嵌入式計算系統(tǒng)課件：嵌入式計算系統(tǒng)概論

1、嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-11嵌入式計算系統(tǒng)概論本節(jié)提綱嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-121 嵌入式計算系統(tǒng)的概念2 嵌入式計算系統(tǒng)的應用3 嵌入式計算系統(tǒng)特征4 嵌入式計算系統(tǒng)的分類5 嵌入式計算系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-13嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-14做什么？ 控制、監(jiān)視或者輔助操作對誰做？ 設備、機器或者裝置是什么？ 器件（Device）裝置維基百科嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-15是一種嵌入機械或電氣系統(tǒng)內部、具有專屬功能的計算機系統(tǒng)，通常要求實時計算性能。嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lec

2、ture1-16系統(tǒng)來源 應用系統(tǒng)主要技術 計算機技術系統(tǒng)構建理念 裁剪：有用的帶上，無用的堅決去掉系統(tǒng)實現(xiàn)方法 不僅要實現(xiàn)功能，而且還要滿足特定性能嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-17嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-18嵌入式計算系統(tǒng)的概念嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-19本節(jié)提綱嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-1101 嵌入式計算系統(tǒng)的概念2 嵌入式計算系統(tǒng)的應用3 嵌入式計算系統(tǒng)特征4 嵌入式計算系統(tǒng)的分類5 嵌入式計算系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)應用示例機器人/智能車嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-111嵌入式系統(tǒng)應用示例無人機大疆無人機

3、公司估值高達100億美元嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-112視頻：TED - 紅遍全球的的炫酷飛行器嵌入式系統(tǒng)應用示例汽車控制系統(tǒng)嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-113嵌入式系統(tǒng)應用示例汽車控制系統(tǒng)嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-114電動汽車與無人駕駛嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-115嵌入式系統(tǒng)應用示例家電嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-116嵌入式系統(tǒng)應用示例智能硬件嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-117嵌入式系統(tǒng)應用示例智能家居嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-118視頻：Nest恒溫器視頻：Broadlink智能插座智能硬件領域1、谷歌32億美金收購智能家居公司Nes

4、t2、谷歌5.5億美元收購云攝像頭公司DropCamp3、蘋果智能手表上市，占可穿戴市場70%4、Fitbit 在紐交所上市5、小米手環(huán)銷量超過1000萬，投資多家智能硬件公司嵌入式系統(tǒng)應用示例醫(yī)療設備嵌入式系統(tǒng)應用示例工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-121*21嵌入式系統(tǒng)應用示例工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測*22嵌入式系統(tǒng)應用示例工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測*23嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-1249個小時1個月消防員搜救的需求分析火場內消防員需求主動報警/遇險報警救援人到達被救人的路徑導航火場外指揮人員需求可視化指揮2022/7/1425嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜

5、救傳統(tǒng)裝備消防方位燈呼救器通信型呼救器2022/7/1426嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救傳統(tǒng)室內三維定位技術的缺陷慣性導航軌跡推算異常姿態(tài)導致跟蹤丟失累積誤差成本高（610萬/單兵）救援人員無法可視化無線室內定位基站覆蓋救援人員無法可視化2022/7/1427嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救相對定位搜救器的原理2022/7/1428嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救相對定位搜救器的原理2022/7/1429嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救消防員相對定位搜救器2022/7/1430嵌入式系統(tǒng)應用示例消防員搜救嵌入式系統(tǒng)應用：無處不在嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-131打印機、路由器汽車：發(fā)動機、剎車等.飛

6、機：發(fā)動機、飛行控制、導航、通信.數(shù)字電視.家用電氣.手環(huán)、手表、插座、窗簾智能車、機器人、物聯(lián)網(wǎng)設備智能手機、平板（趨向于通用平臺）有多少種應用就有多少種嵌入式系統(tǒng)！嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-132嵌入式計算系統(tǒng)應用數(shù)量嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-133通用CPU與嵌入式CPU的應用量比較嵌入式計算是更全面智能化基礎技術嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-134 ENIAC1953 大型機1980 PC1995 Internet2007 Mobile Internet2010+ IOT/互聯(lián)網(wǎng)+/工業(yè)4.0IEEE：2025 年物聯(lián)網(wǎng)時代生活指南某S解說戲說電

