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无风扇工控机 第一章--嵌入式系统概论

blog 2020-09-30 14 0

  第一章嵌入式系统概论 主要内容 1.1引言 1.2嵌入式系统的定义 1.3嵌入式系统的体系结构 1.4嵌入式系统的特点 1.5嵌入式系统的发展历史及趋势 1.6嵌入式系统的应用 第一章 嵌入式系统概论 引言 从幼苗茁壮成长到参天大树经过三十多年的发展,嵌入式系统从最开始的涓涓细 流,发展壮大成了目前数量最多,使用范围最广的电 子信息系统 在人们的日常生活中,嵌入式设备几乎随处可见,已 经成为生活的重要组成部分 虽然数量众多,但却不为人所知嵌入式系统一般隐藏在产品中 在使用过程中主要完成无形的信息处理,用户不容易 感知到它的存在 第一章 嵌入式系统概论 无处不在的计算机 全世界的计算机科学家正在形成一种共识: 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物 而是将变得小巧玲珑,无处不在. 他们藏身 在任何地方, 又消失在所有地方, 功能强大, 确又无影无踪. 人们将这种思想命名为: 所不在的计算机”。第一章 嵌入式系统概论 无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达 到和超过100:1 的阶段 无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计 算机系统 在100:1比例中95%以上 都是嵌入式计算机系 嵌入式设备无处不在, 统,并非通用计算机 但桌面系统还依然有用 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的定义 计算机分类从通用性角度来分类:通用计算机和嵌入式计算机 通用计算机系统巨型机、大型机、小型机、微型机 服务器、工作站、台式机、笔记本计算机 嵌入式系统坦克、导弹、飞机、军舰、雷达 DVD 机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器 手机、MP3 播放器、数码相机、数码摄像机、机顶盒 键盘、鼠标、闪存盘、CD-ROM、交换机、路由器 第一章嵌入式系统概论 嵌入式系统的定义(续) 嵌入式系统以应用为中心,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、重 量、功耗严格要求的专用计算机系统 简而言之,是含有处理器的专用软硬件系统 英国电机工程师协会的定义Devices used control,monitor, equipment,machinery plants(用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置) 第一章嵌入式系统概论 嵌入式系统的定义(续) 微机学会的定义嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统,可 分为系统级、模块级、芯片级 系统级:各种类型的工控机 以标准总线互联(背板结构)的工控机:CPCI、PCI-ISA、VME 、STD 模块级:各种类型的带CPU 的模块 嵌入式CPU模块:PC104 模块、Biscuit 芯片级:各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核心的产品 第一章嵌入式系统概论 通用计算机与嵌入式系统对比 特征 通用计算机 嵌入式系统 形式和类型 形式多样,应用领域广泛构规模等因素分为大、中、小 ,按应用来分。 型机和微机。 组成 软件和硬件相对独立。成在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成在一起的。 开发方式 采用交叉开发方式,开发计算机 平台一般是通用计算机, 运行 平台是嵌入式系统。 二次开发性 一般不能再编程第一章 嵌入式系统概论 硬件平台的比较 设备名称 嵌入式系统 PC CPU 嵌入式处理器(ARM、MI PS MD的Athlon 内存SDRAM SDRAM、DDR 内存条 存储设备 Flash 硬盘 输入设备 LCD 显示器 声音设备音频芯片 声卡 接口 MAX232 等芯片 主板集成 其它设备 USB、网卡等芯片 主板集成或外接 第一章 嵌入式系统概论 软件平台的比较 嵌入式系统 PC 引导代码 Bootl oader 引导,针对不同电路板 进行移植 主板的 BIOS 引导,无须改 操作系统windowsCE、VxWorks、Linux ,需要移植windowsCE、Linux 等,不需要移 驱动程序每个设备都要根据电路板进行重新 开发或移植,一般不能直接下载使 操作系统含大多数驱动程序,或从网上直接下载使用 协议栈 需要移植 操作系统提供,或第三方提供 开发环境 借助服务器交叉编译 本机开发 仿真器 需要 不需要 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构 11 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构(续) 12 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构(续) 硬件层嵌入式处理器 Chip)——FPGA、ASIC存储器系统 中断控制器、DMAC、定时器/计数器UART、USB 控制器、LCD 控制器 其它I/O 接口 CAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES等等 13 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构(续) 中间层(BSP)板级支持包(Board Support Package) 系统软件与底层硬件隔离 硬件设备的配置功能特点 操作系统相关性14 