Part01-嵌入式系統(tǒng)基本概念.ppt

1、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)Part 1 嵌入式系統(tǒng)基本概念,李國才 四川大學電氣信息學院 2012.02,四川大學電氣信息學院,2/53,內(nèi)容大綱,通過本部分學習，要求掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念-ch1 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件特征 嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢 一些典型應用,四川大學電氣信息學院,3/53,什么是“嵌入式系統(tǒng)”?,近年來“嵌入式系統(tǒng)”一詞開始風靡起來，小到普通的MP3播放器、PDA個人數(shù)字助理，大到信息家電，汽車電子、機械加工中心、工業(yè)機器人等都被冠以嵌入式系統(tǒng)應用的稱謂。 然而嵌入式系統(tǒng)的概念并非新近才出現(xiàn)， 早在20世紀70年代，隨著Intel公司的8位微控

2、制器8048的出現(xiàn)（同期的8位微控制器還有：Motorola公司的68HC05，Zilog的Z80系列等），使得過程控制、通信設(shè)備、汽車、工業(yè)機器人以及成千上萬的消費電子產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置的形式來獲得更佳的性能、更可靠、速度更快、價格更低。,四川大學電氣信息學院,4/53,嵌入式系統(tǒng)定義?,嵌入式系統(tǒng)被定義為： 以應用為中心, 以微電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)為基礎(chǔ)， 強調(diào)軟硬件的協(xié)同性、整合性和可剪裁性， 并能滿足目標應用對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴格要求 一種專用計算機系統(tǒng)。,四川大學電氣信息學院,5/53,嵌入式系統(tǒng)包括那些內(nèi)容?,嵌入式系統(tǒng)通常由包括二個

3、方面： 微處理器或微控制器MPU/MCU 定時器、 存儲器、 外設(shè)器件和I/O端口、 傳感器、 圖形控制器、 執(zhí)行器等一系列微電子芯片與器件， 嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)（要求實時和多任務(wù)操作）、應用程序組成， 共同實現(xiàn)諸如實時控制、監(jiān)視、管理、移動計算、數(shù)據(jù)處理等各種任務(wù)。,四川大學電氣信息學院,6/53,簡單的嵌入式系統(tǒng)組成,即最常用的計算機系統(tǒng)的表示,四川大學電氣信息學院,7/53,復雜的嵌入式系統(tǒng)組成,四川大學電氣信息學院,8/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點 (一)實時多任務(wù)實時?,任何一個電子系統(tǒng)都可看成是一個激勵-響應系統(tǒng)。每個特定的電子系統(tǒng)都有一個從激勵輸入到響應輸出的

4、時間，即激勵-響應周期T，它表現(xiàn)為系統(tǒng)的響應能力。如果系統(tǒng)的響應能力T能滿足嵌入對象所規(guī)定的響應時間ta要求，即Tta，這個系統(tǒng)便是實時的電子系統(tǒng)。 經(jīng)典電子系統(tǒng):(不含計算機的純電子電路系統(tǒng))它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時間周期T 通用計算機系統(tǒng):(是一個人機交互的激勵-運行-響應系統(tǒng)。它的激勵-響應時間T表現(xiàn)為電路系統(tǒng)的激勵-響應時間tc與軟件運行時間ts ) 嵌入式系統(tǒng)(由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會提出不同的響應時間ta要求 )在嵌入式應用系統(tǒng)的具體設(shè)計中，必須考慮系統(tǒng)中每一個任務(wù)運行時，能否滿足tsta的要求，這就是嵌入式系統(tǒng)的實時性問題 而嵌入式

5、系統(tǒng)應用中，必須考慮實時性問題，是因為軟件運行的時間耗費ts，會使系統(tǒng)的激勵-響應時間T巨額增加，而不能滿足嵌入對象系統(tǒng)提出的響應時間ta要求，凸現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的實時性問題。,四川大學電氣信息學院,9/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(一)實時多任務(wù),對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。 以電力系統(tǒng)的穩(wěn)定觀測控制為例。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性通常在事故后幾十到幾百毫秒內(nèi)就有可能受到嚴重威脅，并且過遲的穩(wěn)定控制措施不僅起不到預想的作用，造成經(jīng)濟上的損失，甚至可能引起其他的安全問題。這里的實時性不僅指獲得數(shù)據(jù)的實時性

