《嵌入式系统概述课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统概述课件.ppt（67页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、嵌入式系统概述,嵌入式系统概述嵌入式系统概述课程安排,课程安排,1.嵌入式系统的概念,1.1 计算机系统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、产品和系统中计算机系统不仅仅是:,1.2 精确定义: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嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度
2、分散、不断创新的知识集成系统。,嵌入式系统的典型实例,汽车电子产品分类,嵌入式系统的典型实例,1.3 嵌入式系统的的其它定义嵌入式系统的简单定义嵌入式系统是指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的狭义定义使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统微处理器专指32位以上的微处理器广义定义:任何一个非计算机的计算系统,2.嵌入式系统的特点,2.1 嵌入式系统的特点系统内核小：一般应用于小型电子装置。系统精简：无系统软件和应用软件的明显区别。专用性强：软硬件结合紧密、针对硬件进行系统的移植
3、。资源有限：通常要求产品廉价、耗电少、体积小、速度快等。实时性：实时多任务的操作系统、合理调度多任务专门的开发工具和环境。2.2 嵌入式系统软件的特征软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 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,2.3 嵌入式系统具有的产品特征面向用户、面向产品、面向应用 升级换代也是和具体产品同步 、具有较长的生命周期软件和硬件结合紧密嵌入式处理器的发展也体现出稳定性普通处理器18月嵌入式处理器8-10年2.4 嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 PC由WINTEL垄断嵌入式系统工
4、业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。,2.5嵌入式系统开发需要开发工具和环境通用计算机具有完善的人机接口界面嵌入式系统本身不具备自举开发能力这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 2.6嵌入式系统软件需要RTOS开发平台通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。但为了保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。需要选配RTOS开发平台,一个嵌入式系统的典型例子 数码相机,3.嵌入式系统的演变,3.1 计算机用于控制设
5、备或嵌入系统的历史几乎与计算机自身的历史一样长计算机控制系统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3.2 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3.3 后PC技术的时代小到mp3、PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱世界电子产品产值已超过数万亿
6、美元，并且逐年递增,4.嵌入式系统基本构成,嵌入式硬件系统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嵌入式软件系统板级支持包（BSP）设备驱动（Device Driver）操作系统（OS/RTOS）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）,4.1 嵌入式系统硬件基本构成,4.2 嵌入式系统的软件基本构成,Windows CE,Pocket PC,Palm,Symbian and Linux编译器、调试器和仿真器,4.3 嵌入式处理器嵌入式微处理器（MPU)ARM（本课程使用ARM920T) Dragonball MC9328 Mx1嵌入式微控制器
7、(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等ARM Cortex-M系列,ARM7系列 嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统（SOC-System On Chip）Xilinx Zynq-7000系列嵌入式可编程片上系统（EPSOC）,4.3.1 嵌入式微控制器（MCU）主要是指单片机片内集成ROM/EPROM、RAM、FLASH/EEPROM、总线、定时器、计算器、看门狗、I/O、串行口、PWM（脉宽调制输出）、A/D、D/A、等各种必要功能和外设一般来讲具有以下特点可单片完成功能，片内可有ROM/RAM/FLASH，并带所需的通信接口，I/O等，外设资源丰
8、富，适于控制体积小，功耗低，成本低，可靠性高仍是嵌入处理器主流，占70左右典型器件：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等半通用系列：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列,嵌入式微控制器（MCU）,4.3.2 嵌入式DSP处理器系统结构和指令算法经过特殊设计，增强了数字信号处理能力（数字滤波、FFT、谱分析等）适于运算量大，特别是向量运算、指针线性寻址较多的智能算法实现 主要应用于带有智能逻辑的消费类
9、产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等 代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000通用DSP与嵌入式DSP的区别通用DSP的制造商主要是Agree、ADI、Motorola和TI四大厂商;而嵌入式DSP的供应商超过100家,产品种类繁多;通用DSP主要完成高速数据处理的功能;而嵌入式DSP则更多地与ASIC、ASSP、FPGA、MCU等共处一体;目前,通用DSP的应用更集中在通信领域;而嵌入式DSP是消费类电子产品的主要选择;嵌入式DSP由于应用的要求,具备相对较低的功耗。,4.3.3 嵌入式S
