Chapter1-嵌入式系统导论

嵌入式系统第一章嵌入式系统导论主要内容•嵌入式系统概述•嵌入式系统的应用领域•嵌入式系统的发展趋势第一节嵌入式系统概述无处不在的嵌入式系统嵌入式系统的定义嵌入式系统的发展历程嵌入式系统的特点嵌入式系统的分类计算机发展的三大阶段•第一阶段：始于五十年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型机。•第二阶段：始于七十年代的个人计算机。•第三阶段：计算机正迈入下一个充满机遇的阶段—“后PC时代”或“无处不在的计算机”阶段。计算的发展过程分时系统批处理系统单用户系统大型机分布式计算小型机基于网络的个人计算微型机协同计算基于开放系统的客户/服务器普适计算普适计算终端资源使用的灵活性计算的自由性无处不在的计算机施乐公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser认为：“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。无处不在的计算机全世界的计算机科学家正在形成一种共识:计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物,而是将变得小巧玲珑,无处不在.他们藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能强大,却又无影无踪.人们将这种思想命名为:“无所不在的计算机”。嵌入式系统无处不在彼此互连即使远在火星面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来———从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”，迎来6万年来“最亲密的接触”，在2003年8月27日这一天，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。勇气号WearableComputing嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超过100:1的阶段无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系统在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非通用计算机通用计算机－看得见的计算机如：PC机、服务器、大型计算机等。通用计算机－看得见的计算机嵌入式系统定义•看不见的计算机，一般不能被用户编程,它有一些专用的I/O设备,对用户的接口是应用专用的。•Anembeddedsystemisacomputersystemcontainedwithinsomelargerdeviceorproductwiththeintentpurposeofprovidingmonitoringandcontrolservicestothatdevice.•“Anysortofdevicewhichincludesaprogrammablecomputerbutitselfisnotintendedtobeageneral-purposecomputer.”•通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。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。嵌入式系统定义•嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和通讯技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。通用计算机与嵌入式系统对比特征通用计算机嵌入式系统形式和类型•看得见的计算机。•按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。•看不见的计算机。•形式多样，应用领域广泛，按应用来分。组成•通用处理器、标准总线和外设。•软件和硬件相对独立。•面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。•软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式•开发平台和运行平台都是通用计算机•采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。二次开发性•应用程序可重新编制•一般不能再编程嵌入式系统的组成•嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成•硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备•软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。嵌入式系统的发展历程•嵌入式系统的出现和兴起（1960-1970）•嵌入式系统开始走向繁荣，软件和硬件日臻完善（1971-1989）•嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现在）嵌入式系统的出现和兴起•出现：20世纪60年代以晶体管、磁芯存储为基础的计算机开始用于航空等军用领域。–第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯公司为美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。–同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。1962年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制(DDC)。嵌入式系统的出现和兴起•兴起：在1965～1970年，当时计算机已开始采用集成电路，即第三代计算机。在军事、航空航天领域、工业控制的需求推动下。–第一次使用机载数字计算机控制的是1965年发射的Gemini3号，第一次通过容错来提高可靠性是1968年的阿波罗4号、土星5号。–1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDP11系列，成为工业生产集中控制的主力军。–在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量的严格要求，还需为各个武器系统设计五花八门的专用的嵌入式计算机系统。嵌入式系统开始走向繁荣•嵌入式系统大发展是在微处理器问世之后–1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的微处理器，包括Intel8080/8085，Motorola的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。–微处理器不单用来组成微型计算机，而且用来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等嵌入式系统。–仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其中大部分是用于嵌入式工业控制应用。嵌入式系统开始走向繁荣–微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系统设备中。–为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。–由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总线的诞生。嵌入式系统开始走向繁荣–1976年Intel推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/S的MultibusⅡ。–1978年Prolog设计简单的STD总线广泛用于小型嵌入式系统。–1981年Motorola推出的VME_Bus则与MultibusⅡ瓜分高端市场。–目前在工业控制领域，嵌入式PC、PC104、CPCI（CompactPCI）总线已广泛应用到工业控制领域。嵌入式系统开始走向繁荣•单片机、DSP出现–随着微电子工艺水平的提高,集成电路设计制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中,制造出面向I/O设计的微控制器，就是我们俗称的单片机。–专门用于高速实时信号处理的数字信号处理器DSP。嵌入式系统开始走向繁荣•软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善–在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。–由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用PL/M、C等高级语言。–对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。嵌入式系统开始走向繁荣–80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的嵌入式实时操作系统和各种开发工具。•ReadySystem(后来的MicrotecResearch、后来又被MentorGraphic收购)公司:VRTX操作系统及Xray,Spectra工具•IntegratedSystemIncorporation(ISI，后被WindRiver公司合并):pSOS操作系统及pRISM工具•WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具•QNX公司:QNX操作系统及工具–商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和推广应用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分工协作规模化的方向发展，促使嵌入式应用扩展到更广阔的领域。嵌入式系统应用走向纵深•进入20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。–手机、数码相机、VCD、数字电视、路由器、交换机等都是嵌入式系统。–大多数豪华轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。–最新的波音777宽体客机上约有1000个微处理器。–在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入系统在为你服务。嵌入式系统应用走向纵深•进入21世纪,在移动互联网、传感器技术发展的巨大推动下，及消费电子产品需求的牵引下，嵌入式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用领域进一步扩大。–你会在你的身边发现几十到上百的嵌入系统在为你服务。嵌入式系统应用走向纵深•嵌入式系统的硬件–4位、8位、16位微处理器芯片已逐步让位于32位嵌入式微处理器芯片。–面向不同应用领域的（Application-Specific）、功能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉、低功耗的32位芯片已大量应用于各种各样的军用和民用设备。–DSP向高速、高精度、低功耗发展。–DSP与通用嵌入式微处理器集成（SoC）已成为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手机、IP电话等。嵌入式系统应用走向纵深–在工业控制领域，嵌入式PC大量应用于嵌入式系统中。–PC104、CPCI（CompactPCI）总线因其成本低、兼容性化也已被广泛应用。•嵌入式系统的软件–随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规模也随着发生指数型增长。嵌入式系统应用走向纵深低价位的RISC/32-位微处理器日益复杂的应用产品推向市场的时间压力开发成本的提高嵌入式软件危机32位芯片将能够执行由上百万行C代码构成的复杂程序，使得嵌入式应用具备高度复杂和智能化的功能软件的实现从某种意义上说决定了产品的功能，已成为新产品成功与否的关键因素。软件体现价值•DVD播放机–功能：视频+音频（incl.MP3）–价格：200–600元•iPodMP3播放机–功能：MP3–价格：iPodnano1GB1400元iPodnano4GB2200元iPod30GB2800元iPod60GB3800元•两者的硬件差异？•两者的价格差异？•核心价值在于：好的软件带给消费者最好的使用体验嵌入式系统应用走向纵深–为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。–嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由80年代只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等丰富功能的集合。–此外，嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段，提高嵌入式软件开发效率。嵌入式系统的特点•嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的•嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持•嵌入式系统通常极其关注成本•嵌入式系统有实时性和可靠性的要求•嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统•嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法形式多样、面向特定应用–一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。–它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许