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构(续) 操作系统层嵌入式操作系统(EOS) 简化软件设计、提高软件系统可靠性文件子系统 图形子系统 网络子系统 其它通用模块 CAN、蓝牙、Zigbee、Modbus、LIN协议栈 15 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的体系结构(续) 应用层与应用密切相关 面向目标和用户 完成特定的功能 例如 星载遥感图像处理系统16 第一章 嵌入式系统概论 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的特点 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法18 第一章 嵌入式系统概论 形式多样、面向特定应用 一般用于特定的任务,其硬件和软件都必须高效率地 设计,量体裁衣、去除冗余,嵌入式工控机而通用计算机则是一个 通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点,能 够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化 程序。 第一章 嵌入式系统概论 处理器和处理器体系结构类型多 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构,而且 主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结 在嵌入式微处理器产业链上,IP设计、面向应用的特定 嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产 业。大家分工协作,形成多赢模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器 体系结构可以选择。 第一章 嵌入式系统概论 10 25Mips 100mHz 10 200Mips 300mHz 680x0 680x0 TriCore CPU32 CPU32 SI 20 100 500Kips 10mHz Mips1.0 25mHz 680x0 CPU32 80x86 PowerPC 80x86 Pentium MIPS i960 SPAR ARMPowerPC 80x86 Pentium MIPS i960 SPAR ARMC6x Lucent 16000 563xx SHARC MCORE Merced 68000 Z80 SPARC MIPS SH 1/2/3 Alpha SH 1/2/3 SH-DSP AltiVEC MAP1000 8086 i960 ColdFIRE SH 4/5 SA1500 1990 1996 1998 1980 微处理器的演变 第一章 嵌入式系统概论 关注成本 嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本,特别是量大的消费类数字化产品,其成本是产品竞争的 关键因素之一。 一次性的开发成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本* 产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本 第一章 嵌入式系统概论 实时性和可靠性的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求,软件一般是 固化运行或直接加载到内存中运行,具有快速启动的功 能。并对实时的强度要求各不一样,可分为硬实时和软 实时。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能,特 别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言,其 可靠性设计尤其重要。 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制,比 如硬件的看门狗定时器,软件的内存保护和重启动机制 第一章嵌入式系统概论 适应多种处理器、可剪裁、轻量型、 实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 由于嵌入式系统应用的特点,像嵌入式微处理器一样,嵌入式操作系统也是多姿多彩的。 大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。 嵌入式操作系统规模小,所需的资源有限如内核规模在几十KB,能与应用软件一样固化运行。 一般包括一个实时内核,其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。 第一章 嵌入式系统概论 开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发,其开发过程一般分为几个阶段: 维护与升级第一章 嵌入式系统概论 开发需要专门工具和特殊方法 由于嵌入式系统资源有限,一般不具备自主开发能力,产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改,必须有一套专门的开 发环境。 该开发环境包括专门的开发工具(包括设计、编译、调试、测试等工具),采用交叉开发的方式进行,交叉开发环境如图所示。 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的发展历史及趋势 20世纪70 年代 单片机出现 1975年TI 推出了第一片4 位单片机——TMS-1000 1976年Intel:8048——

