嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(緒論)課件

1、本課程簡(jiǎn)介本科生選修課學(xué)分：3總課時(shí)：48課時(shí)授課：30課時(shí)實(shí)驗(yàn)：16課時(shí)考試：2課時(shí)2008年2月19日1南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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2008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2008年2月19日2南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系主要參考書ARM Linux嵌入式系統(tǒng)教程馬忠梅. 等 編著北京航空航天大學(xué)出版社ISBN: 7-81077-526-X2004年9月第1版定價(jià)：32.00元簡(jiǎn)評(píng)：圍繞最流行的32位ARM處理器和源碼開放的Linux操作系統(tǒng)，講述嵌入式系統(tǒng)的概念、軟硬件組成、開發(fā)過(guò)程

2、，以及嵌入式Linux的應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)設(shè)計(jì)方法。借用為宜。2008年2月19日3南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系前導(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）硬件專業(yè)課程模擬電路，數(shù)字電路2008年2月19日5南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系本課程教學(xué)特點(diǎn)本課程屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)課程注重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)硬件軟件知識(shí)結(jié)合偏重應(yīng)用，緊密結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)訓(xùn)練。課堂學(xué)習(xí)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合2008年2月19日6南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系本課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)軟件仿真實(shí)驗(yàn)基于Proteus+Keil RealViewMDK硬件實(shí)驗(yàn)基于英貝特ARM實(shí)驗(yàn)箱2008年2月19日7南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系學(xué)習(xí)

3、成績(jī)?cè)u(píng)定實(shí)驗(yàn)課成績(jī)占20%考勤占10%不定期抽查期末考試成績(jī)占70%2008年2月19日8南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.1 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2008年2月19日10南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系民用嵌入式設(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2008年2月19日12南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系蘋果公司的媒體播放器和手機(jī)iPO

4、D和iPHONE2008年2月19日14南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式產(chǎn)品電子書閱讀器飛利浦Readius 亞馬遜Kindle2008年2月19日15南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-12008年2月19日16南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-22008年2月19日17南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)-32008年2月19日18南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系富士數(shù)碼相機(jī)FinePix F460富士公司2006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2008年2月1

5、9日20南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系富士數(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)提供圖像處理所需的工作內(nèi)存2008年2月19日21南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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2002年型林肯黑木(Blackwood)汽車2008年2月19日23南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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

6、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.2008年2月19日24南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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)2008年2月19日26南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系專家觀點(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

7、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)。2008年2月19日27南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系專家觀點(diǎn)（2）要想成功地設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，就必須尋找或開發(fā)一個(gè)合適的軟件和硬件平臺(tái)。電子工程專輯()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)。2008年2月19日28南京大學(xué)計(jì)算機(jī)

8、系參考資料微軟公司的網(wǎng)頁(yè)2008年2月19日30南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系參考解釋（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 microprocessor board with the programs stored in ROM. Virtually all appliances that have a digital interface

9、 - 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. 2008年2月19日31南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)電話信息家電視聽設(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

10、交通管理嵌入式系統(tǒng)2008年2月19日32南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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2008年2月19日33南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系汽車上嵌入式系統(tǒng)的裝備情況據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1989年至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)。2008年2月1

11、9日34南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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。2008年2月19日35南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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。2008年2月19日36南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系汽車嵌

12、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）。2008年2月19日37南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系汽車電子系統(tǒng)模塊的布局2008年2月19日38南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系汽車電子應(yīng)用：主被動(dòng)集成方案Active Passive Integration App

13、roach 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)鞲衅鳌?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。2008年2月19日39南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.2 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)2008年2月19日40南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系從4個(gè)方面考察嵌入式系統(tǒng)歷史可從4個(gè)方面考察

14、嵌入式系統(tǒng)的歷史硬件軟件代表產(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)。2008年2月19日41南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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TMS320C302008年2月19日42南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系軍用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展第

15、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-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2008年2月19日43南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系軍用嵌入式計(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+ miRMX III2008年2月19日44南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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

