《嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計》教學(xué)課件-嵌入式系統(tǒng)講義8-27

2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室1主要內(nèi)容8.1引言8.2Bootloader設(shè)計8.3嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計8.4嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計8.5嵌入式系統(tǒng)分析與優(yōu)化8.6實例2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室2本講簡要說明目的與要求掌握可靠性設(shè)計的基本概念和基本方法；熟悉Bootloader設(shè)計的基本思想；了解Bootloader設(shè)計授課重點Bootloader設(shè)計的基本思想可靠性設(shè)計的基本概念和基本方法授課難點Bootloader設(shè)計閱讀章節(jié)：第節(jié)作業(yè)：無2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室38.1引言嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的問題計算機軟硬件知識電路分析、電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計算機原理匯編/C/C++、操作系統(tǒng)、編譯原理、軟件工程專業(yè)領(lǐng)域知識MP3：MP3解碼算法手機：信號處理、通信工程嫦娥一號：衛(wèi)星平臺+探測設(shè)備工程經(jīng)驗積累發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室48.2Bootloader設(shè)計啟動引導(dǎo)程序是在嵌入式操作系統(tǒng)啟動前首先運行的一小段程序初始化加載和運行內(nèi)核程序特點獨立性（因處理器不同而不同）體積?。∟ORFlash存放）功能多（初始化、下載、調(diào)試等）2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室58.2Bootloader設(shè)計（續(xù)）大多數(shù)Bootloader有兩種工作模式啟動加載模式——正常工作模式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的映像文件壓縮存放在“電子磁盤”中啟動后通過Bootloader解壓縮到SDRAM中執(zhí)行下載開發(fā)模式系統(tǒng)開發(fā)時使用的一種模式，方便下載程序通過Bootloader建立工作環(huán)境（命令控制臺）操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的映像文件由主機通過接口送往Bootloader再存放到SDRAM中執(zhí)行2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室68.2Bootloader設(shè)計（續(xù)）Bootloader的功能初始化硬件，特別是存儲器控制器初始化操作系統(tǒng)的運行環(huán)境啟動加載模式解壓縮操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件到目標板RAM存儲器啟動操作系統(tǒng)，移交控制權(quán)下載開發(fā)模式通過串口或者以太網(wǎng)口下載新的二進制映像文件（操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序）到目標板RAM存儲器提供調(diào)試功能2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室78.2Bootloader設(shè)計（續(xù)）Bootloader的組成由匯編語言書寫的啟動代碼為后續(xù)代碼建立環(huán)境由高級語言C/C++書寫的簡單應(yīng)用程序TFTP客戶端命令解釋程序2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室88.2Bootloader設(shè)計（續(xù)）一般的啟動代碼執(zhí)行過程禁止所有中斷從ROM區(qū)復(fù)制已經(jīng)初始化的數(shù)據(jù)（data區(qū)數(shù)據(jù)）到指定的RAM區(qū)將未初始化的數(shù)據(jù)區(qū)清零給Stack區(qū)分配空間并初始化初始化處理器的堆棧指針創(chuàng)建和初始化堆區(qū)（Heap）執(zhí)行高級語言的初始化程序主函數(shù)main2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室98.2Bootloader設(shè)計（續(xù)）Bootloader的C語言部分初始化一個串口，以便和Host終端用戶交互決定是直接引導(dǎo)操作系統(tǒng)還是進入下載開發(fā)模式初始化網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)信息配置如果有LCD，則初始化LCD初始化Flash、檢測Flash芯片初始化中斷：禁止中斷、清中斷標志、初始化中斷向量表、注冊中斷服務(wù)程序初始化命令控制臺，等待用戶命令2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室102023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室118.3嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計1、概述2、元器件的可靠性3、電磁兼容性設(shè)計4、軟件可靠性設(shè)計5、系統(tǒng)級的可靠性設(shè)計6、故障檢測技術(shù)2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室121、概述嵌入式系統(tǒng)通常被應(yīng)用到惡劣的工作環(huán)境中高/低溫、高濕、強烈震動、電磁干擾是投入實用化的一個必然設(shè)計要求基本思想構(gòu)造一個正常的工作環(huán)境容錯、補救措施可靠性的定義產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室131、概述（續(xù)）可靠性的性能指標可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R失效率（故障率）是工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，一般記為λ平均無故障間隔時間MTBF平均修復(fù)時間MTTR2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