嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、嵌入式軟件設(shè)計(jì)Software Design in Embedded System 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)需求背景市場(chǎng)需求 中國(guó)具有世界最大嵌入式技術(shù)市場(chǎng)，將成為世界第一，手持儀器設(shè)備、信息家電、城市建設(shè)、工業(yè)控制、軍事應(yīng)用，嵌入式技術(shù)無(wú)處不在。 嵌入式技術(shù)正在形成一種產(chǎn)業(yè) 企業(yè)人才需求軟硬件設(shè)計(jì)人才，應(yīng)用開發(fā)人才，綜合性人才，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)要求8位、16位、32位，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)原理與接口計(jì)算機(jī)組成原理、C/JAVA語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、.NET、操作系統(tǒng)原理嵌入式操作系統(tǒng)中間件技術(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)工程師EDA技術(shù)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)UML建模技術(shù)及應(yīng)用基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 嵌入

2、式系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)BSP、ootloader、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)移植、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序開發(fā)應(yīng)用軟件開發(fā)高效、規(guī)范開發(fā)嵌入式系統(tǒng)工程師知識(shí)要求掌握一種學(xué)習(xí)方法-理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐并重學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)理念獲得嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲得學(xué)分，取得較好的成績(jī)?yōu)槲磥?lái)職場(chǎng)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)掌握嵌入式軟件編程（期望值：）掌握軟件設(shè)計(jì)方法（期望值：）成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)高手（期望值：）大家能夠期望的收獲強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)中用系統(tǒng)思想考慮問(wèn)題。全面介紹嵌入式軟件設(shè)計(jì)可能遇到的各種問(wèn)題及解決方法，如BSP、可靠性、資源管理、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、開發(fā)環(huán)境選擇等。將軟件工程領(lǐng)域成熟的分析設(shè)計(jì)方法引入到嵌入式軟件的分析設(shè)計(jì)中，

3、如軟件體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)模式等。培樣學(xué)生以一種全面思考問(wèn)題，盡可能利用各個(gè)學(xué)科已有的設(shè)計(jì)思想解決問(wèn)題的思維方式進(jìn)行工作。課程教材及目標(biāo)課程計(jì)劃課堂教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)1、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)46、實(shí)時(shí)軟件分析設(shè)計(jì)方法DARTS42-3、嵌入式系統(tǒng)工程47、板級(jí)支持包（BSP）44、嵌入式軟件需求分析68、嵌入式軟件圖形用戶界面設(shè)計(jì)45、嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)69、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用4總 計(jì)： 36 學(xué)時(shí)實(shí)踐內(nèi)容實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)1、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境32、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（串行端口程序設(shè)計(jì)、CAN總線）33、Web服務(wù)器實(shí)驗(yàn)34、嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖形用戶界面應(yīng)用程序設(shè)計(jì)35-6、綜合應(yīng)用程序的開發(fā)（自選題

4、目）6總 計(jì)： 18 學(xué)時(shí)1. 陳連坤. 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā). 北京交通大學(xué)出版社, 2005.2. 石秀民, 陳友東.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)驗(yàn)-基于XScale平臺(tái).北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.3.符意德. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社, 20044.孫玉芳 等譯. 嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理（computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf）. 機(jī)械工業(yè)出版社，20025.嵌入式聯(lián)盟 6.嵌入式開發(fā)網(wǎng) http:/參考書目及網(wǎng)站第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知

5、識(shí)Software, Hardware.Personal digital assistant (PDA).Printer.Cell phone.Automobile: engine, brakes, dash, etc.Television.Household appliances.嵌入式計(jì)算無(wú)處不在什么是嵌入式系統(tǒng)?隱藏在一些更大的系統(tǒng)中管理控制這些系統(tǒng)并帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常稱為嵌入式系統(tǒng)。這方面的應(yīng)用技術(shù)稱為嵌入式技術(shù)。隱藏在一些更大的系統(tǒng)中管理控制這些系統(tǒng)并帶有微處理器并且沒(méi)有使用操作系統(tǒng)或使用嵌入式操作系統(tǒng)的的專用軟硬件系統(tǒng)稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常稱

