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文檔簡(jiǎn)介
1、嵌入式系統(tǒng)原理與開(kāi)發(fā)第1講南海學(xué)院計(jì)算機(jī)系 劉剛主講2019年2月19日1課程目的理論與實(shí)踐相結(jié)合以嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及嵌入式軟件的核心嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為重點(diǎn),以應(yīng)用為目的,全面介紹嵌入式系統(tǒng)使大家既能對(duì)嵌入式系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)有一個(gè)全景的把握,又能深入理解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。配套多種嵌入式平臺(tái)的C/OS-II實(shí)驗(yàn),提供豐富的實(shí)驗(yàn)和手冊(cè)2課程特點(diǎn)利用PC機(jī)就可以自己動(dòng)手搭建嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái),熟悉應(yīng)用開(kāi)發(fā),更方便地學(xué)習(xí)和理解嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí):從純軟件到硬/軟件結(jié)合從“紙”上談兵(編程序)到“板”上談兵從“懂”怎么做到“會(huì)”做從講/聽(tīng)到講/聽(tīng)/做3本課程簡(jiǎn)介本科生選修課學(xué)分:3總課時(shí):54小時(shí)授課:
2、18次,36小時(shí)實(shí)驗(yàn):18小時(shí)考試:2小時(shí)授課地點(diǎn):教學(xué)樓C301教室授課時(shí)間:每周一上午 第1、2節(jié)課4課程的主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ),約12節(jié)課嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論(什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng)分類、發(fā)展歷程、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢(shì)), 約3節(jié)課嵌入式硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)(基本組成,嵌入式微處理器:ARM、MIPS、X86、SH等,總線、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入/輸出與典型接口等, W90P710/SH7709S ),約7節(jié)課嵌入式軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)(分類、特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行流程、操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具),約2節(jié)課5課程的主要內(nèi)容嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核,約14節(jié)課任務(wù)管理與調(diào)度(任務(wù)、任務(wù)管理、調(diào)度算法), 約6節(jié)課同步、互斥與
3、通信(信號(hào)量、信箱、隊(duì)列、事件、異步信號(hào)) , 約4節(jié)課中斷和時(shí)間管理(中斷分類、處理過(guò)程、中斷管理機(jī)制、硬件時(shí)鐘設(shè)備、與OS的管理關(guān)系、時(shí)間管理機(jī)制) , 約2節(jié)課內(nèi)存管理和I/O管理(特點(diǎn)和管理機(jī)制) , 約2節(jié)課6課程的主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā), 約4節(jié)課嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具軟件分析設(shè)計(jì)方法復(fù)習(xí):2節(jié)課實(shí)驗(yàn):34節(jié)課7實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)容目標(biāo)平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目PC虛擬機(jī) CygwinARM9boardEmbest EdkitIII開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱Ebest IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Linux(源代碼)8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)容配套8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,具體是:開(kāi)發(fā)環(huán)境建立實(shí)驗(yàn):1個(gè)/平臺(tái)
4、實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)驗(yàn):7個(gè)任務(wù)的基本管理優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)繼承信號(hào)量:哲學(xué)家就餐問(wèn)題的實(shí)現(xiàn) 消息隊(duì)列 時(shí)鐘中斷 C/OS-II的內(nèi)存分配 9教材及參考資料嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程,俞建新等主編,機(jī)械工業(yè)出版社.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā),羅蕾主編,北京航空航天大學(xué)出版社.Jean J.Labrosse. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大學(xué)出版社.及uC/OS-II ebook嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 (美)Wayne Wolf Computers as Components:Principles of Embedded Computing System DesignJean J.
