嵌入式系統(tǒng)1-概述

嵌入式系統(tǒng)主講：陳波cb@.c入式系統(tǒng)課程簡介學(xué)時分配成績評估參考書課程簡介課程的任務(wù)是學(xué)習(xí)嵌入式計算機硬件軟件構(gòu)成，以及嵌入式系統(tǒng)的主流操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)技術(shù)。課程內(nèi)容主要包括嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等。嵌入式體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)主要圍繞ARM體系結(jié)構(gòu)進行，并簡單介紹sharc。ARM體系結(jié)構(gòu)在嵌入式領(lǐng)域占有相當(dāng)大的比例。學(xué)時分配總學(xué)時：32學(xué)時講課：26學(xué)時研討：6學(xué)時成績評估平時成績：20%課堂研討：40%Project：40%參考書嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計原理(第2版)，computersascomponents,principlesofembeddedcomputingsystemdesign,waynewolf,機械工業(yè)出版社，2009ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)(第2版)，馬忠梅等，北航出版社，2007第一章概述計算機工業(yè)的分類嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點和要求嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1.1計算機工業(yè)的分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機)是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中計算機系統(tǒng)的三大領(lǐng)域服務(wù)器利潤最大的市場可用性可擴展性有效帶寬桌面最廣闊的市場嵌入式潛力最大的市場1.2嵌入式系統(tǒng)的定義英國電機工程師學(xué)會的定義:

“嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器或甚至工廠操作的裝置”通常執(zhí)行特定功能以微電腦和外圍構(gòu)成核心嚴格的時序和穩(wěn)定性要求全自動操作循環(huán)精確定義:以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點和要求1.3.1嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)PC由WINTEL壟斷嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。1.3.2嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用升級換代也是和具體產(chǎn)品同步,具有較長的生命周期軟件和硬件結(jié)合緊密嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性普通處理器18月嵌入式處理器8~10年1.3.3嵌入式系統(tǒng)軟件的特征軟件要求固態(tài)化存儲軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標準化道路的基礎(chǔ)1.3.4需要主機開發(fā)工具和環(huán)境通用計算機具有完善的人機接口界面嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，但一

般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行。但為了保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。需要選配RTOS開發(fā)平臺1.3.5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主通用計算機的開發(fā)人員一般是計算機科學(xué)或計算機工程方面的專業(yè)人士。嵌入式系統(tǒng)則是要和各個不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，其開發(fā)人員往往是各個應(yīng)用領(lǐng)域的專家。

因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求。

構(gòu)件化1.4嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件

品種總量已超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Samsung，TI，高通，Philip，AMD等每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)嵌入式計算機內(nèi)核分類

嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

嵌入式微處理器(EMPU)

專門設(shè)計的電路板(類似通用計算機中的CPU)只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能

增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計算機相似嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機

以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。

嵌入式微控制器(MCU)代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額。

嵌入式DSP處理器(EDSP)DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器(EDSP)有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)

整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA嵌入式外圍設(shè)備嵌入式外圍設(shè)備是指，在嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲、通信、保護、調(diào)試、現(xiàn)實等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類：存儲器類型：靜態(tài)易失型存儲器(RAM/SRAM)，動態(tài)存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等有點在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)中都有其廣泛的應(yīng)用，但是以下幾種接口的應(yīng)用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。嵌入式操作系統(tǒng)主流VxWorks：是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)嵌入式Linux：較主流的有MontaVistaLinux等AppleIOS、GoogleAndroid、WindowPhone8：平板電腦、智能手機ucOS2等2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式視頻服務(wù)器的架構(gòu)數(shù)碼多媒體產(chǎn)品現(xiàn)代化家庭信息家電醫(yī)療影像網(wǎng)絡(luò)PACS主要功能：醫(yī)學(xué)影像的采集和數(shù)字化圖像的存儲和管理醫(yī)學(xué)圖像的高速傳輸圖像的數(shù)字化處理和重現(xiàn)圖像信息與其他信息PACS子系統(tǒng)影像實時采集子系統(tǒng)

影像分析處理子系統(tǒng) 影像的查詢、管理和存儲子系統(tǒng)圖文編輯及打印子系統(tǒng)數(shù)字圖像回寫子系統(tǒng)遠程會診子系統(tǒng)系統(tǒng)管