嵌入式系統(tǒng)講義

嵌入式系統(tǒng)講義第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室21.1引言從幼苗茁壯成長到參天大樹經(jīng)過三十多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)從最開始的涓涓細流，發(fā)展壯大成了目前數(shù)量最多，使用范圍最廣的電子信息系統(tǒng)在人們的日常生活中，嵌入式設(shè)備幾乎隨處可見，已經(jīng)成為生活的重要組成部分雖然數(shù)量眾多，但卻不為人所知嵌入式系統(tǒng)一般隱藏在產(chǎn)品中在使用過程中主要完成無形的信息處理，用戶不容易感知到它的存在第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室31.2嵌入式系統(tǒng)的定義計算機分類從通用性角度來分類：通用計算機和嵌入式計算機通用計算機系統(tǒng)巨型機、大型機、小型機、微型機服務(wù)器、工作站、臺式機、筆記本計算機嵌入式系統(tǒng)坦克、導(dǎo)彈、飛機、軍艦、雷達DVD機、電視機、微波爐、洗衣機、電冰箱、熱水器手機、MP3播放器、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、機頂盒鍵盤、鼠標、閃存盤、CD-ROM、交換機、路由器第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室41.2嵌入式系統(tǒng)的定義（續(xù)）嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(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、重量、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)簡而言之，是含有處理器的專用軟硬件系統(tǒng)具有自主的信息處理能力（信息裝備）英國電機工程師協(xié)會的定義Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants（用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置）第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室51.2嵌入式系統(tǒng)的定義（續(xù)）微機學(xué)會的定義嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計算機系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)級、模塊級、芯片級系統(tǒng)級：各種類型的工控機以標準總線互聯(lián)（背板結(jié)構(gòu)）的工控機：CPCI、PCI-ISA、VME、STD模塊級：各種類型的帶CPU的模塊嵌入式CPU模塊：PC104模塊、Biscuit板芯片級：各種以微控制器、DSP、嵌入式微處理器為核心的產(chǎn)品個性化設(shè)計第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室61.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室71.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室81.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）硬件層嵌入式處理器嵌入式微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器SoC(SystemonChip)——FPGA、ASIC存儲器系統(tǒng)ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等中斷控制器、DMAC、定時器/計數(shù)器UART、USB控制器、LCD控制器其它I/O接口CAN、Zigbee、藍牙、ECC、3DES等等第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室91.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）中間層（BSP）板級支持包（BoardSupportPackage）系統(tǒng)軟件與底層硬件隔離相關(guān)硬件的初始化數(shù)據(jù)的輸入輸出操作硬件設(shè)備的配置功能特點硬件相關(guān)性操作系統(tǒng)相關(guān)性第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室101.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）操作系統(tǒng)層嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）標準內(nèi)核（API）封裝資源——時鐘、定時器、中斷、DMA、I/O簡化軟件設(shè)計、提高軟件系統(tǒng)可靠性文件子系統(tǒng)圖形子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)其它通用模塊CAN、藍牙、Zigbee、Modbus、LIN協(xié)議棧第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室111.3嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）應(yīng)用層與應(yīng)用密切相關(guān)面向目標和用戶完成特定的功能例如星載遙感圖像處理系統(tǒng)星載合成孔徑雷達機載相控陣雷達機載相控陣雷達第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室12第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室131.4嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入專用嵌入式處理器與通用處理器的最大不同就是嵌入式處理器嵌入在針對特定應(yīng)用設(shè)計的系統(tǒng)中綜合性強嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物是一個技術(shù)密集、資金密集、知識高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)設(shè)計高效可裁剪——嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室141.4嵌入式系統(tǒng)的特點（續(xù)）程序固化軟件一般都固化在存儲器芯片或處理器本身中，這樣提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度和可靠性需要獨立的開發(fā)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)生命周期長嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用結(jié)合在一起，其升級換代一般與具體產(chǎn)品同步進行，因此具有較長的生命周期可靠性高、成本低、資源受限、功耗低等等第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室151.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢20世紀70年代單片機出現(xiàn)1975年TI推出了第一片4位單片機——TMS-10001976年Intel：8048——>8051（8位）20世紀90年代ARM（1991年，32位）ARM7系列、ARM9系列ARM10E系列、ARM11系列SecurCore系列、Cortex系列PowerPC、MIPS第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室161.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢（續(xù)）20世紀80年代實時操作系統(tǒng)出現(xiàn)1981年，ReadySystem:VRTX32WindRiver:VxWorks實時性強、可靠性高20世紀90年代實時多任務(wù)操作系統(tǒng)WindRiver:VxWorksMicrosoft:WinCE友好的圖形界面第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室171.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢（續(xù)）市場巨大、發(fā)展迅速、前景廣闊產(chǎn)品種類不斷豐富，應(yīng)用范圍不斷普及性能不斷提高核心處理芯片位數(shù)更高多種媒體處理能力的匯聚功耗不斷降低，體積不斷縮小軟件成為影響價格的主要因素硬件模塊化、標準化軟件越來越復(fù)雜NvidiaIon平臺（離子平臺）Ion=ATOM+Geforce9400M54GFLOPS、14W第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室181.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢（續(xù)）程序設(shè)計語言匯編語言——〉C語言——〉C++語言優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)環(huán)境——完善、友好的工具鏈項目管理、編輯、編譯、調(diào)試、下載硬件開發(fā)環(huán)境開發(fā)板、仿真器、萬用電表、示波器、邏輯分析儀嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程硬件、軟件、開發(fā)環(huán)境集成化、一體化網(wǎng)絡(luò)化、圖形化、多媒體化第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室19固件設(shè)計語言選用情況美國版EETimes子網(wǎng)站EmbeddedSystemsDesign十三年來針對嵌入式軟件所應(yīng)用之設(shè)計語言的調(diào)查統(tǒng)計表第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室201.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軍事應(yīng)用航空航天工業(yè)控制機器人儀器儀表辦公設(shè)備家用電器消費電子…………機載合成孔徑雷達第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室21坦克自行加榴炮步兵戰(zhàn)車第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室22第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室23戰(zhàn)斗機防空導(dǎo)彈轟炸機第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室24神舟六號第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室25火星一無所有的荒漠