6、為嵌入式系統(tǒng)。這方面的應(yīng)用技術(shù)稱為嵌入式技術(shù)。根據(jù)IEE（英國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)）的定義：The IEE define embedded systems as: “devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant”. 可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。一般的定義“以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！鼻度胧较到y(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件與硬件的綜合體，整個(gè)綜合

7、體的設(shè)計(jì)目的在于滿足某種特殊功能，并應(yīng)用于各類具體的應(yīng)用系統(tǒng)中。應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲(chǔ)設(shè)備VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)18個(gè)嵌入式控制模塊CAN總線網(wǎng)絡(luò) 據(jù)報(bào)道，汽車上的電子產(chǎn)品價(jià)值已超過(guò)汽車價(jià)格50%，已非傳統(tǒng)意義上的機(jī)械行業(yè)馬達(dá)控制器車燈尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)后車門控制

8、系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)18個(gè)嵌入式控制模塊 CAN總線網(wǎng)絡(luò) 機(jī)器人最早的機(jī)器人技術(shù)是50年代麻省理工學(xué)院MIT（Massachusetts Institute of Technology）提出的數(shù)控技術(shù)。 “索杰納”火星車就是一個(gè)價(jià)值10億美金的技術(shù)高密集移動(dòng)機(jī)器人，采用的是美國(guó)風(fēng)河公司的Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)，帶有機(jī)械手，可以采集火星上的各種地況，并且通過(guò)攝像頭把火星上的圖像發(fā)回地面指揮中心。這臺(tái)火星車在火星上自主工作了3個(gè)月。以索尼的機(jī)器狗為代表的智能機(jī)器寵物，可以僅僅使用8位的AVR，51單片機(jī)或者16位的DSP來(lái)控制舵機(jī)，進(jìn)行圖像處理。 Windows CE等32位嵌入式操作系統(tǒng)的盛

9、行，使得操控一個(gè)機(jī)器人只需要在手持PDA上獲取遠(yuǎn)程機(jī)器人的信息，并且通過(guò)無(wú)線通訊控制機(jī)器人的運(yùn)行。 基于Vxworks的火星探路者嵌入式系統(tǒng)的含義嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力。正因?yàn)榕c具體應(yīng)用的緊密結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)才具有很強(qiáng)的專用性。嵌入式系統(tǒng)將先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)，以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合，是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、學(xué)科交叉和不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)硬件和軟件進(jìn)行裁剪，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗的要求。因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度比較大，技術(shù)門檻較高。比較好的開發(fā)模式是：

10、首先建立相對(duì)通用的硬件和軟件基礎(chǔ)，然后針對(duì)具體的應(yīng)用做最少量的軟硬件改動(dòng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展史微型機(jī)時(shí)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1946年，ENIAC20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支通用計(jì)算機(jī)：要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無(wú)限提升，存儲(chǔ)容量的無(wú)限擴(kuò)大。嵌入式計(jì)算機(jī)：要求則是對(duì)象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。Intel公司于1971年推出有史以來(lái)第一個(gè)4位微處理器4004。1974年Intel公司又推出

11、了8位微處理器芯片8080。Motorola同時(shí)推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列。之后在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1、即將來(lái)臨的以ARM為核心的32位浪潮 2、嵌入式系統(tǒng)與Internet的融合 3、未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 基于8位，16位，32位的嵌入式系統(tǒng)微處理器飛速發(fā)展的結(jié)果是嵌入式計(jì)算成為一門學(xué)科 。在嵌入式系統(tǒng)的早期階段，所有基本硬件構(gòu)件相對(duì)較小也較簡(jiǎn)單，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶體管等，其軟件子系統(tǒng)是采用一體化的監(jiān)控程序，不存在操作系統(tǒng)平臺(tái)。而今天組成嵌入式系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)件已較

12、復(fù)雜，如：16位、32位CPU或特殊功能的微處理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性成倍增長(zhǎng)。因此研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及技術(shù)，提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)工具是嵌入式計(jì)算學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的8位微處理系統(tǒng)MCS-51系列的單片機(jī)是低端嵌入式系統(tǒng)中用得最多的微處理器。嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的16位微處理系統(tǒng)MCS-96系列單片機(jī)和16位DSP芯片嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介典型的32位微處理系統(tǒng)ARM系列是應(yīng)用較廣泛的32位微處理器。實(shí)際上該系列的MCU芯片很多，但大都是以ARM微內(nèi)核為核心的。32位的DSP應(yīng)用的也很廣泛。嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu)處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系