7、腦發(fā)展史嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-135嵌入式計算是更全面智能化基礎技術本節(jié)提綱嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-1361 嵌入式計算系統(tǒng)的概念2 嵌入式計算系統(tǒng)的應用3 嵌入式計算系統(tǒng)特征4 嵌入式計算系統(tǒng)的分類5 嵌入式計算系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)汽車電子高端汽車有100個以上的嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)功能包括:檢查安全帶運行表盤控制發(fā)動機等等嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-137嵌入式系統(tǒng)的硬件嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-138CPU存儲器輸入接口輸出接口外設嵌入式計算機（微處理器、單片機）嵌入式計算系統(tǒng)特性功能多樣性實時性低制造成本低功耗設計周期緊嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-139

8、功能復雜性經(jīng)常需要運行復雜算法或并發(fā)算法. 例如：汽車發(fā)動機控制激光打印機通常需要提供復雜的用戶界面手機導航儀嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-140實時性操作要求必須在時限之前完成操作.硬實時性（Hard real time）: 錯過時限意味著失敗.軟實時性 （Soft real time）: 錯過時限意味著性能降低.許多系統(tǒng)包含多速率（ multi-rate）操作: 要求以不同的速率完成相應操作.無人機智能車嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-141非功能（Non-functional）要求制造成本。很多嵌入式系統(tǒng)面向大批量產(chǎn)品市場，因此要求低制造成本，例如：在存貯器方面、微處理器能力等方面

9、的約束。低功耗。功耗對于電池供電的嵌入式系統(tǒng)至關重要，即使對有線供電的嵌入式系統(tǒng)而言，過大的功耗也會增加系統(tǒng)成本和運行成本。嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-142根據(jù)應用，軟硬件定制！無法形成統(tǒng)一的通用平臺！嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-143為什么選擇嵌入式計算系統(tǒng)？通用計算系統(tǒng)（通用處理器）嵌入式計算系統(tǒng)（微處理器）專用集成電路（ASIC）嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-144通用計算VS. 嵌入式計算 嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-145通用計算機系統(tǒng)：快速計算海量高速存儲低功耗體積小嵌入式計算機系統(tǒng)：滿足應用要求的實時性可靠性功耗成本體積微處理器的多樣性微控制器（Micro

10、controller）數(shù)字信號處理器（Digital signal processor (DSP)）典型嵌入式處理器字長: 8-bit, 16-bit, 32-bit.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-146嵌入式系統(tǒng)VS ASICASICApplication Specific Integrated Circuit的英文縮寫，在集成電路界被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。選擇微處理器的優(yōu)勢：可編程能力：可以實現(xiàn)多種功能，簡化產(chǎn)品設計和調試軟件開發(fā)比邏輯電路開發(fā)簡單軟件可升級通常情況下成本更低性能、功耗、體積？嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-147性能微處理器通常比專用集成電路使用更多

11、的邏輯來實現(xiàn)同一個功能.但微處理器由于其他一些途徑提高性能:深度流水線;更大更強的設計隊伍的獨立；更好地將VLSI工藝發(fā)揮到極致嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-148功耗ASIC使用較少的功耗，但微處理器具有以下有點:現(xiàn)代微處理器提供幫助控制功耗的機制.軟件設計技術可以幫助降低功耗.可以采用異構系統(tǒng)：對于很好定義的功能采用ASIC，其他部分采用CPUs+software.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-149體積工藝提升減小微處理器體積CPU+software 可以實現(xiàn)多種功能，減少專用電路使用，實際系統(tǒng)的體積體積可能比專業(yè)電路更小嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-150本節(jié)提綱嵌入式計算

