南方医科大学嵌入式系统第1讲.

2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系1嵌入式系统设计原理主讲：林霖单位：生物医学工程学院电子技术系电话：62789308邮址：[e-mail]南方医科大学2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系2第一讲第1章嵌入式系统概述2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系3第一章嵌入式系统概述本讲主要内容:嵌入式系统的定义嵌入式系统的基本组成嵌入式系统的特点嵌入式系统的主要应用领域嵌入式系统的发展趋势课程的学习方法2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系4第1节嵌入式系统的定义计算机发展史1947年，晶体管诞生1957年，集成电路的概念被提出1958年，TI制作出第一片集成了电阻电容等分立元件的半导体1959年，FairChild使用平面工艺制作出第一片集成电路新技术的出现导致了新冒险家的诞生，Intel等公司在这种背景下开始出现2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系5第一颗微处理器的诞生1971年，IntelTedHoff，40042020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系6个人PC的诞生处理器的发展从4004，到4040,8008,80801974年，在8080的基础上，出现了为人们熟悉的PC机2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系7嵌入式系统的起源微机时代的到来——70年代微处理器的出现4004嵌入式系统的出现——70年代微机在控制方面的应用外形上，失去了原有的微机系统外观特征用途上，失去了原有的微机系统的通用性特征结构上，附加了很多外设接口电路2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系8计算机系统的两个发展分支通用计算机系统发展分支目标：高速海量的数字处理能力路线：总线速度的无限提升；存储量的无限扩大其他：功耗增加，体积增大嵌入式系统发展分支目标：与对象系统密切相关的嵌入式性能，控制能力和控制的可靠性路线：单芯片实现，多样化其他：低功耗，小体积，接口丰富2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系9通用微处理器的发展道路从1978年8086的诞生开始飞速发展，经历80186,286,386,486，奔腾I，奔腾II，奔腾III，奔腾IV……2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系10嵌入式处理器发展道路嵌入式处理器的独立发展的标志为IntelMCS51处理器的诞生。在此之后，Intel逐渐退出嵌入式处理器市场，开始百家争鸣2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系11嵌入式处理器的发展道路单片机标志嵌入式系统开始独立发展嵌入式处理器的发展阶段SCM(SingleChipMicrocomputer)MCU/MPU(MicroController/ProcessorUnit)Soc(SystemonChip)不同字长的嵌入式微处理器8位机MCS-51，M68HC0816位机M68HC1632位机ARM系列2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系122020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系13第1章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统的定义嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心、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。计算机的扩展定义：把基于处理器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分成两大部分，即通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统----嵌入式计算机，即非通用计算机系统。第1章嵌入式系统概述英国电机工程师协会的定义：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂运作的装置。它具备了下列特性：通常执行特定功能；以微电脑与周边构成核心；严格的时序与稳定度要求；全自动操作循环。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系142020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系151.1嵌入式系统的定义嵌入式系统可应用于所有电子产品：个人数字助理（PDA）手机机顶盒汽车控制系统微波炉控制器电梯控制器安全系统自动售货机控制器医疗仪器立体音响自动取款机……2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系16第2节嵌入式系统的基本组成2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系171.2嵌入式系统的基本组成嵌入式系统由硬件、软件和开发系统组成硬件结构图电源晶振电路复位电路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232NetLCDKeyboardCPU和外围电路外部电路2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系181.2嵌入式系统的基本组成2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系191.2嵌入式系统的基本组成1.嵌入式系统的硬件嵌入式核心芯片：EMPU-----嵌入式微处理器EMCU-----嵌入式微控制器EDSP-----嵌入式数字信号处理器ESoC-----嵌入式片上系统EPSoC----嵌入式可编程片上系统存储器系统程序存储器（ROM,EPROM,Flash）数据存储器（随机存储器）参数存储器（EEPROM）NVRAM外部接口一般嵌入式处理器上已集成了接口，但是外设需要外接。例如大多数的嵌入式通信控制器集成了以太网接口，但是收发器需要外部电路。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系201.2嵌入式系统的基本组成2.嵌入式系统的软件分为两大部分。嵌入式操作系统：VRTX、pSOS、VxWorks、WindowsCE、EPOC、Linux、PALM、OS9、JavaCHORUSOS、QNX、NAVIO、uCOSIOS、Android、Windows8应用软件:为不同应用而编写的软件。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系211.2嵌入式系统的基本组成2.