13、統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的組成硬件操作系統(tǒng) 程序硬件內(nèi)嵌式操作系統(tǒng)系統(tǒng)組件用戶程序嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)組成應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器DMA電源管理人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、HAL、BSP文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口驅(qū)動(dòng)層OS層應(yīng)用層軟件硬件以太網(wǎng)看門狗及復(fù)位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存 存儲(chǔ)器接口人機(jī)交互嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)

14、的組成嵌入式硬件系統(tǒng)嵌入式處理器各種類型存儲(chǔ)器模擬電路及電源接口控制器及接插件嵌入式軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）板級(jí)支持包（BSP）設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Device Driver）協(xié)議棧（Protocol Stack）應(yīng)用程序（Application）嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌人方式分為：整機(jī)式嵌人、部件式嵌人、芯片式嵌人整機(jī)式嵌人（系統(tǒng)級(jí)）：將一個(gè)帶有專用接口的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌人到一個(gè)系統(tǒng)中，使其成為這個(gè)系統(tǒng)的核心部分。這種計(jì)算機(jī)功能完整性比較強(qiáng)，用來(lái)完成系統(tǒng)中的關(guān)鍵工作，且有完善的人機(jī)界面和外部設(shè)備。部件式嵌人（板級(jí)）：將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以部件的方式嵌人到設(shè)備中，用以實(shí)現(xiàn)某一種功能。這種方式使計(jì)算機(jī)與其他硬件

15、禍合得更加緊密，功能專一。芯片式嵌人（片級(jí)）：將一個(gè)具有完整計(jì)算功能的芯片嵌人到設(shè)備中。這種芯片具有存儲(chǔ)器和完整的輸人/輸出接口，能實(shí)現(xiàn)專門的功能。顯示控制器和微波爐就是采用這種方式。嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)嵌人式軟件類型單線程程序嵌人式系統(tǒng)沒(méi)有主控程序。其優(yōu)點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;缺點(diǎn)是一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)控制和恢復(fù)，安全性差。事件驅(qū)動(dòng)程序嵌人式系統(tǒng)含中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和多任務(wù)系統(tǒng)兩種方式，往往有嵌人式操作系統(tǒng)的參與。嵌入式系統(tǒng)的分類根據(jù)實(shí)時(shí)性可分為實(shí)時(shí)系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正確性依賴于運(yùn)行結(jié)果的邏輯正確性和產(chǎn)生時(shí)間的正確性，即實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)正確地響應(yīng)外部物理過(guò)程的變化。

16、實(shí)時(shí)系統(tǒng)又可以分為：強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒或微秒級(jí)(如數(shù)控機(jī)床);一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)：其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒一幾秒的數(shù)量級(jí)上，其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要差一些(如媒體播放);弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)十秒或更長(zhǎng)。效益時(shí)間開始時(shí)間時(shí)限一個(gè)硬時(shí)限事件示意圖破壞嵌入式系統(tǒng)的分類非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（PDA）軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（消費(fèi)類產(chǎn)品）硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)和軍工系統(tǒng)）時(shí)間開始時(shí)間時(shí)限一個(gè)軟時(shí)限事件示意圖效益嵌入式系統(tǒng)的特征嵌入性：操作系統(tǒng)內(nèi)核小，資源少專用性強(qiáng)操作系統(tǒng)：軟+硬資源受限：目標(biāo)夠用，不是強(qiáng)大實(shí)時(shí)性魯棒性：穩(wěn)定、可靠性好軟硬件集成功耗約束開發(fā)調(diào)試?yán)щy不可壟斷的高度分散的產(chǎn)業(yè)嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計(jì)算平臺(tái)嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來(lái)的后果比PC機(jī)大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理器體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別嵌入式系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)的主流是以32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計(jì)和基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)多為4位、8位、16位機(jī)，不適