嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)

1、嵌入式系統(tǒng)(xtng)與技術(shù)竺紅衛(wèi)ftp:14共一百四十八頁(yè)內(nèi)容(nirng)安排緒論指令系統(tǒng)：ARM，SHARCCPU：IO機(jī)制，Cache，MMU嵌入式平臺(tái)：IO硬/軟件，總線，開發(fā)平臺(tái)程序設(shè)計(jì)：優(yōu)化設(shè)計(jì)，編譯原理，性能分析操作系統(tǒng)：進(jìn)程，RTOS，進(jìn)程通信/調(diào)度(diod)硬件加速器網(wǎng)絡(luò)共一百四十八頁(yè)教學(xué)(jio xu)安排課堂講解演示：Ck*Core開發(fā)環(huán)境與工具鏈實(shí)驗(yàn)(shyn)演示：基于FPGA嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建與編程考試：本科生文獻(xiàn)閱讀，讀書報(bào)告：研究生共一百四十八頁(yè)參考文獻(xiàn)(1)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，computers as components, principles of

2、embedded computing system design, wayne wolf, 機(jī)械工業(yè)出版社，2002ARM SoC體系結(jié)構(gòu)，Steve Furber著,田澤等譯，北航出版社，2002嵌入式系統(tǒng)(xtng)開發(fā)圣經(jīng)，探矽工作室，中國(guó)青年出版社，2002共一百四十八頁(yè)參考文獻(xiàn)(2)嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.王學(xué)龍. 清華大學(xué)出版社，2001年UC/OS-II源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng).邵貝貝. 中國(guó)電力出版社，2001FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，黃智偉主編(zhbin)，電子工業(yè)出版社，2005年共一百四十八頁(yè)第一章 嵌入式計(jì)算(j sun)緒論共一百四十八頁(yè)提綱(tgng)

3、嵌入式系統(tǒng)定義歷史與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的組成(z chn)CPU,外圍設(shè)備，操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件嵌入式CPUMCU, MPU,DSP,SoC嵌入式軟件實(shí)時(shí)系統(tǒng)共一百四十八頁(yè)1.1 嵌入式系統(tǒng)(xtng)定義嵌入式系統(tǒng)是包含可編程計(jì)算機(jī)、軟硬件協(xié)同工作的、執(zhí)行特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用(yngyng)的角度；軟硬件協(xié)同，含可編程器件(CPU)；面向特定功能，預(yù)先定制好的；共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)(jch)、軟件硬件可裁剪、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) 共一百四十八頁(yè)計(jì)算機(jī)工業(yè)(gngy)的分類以往計(jì)算機(jī)分類：大型計(jì)

4、算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計(jì)算機(jī)目前計(jì)算機(jī)分類：超級(jí)計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī)) 是以嵌入式系統(tǒng)(xtng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)(xtng)中共一百四十八頁(yè)商業(yè)(shngy)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)桌面(zhumin)計(jì)算機(jī)PCsPCsLaptopsMainframes（主機(jī)系統(tǒng)）Servers（服務(wù)器）嵌入式計(jì)算系統(tǒng)共一百四十八頁(yè)1.1.1 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(1)Whirlwind(MIT)共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(2)Apollo Guidance Computer (AGC)共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的歷史(3)Int

5、el4004微處理器共一百四十八頁(yè)今天(jntin)的嵌入式系統(tǒng)共一百四十八頁(yè)后PC技術(shù)(jsh)的時(shí)代小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品(chnpn)，大到網(wǎng)絡(luò)家電，智能家電，車載電子設(shè)備嵌入式系統(tǒng)是這個(gè)后PC時(shí)代的擎天之柱1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達(dá)到13000億美元。共一百四十八頁(yè)德州儀器OMAP處理器共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的演變8031/8051單片機(jī)系統(tǒng)，自行編寫程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器pSoS嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式W

6、eb 設(shè)備server以及各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧GUI圖形界面無線模塊(m kui)現(xiàn)代可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備共一百四十八頁(yè)未來(wili)的發(fā)展趨勢(shì)SOC(片上系統(tǒng)(xtng)32-bit RISC CPUBuilt-in DSP coreBuilt-in interfaces to RAM and ROMBuilt-in DMA, interrupt and timing controllersBuilt-in interfaces to disk or flash memoryBuilt-in Ethernet/802.11 interfacesBuilt-in LCD/CRT interfa

