物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論 -課件 第5章 嵌入式系統(tǒng)與智能硬件

物聯(lián)網(wǎng)

技術(shù)導(dǎo)論數(shù)字經(jīng)濟(jì)系列教材第5章

嵌入式系統(tǒng)與智能硬件物聯(lián)網(wǎng)

技術(shù)導(dǎo)論015.1嵌入式系統(tǒng)025.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件目錄CONTENTS5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)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。嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，面向特定應(yīng)用，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)。5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)面向特定應(yīng)用多學(xué)科交叉融合固化、可靠的軟件需要開發(fā)工具和環(huán)境5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式算法階段第一階段030102以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的階段第二階段以通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為標(biāo)志的階段第三階段04基于網(wǎng)絡(luò)操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段第四階段5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式硬件體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)硬件層圖中給出了嵌入式硬件結(jié)構(gòu)模型的基本模塊，具體的嵌入式設(shè)備并不是包含所有的電路和接口。嵌入式系統(tǒng)的硬件要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇或剪裁，以便降低產(chǎn)品的成本和功耗。5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)硬件抽象層它在操作系統(tǒng)與硬件電路之間提供軟件接口，用于將硬件抽象化，也就是說(shuō)用戶可以通過(guò)程序來(lái)控制處理器、I/O接口和存儲(chǔ)器等硬件，從而使上層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與下層的硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，提高了上層軟件系統(tǒng)的可移植性。系統(tǒng)軟件層對(duì)于裝載有嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）的嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件層自然就是EOS。在EOS中包含有圖形用戶界面、文件存儲(chǔ)系統(tǒng)等多種系統(tǒng)層的軟件支持接口。EOS是嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，它是保存在非易失性存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)軟件，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在EOS之上。應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件層是嵌入式系統(tǒng)為解決各種具體應(yīng)用而開發(fā)出的軟件，如便攜式移動(dòng)設(shè)備上面的電量監(jiān)控程序、繪圖程序等。5.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)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)的重要組成部分，EOS具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，并且把硬件虛擬化。特點(diǎn)可裝卸性、開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。強(qiáng)實(shí)時(shí)性。統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形用戶界面，追求易學(xué)、易用。提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交換性。固化代碼。更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。嵌入式操作系統(tǒng)5.1嵌入式系統(tǒng)早期的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備很簡(jiǎn)單，軟件的編程和調(diào)試工具也很原始，與硬件系統(tǒng)配套的軟件都必須從頭編寫。在20世紀(jì)70年代的后期，出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。在80年代末，市場(chǎng)上出現(xiàn)了幾個(gè)著名的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，包括Vxwork、Neculeus、QNX和WindowsCE等。WindowsCE

PalmOSQNXHopenOSVxWorks目前，國(guó)外EOS已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟，國(guó)內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有兩種類型，一類是基于國(guó)外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的，另一類是中國(guó)自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展...LinuxLinux是一套以UNIX為基礎(chǔ)發(fā)展而成的操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。Linux的兩大特點(diǎn)是與硬件芯片緊密結(jié)合和代碼的開放性。5.1嵌入式系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-IIμC/OS-II是一個(gè)可裁剪、源代碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS），主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。VxWorksVxWorks以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)以及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國(guó)的F-16戰(zhàn)斗機(jī)、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)和愛國(guó)者導(dǎo)彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測(cè)器上都使用了VxWorks。5.1嵌入式系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOSFreeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。IOSIOS是由蘋果公司為智能便攜式設(shè)備開發(fā)的操作系統(tǒng)，主要用于iPhone手機(jī)和iPad平板計(jì)算機(jī)等。IOS源于蘋果計(jì)算機(jī)的MacOSX操作系統(tǒng)，它們都以Darwin為基礎(chǔ)。IOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個(gè)層次，即核心操作系統(tǒng)層、核心服務(wù)層、媒體層和可輕觸層。5.1嵌入式系統(tǒng)典型的嵌入式操作系統(tǒng)AndroidAndroid是基于Linux內(nèi)核的開源嵌入式操作系統(tǒng)。Android系統(tǒng)形成一個(gè)軟件棧，其軟件系統(tǒng)主要分為操作系統(tǒng)核心、中間層和應(yīng)用程序三層。具體來(lái)說(shuō)，Android體系結(jié)構(gòu)從底層向上主要分為內(nèi)核、實(shí)時(shí)運(yùn)行庫(kù)、支持庫(kù)、應(yīng)用程序框架和應(yīng)用程序5個(gè)部分。5.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)完善、智能算法迭代升級(jí)、應(yīng)用服務(wù)市場(chǎng)的不斷成熟，智能硬件行業(yè)正在以智能手機(jī)為核心向智能家居、智能車載、智能可穿戴、健康醫(yī)療、無(wú)人機(jī)等新興領(lǐng)域不斷拓展。智能硬件的概念智能硬件主要指以人機(jī)交互、設(shè)備傳感互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為特征的智能終端產(chǎn)品與服務(wù)。5.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件智能硬件平臺(tái)CPU屏幕攝像頭蘋果A系列高通驍龍系列華為麒麟系列聯(lián)發(fā)科天璣系列TFT-LCDOLED...CCDCMOS.........智能手機(jī)硬件拆分圖5.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件智能硬件的人機(jī)交互技術(shù)虛擬鍵盤虛擬人機(jī)交互是很有發(fā)展前景的一種人機(jī)交互方式，而虛擬鍵盤(VirtualKeyboad，VK)技術(shù)很好地體現(xiàn)出虛擬交互技術(shù)的設(shè)計(jì)思想。MIT研究人員將虛擬鍵盤的研究目標(biāo)確定為：像利用人類的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺一樣地利用計(jì)算機(jī)，以一種第六感的方式去獲取信息。這個(gè)可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件控制的特殊功能的顏色標(biāo)志物（colormarker）、數(shù)字相機(jī)和投影儀組成，硬件設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。5.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件智能硬件的人機(jī)交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)是要從真實(shí)的社會(huì)環(huán)境中采集必要的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，模擬生成符合人們心智認(rèn)識(shí)的、逼真的、新的虛擬環(huán)境，對(duì)使用者提供視覺、聽覺等感官的模擬，從而讓使用者如同身臨其境一般，可以實(shí)時(shí)、不受限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，并且能夠虛擬與虛擬世界的對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)的特征沉浸感交互性想象力5.2物聯(lián)網(wǎng)智能硬件桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)示意圖沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)示意圖分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用示意圖智能硬件的人機(jī)交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的分類桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸式慮擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)