6、，而且還包括數(shù)據(jù)處理、分析、決策的實時性。,四川大學電氣信息學院,10/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(一)實時性解決?,處理器核心設(shè)計上：硬件設(shè)計中的Cache技術(shù)、DSP協(xié)處理器核心、外設(shè)進入核心、總線、以及動態(tài)分支預測技術(shù)等 通用系統(tǒng)注重平均表現(xiàn) 軟件上：實時軟件(操作系統(tǒng))所遵循的最重要的設(shè)計原則是：采用各種算法和策略,始終保證系統(tǒng)行為的可預測性(predictability)。 可預測性是指在系統(tǒng)運行的任何時刻,在任何情況下,實時操作系統(tǒng)的資源調(diào)配策略都能為爭奪資源(包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等)的多個實時任務(wù)合理地分配資源,使每個實時任務(wù)的實時性要求都能得到滿足。 在最壞情

7、況下都要滿足其實時性要求, 注重的是個體任務(wù)表現(xiàn), 是個體最壞情況表現(xiàn) 以虛擬存儲管理技術(shù)為例討論處理器核心設(shè)計上的差別; 取消了MMU，直接硬件化，取消重定位等,四川大學電氣信息學院,11/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(二),具有功能很強的臨界存儲區(qū)保護功能。 這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。,四川大學電氣信息學院,12/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(三)可擴展的處理器結(jié)構(gòu),可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能迅速地開發(fā)出滿足各種應用需求的高性能嵌入式微處理器。 系列眾多,四川大學

8、電氣信息學院,13/53,可擴展的處理器結(jié)構(gòu)例,8051結(jié)構(gòu) Atmel系列,四川大學電氣信息學院,14/53,四川大學電氣信息學院,15/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(四)專用調(diào)試電路,嵌入式微處理器內(nèi)部通常包含專用調(diào)試電路，外部有JTAG邊界掃描接。 JTAG最初是用來對芯片進行測試的，JTAG的基本原理是在器件內(nèi)部定義一個TAP（TestAccessPort;測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對進行內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試?，F(xiàn)在，JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP（In-SystemPro

9、grammable;在線編程），對FLASH等器件進行編程。,四川大學電氣信息學院,16/53,“嵌入式系統(tǒng)”的微處理器核心特點(五)功耗很低,嵌入式微處理器必須功耗很低， 尤其是用于無線、便攜式移動計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至W級。 低功耗MCU-低電壓、低工作頻率、支持睡眠、支持模塊關(guān)閉、軟件上的設(shè)計。,四川大學電氣信息學院,17/53,嵌入式系統(tǒng)硬件的特征,以應用為中心 從IC卡 到 登月車 軟硬件專用性強 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品通常具有較長的生命周期 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的交叉開發(fā)工具和環(huán)境,四川大學電氣信息學院,18/53,嵌入式系統(tǒng)軟件的特征,軟

10、件要求固態(tài)化存儲 固化/重載要求 軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 系統(tǒng)軟件(OS)要求高實時性 視應用情況而定 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),四川大學電氣信息學院,19/53,嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域,工業(yè)控制 信息家電 國防裝備 機器人 其他.,圖片來自互聯(lián)網(wǎng),四川大學電氣信息學院,20/53,工業(yè)控制,工控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能: 在現(xiàn)場完成復雜的測控任務(wù)，因為通常一些任務(wù)都具有一定的實時性要求; 測控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。,四川大學電氣信息學院,21/53,信息家電,智能型手持裝置：如PDA、電子書等； 電器 數(shù)字家庭,四川大學電氣信息學院,22/53,信息家電,數(shù)字家庭,

11、四川大學電氣信息學院,23/53,國防武器裝備,智能武器 智能武器指的是具有人工智能的武器，通常由信息采集與處理系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)等組成。能夠自行完成偵察、搜索、瞄準、攻擊目標和收集、整理、分析、綜合情報等軍事任務(wù)。 精確制導武器、無人駕駛飛機、無人駕駛坦克、無人操縱火炮、智能魚雷和自主多用途智能作戰(zhàn)機器人等,四川大學電氣信息學院,24/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,微型化 ： 微型化是現(xiàn)代各類型產(chǎn)品的基本要求，特別在嵌入式產(chǎn)品中，由于半導體技術(shù)的進步，使得原本需要龐大空間的電路設(shè)計，濃縮在一片SOC（片上系統(tǒng)）芯片中。 微型化，能使嵌入式系統(tǒng)更加價廉物美，具有更強的競爭