12、系統(tǒng)，lecture1-1511 嵌入式計算系統(tǒng)的概念2 嵌入式計算系統(tǒng)的應用3 嵌入式計算系統(tǒng)特征4 嵌入式計算系統(tǒng)的分類5 嵌入式計算系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-152嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-153本節(jié)提綱嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-1541 嵌入式計算系統(tǒng)的概念2 嵌入式計算系統(tǒng)的應用3 嵌入式計算系統(tǒng)特征4 嵌入式計算系統(tǒng)的分類5 嵌入式計算系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)嵌入式系統(tǒng)設計面臨的挑戰(zhàn)需要多少硬件？多快的微處理器？什么樣的內存？如何能夠滿足時限要求？用更快的硬件還是更優(yōu)的算法?如何能夠最小化功耗？關閉不必要的邏輯還是減少存貯

13、器讀寫？如何確保系統(tǒng)工作？需求說明是否正確？實現(xiàn)與需求說明是否一致？如何測試實時特性？如何用實際數(shù)據(jù)測試？如何開發(fā)該系統(tǒng)？開發(fā)平臺是什么？可觀測性與可控性如何？嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-155設計方法學設計方法學是設計一個系統(tǒng)的過程.設計方法學幫助你不會漏掉什么.編譯器、軟件工程工具、CAD等能夠用于幫助自動實施設計方法學中的步驟，或確保按照設計方法學進行設計。嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-156設計目標性能：整體速度，實時性功能和用戶界面.制造成本.功耗.其他要求 (如：物理尺寸.)嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-157設計流程嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-158需求分析規(guī)

14、格說明系統(tǒng)結構設計模塊設計系統(tǒng)集成Top-down vs. Bottom-upTop-down設計: 從最抽象的層次開始設計，直到最細節(jié)的層次Bottom-up設計: 從最小的成分開始設計，直到最大的系統(tǒng)。實際設計往往是兩個設計路徑的結合.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-159逐步求精在每個抽象層次完成：分析設計以確定當前設計狀態(tài)的特性;在當前設計中適當?shù)卦黾蛹毠?jié).嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-160需求用自然語言表達的用戶想做的事情.可以通過幾種途徑獲得需求:直接與用戶交談;直接與市場人員交談;通過給用戶提供原型系統(tǒng)獲得用戶需求.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-161功能需求 vs.

15、 非功能需求功能需求：輸入處理輸出.非功能需求：計算出輸出的時間;尺寸、重量;功耗/能耗;可靠性;etc.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-162需求表格嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-163Example: GPS moving map requirements嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-164獲取GPS數(shù)據(jù)進行定位，顯示所在位置地圖lat: 40 13 lon: 32 19I-78Scotch RoadGPS moving map needs功能性: 本系統(tǒng)針對高速公路開車的用戶或者類似用戶，系統(tǒng)需要展示標準地圖數(shù)據(jù).用戶界面：至少400 x 600 像素. 不多于三個按鈕.性能:

16、 加電后1秒內出現(xiàn)顯示界面，15秒內顯示地圖.成本: $120 零售價. $30 成本.物理尺寸和重量: 放手里很舒適.功耗: 8 小時，4AA 電池.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-165GPS moving map requirements form嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-166規(guī)格（Specification）說明系統(tǒng)的更精確描述:不應當限定于特定的體系結構;作為體系結構設計的輸入.可以包含功能和非功能描述.可以是可執(zhí)行的，也可以是數(shù)學公式等.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-167GPS moving map規(guī)格說明應當包括:從GPS接收的內容;地圖數(shù)據(jù);用戶接口;為滿足用

17、戶需求需要提供的操作;為保證系統(tǒng)運行需要提供的后臺操作.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-168體系結構設計滿足規(guī)格說明所需的主要元件?硬件元件:CPUs, 外設, etc.軟件元件:主要程序及其操作描述.必須同時考慮功能方面和非功能方面的規(guī)格說明.嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-169GPS moving map block diagram嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-170GPSreceiversearchenginerenderuserinterfacedatabasedisplayGPS moving map hardware architecture嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-171GPSreceiverCPUpanel I/OdisplayframebuffermemoryGPS moving map software architecture嵌入式計算系統(tǒng)，lecture1-172positiondatabasesearchrendertimeruserinterfacepixels設計