第1章嵌入式系统概述4H

EmbeddedSystemDevelopment聊城大学理工学院曹银杰[e-mail]嵌入式系统与应用本门课程分数比例分配如下出勤、课堂讨论、作业等平时成绩：约30％期终考查（或考试）成绩：约70％有特色贡献者可以在以上总分的基础上再加分。48学时第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用–1.1.1嵌入式系统的基本概念–1.1.2嵌入式系统的应用领域–1.1.3嵌入式系统的特点–1.1.4嵌入式系统发展–1.1.5嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的定义很多，顾名思义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。–三个基本要素：嵌入性、专用性、计算机系统。–对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。如智能家用电器、智能仪器、机器人、手机、PDA等。IEEE的定义：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置（devicesusedtocontrol、monitor、orassisttheoperationofequipment、machineryorplants）。国内普遍认同的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用–1.1.1嵌入式系统的基本概念–1.1.2嵌入式系统的应用领域–1.1.3嵌入式系统的特点–1.1.4嵌入式系统发展–1.1.5嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.1.2嵌入式系统的应用领域消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络物联网7嵌入式技术的应用－手机、PDA韩国电信手机/电视遥控器二合一产品Nokia手机户外音响内置DVB-H移动电视手机普通手机智能手机GPS导航8智能家居智能家电Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子DangerBomb闹钟不起床就爆炸啰配备电子食谱的锅铲coo.boo智能型垃圾桶i.Master智能割草机营养智能果汁机嵌入式技术的应用－智能家居9嵌入式技术的应用－PMPiLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上，与以前技术相反Sony家用影音综合设备XtremeMac开发的iPod音箱IPEVO支持Skype电话Nike的iPod帽IpodnanoArchos带Wifi的704PortableMediaPlayer10录音笔FLY数字笔–能“看懂”在专用纸上所写的内容–能“阅读”写作和纠正语法错误–完成简单的算术运算–将英文互相翻译成西班牙文等Genius数字便笺–存储100页便笺–2000LPI分辨率–32MB板载内存–可通过USB连接电脑–笔迹识别软件PolymerVision手机书嵌入式技术的应用－办公用品11嵌入式技术的应用－手表MartinFrey手表–日程表–和手机联动–获取网络连接和GPS定位信息手表手机：M300–1英寸的显示屏–USB接口–可播放音乐–支持蓝牙Nike的Speed+手表–结合iPod和运动计测韩国防性罪犯的电子手镯–可追踪罪犯的定位和坐标爱国者视频MP4手表12嵌入式技术的应用－运动玩具游戏GTX公司定位的运动跑鞋–内置的GPS接收器和可充电电池遥控蜻蜓次世代三大主流–三款主机Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,枪13嵌入式技术的应用－摄像器材数码相机DV14嵌入式技术的应用－多媒体终端IP电话视频会议可视电话基于视频电话的小型视频会议系统(MCU)语音识别电话基于H.323协议族的网络视频电话15嵌入式技术的应用－电视高清电视数字电视立体显示技术LG内置数字录像机的LCDTVAppleTV:IntelPentiumM1.0GHz2MBofL2高速缓存nVidiaG72M显示卡64MBDDR2内存内置的40GB硬盘播放iTunes能输出1080p高画质影像的iPodDock数字电视机顶盒16嵌入式技术的应用－通讯设备有计算机能力的各种通讯设备路由器/交换机/防火墙等Buffalo路由器/USB网卡套装VPN产品千兆网关防火墙17嵌入式技术的应用－仪器仪表DCG(动态心电图仪)便携式多参数监护仪中医指套传感器脉象虚拟仪器推拿手法测试仪电动机故障状态监测保护系统监控仪手持仪马达控制器车灯•嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统嵌入式系统的应用—机器人20嵌入式技术的应用－军事武器控制系统数字化单兵系统–有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震动和冲击温度和湿度21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统夜视扫描、全球定位、指挥通信嵌入式系统的应用--航天嫦娥三号着陆器上的相机拍摄的“玉兔”号月球车第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用–1.1.1嵌入式系统的基本概念–1.1.2嵌入式系统的应用领域–1.1.3嵌入式系统的特点–1.1.4嵌入式系统发展–1.1.5嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.1.3嵌入式系统的特点是“专用”的计算机系统，面向特定的任务；运行环境差异很大；比通用PC系统资源少得多；低功耗、体积小、集成度高、成本低等；需建立系统测试和可靠性评估体系，保证高效、可靠、稳定工作；生命周期长，升级换代是和具体产品同步进行的。