、0嵌入式Internet應(yīng)用41嵌入式系統(tǒng)在信息家電中的應(yīng)用n信息家電(Information Appliance）n一般可認為，那些低單價、操作簡單、可通過因特網(wǎng)發(fā)送或獲取信息，將逐步分割或替代PC的某些功能，并能與其它信息產(chǎn)品交換資料或訊息的產(chǎn)品可統(tǒng)稱為信息家電。42信息家電的分類及特點n信息家電的分類n網(wǎng)絡(luò)電視（NetTV）n網(wǎng)上游戲機（Internet gaming device）n智能掌上型設(shè)備(Internet smart handheld device)n網(wǎng)絡(luò)電話（Internet screen Phone）nConsumer NC client等。n信息家電技術(shù)特點n處理器發(fā)展

20、趨向低成本、高整合性與低耗能。n整合數(shù)字與模擬處理的技術(shù)。n較PC更強調(diào)通訊能力。n利用軟件增加產(chǎn)品的差異性(高附加價值的關(guān)鍵)43典型的信息家電產(chǎn)品信息家電定義代表性產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)電視具有機頂盒或內(nèi)建網(wǎng)絡(luò)連接的電視Microsoft WebTV網(wǎng)絡(luò)可視電話具有集成網(wǎng)絡(luò)接入的屏幕電話InfoGear iPhone網(wǎng)絡(luò)游戲機具有集成網(wǎng)絡(luò)接入的游戲操縱臺Sega Dreamcast網(wǎng)絡(luò)智能手持器件蜂窩電話、個人數(shù)據(jù)助理（PDA）和其它集成網(wǎng)絡(luò)接入的便攜式器件3Com Palm AT&T PocketNet Phone Nokia 9000,9000I,9110,7110NC委托（clients）提供網(wǎng)絡(luò)

21、接入以及能下載應(yīng)用軟件的器件IBM NetStationPC-中間器件通過PC接入網(wǎng)絡(luò)以下載內(nèi)容的器件DIAMON Multimedia Rio Player Nuvomedia Rocket e-BookAudible Mobile PlayerSource: IDC, Hambrecht & Quist4445信息家電數(shù)字機頂盒46汽車電子產(chǎn)品（18個嵌入式控制模塊）CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)嵌入式應(yīng)用汽車電子47智能玩具與機器人48嵌入式技術(shù)應(yīng)用工業(yè)控制n工業(yè)方面：機床、冶金、電子、交通、航空航天等行業(yè)技術(shù)升級的重要基礎(chǔ)49阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的阿富汗參加反恐作戰(zhàn)

22、的“赫耳墨斯赫耳墨斯”價值價值4 4萬美元，萬美元，可攜帶可攜帶2 2架攝像機，發(fā)揮了架攝像機，發(fā)揮了很好作用。很好作用。軍事偵察50 2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡，數(shù)十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體。反恐防暴5151微型飛行器微型飛行器-“黑寡婦黑寡婦”空中飛行器52基于Win CE的移動機器人平臺53基于RTLinux的仿人機器人 高高 48 cm48 cm重重: 6 kg: 6 kg靈活性：靈活性：20 DOF20 DOF操作系統(tǒng)操作系統(tǒng): RT-Linux: RT-Linux接口形式接口形式: USB 1.0 (12Mb

23、ps): USB 1.0 (12Mbps)響應(yīng)周期響應(yīng)周期: 1ms: 1ms能源：能源： DC24V x 6.2A (150W)DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通制造：富士通 54基于VXworks的火星探路者552004年“勇氣號”再次登陸火星5656主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程57嵌入式處理器分類n微處理器微處理器(Microprocessor Unit, MPU) n微控制器微控制器(Microcontroller Unit,

24、MCU) n嵌入式嵌入式DSP (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) n片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)(System On Chip) 58嵌入式微處理器59n目前主要的嵌入式處理器類型有目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、PowerPCPowerPC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等嵌入式微處理器60嵌入式微控制器n又稱單片機，這種位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。n單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EP

25、ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、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。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。61嵌入式微控制器n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微控制器的

26、最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。降、可靠性提高。n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(shè)資源一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(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。62嵌入式DSP處理器nDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。nDSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)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。nDSP的理論算法在70年代就已

27、經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運算速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。63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，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。nMotorola公司的DSP56000已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100, DSP5