“索杰納”６輪探測車“火星探路者”飛船第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室26工業(yè)控制第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室27機械腳示教第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室28合成孔徑雷達實時成像多處理器波束成形XOUT=w*XIN目標檢測XOUT=|XIN|>c濾波XOUT=FIR(XIN)映射第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室29小結(jié)目的與要求掌握嵌入式系統(tǒng)的定義、體系結(jié)構(gòu)熟悉嵌入式系統(tǒng)的特點了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史、應(yīng)用、發(fā)展趨勢和實現(xiàn)重點與難點嵌入式系統(tǒng)的定義、體系結(jié)構(gòu)和特點閱讀章節(jié)：第1.1～1.6節(jié)作業(yè)：補充作業(yè)第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室30補充作業(yè)1什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)主要的特點是什么？2列舉出一些你所知道的嵌入式系統(tǒng)，分析一下它們的特點。第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室31補充讀物工控機（IPC）工業(yè)控制計算機指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設(shè)備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機。符合一定的技術(shù)、尺寸規(guī)范，由專業(yè)廠家生產(chǎn)基于背板（底板，BackPlane）結(jié)構(gòu)與商用及個人機比較工控機的特點是強大的過程輸入輸出能力，高可靠性與實時性類似之處：普通微處理器、EmbeddedWin2000/XP、EmbeddedLinux、普通硬盤第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室32PISA總線型背板結(jié)構(gòu)PISA，包含PCI、ISA總線的半長卡特點可用于對空間要求極高的應(yīng)用中（半長卡）在PISA系統(tǒng)中可運行舊的ISA卡（升級）PCI總線導(dǎo)線的長度減少了一部分，減少了電磁容量發(fā)散/再發(fā)散的問題第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室33基于PISA總線無源背板結(jié)構(gòu)工控機第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室34CompactPCI背板結(jié)構(gòu)CompactPCI總線PCI總線的電氣規(guī)范