7、cesBuilt-in A/D D/ABuilt-in Audio CodecBuilt-in Keyboard interface共一百四十八頁(yè)SOC(片上系統(tǒng)(xtng)ExamplesIntel StrongARM SA-1110Motorola PowerPC MPC823eNEC VR4181Many, many more共一百四十八頁(yè)Small (and cool) SOCsCamera-on-chip (Bell Labs) CMOS-based100,000 optical sensors in a 2D grid (active pixels)Very low powerCh

8、eap ($50)/news/1998/july/15/1.html共一百四十八頁(yè)高集成度共一百四十八頁(yè)信號(hào)處理系統(tǒng)Real-time video, set-top boxes, DVD players, medical equipment, residential gateways分布控制系統(tǒng)(kn zh x tn)Network routers, switches, firewalls, elevators綜合“小”系統(tǒng)Mobile phones, home appliances, toys, smartcards, MP3 players, PDAs, digital cameras,

9、sensors1.1.2 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的分類與特征共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用(yngyng)特征大系統(tǒng)的一部分計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備特殊應(yīng)用功能的H/W經(jīng)過剪裁以適應(yīng)具體特殊的應(yīng)用可重復(fù)編程、升級(jí)始終工作與物理(wl)世界交互作用共一百四十八頁(yè)無所不在(w su b zi)的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個(gè)嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)(run q)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍

10、事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 共一百四十八頁(yè)經(jīng)典(jngdin)應(yīng)用CISCO的路由器以太網(wǎng)交換機(jī)商務(wù)通PDA手機(jī)(shu j)美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器Sony的機(jī)器狗AIBO共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應(yīng)用領(lǐng)域（一） 家用市場(chǎng) 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、車載導(dǎo)航器系統(tǒng)等通信市場(chǎng) 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動(dòng)電話等工業(yè)市場(chǎng) 制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動(dòng)化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護(hù)和測(cè)試的工具(gngj)，石油提煉和相

11、關(guān)的貯運(yùn)設(shè)施，建筑設(shè)備，計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機(jī)器人系統(tǒng)等商業(yè)和金融市場(chǎng) 自動(dòng)柜員機(jī)，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應(yīng)用領(lǐng)域（二）辦公市場(chǎng) 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復(fù)印機(jī)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)，照相機(jī)和攝象機(jī)運(yùn)輸市場(chǎng) 航空、鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)，燃料服務(wù)，航空管理，信令系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應(yīng)急設(shè)備等建筑市場(chǎng) 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)(tng fng)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫(kù)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，警鈴等醫(yī)療市

12、場(chǎng) 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等軍事 武器控制共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)熱點(diǎn)(r din)應(yīng)用信息家電車載系統(tǒng)(xtng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械共一百四十八頁(yè)汽車(qch)電子多到100個(gè)微處理器Engine control unitEmissions controlDiagnosticsAutomatic transmissionAccessories (doors, windows etc)共一百四十八頁(yè)1.1.3 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的組成共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的基本(jbn)組成與設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)主要(zhyo)由嵌入式處理器、相關(guān)支

13、撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”共一百四十八頁(yè)嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心部件 品種總量已經(jīng)超過(chogu)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)硬件(yn jin)主流32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)(xtng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola(FreeScale)，Philip(NXP)，AMD，ARM，Ti等每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)共一百四十八頁(yè)微處理器Intel40048位:Z80/Z8,8051,PIC32位:ARM,MIPS共一百四十八頁(yè)以處理器的位數(shù)來劃

14、分(hu fn)4位8位16位32位64位單片機(jī)型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05 Z88096/9768200ARM RISC COREMIPS 32 COREMIPS 64 CORE一般用途型400440408085 6809Z80 6502 68028086 8028680186 Z800080386 80486 68000/10/20/30/40Pentium II/III共一百四十八頁(yè)不同(b tn)等級(jí)的處理器應(yīng)用：嵌入式處理器應(yīng)用產(chǎn)品4位遙控器 相機(jī) 防盜器 玩具 簡(jiǎn)易計(jì)量表等8位電視游戲機(jī) 空調(diào) 傳真機(jī) 電話錄音16位手機(jī) 攝象機(jī) 錄