室142、元器件的可靠性常用電子元器件的選擇電阻器的選擇與使用電容器的選擇與使用電感器的選擇與使用半導(dǎo)體分立器件的選擇與使用數(shù)字集成電路的選擇與使用模擬集成電路的選擇與使用2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室152、元器件的可靠性（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計中電子元器件可靠性措施元器件的選擇元器件的老化元器件的篩選降額使用容差與漂移設(shè)計（魯棒設(shè)計Robust）人為因素2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室163、電磁兼容性設(shè)計電磁兼容性EMC——ElectroMagneticCompatibility是指電子產(chǎn)品能在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作，并不對該環(huán)境中其他產(chǎn)品產(chǎn)生過量的電磁干擾（EMI）抗外界的干擾——要求產(chǎn)品對外界的電磁干擾具有一定的承受能力對外界的干擾——要求產(chǎn)品在正常運行過程中，該產(chǎn)品對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限度2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室173、電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）電源電路的抗干擾措施電源中的干擾來源電源中的抗干擾措施設(shè)計抗干擾性能好的電路數(shù)字電路部分模擬電路部分克服信號傳輸過程中的干擾減少串（差）模干擾減少共模干擾2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室183、電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）接地信號地——模擬地、數(shù)字地、功率地安全地——機殼地濾波、去耦及屏蔽濾波、去耦、屏蔽靜電及其防護（ESD）靜電的產(chǎn)生靜電的危害靜電的防護2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室193、電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）PCB可靠性高速信號傳輸引起嚴重問題惡劣的工作環(huán)境更加重問題電源電路中的抗干擾措施高頻信號和器件布局布線引起的問題熱效應(yīng)信號反射、輻射、串?dāng)_2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室204、軟件可靠性設(shè)計軟件的可靠性軟件故障軟件可靠性指標軟件錯誤的來源軟件工程與管理軟件工程的開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)軟件可靠性管理2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室214、軟件可靠性設(shè)計（續(xù)）軟件的可靠性設(shè)計依據(jù)軟件工程規(guī)范要求開發(fā)軟件采用軟件濾波方法檢錯及糾錯編碼軟件容錯技術(shù)軟件可維護性及軟件可靠性模型軟件可維護性設(shè)計軟件可靠性模型2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室225、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計系統(tǒng)的可靠性模型串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型串聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效的系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型并聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元都失效時才失效的系統(tǒng)混合系統(tǒng)的可靠性模型是由串聯(lián)和并聯(lián)混合組成的系統(tǒng)2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室235、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）系統(tǒng)的可靠性模型冷備份系統(tǒng)的可靠性模型n個完全相同部件的冷備份系統(tǒng)

（待機備份系統(tǒng)），轉(zhuǎn)換開關(guān)為理想開關(guān)，只要一個部件正常，則系統(tǒng)正常表決系統(tǒng)的可靠性模型在組成系統(tǒng)的n個單元中，不失效的單元不少于k（k介于1和n之間），系統(tǒng)就不會失效的系統(tǒng)，又稱為k/n系統(tǒng)2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室245、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）可靠性的預(yù)估由一批有經(jīng)驗人員按該產(chǎn)品復(fù)雜程度與已知可靠性的產(chǎn)品類比評分給定可靠性的分配原則：技術(shù)水平、復(fù)雜程度、重要程度、任務(wù)情況方法：等分配法、再分配法、比例分配法、綜合評分分配法、動態(tài)規(guī)劃分配法可靠性設(shè)計的具體措施冗余設(shè)計抗環(huán)境影響設(shè)計2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室255、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）典型雙工系統(tǒng)雙工系統(tǒng)冗余技術(shù)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性兩個獨立子系統(tǒng)同源輸入、獨立處理、比較結(jié)果兩個獨立子系統(tǒng)同時失效的概率較小2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室262023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室276、故障檢測技術(shù)嵌入式系統(tǒng)的脫機自檢指令系統(tǒng)自檢RAM的自檢只讀存儲器ROM自檢外設(shè)及接口的自檢2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室286、故障檢測技術(shù)（續(xù)）嵌入式系統(tǒng)的在線故障檢測程序監(jiān)視器狀態(tài)反饋檢錯及糾錯編碼超時故障檢測A/D變換器的在線檢測直流