標準針孔連接器（IEC-1076-4-101）歐洲卡規(guī)范（IEC297/IEEE1011.1）

特點使用工業(yè)標準、牢固的歐卡規(guī)格支持熱插拔、熱切換、多處理器能力CompactPCI最多可支持八個板

PCI總線母板只能擴充到三個或四個板第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室35CPCI連接器以太網(wǎng)卡第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2023/3/15?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室36基于CompactPCI總線的星載計算機CustomCommercialOpencPCIChassisFlight-likeCOTSDPnodesFlight-likeMassMemoryModuleBackplaneEthernetExtenderCardsSystemController(flightRHSBC)NMPST8DependableMultiprocessor(DM)第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟以自頂向下的角度來看，系統(tǒng)設(shè)計從系統(tǒng)需求分析開始；第二步是規(guī)格說明，在這一步我們對需設(shè)計的系統(tǒng)功能進行更細致地描述，這些描述并不涉及系統(tǒng)的組成；第三步是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在這一階段以大的構(gòu)件為單位設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部詳細構(gòu)造，明確軟、硬件功能的劃分；第四步是構(gòu)件設(shè)計，它包括系統(tǒng)程序模塊設(shè)計、專用硬件芯片選擇及硬件電路設(shè)計；第五步是系統(tǒng)集成，在完成了所有構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)集成，構(gòu)造出所需的完整系統(tǒng)。

需求分析規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)件設(shè)計系統(tǒng)調(diào)試與集成第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日需求分析與規(guī)格說明在設(shè)計之前，我們必須清楚要設(shè)計什么。在設(shè)計的最初階段，我們應(yīng)從客戶那里收集系統(tǒng)功能的非形式描述，在此稱其為需求；對需求進行提煉，以得到系統(tǒng)的規(guī)格說明，規(guī)格說明中應(yīng)包含我們進行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的足夠信息。在此把需求和規(guī)格說明區(qū)分開是必要的，因為嵌入式系統(tǒng)的用戶不是專業(yè)人員，他們對系統(tǒng)的描述是建立在他們想象的、系統(tǒng)應(yīng)具備的功能基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)可能有些不切實際的期望，表達要求時使用自己的話而不是專業(yè)術(shù)語。因而，必須將用戶的描述轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)計者的描述，從用戶的需求中整理形成正式的規(guī)格說明。第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日用戶需求的格式用戶需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要指：性能、價格、尺寸和重量、功耗等。右邊表是一個在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段使用的需求說明表格樣本，該表格用簡練、清晰的語句描述系統(tǒng)的基本需求。項目說明名稱目的輸入輸出功能性能生產(chǎn)成本功耗尺寸和重量第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日GPS移動地圖系統(tǒng):示例項目說明名稱GPS移動地圖目的為司機等用戶提供圖形狀的移動地圖輸入一個電源開關(guān)、兩個操作按鈕、GPS信號輸入輸出LCD顯示器，分辨率為400×600功能可接5種GPS接收器；三種用戶可選的地圖比例；總是顯示當前經(jīng)緯度性能0.25秒內(nèi)即可更新一次屏幕，常溫下工作生產(chǎn)成本1500元（人民幣）功耗四節(jié)電池供電應(yīng)連續(xù)工作8小時，功耗約100mW尺寸和重量尺寸不大于20cm×30cm，重量不大于0.25公斤GPS移動地圖是一種手持設(shè)備，該設(shè)備為用戶（如汽車駕駛員）顯示他當前所處位置周圍的地圖；顯示的地圖內(nèi)容應(yīng)隨用戶以及該設(shè)備所處位置的改變而改變。該設(shè)備從GPS上得到其位置信息，移動地圖的顯示看起來應(yīng)類似紙張上的地圖。針對用戶的初步要求，我們編寫出如右表所示的系統(tǒng)需求表。第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日描述規(guī)格說明的工具規(guī)格說明應(yīng)更精確地反映用戶的需求，它是設(shè)計者在設(shè)計時必須明確遵循的要求。規(guī)格說明應(yīng)小心編寫，描述應(yīng)足夠清晰，不能有歧義，以便別人可以通過它來驗證設(shè)計是否達到要求。規(guī)格說明中通常只描述系統(tǒng)應(yīng)做什么，而不描述系統(tǒng)該怎么做。描述規(guī)格說明的工具可采用統(tǒng)一建模語言（UML）。UML語言是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，它是軟件工程課程中詳細講解的內(nèi)容。第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日體系結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，它是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個計劃。右圖以框圖的形式描述了GPS移動地圖的體系結(jié)構(gòu)，圖中展示了移動地圖的主要操作和其間的數(shù)據(jù)流。框圖仍很抽象，還沒有規(guī)定軟件完成什么，專用硬件完成什么，等等。但該圖還是清楚地描述了許多功能，如需搜索地形圖數(shù)據(jù)庫、需顯示地圖、需接收GPS信號等。GPS接收器信號搜索引擎顯示控制顯示器數(shù)據(jù)庫用戶接口第四十二頁，共四十六頁，2022年，8月2