基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)11

1、 1第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)主要內(nèi)容n6.1 引言n6.2 嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計n6.3 嵌入式系統(tǒng)安全性設(shè)計n6.4 嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計n6.5 嵌入式系統(tǒng)分析與優(yōu)化 2第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)6.1 引言n嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的問題n計算機(jī)軟硬件知識n電路分析、電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計算機(jī)原理n匯編/C/C+、操作系統(tǒng)、編譯原理、軟件工程n專業(yè)領(lǐng)域知識nMP3/MP4：MP3/MP4解碼算法n手機(jī)：信號處理、通信工程n工程經(jīng)驗積累n發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題 3第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技

2、術(shù)6.2 嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計n1 概述n2 元器件的可靠性n3 電磁兼容性設(shè)計n4 軟件可靠性設(shè)計n5 系統(tǒng)級的可靠性設(shè)計n6 故障檢測技術(shù) 4第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1 概述n嵌入式系統(tǒng)通常被應(yīng)用到惡劣的工作環(huán)境中n高/低溫、高濕、強(qiáng)烈震動、電磁干擾n是投入實用化的一個必然設(shè)計要求n基本思想n構(gòu)造一個正常的工作環(huán)境n容錯、補救措施n可靠性的定義n產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力 5第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1 概述（續(xù)）n可靠性的性能指標(biāo)n可靠度n是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R

3、n失效率（故障率）n是工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，一般記為n平均無故障間隔時間MTBFn平均修復(fù)時間MTTR 6第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 元器件的可靠性n常用電子元器件的選擇n電阻器的選擇與使用n電容器的選擇與使用n電感器的選擇與使用n半導(dǎo)體分立器件的選擇與使用n數(shù)字集成電路的選擇與使用n模擬集成電路的選擇與使用 7第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 元器件的可靠性（續(xù)）n系統(tǒng)設(shè)計中電子元器件可靠性措施n元器件的選擇n元器件的老化n元器件的篩選n降額使用n容差與漂移設(shè)計（魯棒設(shè)計Robust）n人

4、為因素 8第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 電磁兼容性設(shè)計n電磁兼容性nEMCElectroMagnetic Compatibilityn是指電子產(chǎn)品能在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作，并不對該環(huán)境中其他產(chǎn)品產(chǎn)生過量的電磁干擾（EMI）n抗外界的干擾要求產(chǎn)品對外界的電磁干擾具有一定的承受能力n對外界的干擾要求產(chǎn)品在正常運行過程中，該產(chǎn)品對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限度 9第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）n電源電路的抗干擾措施n電源中的干擾來源n電源中的抗干擾措施n設(shè)計抗干擾性能好的電路n數(shù)字電路部分n模擬電路部分

5、n克服信號傳輸過程中的干擾n減少串（差）模干擾n減少共模干擾 10第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）n接地n信號地模擬地、數(shù)字地、功率地n安全地機(jī)殼地n濾波、去耦及屏蔽n濾波、去耦、屏蔽n靜電及其防護(hù)（ESD）n靜電的產(chǎn)生n靜電的危害n靜電的防護(hù) 11第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 電磁兼容性設(shè)計（續(xù)）nPCB可靠性n高速信號傳輸引起嚴(yán)重問題n惡劣的工作環(huán)境更加重問題n電源電路中的抗干擾措施n高頻信號和器件n布局布線引起的問題n熱效應(yīng)n信號反射、輻射、串?dāng)_ 12第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技

6、術(shù)4 軟件可靠性設(shè)計n軟件的可靠性n軟件故障n軟件可靠性指標(biāo)n軟件錯誤的來源n軟件工程與管理n軟件工程的開發(fā)模式n嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)n軟件可靠性管理 13第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)4 軟件可靠性設(shè)計（續(xù)）n軟件的可靠性設(shè)計n依據(jù)軟件工程規(guī)范要求開發(fā)軟件n采用軟件濾波方法n檢錯及糾錯編碼n軟件容錯技術(shù)n軟件可維護(hù)性及軟件可靠性模型n軟件可維護(hù)性設(shè)計n軟件可靠性模型 14第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)5 系統(tǒng)級可靠性設(shè)計n系統(tǒng)的可靠性模型n串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型n串聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效的系統(tǒng)n并聯(lián)系

7、統(tǒng)的可靠性模型n并聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元都失效時才失效的系統(tǒng)n混合系統(tǒng)的可靠性模型n是由串聯(lián)和并聯(lián)混合組成的系統(tǒng) 15第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)5 系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）n系統(tǒng)的可靠性模型n冷備份系統(tǒng)的可靠性模型nn個完全相同部件的冷備份系統(tǒng) （待機(jī)備份系統(tǒng)），轉(zhuǎn)換開關(guān)為理想開關(guān)，只要一個部件正常，則系統(tǒng)正常n表決系統(tǒng)的可靠性模型n在組成系統(tǒng)的n個單元中，不失效的單元不少于k（k介于1和n之間），系統(tǒng)就不會失效的系統(tǒng)，又稱為k/n系統(tǒng) 16第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)5 系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）n可靠性的預(yù)估n由一批有經(jīng)驗人員按該

