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现代嵌入式系统设计的新发展HowardDr.Wu2009-10-18嵌入式系统概述嵌入式系统的历史与概念无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的基本组成与设计嵌入式热点领域什么是嵌入式系统Embeddedsystem个人电脑≠嵌入式系统嵌入式简单定义嵌入式系统是指为某种特殊任务将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统嵌入式系统定义IEEE:“Deviceusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants”.嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。计算机工业的分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中历史电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几乎与电脑自身的历史一样长MCU在计算机控制系统的应用功能单片机掀起电子化浪潮微处理器高速发展推动了嵌入式系统嵌入式系统的演变8031/8051单片机系统，自行编写程序；68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作系统；32位嵌入式处理器＋pSoS嵌入式操作系统＋TCP/IP协议栈；各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web设备server以及各种复杂网络协议栈＋GUI图形界面＋无线模块＝现代可移动的网络智能设备嵌入式系统的发展趋势(1)嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向:•可适应不同的嵌入式硬件平台•具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展嵌入式系统开发工具嵌入式开发工具•支持多种硬件平台•覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段•高效•高度集成的工具集方向发展RequirementAnalysisSoftwareDesignCodingTestRelease嵌入式软件开发基本过程嵌入式系统的发展趋势(2)嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持。针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA/2G/3G通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览器和WebServer。嵌入式系统的发展趋势(3)嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展‾支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。‾可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。‾支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。经典应用CISCO的路由器华为、中兴的以太网交换机高可靠以及可配置的网管型工业交换机恒基伟业的商务通PDA；现代高档3G手机美国宇航局的火星探测器Sony的机器狗AIBO嵌入式系统的应用领域（一）家用市场机顶盒、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、车载导航器系统等通信市场电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（L3D），数据交换设备，移动电话等工业市场制造工厂，污水处理系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统开发，维护和测试的工具，石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备，计算机辅助制造系统，能源控制系统，核电站，机器人系统等商业和金融市场自动柜员机，信用卡系统，售货端系统，安全系统等嵌入式系统的应用领域（二）办公市场电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机运输市场航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，雷达系统，交通指挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统，应急设备等建筑市场电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等医疗市场心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统，电磁成像系统等军事武器控制嵌入式系统热点应用信息家电车载系统军事工业医疗器械信息家电应用特点市场巨大低成本要求利润空间小竞争激烈人机界面友好网络化车载系统应用特点与汽车工业相配套利润空间较大可靠性要求较高无线通讯要求军事与航天工业应用特点市场垄断性强高利润可靠性要求高安全性要求高成本要求布不高勇气号军事（航天）工业产品数字化单兵信息装备夜视扫描、全球定位、指挥通信医疗行业应用特点（可关注）市场广阔，进入门槛较高利润极高未来三年，中国便携医疗电子市场年复合增长率将超过30%，其市场规模从2006年的80亿元迅速扩大到2011的380亿元。便携医疗电子产品是切入点便携医疗产品和医疗信息化配套产品是目前国内嵌入式系统厂家切入医疗电子市场的亮点。国内本土的医疗器械生产厂家还很少，国外厂家还远远没有占领市场的多数份额，48%的市场还待开拓，国内医疗电子生产企业的机会很多嵌入式医疗设备网络应对医疗电子产品设计特殊性要求一般来讲，医疗设备由下面几个部分组成：电子控制部分、显示和操作台、给养供应和数据采集、以及其他设备接口(包括IT等)，每个部分都可能有独立的MCU或者ASIC/FPGA，甚至是高性能的嵌入式计算机组成的多处理器系统。软件研发的费用在现代医疗设备研发费用中所占的比重已经超过50%，未来还会增加。医疗设备的特殊性体现在下面几个方面：第一，安全性。在医疗设备设计中安全性具有特别重要的地位和级别，数据安全也是安全性的另一个方面，断电后的数据保护、数据长期使用的维护和保存对于医疗诊断有着重要的意义，国际上一些著名的嵌入式操作系统如VxWorksOSCert(认证符合IEC61508规范)，BSPCert(通过绑带某个CPU的认证)和安全测试认证服务可以为医疗设备的软件核心提高安全保障。第二，实时性。医疗设备是个实时系统，在复杂的医疗设备中应该采用实时多任务操作系统，比如VxWorks、实时Linux、uC/OS-II是必要的，在IT接口的设备上可以采用通用的操作系统，如Windows和Linux，在设备的部件之间应该采用具有实时和容错能力的CAN总线技术。第三，可诊断性。医疗设备的可用性要求很高的，不间断的工作要求(医疗设备一般要求是365天和24小时待命)，使得设备应该有一个方便和一致性好的诊断软件(方式)，完成定期检测和随机的诊断，方便的诊断接口，易识别的故障报告等。第四，符合人体和医学习惯。医疗设备的诊断对象是病人，使用者是医生，设计医疗设备应该充分考虑到误操作可能给病患带来的后果和痛苦，因此在项目开发的初期应该和临床人员合作对操作过程进行评估和测试。嵌入式系统的基本组成与设计嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”交叉学科先进的计算机技术半导体技术电子技术各个行业面向具体应用嵌入式系统的产品特征硬件：嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面嵌入式软件生命周期＝嵌入式产品软件以只读存储器为载体不可以随意更换嵌入式处理器嵌入式系统的核心部件品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半嵌入式计算机内核分类嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)嵌入式片上系统(SystemOnChip,SOC)嵌入式系统硬件主流32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心主要硬件厂商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每个月都有新产品出现嵌入式微处理器(EMPU)通用计算机中的CPU专门设计的电路板只保留和嵌入式应用有关的母板功能增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能和工业控制计算机相似嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又称单片机以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。嵌入式微控制器(MCU)代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。嵌入式DSP处理器(EDSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器(EDSP)有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去应用系统电路板将变得很简洁SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的SmartXA嵌入式系统软件的特征(1)软件要求固态化存储(2)软件代码高质量、高可靠性(3)系统软件(OS)的高实时性是基本要求(4)多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础嵌入式软件主流VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。Os-9是主要为高科