5、Labrosse. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大學(xué)出版社.C.M.Krishna, Kang G.Shin. REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw-Hill.A Survey of Real-time Operating Systems.WHAT MAKES A GOOD RTOS.10授課主教材介紹嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程俞建新 王健 宋健建機(jī)械工業(yè)出版社2019年3月第1版書號(hào): ISBN 978-7-111-22944-5定價(jià):42元要求修課同學(xué)人手一本11綜合實(shí)驗(yàn)教材俞建新等編著清華大學(xué)出版
6、社本課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)必備教材。給出了典型的嵌入式應(yīng)用程序編寫范例,適合本科生使用和自學(xué)。配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為JXARM2410或者CVT-PXA270。 嵌入式應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)9例12主要參考書嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用田澤編著北京航空航天大學(xué)出版社ISBN: 7-81077-541-32019年1月第1版定價(jià):54.00元簡(jiǎn)評(píng):主要介紹嵌入式基本概念、ARM體系結(jié)構(gòu)、ARM嵌入式程序設(shè)計(jì)、uCOS-II操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、 uCLinux操作系統(tǒng)。借用為宜。13參考資料Real-time Embedded Software SystemsOSEK/VDX Operating System. Versi
7、on 2.2.2. July 5th, 2019.Charting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Computing.Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time SynchronizationCLDCSpecification1.114課程成績(jī)課程成績(jī)平時(shí)成績(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)期末考試成績(jī)平時(shí)成績(jī)5分,實(shí)驗(yàn)成績(jī)25分期末考試:閉卷考試70分15理論教學(xué)主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述可編程邏輯器件與IP核嵌入式微處理器與調(diào)試技術(shù)ARM體系結(jié)構(gòu)和指令集ARM匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)ARM開(kāi)發(fā)工具
8、ARM中斷、DMA和時(shí)間管理嵌入式存儲(chǔ)器和接口技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)概論16前導(dǎo)課程知識(shí)基礎(chǔ)課程計(jì)算機(jī)組成原理,微機(jī)原理與接口軟件專業(yè)課程操作系統(tǒng)匯編語(yǔ)言,ANSI C(標(biāo)準(zhǔn) C),JAVA硬件專業(yè)課程電子線路,數(shù)字電路,集成電路設(shè)計(jì)17本課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)包含四部分實(shí)驗(yàn)基于ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的ARM匯編語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)基于ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的C語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)17個(gè)ARM300-S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)在ARM300-S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)自行創(chuàng)意的綜合實(shí)驗(yàn)基于9例教材的改進(jìn)型綜合實(shí)驗(yàn)18第1章 緒論本章介紹以下內(nèi)容:什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)的基本組成嵌入式處
9、理器嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)研究領(lǐng)域191.1 什么是嵌入式系統(tǒng)?顧名思義:包含(安裝)在電子裝置(應(yīng)用對(duì)象)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)?;久枋觯簩iT用途的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常常用于控制廣泛存在包含硬件和軟件20嵌入式系統(tǒng)的釋義全稱嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)相關(guān)術(shù)語(yǔ)嵌入式設(shè)備嵌入式技術(shù)有時(shí)還進(jìn)一步簡(jiǎn)稱為嵌入式21民用嵌入式設(shè)備或產(chǎn)品1MOTOC350彩屏WAP移動(dòng)電話彪騏數(shù)字機(jī)頂盒BlackBerry 7230移動(dòng)電話DL7100/DL7200 數(shù)字式示波器嵌入式GIS暢視2000可視電話Palm Zire71型個(gè)人數(shù)字助理22民用嵌入式設(shè)備或產(chǎn)品223蘋果公司的媒體播
10、放器和手機(jī)iPOD和iPHONE24嵌入式產(chǎn)品電子書閱讀器飛利浦Readius 亞馬遜Kindle25手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-126手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-227手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-328手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-4諾基亞N95手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)29諾基亞N95型手機(jī)基本技術(shù)指標(biāo)手機(jī)型號(hào):諾基亞N95通信制式:GSM外形:滑蓋LCD色彩數(shù):1600萬(wàn)LCD分辨率:240 x 320 重量:120克電池:950 毫安時(shí)諾基亞電池 BL-5F數(shù)碼相機(jī):500萬(wàn)像素GPS模塊:SiRF科技公司SirfIII芯片,可追蹤20顆星客戶端手持設(shè)備操作系統(tǒng):Symbian OS 9.330用于水下勘測(cè)的螃蟹機(jī)器人英國(guó)巴斯大學(xué)一位研究生設(shè)計(jì)的,