代码通常是固化在非易失性存储器中，如FLASH；一般用实时操作系统RTOS(RealTimeOperatingSystem)；嵌入式软件开发走向标准化；嵌入式系统需要专用开发工具和方法进行设计；嵌入式微处理器通常包含专用调试电路；第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用–1.1.1嵌入式系统的基本概念–1.1.2嵌入式系统的应用领域–1.1.3嵌入式系统的特点–1.1.4嵌入式系统发展–1.1.5嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.1.4嵌入式系统发展1946年电子数字计算机诞生。上世纪70年代，微处理器的出现使计算机才出现了历史性的变化－－微机，以其小型、价廉、高可靠性特点，也引起了控制专业人士的兴趣，要求将微机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，形成专用的嵌入式计算机系统。例：将微机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。单板计算机时代：上世纪70年代末，将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。CPUROMRAM外设1外设2嵌入式系统独立发展三个阶段第1阶段：SCM(SingleChipMicrocomputer)单片微型计算机阶段。奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路；Intel公司功不可没，最成功的是INTEL的8031单片机，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核嵌入式系统发展三个阶段第2阶段：MCU(MicroControllerUnit)微控制器阶段。扩展了各种外围电路与接口电路，提高智能化控制能力，以Philips为代表的公司将MCS-51从单片机迅速发展到微控制器。嵌入式系统发展三个阶段第3阶段：SoC(SystemonaChip)片上系统阶段。随着EDA推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现了一个更为复杂的系统级应用。典型代表：AMR系列芯片。超大规模集成电路VLSI，采用超深亚微米工艺，使用一个以上CPU/数字信号处理器DSP，外部对芯片编程。SoC可以有效地降低产品的开发成本，缩短开发周期，是目前、未来工业界采用的最主要的产品开发方式。第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用–1.1.1嵌入式系统的基本概念–1.1.2嵌入式系统的应用领域–1.1.3嵌入式系统的特点–1.1.4嵌入式系统发展–1.1.5嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的核心技术1.1.5嵌入式系统的分类只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，才可称作嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为：–设备级（工控机）–板级（单板、模块）–芯片级（SCM、MCU、SoC）按实时性要求分（软件范畴）：–非实时系统（PDA）–软实时系统（消费类产品）–硬实时系统（工业和军工系统）第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.2.1嵌入式系统的组成结构嵌入式系统是“专用计算机应用系统”，它具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成；硬件是由嵌入式微处理器、外围硬件设备组成，是嵌入式系统软件环境运行的基础，提供了嵌入式软件运行的物理平台和通信接口；软件由嵌入式操作系统（可选）和嵌入式应用软件组成，是整个系统的控制核心，控制整个系统运行、提供人机交互的信息等。下图是典型的嵌入式系统软、硬件的组成结构示意图。典型的嵌入式系统组成输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存硬件应用程序实时操作系统（RTOS）板级初始化、设备驱动接口DDI可编程应用接口（API）驱动层OS层应用层软件中间件层第一章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统及其应用1.2嵌入式系统的核心技术–1.2.1嵌入式系统的组成结构–1.2.2嵌入式外围设备–1.2.3嵌入式软件–1.2.4嵌入式操作系统1.2.2嵌入式外围设备嵌入式外围设备，是指在一个嵌入式系统硬件构成中，除了核心控制部件嵌入式微处理器/DSP（或以嵌入式微处理器/DSP为核心的微控制器、SOC）以外的各种存储器、输入/输出接口、人机接口的显示器/键盘、串行通信接口等。根据外围设备的功能可分为以下5类。1、存储器2、通信接口3、输入输出设备4、设备扩展接口5、电源及辅助设备1、存储器类型存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的部件，存储介质有各自特性，该根据应用需求选择使用。常见类型：静态易失型存储器（RAM，SRAM）动态存储器（DRAM）非易失性存储器ROM（MASKROM，EPROM，EEPROM，FLASH）硬盘、软盘、CD－ROM等FLASH闪存，以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用。按存储器所处的位置分为内部存储器和外部存储器：内部存储器位于嵌入式处理器所在的同一个芯片中，这样就不需要多余的访问电路就可快速地访问内部存储器。外部存储器与嵌入式处理器分别处于不同的芯片中。2、通信接口目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，如：RS-232串行接口、RS-485串行接口；USB通用串行总线接口；IrDA红外线接口；SPI串行外围设备接口；I2C两线式串行总线，连接微控制器及其外围设备；C