嵌入式技术概述_嵌入式系统与SOPC技术概述

工程学院自动化及测控系嵌入式技术概述——嵌入式系统与SOPC技术简介刘兰军工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/192嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成形象定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统嵌入性、专用性、计算机系统业界广泛接受的定义：嵌入式系统是指以应用为中心（适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要求）、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪的专用计算机系统工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/193嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成嵌入式计算机系统VS通用计算机系统通用计算机系统：追求高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升、存储容量的无限扩大；嵌入式计算机系统：追求对对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力和控制的可靠性。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/194嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.1嵌入式系统的概念与组成硬件平台：基础，实现载体操作系统：管理硬件资源，实现多任务和实时性，方便系统开发应用软件：针对系统需求的应用程序嵌入式应用软件嵌入式操作系统硬件平台应用程序与操作系统的接口操作系统与硬件平台的接口工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/195嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.2嵌入式系统的发展过程与趋势1）嵌入式系统的发展过程早期的嵌入式系统基于通用微型计算机，应用领域受限；嵌入式系统的真正发展得益于微处理器的问世：1971年11月，INTEL公司将算术运算器和控制器电路进行集成，推出了世界上第一片微处理器INTEL4004，从此，嵌入式系统进入了独立发展的单片机时代；单片机时代：嵌入式系统以器件形态迅速进入传统电子技术领域，电子技术应用工程师为主体，嵌入式系统的软、硬件具有底层性和随意性（电子系统应用模式）；嵌入式系统的计算机应用模式：后PC时代，嵌入式系统的软、硬件技术发展迅速，计算机专业人员介入，形成了计算机的工程应用特点：基于嵌入式软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/196嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.2嵌入式系统的发展过程与趋势2）嵌入式系统的发展趋势以信息家电为代表的互联网时代的嵌入式产品对嵌入式系统技术提出了新的挑战：支持日益增长的功能密度：片上系统（SOC）成为嵌入式系统硬件的主流趋势灵活的网络连接：联网成为嵌入式系统发展的必然趋势轻便的移动应用：高性能、小尺寸、微功耗、低成本是嵌入式系统发展的趋势多媒体的信息处理：嵌入式系统要提供精巧的多媒体人机界面工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/197嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点1）嵌入式系统的行业特点嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业具体应用紧密结合的产物，决定了其行业特点是：技术密集、资金密集、高度分散、不断创新。通用计算机行业是技术垄断的：占整个行业90%的PC产业，80%采用INTEL的8X86体系结构，芯片基本出自INTEL、AMD等几家公司；操作系统和文字处理，微软占80~90%。通用计算机工业的基础是由INTEL和微软垄断的工业；嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件开发。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/198嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点2）嵌入式系统的产品特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不会独立于应用而发展；嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等均受应用要求的制约。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余。嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；各个行业的嵌入式产品很少发生突然性跳跃，因此，嵌入式系统的软件更强调可继承性和技术衔接性。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/199嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器的特点：◆具有较强的实时多任务支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间；◆具有功能较强的存储区保护功能，支持嵌入式系统软件结构的模块化设计，避免软件模块之间出现错误的交叉作用；◆可扩展的处理器结构，能迅速扩展出满足应用的高性能嵌入式微处理器。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1910嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统的系统软件和应用软件的特点：◆软件要求固态化存储：速度、可靠性◆软件代码要求简洁、高效、高可靠性：存储空间限制、实时性需求◆嵌入式操作系统要求高实时性：任务执行的合理调度是保证实时性的关键◆嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台（RTOS）◆采用C语言进行嵌入式系统开发是最佳和最终的选择工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1911嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.3嵌入式系统的特点3）嵌入式系统的软硬件特点嵌入式系统软件的开发机制：前/后台程序模式操作系统模式前/后台程序模式：主程序反复循环执行，中断处理突发事件和定时事件；简单易实现，复杂系统不易管理、不易保证实时性。