11、它目前可以在陸地上任意移動(dòng),未來(lái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)將計(jì)劃將它用于完全的水下勘測(cè)任務(wù)操作。 31富士數(shù)碼相機(jī)FinePix F460富士公司2019年前后推出500萬(wàn)像素中檔相機(jī)光學(xué)鏡頭:3倍變焦LCD :2.5英寸電荷耦合器件(CCD):索尼公司500萬(wàn)像素的ICX505圖像處理芯片:ADI公司的AD9948A讀取CCD的輸出信號(hào),圖像數(shù)據(jù)處理32富士數(shù)碼相機(jī)FinePix F460(續(xù))電機(jī)控制電路:三洋公司的ASIC(LB8659)用于控制鏡頭拉伸、縮放和聚焦微控制器:NEC公司的uPD78F0533處理按鍵,完成主要的系統(tǒng)控制功能內(nèi)存儲(chǔ)器:三星公司的SDRAM (K4M283233)提供圖像處理
12、所需的工作內(nèi)存33Finepix數(shù)碼相機(jī)的解剖照片34嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用的產(chǎn)品美國(guó)AGM-86B戰(zhàn)略空射巡航導(dǎo)彈美國(guó)火星登陸車國(guó)產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)F-7MG機(jī)器人國(guó)產(chǎn)88式坦克2019年型林肯黑木(Blackwood)汽車35嵌入式系統(tǒng)的定義(1)根據(jù)IEEE(國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義:嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置?!庇⑽脑臑椋篸evices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.36嵌入式系統(tǒng)的定義(2)本課程使用的定義,也是國(guó)內(nèi)
13、高校流行的定義:嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、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)視或管理等功能。37嵌入式系統(tǒng)的定義(3)根據(jù)中國(guó)微機(jī)學(xué)會(huì)的定義:嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),可以分為系統(tǒng)級(jí),板級(jí),片級(jí)。芯片級(jí)嵌入含程序或算法的處理器模塊級(jí)嵌入系統(tǒng)中的某個(gè)核心模塊板系統(tǒng)級(jí)嵌入主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)38專家觀點(diǎn)(1)嵌入式系統(tǒng)只是單板機(jī)在某種場(chǎng)合下的應(yīng)用個(gè)體經(jīng)營(yíng)的單片機(jī)公司經(jīng)理語(yǔ)我們的控制裝置產(chǎn)品都用嵌入式
14、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中科院自動(dòng)化研究所工程師語(yǔ)單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的初級(jí)形態(tài),SOC是嵌入式系統(tǒng)的高級(jí)形態(tài)南京市單片機(jī)協(xié)會(huì)理事資深專家語(yǔ)。39專家觀點(diǎn)(2)要想成功地設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng),就必須尋找或開(kāi)發(fā)一個(gè)合適的軟件和硬件平臺(tái)。電子工程專輯(eetchina)主編語(yǔ)嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)走向二十一世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的最重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)之一,對(duì)中國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師語(yǔ)國(guó)內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)是廣闊天地,嵌入式系統(tǒng)是新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。北京計(jì)算機(jī)高級(jí)專家工控學(xué)會(huì)資深理事語(yǔ)。40參考解釋(1)Understand the Definition of an Embedded System
15、An embedded system is any computer system or computing device that performs a dedicated function or is designed for use with a specific embedded software application.Embedded systems may use a ROM-based operating system or they may use a disk-based system, like a PC. But an embedded system is not us
16、able as a commercially viable substitute for general purpose computers or devices. 但是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)不是通用計(jì)算機(jī)或裝置的商業(yè)可行的替代用品41參考資料微軟公司的網(wǎng)頁(yè)42參考解釋(2)Embedded System Definition A specialized computer system that is part of a larger system or machine. Typically, an embedded system is housed on a single microprocesso
17、r board with the programs stored in ROM. Virtually all appliances that have a digital interface - watches, microwaves, VCRs, cars - utilize embedded systems. Some embedded systems include an operating system, but many are so specialized that the entire logic can be implemented as a single program. 4