28、6200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。nPHILIPS公司今年來也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的DSP處理器，特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加器單元，應(yīng)用目標是大批量消費類電子產(chǎn)品。64nSoC就是System on Chip，SoC是一種基于IP（Intellectual Property）核嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。n它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394

29、、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。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，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。n專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)65SOC體系結(jié)構(gòu)ASIC CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface66知識產(chǎn)權(quán)6767主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)簡

30、介嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程68操作系統(tǒng)的發(fā)展n計算機系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，在發(fā)展初期并沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機系統(tǒng)的硬件、軟件資源越來越豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算機應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序進一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)。到目前為止，主流的操作系統(tǒng)有三種：多道批處理、分時和實時操作系統(tǒng)。69嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)n操作系統(tǒng)分類n微內(nèi)核（micro-kernel）n單晶內(nèi)核（monolithic kernel）n

31、混合內(nèi)核（hybrid kernel）70嵌入式操作系統(tǒng)n實時操作系統(tǒng)的特點 IEEE 的實時UNIX分委會認為實時操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點: 異步的事件響應(yīng) 切換時間和中斷延遲時間確定 優(yōu)先級中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步 71嵌入式操作系統(tǒng)n實時操作系統(tǒng)的特點 總的來說實時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性, 與實時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機的整體起著核心作用, 由它來管理和協(xié)調(diào)各項工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實時系統(tǒng)的應(yīng)用特點來看實時操作系統(tǒng)可以分為兩種：和。72嵌入式操作系統(tǒng)

32、n實時操作系統(tǒng)的特點應(yīng)用于實時處理系統(tǒng)的上位機和實時查詢系統(tǒng)等實時性較弱的實時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運用一致的環(huán)境。 應(yīng)用于實時性要求高的實時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是不一致。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數(shù)量級上)的特點 。73使用嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點n優(yōu)點n使程序的設(shè)計和擴展變得容易，大大提高了開發(fā)效率。n充分發(fā)揮32位CPU多任務(wù)的潛力，實現(xiàn)多任務(wù)設(shè)計，能夠充分利用硬件資源和實現(xiàn)資源共享。n實時性和健壯性能夠得到更好的保證。n缺點n嵌入式操作系統(tǒng)增加ROM/RAM等額外開銷

33、，510的CPU額外負荷。74嵌入式操作系統(tǒng)分類n按收費模式劃分n商用型nVxworks, Nucleux ，PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OSn免費型nLinux, CLinux,C/OS-,eCos,uITRONn按實時性劃分n硬實時nVxworksn軟實時nWinCE,RTLinuxn無實時nEmbedded Linux75 nLinux是開放源碼和免費使用的，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強大技術(shù)后盾。n嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經(jīng)過小型

34、化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個熱點。主要有RTLinux和CLinuxnLinux的內(nèi)核小、功能強大、API豐富，系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。nLinux不僅支持x86 CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。n近幾年Linux在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，過去的一年中有13%的用戶已經(jīng)開始使用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā)工作；有52%的用戶決定在未來24個月內(nèi)開始使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)原型。 嵌入式Linux及應(yīng)用76cL

35、inux77Windows EmbeddednWindows CE：一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)（縮減的Win95）。n針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，屬于軟實時操作系統(tǒng)，n由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認可?？梢允褂么蠖鄶?shù)Windows開發(fā)工具（如VB，VC等），大多數(shù)Windows應(yīng)用程序經(jīng)過移植后就可以運行在WinCE平臺上。n操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。 78VxWorksnVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RT

36、OS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。nVxWorks所具有的顯著特點是： 可靠性、實時性和可裁減性。 它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。n以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如火星探測器（1997年7月4日登陸火星表面）。79Symbian OSnSymbian由諾基亞、西門子、索尼愛立信等幾家大型移動通訊設(shè)備商共同出資組建的一個合資公司，專門研發(fā)手機操作系統(tǒng)。S

37、ymbian操作系統(tǒng)的前身是EPOC。n針對PDA及智能手機的，能夠提供良好的軟實時的操作系統(tǒng)，目前占有60的智能手機市場n與之競爭的有Windows Mobile、PalmOS以及Linuxn主要版本nSeries 60/90/80/40nUIQ80Palm OSnPalm OS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品。nPalm OS是一套專門為掌上電腦編寫的操作系統(tǒng)，充分考慮到了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況，所以Palm操作系統(tǒng)本身所占的內(nèi)存很小，基于Palm操作系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序所占的空間也很小，通常只有幾十KB，因此基于Palm操作系統(tǒng)的掌上電