電機接口的在線檢測瞬時掉電保護2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室29本講簡要說明目的與要求掌握嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的基本手段；熟悉嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的其它一些手段；了解嵌入式程序的分析與優(yōu)化以及實例授課重點嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的基本手段授課難點嵌入式程序的分析與優(yōu)化閱讀章節(jié)：第～節(jié)作業(yè)：無2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室308.4嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計1、概述2、硬件低功耗設(shè)計3、軟件低功耗設(shè)計2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室311、概述低功耗設(shè)計成為熱點電池供電——延長電池的壽命，降低用戶更換電池的周期，提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷手機、MP3、MP4、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機降低電磁干擾——系統(tǒng)的功耗越低，電磁輻射的能量越小，對其它設(shè)備造成的干擾越小安全需要——例如工業(yè)現(xiàn)場總線設(shè)備的本安（本質(zhì)安全）要求，實現(xiàn)本安要求的一個重要途徑是降低系統(tǒng)的功耗2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室321、概述（續(xù)）低功耗設(shè)計構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、器件的工藝設(shè)計器件的工藝設(shè)計主要由半導(dǎo)體器件廠家來完成嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計人員只需要關(guān)心器件的功耗指標嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的核心集中于系統(tǒng)的硬件、軟件以及它們之間的配合方面2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室331、概述（續(xù)）功耗產(chǎn)生的原因集成電路的功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分靜態(tài)功耗——當(dāng)電路狀態(tài)沒有進行翻轉(zhuǎn)時，電路的功耗屬于靜態(tài)功耗，其大小等于電路的電壓與流過的電流的乘積動態(tài)功耗——是電路翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗動態(tài)功耗Pd=V^2*f*CV為工作電壓，f為時鐘頻率，C為負載電容目前大多數(shù)電路采用CMOS工藝，靜態(tài)功耗很小，可以忽略，起主要作用的是動態(tài)功耗，因此降低功耗從降低動態(tài)功耗入手2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室342、硬件低功耗設(shè)計低功耗器件盡量選用CMOS系列電路選用低功耗的嵌入式處理器處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，消耗功率大選擇低功耗的外圍電路未用輸入端不要懸空懸空的輸入端可能存在的感應(yīng)信號造成高低電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器件的功耗很大盡量采用輸出為高的原則輸出電流小，輸入電流大2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室352、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）低功耗電路形式完成同樣的功能，電路的實現(xiàn)形式有多種例如，可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路甚至單片實現(xiàn)善于利用CPLD、FPGA構(gòu)成數(shù)字電路使用的元器件的數(shù)量越少，系統(tǒng)的功耗越低盡量使用集成度高的器件，減少電路中使用的元件的個數(shù)，減少整機的功耗2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室362、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）單電源、低電壓供電一些模擬電路如運算放大器等，供電方式有正負電源和單電源兩種雙電源供電可以提供對地輸出的信號，但電源設(shè)計復(fù)雜，功耗大高電源電壓可以提供大的動態(tài)范圍，缺點是功耗大例如低功耗運放LM324，單電源電壓當(dāng)電源電壓為15V時，功耗約為220mW當(dāng)電源電壓為10V時，功耗約為90mW當(dāng)電源電壓為5V時，功耗約為15mW2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室372、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）分區(qū)/分時供電技術(shù)一個嵌入式系統(tǒng)的所有組成部分并非時刻在工作，基于此，可采用分時/分區(qū)供電技術(shù)原理是利用“開關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時，關(guān)閉其供電電源，僅保留工作部分的電源2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室382、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）電源管理單元設(shè)計處理器全速工作時功耗最大，待機狀態(tài)時功耗比較小常見的待機方式有兩種空閑方式（idle）CPU停止工作，I/O接口電路工作通過中斷的發(fā)生退出，中斷可以由外部事件供給掉電方式（shutdown）CPU、I/O接口電路停止工作，中斷也不響應(yīng)需要進入復(fù)位才能退出掉電方式2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室392、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）智能電源設(shè)計在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)闹悄