18、3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)電話信息家電視聽(tīng)設(shè)備飛機(jī)人造衛(wèi)星導(dǎo)彈魚雷車輛機(jī)器人掌上電腦醫(yī)療設(shè)備工業(yè)控制計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備水面艦船潛艇坦克戰(zhàn)車自行火炮環(huán)境監(jiān)測(cè)其它交通管理嵌入式系統(tǒng)44主要的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品手機(jī)媒體播放器機(jī)器人PDA機(jī)頂盒醫(yī)療器械通信設(shè)備網(wǎng)關(guān)、路由器IC卡工業(yè)控制裝置電子書計(jì)算機(jī)外部設(shè)備打印機(jī)數(shù)碼相機(jī)信息家電汽車電子45嵌入式系統(tǒng)在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用單芯片微電腦控制系統(tǒng)雨刷、車燈系統(tǒng)、儀表盤、電動(dòng)門窗等MCU系統(tǒng)ABS系統(tǒng)、智慧安全氣囊、主動(dòng)式懸吊系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等SoC系統(tǒng)混合動(dòng)力總成、底盤綜合控制、汽車定位導(dǎo)航、車輛狀態(tài)記錄與監(jiān)控等46汽車上嵌入式系統(tǒng)的裝備情況據(jù)統(tǒng)計(jì),從1989年至
19、2000年,平均每輛車上電子裝置在整個(gè)汽車制造成本中所占的比例由16增至23以上。一些豪華轎車上,使用單片微型計(jì)算機(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到48個(gè),電子產(chǎn)品占到整車成本的50以上。目前電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)。47兩種汽車使用的嵌入式系統(tǒng)一類是汽車電子控制裝置它和車上機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行配合使用,即所謂“機(jī)電結(jié)合”的汽車電子裝置;它們包括發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身電子控制。例如電子燃油噴射系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制、防滑控制、牽引力控制、電子控制懸架、電子控制自動(dòng)變速器、電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向等。48兩種汽車使用的嵌入式系統(tǒng)(續(xù))另一類是車載汽車電子裝置車載汽車電子裝置是在汽車環(huán)境下能夠獨(dú)立使用的電子裝置,它和汽車本
20、身的性能并無(wú)直接關(guān)系。它們包括汽車信息系統(tǒng)(行車電腦)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響及電視娛樂(lè)系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、上網(wǎng)設(shè)備等。49汽車嵌入式控制的發(fā)展方向向集中綜合控制發(fā)展:將發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和自動(dòng)變速器控制系統(tǒng),集成為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合控制(PCM);將制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)(TCS)和驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)綜合在一起進(jìn)行制動(dòng)控制;通過(guò)中央底盤控制器,將制動(dòng)、懸架、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力傳動(dòng)等控制系統(tǒng)通過(guò)總線進(jìn)行連接??刂破魍ㄟ^(guò)復(fù)雜的控制運(yùn)算,對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào),將車輛行駛性能控制到最佳水平,形成一體化底盤控制系統(tǒng)(UCC)。50汽車電子系統(tǒng)模塊的布局51汽車電子應(yīng)用:主被動(dòng)集成方案Act
21、ive Passive Integration Approach APIAAPIA可利用網(wǎng)絡(luò)覆蓋汽車的所有主動(dòng)及被動(dòng)安全系統(tǒng),并集成了環(huán)境傳感器。APIA系統(tǒng)復(fù)雜,包括自適應(yīng)巡航控制、組合傳感器、側(cè)面?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、相應(yīng)的控制單元等等。系統(tǒng)核心是危險(xiǎn)控制模塊,它能意識(shí)到潛在的碰撞,并引入預(yù)先設(shè)定的措施。521.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史第一階段以4到8位單片機(jī)為核心的可編程控制器系統(tǒng)第二階段以8到16位嵌入式處理器(CPU)為基礎(chǔ)第三階段32位RISC嵌入式中央處理器嵌入式操作系統(tǒng)第四階段基于Internt接入為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)53從4個(gè)方面考察嵌入式系統(tǒng)歷史可從4個(gè)方面考察嵌入式系統(tǒng)的歷史硬
22、件軟件代表產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)近6年以來(lái)嵌入式系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)業(yè)界的熱點(diǎn)技術(shù),全球大型IT企業(yè)無(wú)一不在進(jìn)軍嵌入式技術(shù)。54嵌入式硬件歷史大事1971年11月微處理器誕生,代表產(chǎn)品Intel 4004微處理器1980年美國(guó)Intel公司推出MCS-51單片機(jī)1985年美國(guó)Xilinx公司推出FPGAFPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列Field Programmable Gate Array1994年英國(guó)ARM公司推出ARM6101988年 DSP微處理器問(wèn)世代表產(chǎn)品是美國(guó)德州公司TMS320C3055軍用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展第一階段 1970年代到1980年代軍用標(biāo)準(zhǔn)階段美國(guó)陸軍的NEBULA架構(gòu)美國(guó)海軍的UYK-