38、腦雖然只有幾兆內(nèi)存卻可以運行眾多的應(yīng)用程序。nPalm OS在PDA市場上占有很大的市場份額， Palm OS的市場份額占到將近90%，最近下降70，目前主要與WIN CE進行激烈競爭。n代表性的產(chǎn)品有Palm m505、Palm m500、Palm III等。81QNXn 加拿大QNX公司的產(chǎn)品。n QNX是在X86體系上面開發(fā)出來的，這和別的RTOS不一樣，別的好多RTOS都是從68K的CPU上面開發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上面來的。n QNX是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關(guān)標準，由于QNX具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設(shè)備（手掌電腦、手機）

39、、GPS設(shè)備的實時操作系統(tǒng)使用。82C/OS及C/OS-IInC/OSMicro Controller O SnC/OS簡介簡介n美國人Jean Labrosse 1992年完成，已應(yīng)用于數(shù)百種產(chǎn)品中。n應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等 n1998年C/OS-II，目前的版本C/OS -II V2.72n2000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器中n是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼采用ANSI C寫的，移植性好。高校教學可免費使用。n網(wǎng)站www.ucos-II

40、.com（)83OSEnOSE主要是由瑞典的ENEA Data AB下屬的ENEA OSE Systems AB 負責開發(fā)和技術(shù)服務(wù)的，一直以來都充當著實時操作系統(tǒng)以及分布式和容錯性應(yīng)用的先鋒，并保持良好的發(fā)展態(tài)勢。nOSE的客戶深入到電信、數(shù)據(jù)、工控、航空鄧領(lǐng)域，尤其在電信方面，該公司已經(jīng)有了十余年的開發(fā)經(jīng)驗，同諸如愛立信、諾基亞、西門子等公司確立了良好的關(guān)系。n目前手機市場占有率為15左右，期望在未來3G手機市場占有率達到50。84Nucleus PLUSNucleus 主要應(yīng)用:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如，路由器，機頂盒等8585主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作

41、系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程86嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟n以自頂向下的角度來看，系統(tǒng)設(shè)計從系統(tǒng)需求分析開始；第二步是規(guī)格說明，在這一步我們對需設(shè)計的系統(tǒng)功能進行更細致地描述，這些描述并不涉及系統(tǒng)的組成；第三步是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在這一階段以大的構(gòu)件為單位設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部詳細構(gòu)造，明確軟、硬件功能的劃分；第四步是構(gòu)件設(shè)計，它包括系統(tǒng)程序模塊設(shè)計、專用硬件芯片選擇及硬件電路設(shè)計；第五步是系統(tǒng)集成，在完成了所有構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)集成，構(gòu)造出所需的完整系統(tǒng)。 需求分析規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)件設(shè)計系統(tǒng)調(diào)試與集成87需求分

42、析與規(guī)格說明n在設(shè)計之前，我們必須清楚要設(shè)計什么。在設(shè)計的最初階段，我們應(yīng)從客戶那里收集系統(tǒng)功能的非形式描述，在此稱其為需求；對需求進行提煉，以得到系統(tǒng)的規(guī)格說明，規(guī)格說明中應(yīng)包含我們進行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的足夠信息。n在此把需求和規(guī)格說明區(qū)分開是必要的，因為嵌入式系統(tǒng)的用戶不是專業(yè)人員，他們對系統(tǒng)的描述是建立在他們想象的、系統(tǒng)應(yīng)具備的功能基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)可能有些不切實際的期望，表達要求時使用自己的話而不是專業(yè)術(shù)語。因而，必須將用戶的描述轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計者的描述，從用戶的需求中整理形成正式的規(guī)格說明。 88用戶需求的格式n用戶需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要指：性能、價格、尺寸和重量、功耗等。右邊表是一個在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段使用的需求說明表格樣本，該表格用簡練、清晰的語句描述系統(tǒng)的基本需求。 項目項目說明說明名稱目的輸入輸出功能性能生產(chǎn)成本功耗尺寸和重量89GPS移動地圖系統(tǒng)移動地圖系統(tǒng):示例示例項目項