8、產(chǎn)品復(fù)雜程度與已知可靠性的產(chǎn)品類比評分給定n可靠性的分配n原則：技術(shù)水平、復(fù)雜程度、重要程度、任務(wù)情況 n方法：等分配法 、再分配法、 比例分配法、綜合評分分配法、動態(tài)規(guī)劃分配法 n可靠性設(shè)計的具體措施n冗余設(shè)計n抗環(huán)境影響設(shè)計 17第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)5 系統(tǒng)級可靠性設(shè)計（續(xù)）n典型雙工系統(tǒng)n雙工系統(tǒng)n冗余技術(shù)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠性n兩個獨立子系統(tǒng)n同源輸入、獨立處理、比較結(jié)果n兩個獨立子系統(tǒng)同時失效的概率較小 18第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù) 19第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)6 故障檢測技術(shù)n嵌

9、入式系統(tǒng)的脫機(jī)自檢n指令系統(tǒng)自檢nRAM、ROM、外設(shè)及接口的自檢n嵌入式系統(tǒng)的在線故障檢測n程序監(jiān)視器、狀態(tài)反饋n檢錯及糾錯編碼n超時故障檢測n直流電機(jī)接口的在線檢測n瞬時掉電保護(hù) 20第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)6.3 嵌入式系統(tǒng)安全性設(shè)計n1、嵌入式系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的安全挑戰(zhàn)n2、硬件安全n3、軟件安全n4、安全與可信 21第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1、嵌入式系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的安全挑戰(zhàn)n端設(shè)備性能逐步強(qiáng)大，減少信息交換，提高效率n安全、私有信息逐步轉(zhuǎn)移到端設(shè)備中n端設(shè)備不具有可控性，容易遺失、被盜、n設(shè)計者很難考慮到所有的安全隱患n端

10、設(shè)備在設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分考慮到惡劣的攻擊環(huán)境n硬件被攻擊、軟件被攻擊、通信被攻擊、服務(wù)器端被攻擊 22第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2、硬件安全n硬件可能被剖析、仿制、破壞n潛在的硬件缺陷一旦被發(fā)現(xiàn)，很難通過“打補丁”方式修正n硬件攻擊更容易實現(xiàn)n一臺數(shù)字示波器n一個讀卡器n硬件在設(shè)計時應(yīng)盡可能考慮安全問題，有補救措施n寧可報廢，也不泄露 23第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3、軟件安全n軟件由于復(fù)雜度問題，難以排除所有漏洞n建立一定的制度，定期發(fā)布補丁n使用輔助工具完成漏洞排查n難以修補的底層問題，應(yīng)借助硬件完成 24第六部分第六部分 嵌入

11、式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)4、安全與可信n如何建立一個可以信賴的計算環(huán)境？n硬件可以信賴？不被Hack？n軟件可以信賴？n通信可以信賴？n服務(wù)可以信賴？n如何保證信任的傳遞？n從理論上保證信任可以傳遞：從硬件-軟件-應(yīng)用-服務(wù)n加密技術(shù)、完整性驗證nTPC 25第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)6.4 嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計n1 概述n2 硬件低功耗設(shè)計n3 軟件低功耗設(shè)計 26第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1 概述n低功耗設(shè)計成為熱點n電池供電延長電池的壽命，降低用戶更換電池的周期，提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷n手機(jī)、MP3、MP4、

12、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)n降低電磁干擾系統(tǒng)的功耗越低，電磁輻射的能量越小，對其它設(shè)備造成的干擾越小n安全需要例如工業(yè)現(xiàn)場總線設(shè)備的本安（本質(zhì)安全）要求，實現(xiàn)本安要求的一個重要途徑是降低系統(tǒng)的功耗 27第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1 概述（續(xù)）n低功耗設(shè)計構(gòu)成n系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、器件的工藝設(shè)計n器件的工藝設(shè)計n主要由半導(dǎo)體器件廠家來完成n嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計人員只需要關(guān)心器件的功耗指標(biāo)n嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的核心n集中于系統(tǒng)的硬件、軟件以及它們之間的配合方面 28第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)1 概述（續(xù)）n功耗產(chǎn)生的原因n集成電

13、路的功耗包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分n靜態(tài)功耗電路狀態(tài)沒有翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗n靜態(tài)功耗：Ps = V*In動態(tài)功耗電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗n動態(tài)功耗：Pd=V2*f*CnV為工作電壓，f為時鐘頻率，C為負(fù)載電容n目前大多數(shù)電路采用CMOS工藝，靜態(tài)功耗很小，可以忽略，起主要作用的是動態(tài)功耗，因此降低功耗主要從降低動態(tài)功耗入手 29第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計n低功耗器件n盡量選用CMOS系列電路n選用低功耗的嵌入式處理器n處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，功耗比較大n選擇低功耗的外圍電路n未用輸入端不要懸空n懸空的輸入端可能存在的感應(yīng)信號造成高低電