23、43架構(gòu)和AYK架構(gòu)等使用的編程語(yǔ)言不統(tǒng)一陸軍使用NEBULA、空軍使用PASCAL、海軍使用CMS2第二階段 1980年代中期到1980年代末美軍在通用化標(biāo)準(zhǔn)化系列化上作了重大改進(jìn)軍內(nèi)統(tǒng)一使用ADA語(yǔ)言實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)趨于完善56軍用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展(續(xù))第三階段 1990年代初開(kāi)始32位嵌入式處理器廣泛使用多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)PSOS+ miRMK III57嵌入式軟件歷史回顧早期的單片機(jī)執(zhí)行由專用的監(jiān)控程序控制,不含操作系統(tǒng)。目前許多簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用仍然使用監(jiān)控程序作為控制軟件。1980年代,開(kāi)始在單片機(jī)上使用基于操作系統(tǒng)的控制程序?,F(xiàn)在高端嵌入式系統(tǒng)軟件都在操作系統(tǒng)的支持下運(yùn)行58嵌入
24、式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)況1981年Ready System開(kāi)發(fā)了世界上第1個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核(VTRX32),它包含了許多傳統(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)存管理等功能。后來(lái),出現(xiàn)了如WRS公司的VxWorks、QNX公司的QNX、Symbian公司的Symbian、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS。此外,還有Palm OS、WinCE、嵌入式Linux、LynxOS、uCOS、Nucleus、以及國(guó)內(nèi)的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系統(tǒng)。591.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)專門用于特定任務(wù)嵌入式系統(tǒng)一般是專
25、用系統(tǒng),而PC是通用計(jì)算平臺(tái)。技術(shù)融合集計(jì)算機(jī),通信及其它高新技術(shù)于一體。有實(shí)時(shí)約束一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有功耗約束軟件沒(méi)有系統(tǒng)和應(yīng)用的區(qū)別,軟件固化。系統(tǒng)內(nèi)核小軟硬件可裁剪高可靠性資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)需要專用的開(kāi)發(fā)工具非壟斷市場(chǎng)60軟件硬件基本要素硬件嵌入式處理器各種類型存儲(chǔ)器模擬電路及電源接口控制器及接插件軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)板級(jí)支持包(BSP)設(shè)備驅(qū)動(dòng)(Device Driver)協(xié)議棧(Protocol Stack)應(yīng)用程序(Application)611.4 嵌入式系統(tǒng)的分類 有多種對(duì)嵌入式系統(tǒng)的分類方法,以下是部分分類方法:按用途分類:軍用/民用按載體分類:宇航/車載
26、按通信性質(zhì)分類:無(wú)線/有線按網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)分類:聯(lián)網(wǎng)/單機(jī)按環(huán)境分類:普通/惡劣按功耗分類:低功耗/普通功耗主要分類方法按硬件軟件性質(zhì)621.4.1 按照技術(shù)復(fù)雜度分類根據(jù)控制技術(shù)的復(fù)雜度可以把嵌入式系統(tǒng)分為三類:無(wú)操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng)NOSES,Non-OS control Embedded System;小型操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng)SOSES,Small OS control Embedded System;大型操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng)LOSES,Large OS control Embedded System。631.4.2 按照用途分類按照用途可以把嵌入式系統(tǒng)分成以下三類:工業(yè)用軍用民用
27、641.5 嵌入式系統(tǒng)基本組成嵌入式系統(tǒng)的硬件由嵌入式處理器、外圍電路和外部設(shè)備三大部分所組成。嵌入式處理器包括:嵌入式微處理器(MPU)、微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。外圍電路包括:各式存儲(chǔ)器(RAM、ROM、FLASH),時(shí)鐘電路,各種I/O接口電路,調(diào)試接口(JTAG、BDM等)。外部設(shè)備包括:存儲(chǔ)卡(CF、SD卡)、LCD屏、觸摸屏、手寫筆、鍵盤等。65嵌入式系統(tǒng)常用硬件器件嵌入式處理器MCU, DSP, MPU可編程邏輯器件FPGA, CPLD存儲(chǔ)器芯片電源模塊周邊元件和接插件66典型嵌入式系統(tǒng)硬件組成(1)67典型嵌入式系統(tǒng)硬件組成(2)68嵌入式系統(tǒng)的軟件基本構(gòu)成
28、69基于VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次結(jié)構(gòu)70嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變硬件系統(tǒng)4位單片機(jī)8位單片機(jī)/ 16位單片機(jī)32位專用微處理器32位DSP微處理器SoCSoPC軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序?qū)S孟到y(tǒng)通用系統(tǒng)711.5.1 實(shí)時(shí)性能分類依據(jù)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能類型劃分,有以下幾種類型。參看下圖:嵌入式系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)721.5.2 按照電路板分類中國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)微機(jī)專業(yè)委員會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)給出以下分類:?jiǎn)喂杵度胧较到y(tǒng)Single-Silicon Embedded System單板嵌入式系統(tǒng)Single-Board Embedded System多板嵌入式系統(tǒng)Multi-Boar
