嵌入式系統(tǒng)課件1-概述

Embeddedcomputing

嵌入式計算陳天洲tzchen@參考書嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計原理，computersascomponents,principlesofembeddedcomputingsystemdesign,waynewolf,機(jī)械工業(yè)出版社，2002ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)，馬忠梅等，北航出版社，2002嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado，孔祥營等，中國電力出版社，2002第一課，嵌入式系統(tǒng)概述1、什么是嵌入式系統(tǒng)2、嵌入式系統(tǒng)組成3、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用4、1、什么是嵌入式系統(tǒng)Embeddedsystem個人電腦≠嵌入式系統(tǒng)計算機(jī)工業(yè)的分類以往計算機(jī)分類：大型計算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微計算機(jī)目前計算機(jī)分類：超級計算機(jī)，大型計算機(jī)、工作站、微計算機(jī)、亞微計算機(jī)亞微計算機(jī)(嵌入式計算機(jī))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)中歷史電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的歷史幾乎電腦自身的歷史一樣長計算機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)掀起電子化浪潮微處理器高速發(fā)展推動了嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)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Web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＝現(xiàn)代可移動的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備后PC技術(shù)的時代小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，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)是這個后PC時代的擎天之柱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，預(yù)計2005年，銷售額將達(dá)18000億美元。嵌入式簡單定義嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中?？梢哉J(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)狹義定義使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)微處理器專指32位以上的微處理器嵌入式系統(tǒng)的定義以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)

2、嵌入式計算機(jī)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機(jī)一臺通用計算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、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、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

經(jīng)典應(yīng)用CISCO的路由器華為、中興的以太網(wǎng)交換機(jī)恒基偉業(yè)的商務(wù)通PDA；摩托羅拉的手機(jī)美國宇航局的火星探測器Sony的機(jī)器狗AIBO嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（一）

家用市場機(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

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，移動電話等工業(yè)市場

制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護(hù)和測試的工具，石油提煉和相關(guān)的貯運(yùn)設(shè)施，建筑設(shè)備，計算機(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)和金融市場自動柜員機(jī)，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域（二）辦公市場

電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復(fù)印機(jī)，計時系統(tǒng)，照相機(jī)和攝象機(jī)運(yùn)輸市場

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)系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，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)，電子保險柜，警鈴等醫(yī)療市場心臟除顫器，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)等軍事武器控制嵌入式系統(tǒng)熱點應(yīng)用信息家電車載系統(tǒng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械信息家電應(yīng)用特點市場巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機(jī)界面友好網(wǎng)絡(luò)化車載系統(tǒng)應(yīng)用特點與汽車工業(yè)相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求軍事工業(yè)應(yīng)用特點市場壟斷性強(qiáng)高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求布不高軍事工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用特點市場廣闊，進(jìn)入門檻較高利潤極高3、嵌入式系統(tǒng)的基本組成

嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、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立工作的“器件”交叉學(xué)科先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)電子技術(shù)各個行業(yè)面向具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品特征

硬件：嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面嵌入式軟件生命周期＝嵌入式產(chǎn)品軟件以只讀存儲器為載體不可以隨意更換嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件

品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半嵌入式系統(tǒng)硬件主流32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)嵌入式計算機(jī)內(nèi)核分類

嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

嵌入式微處理器(EMPU)

通用計算機(jī)中的CPU專門設(shè)計的電路板

只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能

增強(qiáng)工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計算機(jī)相似嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(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/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)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降、可靠性提高。

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。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、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。

嵌入式DSP處理器(EDSP)DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)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。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)中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320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。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)

整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。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SmartXA嵌入式系統(tǒng)軟件的特征

(1)軟件要求固態(tài)化存儲

(2)軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性

(3)系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求

(4)多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)

嵌入式軟件主流VxWorks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。Os-9是主要為高科技產(chǎn)品設(shè)計的，提高了很好的安全和容錯性，并且有很好的升級能力和靈活性。