10、OCSystem On Chip,片上系统/系统芯片将很多功能模块集成到单个芯片上各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，用VHDL等语言描述除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一或几片芯片中优点可利用降低片内工作电压，减少功耗减少芯片对外引脚数，使系统板简洁，减小体积减少原来芯片间的信号传递，提高了处理速度；减少了信号传递过程中可能造成的干扰，提高了可靠性软硬件无缝结合，可直接在片内嵌入操作系统代码模块,大致分为通用和专用两类通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola联合研制的Neuron专用Philips的SmartXA例如
11、 ARM+DSP,ARM+ARM,4.3.4 嵌入式SOPCSOPC可编程片上系统技术基础超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟FPGA晶体管集成密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA的设计、综合、仿真、测试工具性能已达到相当高水平微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IP Core的开发理念逐渐深入，标准IP库日益丰富信号处理算法、软件算法和控制逻辑等均以IP核的形式体现目前已比较成熟的SOPC开发平台：Xilinx Spartan II FPGA和MicroBlaze软处理器IP CoreXilinx Virtex II pro FPGA和PowerPC硬处理器IP CoreAl
12、tera XA1/XA10/Nois FPGA和处理器IP Core,4.3.4 嵌入式SOPCSOPC可编程片上系统技术基础超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟FPGA晶体管集成密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA的设计、综合、仿真、测试工具性能已达到相当高水平微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IP Core的开发理念逐渐深入，标准IP库日益丰富信号处理算法、软件算法和控制逻辑等均以IP核的形式体现目前已比较成熟的SOPC开发平台：Xilinx Spartan II FPGA和MicroBlaze软处理器IP CoreXilinx Virtex II pro FPGA和Po
13、werPC硬处理器IP CoreAltera XA1/XA10/Nois FPGA和处理器IP Core,4.3.5 嵌入式微处理器MPU由通用计算机的CPU发展而来与通用CPU区别：只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求与工业控制计算机相比，嵌入式处理器体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高,目前主要嵌入式微处理器有：MIPSX86系列Am186/188、386EX开发方便，移植容易体积大、功耗高、实时性差ARM系列小体积、低功耗、低成本、高性能支持16/32位双指令集全球众多的合作伙伴PowerPC系列， Motorola和I
14、BM联合开发的微处理器核另外还有SPARC、68000,SC-400等,嵌入式微处理器MPU - MIPS典型的嵌入式微处理器MIPS:MIPS公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位MIPS于80年代处开始RISC处理器设计，90年代中后期开始将战略重点放在嵌入式处理器设计1999年，MIPS发布了MIPS 32和MIPS 64架构标准，为MIPS处理器的开发奠定了基础MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS 64 5Kc应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由器、激光
15、打印机,嵌入式微处理器MPU - PowerPCPowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到PC，从消费类电子到通信设备基于PowerPC架构的处理器有IBM开发的PowerPC 405 GP，集成了10 /100M以太网控制器、串行和并行接口、内存控制器以及其他外设的高性能嵌入式处理器MPC823e是一款高度综合的片上系统（SOC）,嵌入式微处理器MPU X86由8086系列处理器发展而来典型产品Am186/188,386EXNS Geode GX1 300MHZ主要特点开发容易方便移植体积大，功耗高，实时性
16、差,嵌入式微处理器MPU - ARMARM（Advanced RISC Machines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（IP）设计供应商。ARM转让他的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴生产各种用途的处理器芯片。ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费电子设备的嵌入式解决方案的RISC标准。ARM处理器有三大特点体积小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb 16/32位双指令系统全球众多的合作伙伴,CISC vs. RISCCISCComplex Instruction Set Computer ,复杂指令集Intel, IA (Intel A
17、rchitecture) 32架构AMDRISCReduced Instruction Set Computer，精简指令集SPARC ,Sun与TI开发PA-RISC, HP开发Alpha, Compaq开发PowerPC ，IBM与Motorola开发MIPSARM二者在软件和硬件上都不兼容,RISC体系结构的特点:采用固定长度的指令格式，指令规整、简单（ARM指令为32位）使用单周期指令，便于流水线操作大量使用寄存器（ARM共有37个寄存器），数据处理指令只对寄存器操作，访问存储器只使用Load/Store指令。,典型的ARM微处理器:Intel公司的StrongARM系列：SA-110
18、/1100/1101/1110/1111,用于Palm Pocket PC和网络Intel公司的XScale系列：PXA210/220/250/255Cirrus Logic公司的ARM系列：EP7209/7211/7212/7312/9312,PS7500FE，用于MP3Samsung公司的ARM系列：S3C44B0,S3C2400,S3C4510，用于ADSL和PDAMotorola半导体的DragonBall MX1，用于PDA和蓝牙Qualcomm 公司的MSP1000 、MSM3000 、MSM5000、MSM6000，用于 CDMA Philips 公司的SAA7750、VWS22