15、象機(jī) 各種多媒體應(yīng)用32位MODEM 掌上電腦 路由器 數(shù)碼相機(jī) GPRS 網(wǎng)絡(luò)家庭64位高級(jí)工作站 新型電腦游戲機(jī) 各種多媒體應(yīng)用共一百四十八頁(yè)CPUMPU (Micro-Processor Unit) :微處理器MCU(Microcontroller Unit):微控制器DSP(Digital Signal Processor):數(shù)字(shz)信號(hào)處理器SoC(System On Chip):系統(tǒng)芯片,片上系統(tǒng)共一百四十八頁(yè)通用(tngyng)處理器Intel80 x86Motorola 68HCxxxSPARCPowerPC共一百四十八頁(yè)嵌入式微處理器(MPU) 通用計(jì)算機(jī)中的CPU增強(qiáng)

16、工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相似嵌入式處理器目前(mqin)主要有386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等共一百四十八頁(yè)32位嵌入式處理器目前嵌入式處理器按其體系結(jié)構(gòu)的不同(b tn)可分為五大類ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 共一百四十八頁(yè)共一百四十八頁(yè)ARM體系結(jié)構(gòu)ARM 公司(n s)的ARM RISC處理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族共一百四十八頁(yè)Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM

17、1110StrongARM 1111共一百四十八頁(yè)INTEL的Xscale架構(gòu)(ji u)處理器基于ARM V5TE體系結(jié)構(gòu)兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮點(diǎn)指令集）在處理器內(nèi)核周圍提供了指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元(dnyun)指令、數(shù)據(jù)和微小數(shù)據(jù)緩存寫緩沖、掛起緩沖和分支目標(biāo)緩沖器電源管理性能監(jiān)控調(diào)試JTAG單元以及協(xié)處理器接口MAC協(xié)處理器內(nèi)核存儲(chǔ)總線共一百四十八頁(yè)MIPS體系結(jié)構(gòu)從1986年推出R2000處理器以來，陸續(xù)推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點(diǎn)放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布了MIPS32和MIPS64體系結(jié)

18、構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，集成了原來所有的MIPS指令集，并且(bngqi)增加了許多更強(qiáng)大的功能。此后MIPS公司又陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位和64位處理器內(nèi)核。 共一百四十八頁(yè)共一百四十八頁(yè)MIPS Core系列(xli)在MIPS的32位內(nèi)核中4K系列對(duì)應(yīng)于SOC應(yīng)用設(shè)計(jì)；M4K系列內(nèi)核是為在下一代消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)、寬帶應(yīng)用中越來越受歡迎的多CPU SOC所設(shè)計(jì)；4KE系列具有目前32位通用(tngyng)嵌入式處理器中最高的DMIPS/MHz性能指標(biāo)；4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS體系結(jié)構(gòu)，特別適用于需要安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，比如網(wǎng)絡(luò)、智能卡等；Pro Series系列則通過特有的Cor

19、Extend技術(shù)，使得SOC設(shè)計(jì)獲得了空前的靈活性；24K系列除了支持CorExtend技術(shù)以外，還為Java和圖形應(yīng)用做了特別的優(yōu)化。5K和20Kc系列屬于MIPS的64位內(nèi)核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的運(yùn)行速率。20Kc是當(dāng)今最快的可授權(quán)嵌入式處理器內(nèi)核。一般運(yùn)行在600MHz，具有7段流水線的20Kc內(nèi)核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮點(diǎn)運(yùn)算能力。共一百四十八頁(yè)在嵌入式處理器市場(chǎng)中，基于MIPS內(nèi)核的處理器占據(jù)了相當(dāng)大的數(shù)量2002年，一共(ygng)付運(yùn)了8700萬片采用MIPS內(nèi)核的嵌入式處理器。份額僅次于ARM位居全球第二。在目前快速增長(zhǎng)的比如C