29、d Embedded System73高端嵌入式產(chǎn)品中各種CPU所占市場(chǎng)份額74嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具高級(jí)語(yǔ)言編譯器Compiler Tools源程序模擬器Source Simulator目標(biāo)監(jiān)控器Object Monitor實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICEIn-Circuit Emulator75嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)區(qū)別從歷史的角度來(lái)看,這兩個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。但是,它們都是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),與通用型的微機(jī)系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別?,F(xiàn)在的一般說(shuō)法:嵌入式系統(tǒng)在含有操作系統(tǒng)的軟件的控制下運(yùn)行,而單片機(jī)系統(tǒng)不含操作系統(tǒng),只在控制程序下運(yùn)行。低端嵌入式系統(tǒng):?jiǎn)纹瑱C(jī)+印刷線路板高端嵌入式系統(tǒng): SoC761.6 嵌
30、入式處理器分類嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分,嵌入式處理器有多種功能。按照處理器功能分類,主要如下五種:通用型嵌入式微處理器(簡(jiǎn)稱:MPU)微控制器(MCU)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)混合處理器和片上系統(tǒng)(SOC)嵌入式雙核或者多核處理器77通用型嵌入式微處理器英文全稱General Purpose Embedded Micro Processor也稱為嵌入式微處理單元Embedded Micro Processor Unit縮略語(yǔ):EMPU,或者M(jìn)PU78通用型嵌入式微處理器有兩種類型一類是嵌入式系統(tǒng)中使用的通用處理器x86處理器(從80186、80386到Pentium M)就
31、是這一類處理器的典型代表。另一類是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的處理器屬于這一類的通用型嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。使用通用型嵌入式微處理器時(shí)都要在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面采取各種措施。79微控制器又稱單片機(jī)(SCM,Single Chip Microcomputer)它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中,體積減小,功耗和成本下降,可靠性提高,速度更快,性能更好,電磁輻射更少。它通常以某種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、
32、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能部件和外設(shè)。有代表性的通用微控制器系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。80數(shù)字信號(hào)處理器本教材中討論的嵌入式DSP處理器(簡(jiǎn)稱為DSP處理器或者DSP)是專門用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器。它是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集做了特殊設(shè)計(jì)的處理器,使其適合執(zhí)行DSP算法程序。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源,一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC(電磁兼容)改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器;二是在通用單片機(jī)或
33、SoC中增加DSP協(xié)處理器。DSP處理器可分為兩大類:定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP。嵌入式DSP處理器中比較有代表性的產(chǎn)品是德州儀器公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。 81片上系統(tǒng)把一個(gè)或多個(gè)CPU單元以及功能部件集成在單個(gè)芯片上。這種芯片就是所謂的片上系統(tǒng)SoC。為了解決SoC設(shè)計(jì)中遇到的難題,設(shè)計(jì)方法必須進(jìn)一步優(yōu)化。因此,人們提出了基于FPGA的SoC設(shè)計(jì)方案可編程片上系統(tǒng)(System On a Programmable Chip,稱為SOPC)。隨著百萬(wàn)門級(jí)的FPGA芯片、功能復(fù)雜的IP 核(知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)和可重構(gòu)的嵌入式處理器軟核的出現(xiàn),作為未來(lái)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
34、新領(lǐng)域的SoPC技術(shù)已經(jīng)成為了國(guó)際上電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)新技術(shù)的熱點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分別推出了SoPC系統(tǒng)解決方案。 82嵌入式雙核處理器雙核(Dual Core)處理器就是基于單個(gè)半導(dǎo)體的一個(gè)處理器芯片上擁有兩顆一樣功能的處理器核心,即將兩顆物理處理器核心整合入一個(gè)內(nèi)核中通過(guò)協(xié)同運(yùn)算來(lái)提升性能。其優(yōu)勢(shì)在于克服了傳統(tǒng)處理器通過(guò)提升工作頻率來(lái)提升處理器性能而導(dǎo)致耗電量和發(fā)熱量越來(lái)越大的缺點(diǎn)。83嵌入式多核處理器嵌入式多核處理器往往用于音頻或者視頻處理。這些DSP處理器的主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)
35、或多個(gè)的微控制器(MCU)核外加一個(gè)DSP核。例如,美國(guó)AD公司生產(chǎn)的Blackfin系列產(chǎn)品是適用于多格式音頻、視頻、語(yǔ)音和圖像處理的嵌入式DSP處理器系列。采用Blackfin芯片的最終產(chǎn)品可以是便攜式媒體播放器(PMP)、VoIP(通過(guò)IP傳輸話音)電話機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(IP Network.Camera)以及移動(dòng)電視設(shè)備等。84Blackfin系列多核處理器Blackfin系列中的ADSP-BF561處理器是一款雙內(nèi)核的具有對(duì)稱多處理(SMP)架構(gòu)的DSP處理器,時(shí)鐘頻率為750MHz,它能夠以兩種工作方式執(zhí)行。下圖是第1種工作模式。在該模式下,可以讓Core A運(yùn)行操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