12、力。就像現(xiàn)在的智能型手機集成了通信、網(wǎng)絡(luò)、PDA種種功能于一身，各種微型化的嵌入式產(chǎn)品，如同項鏈一般可以佩戴在胸前，兼具美觀與實用的功能。,四川大學電氣信息學院,25/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,智能化 ： 機器人技術(shù)將對嵌入式系統(tǒng)智能化產(chǎn)生重大的影響。機器人巳從工業(yè)機器人階段步入到具有視覺、觸覺、力覺、滑覺等智能傳感器的智能機器人階段。 新傳感器的使用：陀螺，重力、加速度、方向. 微機電系統(tǒng)(MEMS) :,四川大學電氣信息學院,26/53,其他領(lǐng)域-交通管理,智能交通,四川大學電氣信息學院,27/53,其他領(lǐng)域-電子商務(wù),支付 物流 POS,四川大學電氣信息學院,28/53,其他領(lǐng)域,電力廣

13、域測量與管理 氣候/資源監(jiān)測與管理 水文,四川大學電氣信息學院,29/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,人性化 ： 嵌入式設(shè)備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式，這方面的要求嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者一方面要在圖形界面、多媒體技術(shù)上多下功夫。 另一方面要在人性化的操作方面下功夫，特別是在人工智能與生物信息科技領(lǐng)域方面，通過語音操作或是自然語言的方式來達到人性化操作的要求，是目前熱門的方向之一。 界面設(shè)計,四川大學電氣信息學院,30/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,安全性： 以生物特征提取技術(shù)為例，特征主要分兩大類，一類是生理特征，分別是利用指紋、手型、虹膜及視網(wǎng)膜等

14、特征而進行識別；另一類是行為特征，包括數(shù)字簽名和語音識別。由這些方式來辨認個人身份，不但兼具方便性，而且利用生物特征獨一無二的特性，達到安全保密的功能。 自身系統(tǒng)的安全，反向工程、知識產(chǎn)權(quán)保護,四川大學電氣信息學院,31/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,功能強大： 采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力，同時增加功能接口(如USB)，擴展總線類型(如CAN)，加強對多媒體、圖形圖像等的處理。 軟件方面，采用實時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具來控制功能復雜性，簡化應用程序設(shè)計，保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。,四川大學電氣信息學院,32/53,嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢,

15、互聯(lián)網(wǎng)應用 新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，除了支持TCP/P協(xié)議，有的還支持IEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA，同時也提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。 軟件方面，系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入Web瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。 硬件協(xié)議棧,四川大學電氣信息學院,33/53,一些典型嵌入式方案實例,嵌入式非接觸式智能卡(射頻卡) 音樂播放器MP3 MC35 GPRS無線調(diào)制解調(diào)器,四川大學電氣信息學院,34/53,嵌入式非接觸式智能卡(射頻卡),智能卡技術(shù)風靡全球，改變了現(xiàn)代生活中關(guān)于錢和票的概念。 智能住宅小區(qū)管理一卡

16、通設(shè)計方案的特點是以當代最先進的非接觸智能卡技術(shù)作為住戶的一卡通管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)住宅小區(qū)物業(yè)管理一體化：樓宇出入、登記、查詢、停車管理、區(qū)內(nèi)購物、娛樂消費、記帳、結(jié)帳、統(tǒng)計等自動化。 物業(yè)公司內(nèi)部管理采用非接觸式智能卡（員工卡），使公司在財務(wù)、人事、工資、辦公、行政管理、監(jiān)控、員工考勤等方面實現(xiàn)無紙化辦公，自動化管理，這樣可以節(jié)約綜合管理費用，提高工作效率。 非接觸式智能卡將微處理器及大容量存儲器的集成電器芯片（asic）和天線封裝于塑料基片之中。 卡中存儲器分多個分區(qū)，支持不同應用，達到一卡多用，而且具有很強的安全保密性。讀寫器采用兆頻段及磁感應技術(shù)，通過無線方式對卡中的信息進行讀寫并采用高