20、able Modem、DSL Modem、DVD錄像機(jī)等領(lǐng)域內(nèi)，MIPS的市場(chǎng)份額位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等眾多廠商共一百四十八頁(yè)Motorola的DragonBall VZ 共一百四十八頁(yè)P(yáng)ower PC體系結(jié)構(gòu) Motorola半導(dǎo)體（現(xiàn)Freescale半導(dǎo)體）聯(lián)合(linh)IBM以及蘋果電腦 共一百四十八頁(yè)SH體系結(jié)構(gòu)SH(SuperH)系列是由前日立半導(dǎo)體公司（現(xiàn)Renesas公司）推出的嵌入式處理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一個(gè)字長(zhǎng)，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復(fù)雜的乘加指令也僅需2個(gè)時(shí)鐘周期 為了克服(kf)內(nèi)

21、存訪問的瓶頸，SH的CPU簡(jiǎn)化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲(chǔ))結(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)置高速緩存，以減少訪問內(nèi)存的時(shí)間 共一百四十八頁(yè)1999年底，SH系列(xli)累計(jì)生產(chǎn)達(dá)1.18億片。SH系列投入市場(chǎng)后，用量最多的是工業(yè)，占總量的36%，第二位是辦公自動(dòng)化，占總量的26%；第三位是消費(fèi)領(lǐng)域；再其次的是通信領(lǐng)域。此外，汽車導(dǎo)航、定位、控制系統(tǒng)，也是SH系列不小的一個(gè)市場(chǎng)。在美國(guó)，SH系列占有較大的市場(chǎng)份額 共一百四十八頁(yè)嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機(jī) 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

22、行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種( zhn)必要功能和外設(shè)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。 共一百四十八頁(yè)典型(dinxng)微控制器Motolora 68HC11xxIntel 8051Microchip PICARM共一百四十八頁(yè)嵌入式微控制器(MCU)共一百四十八頁(yè)嵌入式DSP處理器(DSP) DSP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。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)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通(ptn

23、g)指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。共一百四十八頁(yè)嵌入式DSP處理器(DSP)有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。TMS320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(yj)性能更高的C6000和C8000系列。ADSP目前有已經(jīng)發(fā)展成為ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等幾個(gè)不同系列的處理器。共一百四十八頁(yè)嵌入式片上系統(tǒng)(xtng)(SOC)在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成(j chn)到一塊或幾塊芯片中去應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔 共一

24、百四十八頁(yè)SOC設(shè)計(jì)(shj) 共一百四十八頁(yè)SoC具有(jyu)的優(yōu)勢(shì) 降低耗電量：隨電子產(chǎn)品向小型化、便攜化發(fā)展，對(duì)其省電需求將大幅提升，由于SoC 產(chǎn)品多采用內(nèi)部訊號(hào)的傳輸，可以(ky)大幅降低功耗。 減少體積：數(shù)顆IC 整合為一顆SoC 后，可有效縮小電路板上占用的面積，達(dá)到重量輕、體積小的特色。豐富系統(tǒng)功能：隨微電子技術(shù)的發(fā)展，在相同的內(nèi)部空間內(nèi)，SoC 可整合更多的功能元件和組件，豐富系統(tǒng)功能。提高速度：隨著芯片內(nèi)部信號(hào)傳遞距離的縮短，信號(hào)的傳輸效率將提升，而使產(chǎn)品性能有所提高。節(jié)省成本：理論上，IP 模塊的出現(xiàn)可以減少研發(fā)成本，降低研發(fā)時(shí)間，可適度節(jié)省成本。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，由

25、于芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增強(qiáng)，也有可能導(dǎo)致測(cè)試成本增加，及生產(chǎn)成品率下降。共一百四十八頁(yè)SoC 芯片設(shè)計(jì)(shj)中 的IP 模塊 SoC 的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是IP（Intellectual Property）復(fù)用技術(shù)。 已有的IC 電路以模塊的形式(xngsh)在SoC 芯片設(shè)計(jì)中調(diào)用這些可以被重復(fù)使用的IC 模塊就叫做IP 模塊 IP 模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好，已經(jīng)過驗(yàn)證，具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有2 種不同形式：軟IP 核(soft IP core)和硬IP 核(hard IP core) 共一百四十八頁(yè)嵌入式外圍設(shè)備(wi wi sh bi)嵌入式外圍設(shè)備是指，在嵌入式硬件系統(tǒng)(xtn

