嵌入式系统概述-南京大学软件学院

嵌入式系统概述宋健建南京大学软件学院2004/02/10内容什么是嵌入式系统嵌入式系统的历史和发展嵌入式系统的组成嵌入式系统的特点嵌入式系统软件开发1.Whatareembeddedsystems?Definition:Embeddedsystem:anydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer.Takeadvantageofapplicationcharacteristicstooptimizethedesign:don’tneedallthegeneral-purposebellsandwhistles.AMoreDetailedDefinition国内一般定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。EmbeddingacomputerCPUmeminputoutputanaloganalogembeddedcomputerExamplesPersonaldigitalassistant(PDA).Printer.Cellphone.Automobile:engine,brakes,dash,etc.Television.Householdappliances.PCkeyboard(scanskeys).ReferenceInterpretation(1)Anembeddedsystemisanycomputersystemorcomputingdevicethatperformsadedicatedfunctionorisdesignedforusewithaspecificembeddedsoftwareapplication.EmbeddedsystemsmayuseaROM-basedoperatingsystemortheymayuseadisk-basedsystem,likeaPC.Butanembeddedsystemisnotusableasacommerciallyviablesubstituteforgeneralpurposecomputersordevices.ReferenceInterpretation(2)Aspecializedcomputersystemthatispartofalargersystemormachine.Typically,anembeddedsystemishousedonasinglemicroprocessorboardwiththeprogramsstoredinROM.Virtuallyallappliancesthathaveadigitalinterface--watches,microwaves,VCRs,cars--utilizeembeddedsystems.Someembeddedsystemsincludeanoperatingsystem,butmanyaresospecializedthattheentirelogiccanbeimplementedasasingleprogram.ReferenceInterpretation(3)中国微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可以分为片级、板级、系统级。芯片级嵌入－含程序或算法的处理器模块级嵌入－系统中的某个核心模块板系统级嵌入－主计算机系统1.2嵌入式系统历史和发展1971年代单片微处理器问世，它标志着嵌入式系统的开端。从4个方面了解嵌入式系统历史硬件软件代表产品系统结构嵌入式硬件的历史1971年Intel4004,4位微处理器TI,TMS1000,4位微控制器ROM,RAM,CPU+I/Oport1980年IntelMCS-51,8位微控制器16位,32位微处理器…1990’s,DSPTMS320C30嵌入式处理器的分类和术语(1)微控制器(MCU：Micro-ControllerUnit)即单片机。早期比较流行的处理器，将整个计算机系统集成到一个芯片中，内部以某种微处理器为核心，并对ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O、串行口、A/D转换、D/A转换等必要外设加以集成。Intel8051微处理器(MPU：Micro-ProcessorUnit)必须在电路板上完成嵌入式系统功能。将MPU和其必要外设装配在一起的电路板称为单板机。ARM系列，MIPS嵌入式处理器的分类和术语(2)数字信号处理器(DSP:DigitalSignalProcessor)对系统结构和指令进行特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也快。TITMS320C30-片上系统(System-on-Chip,SoC)将重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在一起，进一步降低功耗。IntelPCA架构；PXA255MicroprocessorvarietiesMicrocontroller:includesI/Odevices,on-boardmemory.Digitalsignalprocessor(DSP):microprocessoroptimizedfordigitalsignalprocessing.Typicalembeddedwordsizes:8-bit,16-bit,32-bit.嵌入式软件的历史监控程序操作系统1981,嵌入式实时内核VTRX321990’s,QNX-4pSOS,VxWorks,PalmOS,WinCE,EmbeddedLinux,LynxOS,uCOS,Nucleus…嵌入式系统结构演变硬件系统4位单片机8位单片机/16位单片机32位专用微处理器32位DSP微处理器SoCSoPC软件系统实时监控程序专用系统通用系统IA&EmbeddedSystemInformationApplianceAnappliancespecializingininformation:Knowledge,facts,graphics,images,video,orsound.Aninformationapplianceisdesignedtoperformactivity,suchasmusic,photography,orwriting.Adistinguishingfeatureofinformationapplianceistheabilitytoshareinformationamongthemselves.(DonNorman)IA&EmbeddedSystem(cont’d)信息电器的核心就是嵌入式系统信息电器的成本取决于嵌入式系统的成本信息电器的使用性能取决于嵌入式系统的软件信息电器的发展方向决定着嵌入式系统的发展方向1.4嵌入式系统的基本组成软件硬件基本要素硬件嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件软件实时操作系统（RTOS）板级支持包（BSP）设备驱动（DeviceDriver）协议栈（ProtocolStack）应用程序（Application）嵌入式处理器的分类微控制器(MPU)微处理器(MCU)数字信号处理器(DSP)片上系统(SoC)存储设备ROMPROM，EPROM，EEPROMFlashROMFlash在嵌入式系统中的两种作用(bootROM、harddisk)RAMSRAMDRAM典型的嵌入式系统硬件组成ChipBoardCircuitCPUCoreExternalDevicesUSBLCDPenKeyboardIRDAOthersConnectionforDebuggingPortsResetCircuitOscillationCircuitPowerSupplyDMATimerPrescalerA/DI/OPortInterruptControlerConnectingDRAMConnectingSRAMConnectingFlashConnectingROMCPUBCUPXA255ArchitectureUSBHostcontrollerPXA250ApplicationprocessorIrDAFFUARTMMC/SDCardBTUARTTouchScreenSPItoTouchScreenUSBClientLCDToshibaLTM04C380KSDRAMFlashMemoryBootROMCPLD&BoardlevelRegistersDriverandTransceiverCompactFlashAC97CodecCS4201AudioJackDebugLedsAccelerometersensorHEX-encodingswitchesExpansion-cardslotPowerSystemEthernetController典型的嵌入式系统软件组成VxWorksArchitecture工具软件，应用软件VxWorksLibrariesTCP/IPI/OSystemWindkernelBSPFileSystemSCSIDriverNetworkDriverHardwaredependentSoftwareEthernetControllerSerialControllerClockTimerSCSIControllerHardwareHardwareIndependentSoftwareEmbeddedLinuxBasiccomponents:BootloaderLinuxkernelFurther:HardwaredriversApplicationprogramsFilesystemsbasedonROMorRAMTCP/IPstackGUI嵌入式操作系统需要操作系统的场合多任务方便的用户界面网络功能升级和二次开发嵌入式操作系统的基本功能多任务调度内存管理硬件资源管理1.5嵌入式系统的特点专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。技术集成软硬件集成，计算机和网络通信集成有实时约束一般采用实时操作系统有功耗约束软件通常没有系统和应用的区别，软件固化。系统内核小高可靠性资源比PC少得多嵌入式系统需要专用的开发工具非垄断市场CharacteristicsofembeddedsystemsSophisticatedfunctionality.Real-timeoperation.Lowmanufacturingcost.Lowpower.Designedtotightdeadlinesbysmallteams.FunctionalcomplexityOftenhavetorunsophisticatedalgorithmsormultiplealgorithms.Cellphone,laserprinter.Oftenprovidesophisticateduserinterfaces.Real-timeoperationMustfinishoperationsbydeadlines.Hardrealtime:missingdeadlinecausesfailure.Softrealtime:missingdeadlineresultsindegradedperformance.Manysystemsaremulti-rate:musthandleoperationsatwidelyvaryingrates.Non-functionalre