36、和控制任務(wù),讓Core B運(yùn)行信號(hào)處理的RISC/DSP任務(wù)。85BF561處理器的第1種工作模式86BF561處理器的第2種工作模式871.7 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)196019701980199020002019年代11/100100每人使用計(jì)算機(jī)數(shù)量時(shí)代特點(diǎn)2020MFPCCE88如何描述當(dāng)前的IT時(shí)代?后PC時(shí)代?Post PC era信息電器(信息家電)時(shí)代?Information Appliance3C時(shí)代?Consumer Electronics、Computer、Communication普適計(jì)算時(shí)代?Pervasive Computing無(wú)所不在的計(jì)算時(shí)代?Ubiquitous
37、Computing89后PC時(shí)代IA時(shí)代若干年前未來(lái)學(xué)家的語(yǔ)言正在變成現(xiàn)實(shí),現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了后PC時(shí)代 。美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝(Nicholas Negroponte) 2019年初來(lái)華訪問(wèn)時(shí)說(shuō)過(guò):嵌入式智能工具將是繼PC和Internet之后最偉大的發(fā)明。MIT的David Clark于2019年首次提出“后PC時(shí)代(post-PC era)”的概念,他認(rèn)為:在后PC時(shí)代,具有聯(lián)網(wǎng)功能的信息電器(IA)和手持設(shè)備(handheld device)將逐步取代PC。90計(jì)算機(jī)產(chǎn)品發(fā)展路線圖摩爾定律仍然適用大型機(jī): 60年代 小型機(jī): 70年代 PC: 80-90年代 后PC: 2000年VL
38、SILSIMSISoC91嵌入式產(chǎn)品和臺(tái)式計(jì)算機(jī)處理器芯片使用量比較92后PC時(shí)代的新秀-信息電器信息電器 (Information Appliance,IA)2019年HP公司的一名資深專家Don Norman給出了IA的定義:An appliance specializing in information : Knowledge, facts, graphics, images, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or
39、writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information among themselves.93后PC時(shí)代當(dāng)前業(yè)界特征后PC時(shí)代特征表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)國(guó)民產(chǎn)值研究和開(kāi)發(fā)方向社會(huì)物質(zhì)和精神需要人才需求94IT產(chǎn)業(yè)界涉及時(shí)代特點(diǎn)的若干大事近幾年來(lái)大事記2019年11月高性能嵌入式32位微處理器神威I號(hào)在上海復(fù)旦微電子公司研制成功,并一次流片成功。2019年底聯(lián)想公司收購(gòu)IBM公司的PC事業(yè)部2019年微軟公司大力推廣Windows CE操作系統(tǒng)2019年
40、MIPS公司宣布該公司不再研發(fā)桌面處理器2019年蘋果公司總裁喬布斯宣布蘋果公司不再是計(jì)算機(jī)公司,它是一個(gè)消費(fèi)電子公司2019年IT巨頭公司Google宣布了手機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)AndriodMotorola公司因?yàn)闃I(yè)績(jī)?cè)?,進(jìn)行了公司內(nèi)部改組,并裁員幾千人。95信息電器與嵌入式系統(tǒng)信息電器的核心就是嵌入式系統(tǒng)信息電器的成本取決于嵌入式系統(tǒng)的成本信息電器使用性能取決于嵌入式系統(tǒng)的軟件信息電器的發(fā)展方向決定著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向討論題:哪些是信息電器?96普適計(jì)算基本特征普適計(jì)算是指無(wú)所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式。它使計(jì)算機(jī)融入人的生活空間。普適計(jì)算主要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備,如信息家電或各種嵌入式設(shè)
41、備實(shí)現(xiàn)。包括:如掌上電腦、車載智能設(shè)備、筆記本計(jì)算機(jī)、手表、智能卡、智能手機(jī)、機(jī)頂盒、POS銷售機(jī)、屏幕電話(除了普通話機(jī)的功能還可以瀏覽因特網(wǎng))等。普適計(jì)算設(shè)備可以一直或間斷地連接著網(wǎng)絡(luò)。與Internet、Intranet及Extranet連接,使用戶能夠隨時(shí)隨地獲取各種信息,并做出回應(yīng)。97普適計(jì)算模式將對(duì)計(jì)算和信息的方式帶來(lái)一場(chǎng)變革。普適計(jì)算形成一個(gè)“無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在而又不可見(jiàn)”(Anytime, Anywhere, Invisible)的計(jì)算環(huán)境。在這樣的環(huán)境中,計(jì)算不再局限于桌面,用戶可以通過(guò)手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備或其他常規(guī)、非常規(guī)計(jì)算設(shè)備無(wú)障礙地享用計(jì)算能力和信息資源。普適計(jì)算可
42、包括移動(dòng)計(jì)算,但普適計(jì)算不是移動(dòng)計(jì)算,前者更強(qiáng)調(diào)環(huán)境驅(qū)動(dòng)性。98無(wú)所不在計(jì)算無(wú)所不在計(jì)算(ubiquitous computing)強(qiáng)調(diào)人與計(jì)算環(huán)境的緊密聯(lián)系,使計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)更有效地融入人們的生活,讓人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都能方便快捷地獲得網(wǎng)絡(luò)計(jì)算提供的各種服務(wù)。無(wú)所不在計(jì)算研究的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):自然人機(jī)交互網(wǎng)絡(luò)計(jì)算99普適計(jì)算大事記1988年,Mark Weiser提出了普適計(jì)算的思想,并預(yù)測(cè)計(jì)算模式會(huì)發(fā)展為普適計(jì)算。1990年代末,普適計(jì)算這一概念得到廣泛關(guān)注,逐漸升溫。 2019年,IBM正式提出普適計(jì)算的概念。 同年,召開(kāi)第一屆Ubicomp國(guó)際會(huì)議。 /2000年,第一屆Pervas