26、g)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、現(xiàn)實(shí)等輔助功能的其他部件。共一百四十八頁(yè)嵌入式外圍設(shè)備(wi wi sh bi)根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：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。接口類型：目前(mqin)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、US

27、B、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。共一百四十八頁(yè)嵌入式軟件的組成(z chn)共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)軟件(x tn run jin)的特征 (1) 軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) (2) 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 (3) 系統(tǒng)軟件(OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求 (4) 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識(shí)集成(j chn)的平臺(tái)和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ) 共一百四十八頁(yè)嵌入式軟件主流(zhli)VxWorks 是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。Palm Os，是Palm公司(n s)的操作系統(tǒng)，和微軟的Windows CE是PDA操作系統(tǒng)的兩大巨頭。共一

28、百四十八頁(yè)實(shí)時(shí)(sh sh)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RealTime 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(lu j)或時(shí)序控制中如果出現(xiàn)偏差將會(huì)引起嚴(yán)重后果。共一百四十八頁(yè)實(shí)時(shí)(sh sh)系統(tǒng)分類軟實(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(zhmng)的錯(cuò)誤，一般在工業(yè)控制中應(yīng)用較多。共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用(yngyng)特點(diǎn)復(fù)雜的算法用戶界面(yn h ji min)實(shí)時(shí)性多速率：多媒體流

29、制造成本功率共一百四十八頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的核心-微處理器實(shí)現(xiàn)(shxin)數(shù)字系統(tǒng)的有效手段可選擇面寬，產(chǎn)品更新?lián)Q代快節(jié)省開發(fā)成本共一百四十八頁(yè)1.1.4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨(minlng)挑戰(zhàn)成本實(shí)時(shí)性功耗(n ho)可升級(jí)可靠性測(cè)試、調(diào)試、開發(fā)環(huán)境受限共一百四十八頁(yè)1.2 嵌入式系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)過程需求規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)(硬件(yn jin)，軟件)系統(tǒng)集成共一百四十八頁(yè)設(shè)計(jì)(shj)流程共一百四十八頁(yè)1.2.1 需求分析(fnx)(功能與非功能)功能性能成本與價(jià)格物理尺寸和重量(zhngling)功耗共一百四十八頁(yè)GPS移動(dòng)(ydng)地圖經(jīng)度(jngd)： 緯度：共一

30、百四十八頁(yè)需求(xqi)表格名稱目的輸入輸出功能性能成本（生產(chǎn)，設(shè)計(jì)）物理尺寸(ch cun)與重量功耗共一百四十八頁(yè)GPS移動(dòng)地圖(dt)需求表格名稱：GPS移動(dòng)地圖目的：為駕駛員提供(tgng)用戶級(jí)移動(dòng)地圖輸入：一個(gè)電源按鈕，兩個(gè)控制按鈕輸出：逆光LCD，顯示分辨400600功能：使用5種接收器的GPS系統(tǒng)，三種用戶可選的分辨率，顯示當(dāng)前經(jīng)緯度性能：0.25秒刷新成本：100美元功耗：100mW，4節(jié)AA電池工作8小時(shí)物理尺寸和重量：不大于12盎司共一百四十八頁(yè)1.2.2 規(guī)格(gug)說明(Specification)需求(xqi)細(xì)致化需求精確化需求系統(tǒng)化需求形式化共一百四十八頁(yè)1.

31、2.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(shj)GPS接收器信號(hào)搜索引擎地圖數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換器用戶界面顯示器共一百四十八頁(yè)硬件(yn jin)體系結(jié)構(gòu)顯示器幀緩沖器主存儲(chǔ)器CPUGPS信號(hào)(xnho)接收器I/O面板共一百四十八頁(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索(su su)用戶界面(yn h ji min)位置時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器共一百四十八頁(yè)1.4系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)的形式化方法統(tǒng)一建模語言：UML面向?qū)ο蠼ＵZ言：設(shè)計(jì)交互(jioh)對(duì)象；對(duì)象與實(shí)際軟硬件對(duì)應(yīng)；共一百四十八頁(yè)設(shè)計(jì)(shj)方法Top-Down：由頂向下Bottom-Up：由底向上共一百四十八頁(yè)程序設(shè)計(jì)(chn x sh j)歷史自由(zyu)階段：數(shù)據(jù)、代碼混合；