19、100、VCS94250、VWS26001，用于 MP3,GSM ,3G,BTTriscend 公司的ARM产品：A7,嵌入式微处理器MPU - ARM,ARM 应用广泛,嵌入式微处理器MPU - ARM,ARM 用于无线设备,嵌入式微处理器MPU - ARM,例：嵌入处理器应用于GSM商务手机,5. 嵌入式系统的应用,goReader Internet eBook,Samsung AnyWebInternet Screen Phone,eRemoteIntelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixv
20、ue Digital AlbumDigital Photo Album,5.1 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。,无所不在的嵌入式系统,无所不在的嵌入式系统,5.2 信息家电,信息家电,FreeScale Digital Home Center Reference
21、 Platform,数字媒体(数码音乐、影视、视频游戏)等的快速发展和推广,使得人们迫切需要一个家庭网络平台,能够在家中任何地方自由下载各种音视频资料,并能实现远程控制,信息家电,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,信息家电,信息家电,5.3车载系统,车载系统,车载系统,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,车载系统,FreeScale 68HC908AZ32A: 8-Bit Microcontroller,车载系统,FreeScale 68HC908AZ32AFeatures:8.4-MHz internal bus
22、frequency 32K bytes of FLASH Memory 512 bytes of on-chip EEPROM 1024 bytes of on-chip RAM Serial peripheral interface module (SPI) Serial communications interface module (SCI) 8-Bit, 15-Channel Analog-to-Digital Converter (ADC-15) 16-Bit, 6-Channel Timer Interface Module (TIMA-6) 16-Bit, 2-Channel T
23、imer Interface Module (TIMB) MSCAN Controller (Freescale Scalable CAN),5.4 医疗行业应用,医疗行业应用特点:市场广阔进入门槛较高利润极高,影像实时采集子系统影像分析处理子系统影像的查询、管理和存储子系统图文编辑及打印子系统 数字图像回写子系统 远程会诊子系统 系统管理子系统,5.5 军事工业应用特点,军事工业应用特点: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不高,6.嵌入式系统开发过程,嵌入式系统开发过程,6.1 任务分析,6.1 任务分析由于嵌入式系统是以应用为中心，对系统的可靠性、系统的开发周期、体系成本等
24、都有严格的要求。因此，嵌入式系统开发首先要对任务进行详细地分析，使得系统能较好地满足要求。其中主要包括对系统功能的分析、对系统软硬件的特殊要求、实时性的水平、系统模块的分解、要达到的水平等,6.2 处理器选择,处理器选择:工作频率技术指标功耗处理器的核（ARM处理器）片内存储器容量片内外围电路及其扩展能力软件支持工具是否内置调试工具供应商能否提供评估板操作系统选择:实时性开发周期开发资源等,6.3 软硬件开发,硬件设计驱动程序及BSP开发处理器供应商可能会提供相关的内容。操作系统的移植将所选的操作系统移植到设计的目标板的过程 应用程序设计代码固化,6.4 嵌入式应用开发的调试,由于嵌入式系统的
25、可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。 宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板,6.5 嵌入式开发的调试方法,大致有以下几种调试方法：模拟调试方式ROM Monitor方式（或Angel方式）在线仿真(ICE)内嵌JTAG仿真,6.5.1 模拟开发调试方式,它通过基于宿主机的软件，在主机上模拟目标机中处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。,6.5.2 ROM Monitor调试方式,ROM Monitor方式
26、（或Angel方式）ROM Monitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的一段程序，它主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试。它是目前低廉有效的一种调试方式。使用Metrowerks公司的CodeWarrior进行开发调试时要用到的Metro-TRK就属于这类软件。,6.5.3 在线仿真(ICE)调试方式,In-Circuit Emulator（实时在线仿真）在线仿真(ICE)它通过在线仿真器，取代目标板的MPU，仿真嵌入式处理器芯片的行为。它支持单步执行、断点、反汇编、源程序级调试。仿真器通常价格比较昂贵，通常用在ARM硬件开发
27、中，软件开发则较少用。,6.5.4 JTAG仿真调试方式,JTAG（Joint Test Action Group）JTAG仿真器 ARM处理器内含Embeded ICE 宏单元，并留有JTAG调试接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。 使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。,JTAG仿真调试方式,6.5.5 常用集成开发环境,ARM ADS （ARM Developer Suits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C+及汇编程序。Multi 2000Multi 2000是Green Hills软件公司（）开发的集成开发环境。它支持C/C+/Ada 95/Fortran编程语言，可运行与Windows和UNIX平台。Hitool for ARMHitool for ARM是上海祥佑数码科技的集成开发环境（） Embest IDEEmbest IDE是深圳英蓓特公司（）推出的一个集成开发环境。,7 嵌入式系统研究热点,国内外的主要研究方向嵌入式系统的硬件软件协同设计方法； 采用构件、中间件技术的网络操作系统 分布嵌入式系统的实时性问题 嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究。,谢谢观赏,