14、平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器件的功耗很大n盡量采用輸出為高的原則n輸出電流小，輸入電流大 30第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）n低功耗電路形式n完成同樣的功能，電路的實現(xiàn)形式有多種n例如，可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路甚至單片實現(xiàn)n善于利用CPLD、FPGA構(gòu)成數(shù)字電路n使用的元器件的數(shù)量越少，系統(tǒng)的功耗越低n盡量使用集成度高的器件，減少電路中使用的元件的個數(shù)，減少整機(jī)的功耗 31第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）n單電源、低電壓供電n一些模擬電路如運算放大器等，供電方式有正負(fù)電源和單電源兩

15、種n雙電源供電可以提供對地輸出的信號，但電源設(shè)計復(fù)雜，功耗大n高電源電壓可以提供大的動態(tài)范圍，缺點是功耗大n例如低功耗運放LM324，單電源電壓n當(dāng)電源電壓為15V時，功耗約為220mWn當(dāng)電源電壓為10V時，功耗約為90mWn當(dāng)電源電壓為5V時，功耗約為15mW 32第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）n電源管理單元設(shè)計n處理器全速工作時功耗最大，待機(jī)狀態(tài)時功耗比較小n常見的待機(jī)方式有兩種n空閑方式（idle）nCPU停止工作，I/O接口電路工作n通過中斷的發(fā)生退出，中斷可以由外部事件供給n掉電方式（shutdown）nCPU、I/O接口電路停止

16、工作，中斷也不響應(yīng)n需要進(jìn)入復(fù)位才能退出掉電方式 33第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計（續(xù)）n降低或動態(tài)改變處理器的時鐘頻率n處理器的工作頻率和功耗的關(guān)系很大，頻率越高，功耗越高n例如：時鐘頻率32.768kHz、3V工作電壓時，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列單片機(jī)的典型工作電流只有15An在許多低功耗的場合，采用低速晶振實現(xiàn)低功耗非常有效n可以動態(tài)改變處理器的時鐘以降低系統(tǒng)的總功耗nCPU空閑時降低時鐘頻率nCPU處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率，全速運行 34第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)2 硬件低功耗設(shè)計（續(xù)

17、）n降低持續(xù)工作電流n在一些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流n例如IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關(guān)閉開關(guān)時給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)上電，開關(guān)的開和關(guān)狀態(tài)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)或磁場機(jī)制保持開關(guān)的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以進(jìn)一步降低電能的消耗 35第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 軟件低功耗設(shè)計 n編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)n編譯技術(shù)降低系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實n對于實現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法消耗的時間不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同n目前的軟件編譯優(yōu)化方式有多種n基于代碼長度優(yōu)化，基于執(zhí)行時間優(yōu)化等n基于功耗的優(yōu)化方法目前很少，仍處于研究

18、中n如果利用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)（如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)），可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設(shè)計消耗功率小的算法，降低系統(tǒng)的功耗 36第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）n硬件軟化與軟件硬化n硬件電路一定消耗功率n可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(tǒng)中用軟件濾波代替硬件濾波器等n軟件處理需要時間n處理器需要消耗功率，特別是處理大量數(shù)據(jù)的時候，需要高性能的處理器，可能會消耗大量的功率n系統(tǒng)中某一功能用軟件實現(xiàn)還是硬件實現(xiàn)，需要綜合計算設(shè)計 37第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式

19、系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）n減少處理器的工作時間n軟件設(shè)計降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵n盡量減少CPU的全速運行時間，使CPU較長地處于空閑方式或掉電方式n事件驅(qū)動的程序設(shè)計方法n在開機(jī)時靠中斷喚醒CPU，讓它盡量在短時間內(nèi)完成信息或數(shù)據(jù)的處理，然后進(jìn)入空閑或掉電方式n在關(guān)機(jī)狀態(tài)下讓它完全進(jìn)入掉電方式，用定時中斷、外部中斷或系統(tǒng)復(fù)位將它喚醒 38第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）n采用快速算法n數(shù)字信號處理中的運算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗n在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種方法n通信中盡量提高通信速率n在多機(jī)通信中，盡量提高傳送的波特率n發(fā)送、接收均應(yīng)采用中斷處理方式，而不采用查詢方式 39第六部分第六部分 嵌入式系統(tǒng)的高級嵌入式系統(tǒng)的高級技術(shù)技術(shù)3 軟件低功耗設(shè)計（續(xù)）n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中降低采集速率n在測量和控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計需根據(jù)實際情況，不要只顧提高采樣率n模數(shù)轉(zhuǎn)換時功耗較大，過高的采樣速率會導(dǎo)