茴A(yù)測、檢測，根據(jù)需要對系統(tǒng)采取不同的供電方式，以求系統(tǒng)的功耗最低Intel公司的SpeedStep技術(shù)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的使用環(huán)境對CPU的運行速度進行合理調(diào)整如果系統(tǒng)使用外接電源，CPU將按照正常的主頻率及電壓運行當(dāng)檢測到系統(tǒng)為電池供電時，軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運行2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室402、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）降低或動態(tài)改變處理器的時鐘頻率處理器的工作頻率和功耗的關(guān)系很大，頻率越高，功耗越高例如：時鐘頻率32kHz、3V工作電壓時，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列單片機的典型工作電流只有15μA在許多低功耗的場合，采用低速晶振實現(xiàn)低功耗非常有效可以動態(tài)改變處理器的時鐘以降低系統(tǒng)的總功耗CPU空閑時降低時鐘頻率CPU處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率，全速運行2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室412、硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）降低持續(xù)工作電流在一些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流例如IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關(guān)閉開關(guān)時給相應(yīng)的機構(gòu)上電，開關(guān)的開和關(guān)狀態(tài)通過機械機構(gòu)或磁場機制保持開關(guān)的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以進一步降低電能的消耗2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室423、軟件低功耗設(shè)計編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)編譯技術(shù)降低系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實對于實現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法消耗的時間不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同目前的軟件編譯優(yōu)化方式有多種基于代碼長度優(yōu)化，基于執(zhí)行時間優(yōu)化等基于功耗的優(yōu)化方法目前很少，仍處于研究中如果利用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)（如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)），可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設(shè)計消耗功率小的算法，降低系統(tǒng)的功耗2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室433、軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）硬件軟化與軟件硬化硬件電路一定消耗功率可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(tǒng)中用軟件濾波代替硬件濾波器等軟件處理需要時間處理器需要消耗功率，特別是處理大量數(shù)據(jù)的時候，需要高性能的處理器，可能會消耗大量的功率系統(tǒng)中某一功能用軟件實現(xiàn)還是硬件實現(xiàn)，需要綜合計算設(shè)計2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室443、軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）減少處理器的工作時間軟件設(shè)計降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵盡量減少CPU的全速運行時間，使CPU較長地處于空閑方式或掉電方式事件驅(qū)動的程序設(shè)計方法在開機時靠中斷喚醒CPU，讓它盡量在短時間內(nèi)完成信息或數(shù)據(jù)的處理，然后進入空閑或掉電方式在關(guān)機狀態(tài)下讓它完全進入掉電方式，用定時中斷、外部中斷或系統(tǒng)復(fù)位將它喚醒2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室453、軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）采用快速算法數(shù)字信號處理中的運算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種方法通信中盡量提高通信速率在多機通信中，盡量提高傳送的波特率發(fā)送、接收均應(yīng)采用中斷處理方式，而不采用查詢方式2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室463、軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中降低采集速率在測量和控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計需根據(jù)實際情況，不要只顧提高采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換時功耗較大，過高的采樣速率會導(dǎo)致功耗大為了傳輸處理大量的冗余數(shù)據(jù)，也會額外消耗CPU的時間和功耗2023/12/20?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室473、軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）延時程序設(shè)計延時程序的設(shè)計有兩種方法：軟件延時和硬件定時器延時盡量使用硬件定時器延時，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗大多數(shù)嵌入式處理器在進入待機模式時，CPU停止工作，定時器可正常工作，定時器的功耗可以很低，所以處理器調(diào)用延時程序時，進入待機方式，定時器開始計時，時間到