32、代碼運(yùn)行時(shí)可修改；GoTo使用；結(jié)構(gòu)化編程：數(shù)據(jù)、代碼分離，盡量不使用GoTo；程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法面向?qū)ο螅侯惖某橄箢?數(shù)據(jù)+行為(屬性+方法)共一百四十八頁(yè)面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο笤O(shè)計(jì)(shj)(OOD)面向?qū)ο缶幊?OOP)共一百四十八頁(yè)類共享相同的屬性、操作、方法、關(guān)系或行為的一組對(duì)象(duxing)的描述符；對(duì)象的模板對(duì)象：某個(gè)類的實(shí)例消息傳遞：對(duì)象通過在鏈接上發(fā)送消息產(chǎn)生行為共一百四十八頁(yè)類類封裝：屬性和方法繼承多態(tài)，算符重載(zhn zi)模板共一百四十八頁(yè)UML圖類圖表示類與類間關(guān)系，類與類對(duì)象間的關(guān)系協(xié)同圖表示對(duì)象間交互狀態(tài)圖表示結(jié)構(gòu)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)起始、中止、關(guān)聯(lián)等的模型順序圖表示對(duì)

33、象間交互、狀態(tài)順序共一百四十八頁(yè)類圖類名屬性(狀態(tài))操作(行為)共一百四十八頁(yè)類舉例(j l)Displaypixels:array of pixel elementsmenu_itemsMouse_click()Draw_box()共一百四十八頁(yè)關(guān)聯(lián)(gunlin)類之間的聯(lián)系鏈接：關(guān)聯(lián)的實(shí)例化，對(duì)象(duxing)通過鏈接傳遞信息共一百四十八頁(yè)關(guān)聯(lián)(gunlin)舉例CompanyPersonemploys1n共一百四十八頁(yè)泛化一般物件與特殊(tsh)物件之間的關(guān)系泛化特化ShapeSquareCircleTriangle共一百四十八頁(yè)派生(pishng)類組織成泛化的層次派生類繼承父類所

34、有屬性(shxng)、操作,又可以添加自身的屬性(shxng)、操作派生類也稱子類父類也稱超類共一百四十八頁(yè)派生(pishng)舉例Shapewidthheightdraw()getArea()SquareCircledraw()draw()覆蓋(fgi)共一百四十八頁(yè)多態(tài)多態(tài)操作具有多種實(shí)現(xiàn)方式(fngsh)不同類可以不同的方式響應(yīng)相同的消息子類可以覆蓋父類的操作共一百四十八頁(yè)多態(tài)EmployeePrint()WorkerManagerPrint()Print()共一百四十八頁(yè)抽象類抽象操作不具有(jyu)具體的實(shí)現(xiàn)虛類虛函數(shù)共一百四十八頁(yè)多態(tài)Shapedraw()getArea()Squa

35、reCircledraw()getArea()draw()getArea()共一百四十八頁(yè)類的軟件(run jin)實(shí)現(xiàn)Classdisplaypixels:pixeltypeIMAX,JMAX; public:display();pixeltype pixels(int i,int j)returnpixelsi,j;void set_pixel(pixeltype val,int i,int j)pixelsi,j=val;共一百四十八頁(yè)派生類Displaypixels:array of pixel elementsmenu_itemsMouse_click()Draw_box()BW_D

36、isplayColor_DisplayColor_Map共一百四十八頁(yè)多重繼承(jchng)DisplayMultimedia_DisplaySpeaker共一百四十八頁(yè)關(guān)聯(lián)(gunlin)和鏈接Message setCount=2messagemsg=msg1length=1102messagemsg=msg2length=2114Message setCount:integermessagemsg=ADPCM_streamLength:integercontains共一百四十八頁(yè)1.4.1結(jié)構(gòu)(jigu)描述定義基本構(gòu)件定義類及屬性定義類界面(操作)類的軟件實(shí)現(xiàn)類的派生(pishng)泛化