16、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2008年2月19日45南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)況1981年Ready System開發(fā)了世界上第1個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（VRTX32），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Pal

17、m 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)。2008年2月19日46南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.3 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)需要專用的開發(fā)工具非壟斷市場(chǎng)2008年2月19日47南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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

18、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）2008年2月19日48南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.4 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 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)2008年2月19日49南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.4.1 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

19、 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。2008年2月19日50南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.4.2 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2008年2月19日51南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.5 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）。

20、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。2008年2月19日52南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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2008年2月19日53南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系典型嵌入式系統(tǒng)硬件組成（1）2008年2月19日54南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系典型嵌入式系統(tǒng)硬件組成（2）2008年2月19日55南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(tǒng)的軟件基本構(gòu)成2008年2月19日56南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系基

21、于VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次結(jié)構(gòu)2008年2月19日57南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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)2008年2月19日58南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.5.1 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)2008年2月19日59南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.5.2 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

22、板嵌入式系統(tǒng)Single-Board Embedded System多板嵌入式系統(tǒng)Multi-Board Embedded System2008年2月19日60南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系高端嵌入式產(chǎn)品中各種CPU所占市場(chǎng)份額2008年2月19日61南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(tǒng)開發(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 Emulator2008年2月19日62南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(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

23、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)： SoC2008年2月19日63南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.6 嵌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2008年2月19日64南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系通用型嵌入式微處理器英文全稱General Purpose Em

24、bedded 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)PU2008年2月19日65南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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

25、方面采取各種措施。2008年2月19日66南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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、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、MC68HC05/11/1

26、2/16、68300等。2008年2月19日67南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系數(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。 2008年2月

27、19日68南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系片上系統(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)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

28、的FPGA及EDA公司都分別推出了SoPC系統(tǒng)解決方案。 2008年2月19日69南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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)。2008年2月19日70南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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)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

29、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。2008年2月19日71南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系Blackfin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)議棧和控制任務(wù)，讓Core B運(yùn)行信號(hào)處理的RISC/DSP任務(wù)。20

30、08年2月19日72南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系BF561處理器的第1種工作模式2008年2月19日73南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系BF561處理器的第2種工作模式2008年2月19日74南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系1.7 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)196019701980199020002010年代11/100100每人使用計(jì)算機(jī)數(shù)量時(shí)代特點(diǎn)2020MFPCCE2008年2月19日75南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系如何描述當(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？P

31、ervasive Computing無(wú)所不在的計(jì)算時(shí)代？Ubiquitous Computing2008年2月19日76南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系后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) 1999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1999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。2008年2月

32、19日77南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系計(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VLSILSIMSISoC2008年2月19日78南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系嵌入式產(chǎn)品和臺(tái)式計(jì)算機(jī)處理器芯片使用量比較2008年2月19日79南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系后PC時(shí)代的新秀-信息電器信息電器 (Information Appliance，IA)1998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, ima

33、ges, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information among themselves.2008年2月19日80南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系后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)值研究和開發(fā)方向社會(huì)物質(zhì)和精神需要人才需

34、求2008年2月19日81南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系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？2008年2月19日82南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系普適計(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。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)備實(shí)現(xiàn)。包括：如掌上電腦、BP機(jī)、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)）等新一代智能設(shè)備。普適計(jì)算設(shè)備可以一直或間斷地連接著

35、網(wǎng)絡(luò)。與Internet、Intranet及Extranet連接，使用戶能夠隨時(shí)隨地獲取相關(guān)的各種信息，并做出回應(yīng)。2008年2月19日83南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系無(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2008年2月19日84南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系普適計(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。 1999年，IBM正式提出普適計(jì)算的概念。 同年，召開第一屆Ubicomp國(guó)際會(huì)議。 /2000年，第一屆Pervasive Computing國(guó)際會(huì)議。 2002年，IEEE Pervasive Computing期刊創(chuàng)刊。2008年2月19日85南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系普適計(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)2008年2月19日86南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系普適計(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