43、ive Computing國(guó)際會(huì)議。 2019年,IEEE Pervasive Computing期刊創(chuàng)刊。100普適計(jì)算知識(shí)領(lǐng)域包括以下計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)知識(shí)領(lǐng)域分布式計(jì)算多媒體技術(shù)移動(dòng)計(jì)算人工智能人機(jī)交互嵌入式系統(tǒng)信息融合感知網(wǎng)絡(luò)101普適計(jì)算的科研動(dòng)向現(xiàn)在和未來(lái)的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)研究熱點(diǎn)美國(guó)排名前10位的大學(xué)無(wú)一例外地投巨資設(shè)立了以“普及計(jì)算”為主要方向的研究計(jì)劃。主要有以下4個(gè):卡耐基梅隆大學(xué)的Aura計(jì)劃麻省理工大學(xué)的Qxygen計(jì)劃加州大學(xué)伯克利分校的Endeavour計(jì)劃華盛頓大學(xué)的Portolano計(jì)劃102普適計(jì)算相關(guān)網(wǎng)站地址/aura/ciw/media/ciw/1222/d1
44、101.htm/sigops/weiser_award.html103Carnegie Mellon UniversitysProject Aura(1) The most precious resource in a computer system is no longer its processor, memory, disk or network. Rather, it is a resource not subject to Moores law: User Attention. Todays systems distract a user in many explicit and i
45、mplicit ways, thereby reducing his effectiveness.Project Aura will fundamentally rethink system design to address this problem. Auras goal is to provide each user with an invisible halo of computing and information services that persists regardless of location. 104Carnegie Mellon UniversitysProject
46、Aura(2)Meeting this goal will require effort at every level: from the hardware and network layers, through the operating system and middleware, to the user interface and applications. Project Aura will design, implement, deploy, and evaluate a large-scale system demonstrating the concept of a “perso
47、nal information aura” that spans wearable, handheld, desktop and infrastructure computers.105當(dāng)前研究熱點(diǎn)硬件方面國(guó)外的主流嵌入式微處理器進(jìn)入中國(guó)ARM公司的ARM核大學(xué)計(jì)劃TI公司的DSP大學(xué)計(jì)劃積極地研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式微處理器龍芯博芯106當(dāng)前研究熱點(diǎn)(續(xù)1)軟件方面嵌入式軟件向平臺(tái)化方向發(fā)展中國(guó)廠商因應(yīng)Linux轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)平臺(tái)化標(biāo)準(zhǔn)化Linux勢(shì)不可擋107手機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈以手機(jī)操作系統(tǒng)為例2019年以前,三分天下Symbian、Palm OS、Windows CE現(xiàn)在,新三分天下
48、Symbian、Windows CE、Linux手機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)S60、S90、MOAP、UIQAndroid、MOTOMAGXJ2ME 、.NET、BREW108當(dāng)前研究熱點(diǎn)(續(xù)2)國(guó)外的主流嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)入中國(guó)科銀京成公司研發(fā)出嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)道系統(tǒng)(Delta System)中科院軟件所研發(fā)出女媧(Hopen)嵌入式操作系統(tǒng)無(wú)線多媒體技術(shù)華東計(jì)算所研究與VxWorks兼容的嵌入式操作系統(tǒng)109嵌入式系統(tǒng)近期發(fā)展預(yù)測(cè)有以下發(fā)展趨勢(shì):由32位處理器更廣泛地得到普及由單核向多核過(guò)渡向網(wǎng)絡(luò)化功能發(fā)展更加友好的多媒體人機(jī)界面MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進(jìn)嵌入式操作系統(tǒng)呈多元化趨勢(shì)無(wú)線應(yīng)用(GPS、GPRS、3G、FRID)將普及平臺(tái)技術(shù)更加成熟110手機(jī)操作系統(tǒng)的趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)四大主流手機(jī)操作系統(tǒng)分割市場(chǎng)地局面將繼續(xù)維持下去,因?yàn)槿笊逃檬謾C(jī)操作系統(tǒng)各有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì),包括Palm公司也有它存在的空間。從IT巨頭公司的Google、Motorola、Nokia、聯(lián)想公司和Winriver紛紛采用Linux操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀來(lái)看,嵌入式Linux操作系統(tǒng)將在未來(lái)幾年迅速地?cái)U(kuò)大市場(chǎng)占有率。國(guó)產(chǎn)手機(jī)操作系統(tǒng)將仍然處于困境中,前景不樂(lè)觀。手機(jī)操作系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)向少數(shù)幾個(gè)品種集中的局面。Linux操作系統(tǒng)將不僅在手機(jī)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,而且在其它嵌
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