37、和繼承共一百四十八頁(yè)1.4.2行為(xngwi)描述描述(mio sh)操作；狀態(tài)機(jī)；共一百四十八頁(yè)狀態(tài)(zhungti)轉(zhuǎn)換ab共一百四十八頁(yè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換(zhunhun)：事件信號(hào)事件：外部(wib);內(nèi)部事件：例程調(diào)用;定時(shí)器事件;共一百四十八頁(yè)UML狀態(tài)機(jī)規(guī)格(gug)說明共一百四十八頁(yè)UML順序(shnx)圖共一百四十八頁(yè)UML順序(shnx)圖對(duì)象時(shí)間流生命線對(duì)象生存期控制(kngzh)焦點(diǎn)共一百四十八頁(yè)設(shè)計(jì)示例(模型(mxng)火車控制器)共一百四十八頁(yè)設(shè)計(jì)(shj)示例(模型火車控制器)ECC|Command|Address|Header控制臺(tái)共一百四十八頁(yè)需求(xqi)表格名稱：

38、模型(mxng)火車控制器目的：控制最多達(dá)8輛火車輸入：調(diào)速、慣性設(shè)置，緊急停車、火車數(shù)量輸出：火車控制信號(hào)功能：根據(jù)慣性設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)速度；響應(yīng)緊急停車性能：至少每秒校正車速10次生產(chǎn)成本：50美元功耗：10W物理尺寸和重量：控制臺(tái)適應(yīng)雙手操作，近似鍵盤大??；重量小于2磅共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明Set-speedSet-inertiaEStop共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明Set-inertiaSet-speedSet-speedSet-speedEstop:Console:Train_rcvr共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明CommandEStopSet-inert

39、iaValue:unsigned-integerSet-SpeedValue:integer共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明:console:receiver1.n:command共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明ConsoleTransmitterFormatterPanelKnobs*Sender*共一百四十八頁(yè)概念性規(guī)格(gug)說明TrainMotor interfaceControllerReceiverDetector*Pulser*Train Set共一百四十八頁(yè)詳細(xì)規(guī)格(gug)說明Knobs*Train-knob:integerSpeed-knob:integerI

40、nertia-knob:unsigned-integerEmergency-stop:booleanSet-knobs()Sender*Send-bit()Pulser*Pulse-width:unsigned-integerDirection:booleanDetector*read-bit():integer共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明Paneltrain-number():integerspeed():integerinertia():integerestop():booleannew-settings()Motor-interfaceSpeed:integer共一百四十八頁(yè)

41、詳細(xì)規(guī)格(gug)說明Transmittersend-speed(adrs:integer,speed:integer)Send-inertia(adrs:integer,val:integer)Send-estop(adrs:integer)Receivercurrent:commandnew:booleanread-cmd()new-cmd(msg-type:command)rcv-speed(val:integer)Rcv-inertia(val:integer)共一百四十八頁(yè)詳細(xì)規(guī)格(gug)說明Formattercurrent-train:integercurrent-speednt

42、rains:integercurrent-inertiantrains:unsigned-integercurrent-etopntrains:booleansend-command()panel-active():booleanoperate()共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明:Knobs:Panel:Formatter:TransmitterSpeed/inertia/EstopRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingRead PanelPanel settingnew setting

43、Panel-activeSend-speedSend-inertiaSend-estopOperateTrain number改變控制改變車編號(hào)Set-knobs共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明循環(huán)空轉(zhuǎn)Update-panel()Send-command()Panel-active()改編號(hào)改控制Fomatter operate行為狀態(tài)圖共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明Panel*:read-train-number()Panel*:read-speed()Panel*:read-inertia()Panel*:read-estop()ReturnCurrent-train=t

44、rain-knobUpdate-screenChanged=trueCurrent-speed=throttleChanged=trueCurrent-inertia=inertia-knobChanged=trueCurrent-estop=estop-button-valueChanged=true共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明Controllercurrent-train:integercurrent-speedntrains :integercurrent-directionntrains :unsigned-integercurrent-etopntrains :boole

45、anoperate()Issue-command()共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明循環(huán)(xnhun)空轉(zhuǎn)issue-command()Receive-command()Controller operate行為狀態(tài)圖共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明:Receiver:Controller:Motor-interface:PulserSet-pulseSet-pulseSet-pulseSet-pulseSet-pulsePanel-activeRead-cmdNew-cmdCmd-typeRcv-speedoperate共一百四十八頁(yè)詳細(xì)(xingx)規(guī)格說明CommandTy