操作系统模式：支持多任务执行、可保证实时性、可实现任务间通信和同步、软件可移植性好；需要较强的硬件支持。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1912嵌入式系统与SOPC技术简介1嵌入式系统简介1.4嵌入式系统的硬件平台1）8位/16位微处理器：80C51内核单片机、AVR单片机、PIC单片机、TI的MSP系列微处理器、DSP芯片等，前/后台程序模式或简单的操作系统模式（uC/OS、TinyOS等），板级嵌入式系统2）32位微处理器：ARM、MIPS架构微处理器（龙芯）等，前/后台程序模式或操作系统模式(uC/OS、Linus、WinCE等），板级嵌入式系统3）SOPC技术：硬核ARM处理器或可配置软核NIOSⅡ微处理器+FPGA，前/后台程序模式或操作系统模式（uC/OS、Linus、WinCE等），软件、硬件完全可配置，芯片级嵌入式系统工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1913嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.1嵌入式系统设计的两大动力1）微电子技术的飞速发展硅片单位面积上集成的晶体管数目越来越多，集成电路的集成度越来越高，规模越来越大，达到了将整个系统集成在单个芯片的水平2）计算机技术的飞速发展计算机软硬件技术的飞速发展推动了EDA技术的发展，为嵌入式系统开发提供了高效、高质量的EDA工具工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1914嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念1）SOC（片上系统）单芯片集成系统级、多元化的功能模块，构成一个能够处理各种信息的集成系统：包括CPU、存储器、硬件加速单元（DSP、浮点协处理器等）、通用I/O（GPIO）、UART接口和模数混合电路（放大器、比较器、A/D、D/A、射频电路、锁相环等），甚至延伸到传感器、微机电和微光电单元。可重用IP（知识产权）核：元件库、宏及特殊的专用IP。SOC系统就是微处理器IP（如ARM公司的RISC架构的ARM核）加上一些外围IP整合而成的。（如果把CPU看成是大脑，则SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和四肢的系统。）工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1915嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念SOC是嵌入式系统发展的必然PCB板上IC芯片之间连线时延、PCB板的可靠性、PCB板的尺寸等限制了系统的性能基于IC互联的嵌入式系统已经越来越不能满足现代电子系统对整机性能的要求CoProcessorFPGACodeCDMACon.LCDCon.GPIOUARTRAMFLASHCPUPCB基于IC互联的嵌入式系统工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1916嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念SOC是嵌入式系统发展的必然SOC以IP核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具，将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上SOC综合、全盘考虑整个系统，解决了系统的时延、可靠性、尺寸等因素，可以实现更高的系统性能SOC的出现是电子系统设计领域内的一场革命，其影响将是深远和广泛的CoProcessorCodeCDMACon.LCDCon.GPIOUARTRAMFLASHCPUPCBCoProcessorCodeCDMACon.LCDCon.GPIOUARTRAMFLASHCPUASICIP集成基于SOC的嵌入式系统工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1917嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念2）SOPCSOPC技术由美国ALTERA公司于2000年提出。SOC是专用集成电路系统，其设计周期长、成本高，难以被中小企业、研究院所和大专院校采用。SOPC是一种灵活、高效的SOC解决方案：将处理器、存储器、I/O口、硬件加速器等系统需要的功能模块集成到一个FPGA器件上，构成一个可编程的片上系统，是FPGA与SOC技术融合的产物。SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件可编程的功能，SOPC技术不仅保持了SOC以系统为中心、基于IP模块多层次、高度复用的特点，而且具有设计周期短、风险投资小和设计成本低的优势。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1918嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念2）SOPCCoProcessorCodeCDMACon.LCDCon.GPIOUARTRAMFLASHCPUPCBCoProcessorCodeCDMACon.LCDCon.GPIOUARTRAMFLASHCPUFPGAIP集成RAM工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1919嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核IP（IntellectualProperty）是知识产权的简称，SOC和SOPC的设计均以集成电路IP核为基础。集成电路IP核是经过预先设计、预先验证、符合产业界的设计规范和设计标准、具有相对独立并可重用的电路模块或子系统，如CPU、运算器、协议控制器、转换器等。集成电路IP核具有知识含量高、工艺容差性大、可重用等特点。工程学院自动化及测控系OCEANUNIVERSITYOFCHINA2020/5/1920嵌入式系统与SOPC技术简介2SOPC技术简介2.2SOPC技术相关基本概念3）IP核IP核具有行为、结构、和物理三个不同级别的设计，根据描述功