  8051(8 20世纪90 年代 ARM(1991 年,32 ARM7系列、ARM9 系列 ARM10E系列、 ARM11 系列 SecurCore系列、Cortex 系列 Power PC、MIPS 27 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的发展历史及趋势(续) 20世纪80 年代 实时操作系统出现 1981年,Ready System: VRTX32 WindRiver:VxWorks 纪90年代 实时多任务操作系统 WindRiver:VxWorks Microsoft:WinCE 友好的图形界面28 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的发展历史及趋势(续) 市场巨大、发展迅速、前景广阔产品种类不断丰富,应用范围不断普及 性能不断提高 多种媒体处理能力的汇聚功耗不断降低,体积不断缩小 软件成为影响价格的主要因素 软件越来越复杂29 第一章 嵌入式系统概论 软件体现价值 DVD播放机 音频(incl.MP3) iPodMP3 播放机 价格:iPod nano GB1400 iPodnano GB2200 iPod30GB 2800 iPod60GB 3800 核心价值在于:好的软件带给消费者最好的使用体验第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的发展历史及趋势(续) 程序设计语言汇编语言——〉C 语言——〉C++语言 优秀的开发环境软件开发环境——完善、友好的工具链 项目管理、编辑、编译、调试、下载硬件开发环境 嵌入式系统设计工程硬件、软件、开发环境集成化、一体化 网络化、图形化、多媒体化 31 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的发展趋势 以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统,不仅为 嵌入式市场展现了美好前景,注入了新的生命 ,同时也对嵌入式系统技术,提出新的挑战: 支持二次开发和动态升级等第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的应用 33第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化等领域。 2003年全球大概有80 亿片嵌入式微处理器,到2010 年,预计会达 到160 亿片,地球上的人平均拥有3 个嵌入式微处理器; 在航空电子中,嵌入式软件的开发成本占整个飞机研制成本的50%;对于汽车工业,汽车电子在整车价值中的比例逐年提高, 将从1997 年的20%提升到2010 年的33-40%; 消费电子数量越来越大,据预测,到2010年,仅数字家庭在美国 的销售额就将达到2000 亿欧元。 第一章 嵌入式系统概论 消费电子领域随着技术的发展,消费电子产品正向数字化和网络化 方向发展。 高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视。 数码相机将代替传统的胶片相机。 固定电话今后会被IP 电话所替代。 各种家用电器(电视机、冰箱、微波炉、电话等)将 通过家庭通信、控制中心与Internet 连接,实现远程 控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等 。转变为智能网络家电,还可以实现远程医疗,远程 教育等。 第一章 嵌入式系统概论 Digital camera chip CCD CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A A2D lens JPEG codec Microprocessor Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl DigitalCamera 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的应用领域 彩色显示 形用户接口安全应用 移动商务 电子邮件 3G 浏览器JAVA 应用 数据为主 2G 简单用户接口 简单应用 WAP 话音为主 通信 计算 手机发展趋势 第一章 嵌入式系统概论 通信领域通信领域大量应用嵌入式系统,主要包括程控交换机、 路由器、IP 交换机、传输设备等。 据预测,由于互联的需要,特别是宽带网络的发展,将 会出现各种网络设备如:ADSL Modem/Router 量将远远高于传统的网络设备。它们基于32 位的嵌入式系统、价格低廉,将为企业、家 庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。就宽带 上网的网络设备ADSL Router 而言,国外现在每月需要 600K 的数量。 第一章 嵌入式系统概论 随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求的不断增长,需要对设备进行智能化、数字化改 造,为嵌入式系统提供了很大的市场。 就汽车电子系统而言,目前的大多数高档轿车每辆拥有约50 个嵌入式微处理器。如BMW 系列轿车,则平均安装有63 个嵌入式微处理器。 据预测,21世纪初美国接入 Internet 的汽车将有一 亿辆。IC Insights 报道2001 年车载计算系统的市场 规模是30 亿美元,而2004 年将达到46 亿美元,届时 这些系统将成为所有新型轿车的标准设备。 第一章 嵌入式系统概论 6轮探测车第一章 嵌入式系统概论 火星一无所有的荒漠 “火星探路者”飞船 41 第一章 嵌入式系统概论 小结 目的与要求掌握嵌入式系统的定义、体系结构 熟悉嵌入式系统的特点 了解嵌入式系统的发展历史、应用、发展趋势和实现 重点与难点嵌入式系统的定义、体系结构和特点 42 第一章 嵌入式系统概论 补充作业 什么是嵌入式系统?嵌入式系统主要的特点是什么? 列举出一些你所知道的嵌入式系统,分析一下它们的特点。 43

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