721-嵌入式系统概述

1嵌入式系统概述1.1嵌入式系统1.2嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统1.4嵌入式系统基本组成1.1嵌入式系统概述嵌入式系统诞生于微型计算机时代，与通用计算机的发展道路完全不同，形成了单芯片为基础的技术发展道路。通用计算机按高速、海量的技术发展嵌入式系统则为满足对象要求，按照嵌入式、智能化控制的要求发展随着半导体工艺的提高，经过最近二十几年的发展，已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速应用广泛，具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性MP3、数码相机与打印机就有很大的不同汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶3什么是嵌入式系统？1.1嵌入式系统现实中的嵌入式系统无处不在嵌入式系统也无处不在。工业自动化、国防、运输和航天领域。如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中有多达几十个嵌入式系统难以分开（相当重要）事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。1.1嵌入式系统现实中的嵌入式系统6用于水下勘测的螃蟹机器人英国巴斯大学一位研究生设计的，它目前可以在陆地上任意移动，未来的开发设计将计划将它用于完全的水下勘测任务操作。1.1嵌入式系统1.1嵌入式系统嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯1.1嵌入式系统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1.1嵌入式系统嵌入式系统示例——电动汽车10嵌入式系统示例—Finepix数码相机的解剖照片1.1嵌入式系统嵌入式系统的概念嵌入机械或电气系统内部、具有专属功能的智能化计算机算机系统。通常要求实时计算性能，具有一定的复杂性。被嵌入的系统通常是包含硬件和机械部件的完整设备。由于微型计算机无法满足绝大多数对象体系嵌入式要求的体积、价位、可靠性，因此嵌入式系统的发展需要依靠集成度的提高。首先是计算机芯片化，成为单片微型计算机(SCMP)其后是满足对象体系的控制要求，单片机不断从SCMP向微控制器（MCU）和片上系统（SoC）发展软件具有可裁剪性、通用性、可移植性无论怎么发展变化，都改变不了以下技术本质内含计算机嵌入到对象体系中满足对象智能化控制要求1.1嵌入式系统嵌入式系统的定义目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：从技术的角度定义：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从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。1.1嵌入式系统嵌入式系统的特点嵌入性：嵌入产品内部内含计算机：嵌有微处理器或微计算机专用性：按要求的软、硬件剪裁嵌入式系统的相关技术多学科：计算机、电子技术、集成电路、通信技术等更新速度快:应用要求、硬件技术、软件技术嵌入式系统的前沿技术基于集成开发环境的应用开发应用系统的用户SoC设计操作系统的普遍应用普遍的网络接入先进的电源技术多处理器SoC技术14用4个阶段来刻画嵌入式系统的发展简史第一阶段以4到8位单片机为核心的可编程控制器系统第二阶段以8到16位嵌入式处理器（CPU）为基础第三阶段32位RISC嵌入式中央处理器嵌入式操作系统第四阶段基于Internet接入为标志的嵌入式系统1.1嵌入式系统15按照控制技术的复杂度来描述嵌入式系统低端嵌入式系统以4到8位单片机为核心，以循环程序为主控制程序。中端嵌入式系统采用简单的操作系统高端嵌入式系统采用实时操作系统按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类工业用/军用/民用1.1嵌入式系统16有以下发展趋势：32位处理器更广泛地得到普及单核向多核过渡，64位处理器核逐步普及向网络化功能发展更加友好的多媒体人机界面MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进嵌入式操作系统呈多元化趋势无线应用（GPS、GPRS、4G、FRID）将普及平台技术更加成熟1.1嵌入式系统17主要包括以下几个边缘学科物联网普适计算人机交互多媒体技术无线传感器网络信息安全轻量级数据库1.1嵌入式系统18简明扼要地了解一个嵌入式系统为了简洁地描述描述一个嵌入式产品和与之配套的专用计算机系统，我们主要了解它的三个核心要素：功能和性能处理器芯片操作系统或者监控程序1嵌入式系统概述1.1嵌入式系统1.2嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统1.4嵌入式系统基本组成1.2嵌入式处理器简介早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格——应用于PDA等不注重计算的设备注重嵌入式处理器的性能——应用于路由器等计算密集型的设备注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格——应用于蜂窝电话等设备1.2嵌入式处理器分类嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器EmbeddedMicro-ProcessorUint，EMPU微控制器Micro-ControllerUint，MCUDSP处理器DigitalSignalProcessorUint，DSP片上系统（SOC）SystemonChip，SoC1.2嵌入式处理器分类——嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强单板计算机和工控计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，又降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等1.2嵌入式处理器分类——嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机1.2嵌入式处理器分类——嵌入式微控制器又称单片机是将整个计算机系统集成到一块芯片中。以某一种微处理器内核为核心，内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、PWM、A/D、D/A、Flash、EEPROM等必要功能和外设。为适应不同应用，一个系列的具有多种衍生品，衍生品处理器内核一样，不同的是存储器、外设的配置及封装。可以最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本微控制器和嵌入式微处理器相比，最大特点是单片化，体积大大减小，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器数量最多品种和数量最多，有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、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额1.2嵌入式处理器分类——嵌入式微控制器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1.2嵌入式处理器分类——嵌入式DSP处理器特殊设计对系统结构和指令进行了特殊设计，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TI、Motorola有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列。TMS320包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列、性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、56100、56200、56300等几个不同系列。PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构、低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品1.2嵌入式处理器分类——嵌入式DSP处理器1.2嵌入式处理器分类——嵌入式片上系统(SOC)EDA/VLSI随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，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，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利通用/专用SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon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，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面1嵌入式系统概述1.1嵌入式系统1.2嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统1.4嵌入式系统基本组成1.3嵌入式操作系统概述监控程序计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机操作系统随着计算机技术发展，计算机系统硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)发展到现在，广泛使用的有三种操作系统：多道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统1.3嵌入式操作系统概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中1.3嵌入式操作系统概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点1.3嵌入式操作系统实时操作系统的特点IEEE实时UNIX分会认为实时操作系统应具备：异步的事件响应(在要求的时间内响应异步的外部事件，有异步IO和中断处理能力。受内存访问、盘访问、总线速度的限制)切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度(高优先级任务一旦准备好马上抢占低优先级任务的执