46、pe:3-bitsAddress:3-bitsParity:1-bitEstopType=000Set-inertiaType=001Value:3-bitsSet-speedType=010Value:7-bits共一百四十八頁(yè)軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計(jì)共一百四十八頁(yè)傳統(tǒng)(chuntng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型SystemConceptsSys/HWRequire.AnalysisSys/SWRequire.AnalysisOperation.Testing and Eval.SoftwareRequire.AnalysisPrelim.DesignDetailedDesignCoding,

47、Unit test.,Integ. testSW DevelopmentHWCITestingCSCITestingSystemInteg. and testHardwareRequire.AnalysisPrelim.DesignDetailedDesignFabric.HW DevelopmentDOD-STD-2167A共一百四十八頁(yè)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)過程傳統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)過程的基本特征:系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分軟件和硬件獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)“Hardware first” approach often adopted隱含的一些問題:軟硬件之間的交互受到很大限制軟硬

48、件之間的相互性能影響很難評(píng)估系統(tǒng)集成相對(duì)滯后，NRE較大因此:Poor quality designs（設(shè)計(jì)質(zhì)量差）Costly modifications（設(shè)計(jì)修改(xigi)難）Schedule slippages（研制周期不能有效保障）共一百四十八頁(yè)傳統(tǒng)(chuntng)設(shè)計(jì)過程中的尖銳矛盾隨著設(shè)計(jì)(shj)復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(jì)(shj)中的一些錯(cuò)誤將使開發(fā)過程付出昂貴的代價(jià) “Hardware first” approach often compounds software cost because software must compensate for hardware in

49、adequacies共一百四十八頁(yè)軟硬件設(shè)計(jì)過程發(fā)展方向(fngxing)協(xié)同設(shè)計(jì)SystemConceptsSys/HWRequire.AnalysisSys/SWRequire.AnalysisHardwareRequire.AnalysisSoftwareRequire.AnalysisOperation.Testing and EvaluationSW DevelopmentHW DevelopmentSystemInteg. and testHWCITestingCSCITestingFranke91Integrated Modeling SubstrateIntegrated Mo

50、deling SubstratePrelim.DesignPrelim.DesignDetailedDesignDetailedDesignFabric.Coding,Unit test.,Integ. test IEEE 1991共一百四十八頁(yè)軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計(jì)的基本需求統(tǒng)一的軟硬件描述方式軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和分析工具（技術(shù)）允許在一個(gè)(y )集成環(huán)境中仿真（評(píng)估）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)任務(wù)在軟件和硬件設(shè)計(jì)之間的相互移植交互式軟硬件劃分技術(shù)允許多個(gè)不通的軟硬件劃分設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和比較輔助最優(yōu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q策Partitioning applied to modules to bes

51、t meet design criteria (functionality and performance goals)共一百四十八頁(yè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)(shj)的基本需求 (cont.)完整的軟硬件模型基礎(chǔ)Supports evaluation at several stages of the design processSupports step-wise development and integration of hardware and software正確的驗(yàn)證方法確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)(shj)達(dá)到目標(biāo)要求共一百四十八頁(yè)軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)初始階段就可進(jìn)行軟硬件交互設(shè)計(jì)和調(diào)

52、整Provides continual verification throughout the design cycle（貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)周期）Separate HW/SW development paths can lead to costly modifications and schedule slippages關(guān)鍵技術(shù)（如可編程邏輯綜合技術(shù)、器件接口和功能模型描述）的進(jìn)步 使得軟硬件交互設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單(jindn)起來共一百四十八頁(yè)典型(dinxng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程 SystemIntegrationInstruction set levelHW/SW evaluationUnifie

53、d representation(Data/control flow) HW/SWPartitioning Interface Synthesis Software SynthesisSWHardware SynthesisHW System Description(Functional)Concurrent processesProgramming languages FSM-directed graphs Another HW/SWpartition共一百四十八頁(yè)經(jīng)典的軟硬件協(xié)同(xitng)設(shè)計(jì)方法Analysis of Constraintsand RequirementsSystem Specs.HW/SWPartitioningHardware Descript.Software Descript.HW Synth. andConfigurationInterface Synthe