嵌入式系統(tǒng)概念

嵌入式系統(tǒng)概念第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》前言 在信息化社會中，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到我們生活的每一個角落。 本章作為本書的開篇，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)學(xué)習(xí)方法。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.1系統(tǒng) 系統(tǒng)是一種根據(jù)固定的計(jì)劃、程序或者規(guī)則進(jìn)行工作、組織或者執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)的方式。系統(tǒng)也是一種工作安排方法，其所有單元能夠按照一定的計(jì)劃或者程序裝配在一起，共同完成工作任務(wù)。第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)

《ComputersasComponents——PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesign》一書中指出：什么是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)？如果不嚴(yán)格地定義，它是任何一個包含可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是它本身卻不是一個通用計(jì)算機(jī)。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)

《EmbeddedMicrocontrollers》一書作者認(rèn)為：嵌入式系統(tǒng)是一種電子系統(tǒng)，它包含微處理器或者微控制器，但是我們不認(rèn)為它們是計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)隱藏或者嵌入在系統(tǒng)中。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng) 英國電機(jī)工程師協(xié)會定義：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助某個設(shè)備、機(jī)器甚至工廠運(yùn)行的設(shè)備。它具備4個特征：①用來執(zhí)行特定的功能；②以微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備構(gòu)成核心；③具有嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定度；④全自動操作循環(huán)工作。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng) 還可以用以下文字總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的概念：嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱為計(jì)算機(jī)的設(shè)備，它以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和硬件于一體，類似于PC中BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。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，它是可獨(dú)立工作的“機(jī)器”或“器件”。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)

圖1.1嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類小型嵌入式系統(tǒng)小型嵌入式系統(tǒng)采用一個8位或者16位的微控制器設(shè)計(jì)；硬件和軟件復(fù)雜度小，需要進(jìn)行板級設(shè)計(jì)。為這些系統(tǒng)開發(fā)嵌入式軟件時(shí)，主要的編程工具是所使用的微控制器或者微處理器專用的編輯器、匯編器和交叉匯編器等，通常利用C語言開發(fā)這些系統(tǒng)的軟件。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)中型嵌入式系統(tǒng)采用一個16位或者32位的微控制器、數(shù)字信號處理器（DSP）或者精簡指令集（RISC）計(jì)算機(jī)等設(shè)計(jì)，硬件和軟件復(fù)雜度都比較大。對于復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，可以使用如下的編程工具：RTOS、源代碼設(shè)計(jì)工具、模擬器、調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等，軟件工具往往還提供了硬件復(fù)雜性的解決和分析方法。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.1嵌入式系統(tǒng)1.1.3嵌入式系統(tǒng)的分類復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都非常復(fù)雜，需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列（如FPGA、CPLD等器件）。它們用于邊緣應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，并且都集成到最終的系統(tǒng)中，然而它們又受到硬件單元所提供的處理速度、存儲器等資源的限制。為了解決時(shí)間問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，可以在硬件中實(shí)現(xiàn)一部分軟件功能，例如加密和解密算法、TCP/IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序等功能。當(dāng)然，系統(tǒng)中某些硬件資源的功能模塊同樣也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。這些系統(tǒng)的開發(fā)工具一般十分昂貴，有時(shí)還需要為這些系統(tǒng)開發(fā)編譯器或者重定目標(biāo)的編譯器等。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.2嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備4個特點(diǎn)：對實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度；具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能夠迅速地?cái)U(kuò)展?jié)M足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器；嵌入式微處理器的功耗要求必須很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計(jì)算和通信設(shè)備，對于靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗往往為mW甚至mW級。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.2嵌入式系統(tǒng)硬件1.2.1嵌入式微處理器微處理器是一個集中取址和處理一組通用指令的單元。任何一個CPU必須包括一個控制單元和一個ALU單元。而嵌入式微處理器采用的是“增強(qiáng)型”通用微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器高。根據(jù)實(shí)際嵌入式應(yīng)用要求，將嵌入式微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的主板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的主板功能，這樣可以大幅度地減小系統(tǒng)的體積和功耗。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但在其電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、必要的外設(shè)等器件。由嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等器件安裝在一塊電路主板上而構(gòu)成的系統(tǒng)，就是通常所說的單板機(jī)系統(tǒng)。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.2嵌入式系統(tǒng)硬件1.2.2嵌入式微控制器嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能部件和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，對功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁減定制，使得一個系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都相同，主要的不同在于存儲器、外設(shè)的配置和功能的設(shè)置等方面。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少整個系統(tǒng)的功耗和成本。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.2嵌入式系統(tǒng)硬件1.2.3嵌入式DSP處理器在數(shù)字信號處理應(yīng)用中，各種數(shù)字信號處理算法往往相當(dāng)復(fù)雜，一般結(jié)構(gòu)的處理器無法實(shí)時(shí)地完成這些運(yùn)算功能。由于DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，使其特別適合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理。在數(shù)字濾波、FFT（快速傅里葉變換）、譜分析等方面，DSP算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正逐步從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩類：①DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC（電磁兼容性）改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；②在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon的TriCore系列。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.2嵌入式系統(tǒng)硬件1.2.3嵌入式片上系統(tǒng)隨著EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）的推廣和大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegratedCircuit，VLSI）設(shè)計(jì)的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上集成實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了SOC技術(shù)。各種通用處理器內(nèi)核可以作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，而嵌入式系統(tǒng)外設(shè)也成為了VLSI設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、Verilog等硬件語言描述保存在器件庫中，供用戶設(shè)計(jì)選擇使用。用戶根據(jù)需求定義應(yīng)用系統(tǒng)，通過開發(fā)工具仿真、調(diào)試、驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的應(yīng)用系統(tǒng)后，就可以將設(shè)計(jì)文檔等資料提交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除某些無法集成的功能器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)均可集成到一塊或幾塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)將變得越來越簡潔，這對于減小整個應(yīng)用系統(tǒng)的體積和功耗、提高可靠性等方面都非常有利。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.3嵌入式系統(tǒng)軟件軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一部分，是嵌入式系統(tǒng)的核心。嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)給定系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，處理器執(zhí)行指令代碼和處理數(shù)據(jù)，有效、準(zhǔn)確地完成指定工作任務(wù)。在設(shè)計(jì)的最后階段，這些指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)被放置到存儲器中，用于執(zhí)行完成相應(yīng)的工作。目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)都會使用高級語言，例如C、C++和JAVA等，其中C語言選用得最多。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.4嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的重要組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從復(fù)雜的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有更為突出的特點(diǎn)。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.4嵌入式操作系統(tǒng)1.4.1嵌入式操作系統(tǒng)的種類一般情況下，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一類是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這類產(chǎn)品包括個人數(shù)字助理（PDA）、移動電話、機(jī)頂盒、電子書、WebPhone等。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.4嵌入式操作系統(tǒng)1.4.2嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段。第一階段是無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四HCS12的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》