嵌入式系统的软件4个层次：设备驱动接口（DDI，DeviceDriverInterface）--负责嵌入式系统与外部设备的信息交互；实时操作系统（RTOS，RealTimeOperationsystem）基本模块：是操作系统的核心，负责整个系统的任务高度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面（GUI，GraphicsUserInterface）等基本服务。扩展模块：提供操作的扩展功能，包括网络、数据库等。可编程应用接口（API，ApplicationProgrammableInterface）也称为编程中间件、应用中间软件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库。应用软件-----针对不同就用而由开发者自己编写的软件。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系222020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系231.2嵌入式系统的基本组成3.嵌入式系统的开发工具和开发系统开发工具：独立于嵌入式系统产品之外，用于开发主机，包括语言编译、连接定位器、调试器-------构成开发系统和开发工具。开发语言：C语言，嵌入式C++，Java，汇编语言。汇编语言使用场合：开发小系统时，可有效地减少代码存储空间；用于系统的初始化和与硬件有关的代码；对于时间要求苛刻的应用，例如基于DSP数据处理的嵌入式系统。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系24第3节嵌入式系统的特点2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系251.3嵌入式系统的特点嵌入式系统的主要特点1、通常含有面向特定应用的嵌入式CPU。2、是计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合的产物。3、其硬件和软件的设计效率要高。4、与具体应用紧密结合，其升级换代也与具体产品同步进行，因此生命周期较长。5、其软件均固化在存储芯片或单片机中，因此，速度和可靠性较高。6、不具备独立开发能力，必须借助外部开发工具或系统进行设计，因此用户不能对其中的程序功能进行修改。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系261.3嵌入式系统的特点嵌入式处理器嵌入式处理器分为三类：微处理器MPU。与通用计算机的CPU相对应的微处理器。微控制器MCU。它将CPU、存储器和其他外设封装在同一集成电路里，也称为单片机。数据信号处理器DSP。专门用于对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系27微内核结构大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构内核只提供基本功能，如：任务调度、任务间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其他应用组件，如：网络功能、文件管理、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。应用组件是可剪裁的。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系281.3嵌入式系统的特点任务调度在嵌入式系统中，任务即进程或线程。大多数嵌入式操作系统支持多任务。任务调度有三种方式：可抢占式不可抢占式时间片轮转2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系29硬实时系统和软实时系统软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好。硬实时系统对响应时间有严格的要求，一旦系统响应不能满足，可能引起系统崩溃或致命的错误。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系301.3嵌入式系统的特点内存管理有MMU处理器而设计的操作系统，能与硬件配合采用虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到MMU，MMU将它映射为物理地址。物理地址是分页的，采用分页加载进程，操作系统将当前要运行的部分页装入内存运行。大多数操作系统没有MMU的处理器设计，是采用实存储器管理策略。对内存的访问是直接的，直接送到地址线上输出，即使用的地址是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，程序运行前需要分配好内存空间。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系31内核加载方式嵌入式操作系统内核可在Flash直接运行，也可加载到内存运行。嵌入式操作系统对用户程序一般采用静态链接的形式。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系321.3嵌入式系统的特点嵌入式系统的核心是微处理器，而嵌入式微处理器具备以下四个特点：具备实时多任务处理能力；具有存储区保护功能；可扩展的处理器结构；功耗很低。2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系33第4节嵌入式系统的主要应用领域2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系341.4嵌入式系统的主要应用领域家庭信息化网络网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事务管理。机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、嵌入式视频服务器、车载导航器系统等移动计算设备手机、PDA、掌上电脑。网络设备路由器、交换机、网络服务器、网络接入点。工业控制、仿真、医疗仪器这些领域对嵌入式系统的需求在不断增长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。同时，Java技术的发展，对开发相关无线通信软件起到推动作用。1.4嵌入式系统的主要应用领域2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系351.4嵌入式系统的主要应用领域2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系362020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系371.4嵌入式系统的主要应用领域2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系381.4嵌入式系统的主要应用领域嵌入式视频服务器的架构2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系391.4嵌入式系统的主要应用领域现代化家庭2020年1月4日星期六生物医学工程学院电子技术系401.4嵌入式系统的主要应用领域中国数字电视发展规划2002年完成地面广播传输标准的测试；2002年底颁布国家数字电视有