17、速率的半雙工通信協(xié)議。,四川大學電氣信息學院,35/53,雙界面（Dual Interface）的芯片卡 射頻卡的頻率,四川大學電氣信息學院,36/53,智能卡內(nèi)部功能框圖,四川大學電氣信息學院,37/53,德國英菲凌（Infineon）,四川大學電氣信息學院,38/53,安全機制,通常系統(tǒng)的讀寫模塊與感應卡之間采用相似的鑒別算法建立通訊，并使用隨機數(shù)對通訊數(shù)據(jù)進行加密。該鑒別算法稱為三次傳遞簽證（Three Pass Authentication）。 感應卡產(chǎn)生并發(fā)送隨機數(shù)RB給讀卡器。 讀卡器將RB與密匙、讀卡器序列號及隨機數(shù)RA結(jié)合形成TokenAB發(fā)送感應卡。 感應卡解讀TokenAB

18、，判斷讀卡器的合法性。 感應卡將RA、RB、密匙及芯片號相結(jié)合產(chǎn)生TokenAB發(fā)給讀寫器。 讀寫器解讀TokenAB，判別感應卡的合法性。,四川大學電氣信息學院,39/53,智能卡軟件,個智能卡操作系統(tǒng)的主要任務(wù)如下： 從智能卡傳出或傳入數(shù)據(jù)； 控制命令的執(zhí)行； 管理文件； 管理和執(zhí)行加密算法。 Java Card技術(shù)主要是讓智能卡或與智能卡相近的裝置上，以具有安全防護性的方式來執(zhí)行小型的Java應用程式（也稱為Java Applet），此技術(shù)也被廣泛運用在SIM卡（用于GSM手機內(nèi)）、ATM卡（也稱：金融卡、提款卡）上。 保護智能卡內(nèi)的私密、敏感性資料 Java Card能支援絕大多數(shù)的常

19、用加密算法,四川大學電氣信息學院,40/53,智能卡應用,電信領(lǐng)域：電話使用CPU卡來存儲信息和唯一識別用戶身份，SIM卡，另外卡中的微處理器大大提高了用戶賬號的安全性。電話儲值卡也是極為廣泛的智能卡應用。 金融領(lǐng)域，以智能卡技術(shù)開發(fā)而成的銀行卡，除了仍保留傳統(tǒng)銀行卡所具有的金融功能之外，還可利用卡上的內(nèi)存及微處理器來提供更多的增值金融服務(wù)。電子支付系統(tǒng)中使用智能卡來做為電子錢包的載具。 在交通領(lǐng)域，非接觸式智能卡取得了廣泛的應用。非接觸式智能卡中包含了微型天線，用于在不接觸的情況下讀寫和交換信息，一般而言，現(xiàn)在典型非接觸智能卡的讀寫有效距離為10cm、交易時間小于0.1秒。 醫(yī)療領(lǐng)域的應用要

20、求存儲大量信息，如病歷、身份、醫(yī)療保險號碼、血型、過敏癥、健康檢查結(jié)果等，采用智能卡將全面提高醫(yī)院診斷的效率、準確性及管理水平。 政府部門也開始采用智能卡技術(shù)。中國正在啟動的國家第二代身份證卡計劃是迄今為止全球最大的智能卡應用項目， 智能卡還可以用于企業(yè)、社團機構(gòu)的內(nèi)部管理,四川大學電氣信息學院,41/53,音樂播放器MP3,音樂播放 移動存儲盤 錄音功能 FM調(diào)頻收音 歌詞同步顯示功能 固件更新,四川大學電氣信息學院,42/53,功能結(jié)構(gòu),四川大學電氣信息學院,43/53,四川大學電氣信息學院,44/53,實例1 Atmel內(nèi)部組成,四川大學電氣信息學院,45/53,實例1典型電路,四川大學

21、電氣信息學院,46/53,四川大學電氣信息學院,47/53,MC35 GPRS無線調(diào)制解調(diào)器,無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真。 模塊的工作電壓為3.34.8 V，可以工作在900 MHz和1800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 M)和1W(1800 M)。 模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。 此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式

22、。 通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。 通過ZIF連接器及50天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。,四川大學電氣信息學院,48/53,GSM基帶處理器 射頻 固件 存儲 電源 外部接口,四川大學電氣信息學院,49/53,基帶處理部分包含GSM處理的MCU和DSP,C166 MCU processor core Digital Signal Processing core On-chip MCU Program ROM / SRAM flexibly configurable as program or data RAM DSP Program ROM / RAM DSP Data ROM / RAM Programmable PLL for system clock generation GSM Timer Module that off-loads the MCU from