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第一章 嵌入式系统概论 嵌入式工控机

blog 2020-09-30 8 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 1.1 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: “无 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 统,并非通用计算机 嵌入式设备无处不在, 但桌面系统还依然有用 第一章 嵌入式系统概论 1.2 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 5 第一章 嵌入式系统概论 1.2 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 ? 具有自主的信息处理能力(信息装备) 英国电机工程师协会的定义 Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants(用于控制、监视或 者辅助操作机器和设备的装置) 6 第一章 嵌入式系统概论 1.2 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板 芯片级:各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核 心的产品 ? 个性化设计 7 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 形式和类型 ? 通用计算机 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和结 构规模等因素分为大、中、小 型机和微机。 通用处理器、标准总线和外设 。 软件和硬件相对独立。 ? 嵌入式系统 看不见的计算机。 形式多样,应用领域广泛 ,按应用来分。 组成 ? ? 面向应用的嵌入式微处理 器,总线和外部接口多集 成在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成在 一起的。 采用交叉开发方式,开发 平台一般是通用计算机, 运行 平台是嵌入式系统。 一般不能再编程 开发方式 ? 开发平台和运行平台都是通用 计算机 ? 二次开发性 ? 应用程序可重新编制 ? 第一章 嵌入式系统概论 硬件平台的比较 设备名称 CPU 内存 存储设备 输 出设 备 入 声音设备 接口 其它设备 嵌入式系统 PC 嵌 入 式 处 理 器 ( ARM、 MI CPU( Intel的 Pentium、 A PS等 ) MD的 Athlon等 ) SDRAM Flash LCD 音频芯片 MAX232等 芯 片 USB、 网 卡 等 芯 片 SDRAM、 DDR内 存 条 硬盘 显示器 声卡 主板集成 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 引导代码 操作系统 驱动程序 协议栈 开发环境 仿真器 Bootloader引 导 , 针 对 不 同 电 路 板 进行移植 windowsCE、 VxWorks、 Linux等 ,需要移植 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 用 需要移植 借助服务器交叉编译 需要 PC 主 板 的 BIOS引 导 , 无 须 改 动 windowsCE、 Linux等 , 不 需 要 移 植 操作系统含大多数驱动程序,或从 网上直接下载使用 操作系统提供,或第三方提供 本机开发 不需要 第一章 嵌入式系统概论 1.3 嵌入式系统的体系结构 11 第一章 嵌入式系统概论 1.3 嵌入式系统的体系结构(续) 12 第一章 嵌入式系统概论 1.3 嵌入式系统的体系结构(续) 硬件层 嵌入式处理器 ? 嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器 ? SoC(System on Chip)——FPGA、ASIC 存储器系统 ? ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等 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 1.3 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 ? 相关硬件的初始化 ? 数据的输入输出操作 ? 硬件设备的配置功能 特点 ? 硬件相关性 ? 操作系统相关性 14 第一章 嵌入式系统概论 1.3 嵌入式系统的体系结构(续) 操作系统层 嵌入式操作系统(EOS) ? 标准内核(API) ? 封装资源——时钟、定时器、中断、DMA、I/O ? 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 1.3 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 2010-9-17 ? 国防科技大学计算机学院601室 17 第一章 嵌入式系统概论 1.4 嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支 持 嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 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,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,无风扇工控机能 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 构。 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 - 25 Mips .5 - .8 μ 50 - 100 mHz 680x0 CPU32 PowerPC 80x86 Pentium MIPS i960 SPARC ARM SH 1/2/3 Alpha ColdFIRE 10 - 200 Mips .2 - .5 μ 100 - 300 mHz 680x0 CPU32 PowerPC 80x86 Pentium MIPS i960 SPARC ARM SH 1/2/3 SH-DSP SH 4/5 TriCore SI 20 C6x Lucent 16000 563xx SHARC MCORE Merced AltiVEC MAP1000 SA1500 1 - 2 Mips 1.0 μ 25 mHz 100 - 500 Kips 2μ 10 mHz 68000 Z80 8086 680x0 CPU32 80x86 SPARC MIPS i960 1980 1990 1996 1998 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。 嵌入式的系统成本包括: ? 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 ? 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 ? 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: ? 产品定义 ? 软件与硬件设计与实现 ? 软件与硬件集成 ? 产品测试与发布 ? 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 1.5 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位) 20世纪90年代 ARM(1991年,32位) ? 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 1.5 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 – 实时性强、可靠性高 20世纪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 1.5 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 ? 核心处理芯片位数更高 ? 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 ? 硬件模块化、标准化 ? 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 功能:视频 + 音频(incl. MP3) 价格:200 – 600元 iPod MP3播放机 功能:MP3 价格: iPod nano iPod nano iPod 1 GB 4 GB 30GB 60GB 1400元 2200元 2800元 3800元 两者的硬件差异? 两者的价格差异? 核心价值在于:好的软件带给消费者最好的使用体验 iPod 第一章 嵌入式系统概论 1.5 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 ? 开发板、仿真器、万用电表、示波器、逻辑分析仪 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: 支持日趋增长的功能密度 灵活的网络联接 轻便的移动应用 多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动 支持二次开发和动态升级等 第一章 嵌入式系统概论 1.6 嵌入式系统的应用 军事应用 航空航天 工业控制 机器人 仪器仪表 办公设备 家用电器 消费电子 ………… 2010-9-17 ? 国防科技大学计算机学院601室 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。 据欧盟的统计: 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 A2D lens JPEG codec Microprocessor Multiplier/Accum Pixel coprocessor D2A DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl A Digital Camera 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式系统的应用领域 彩色显示 图形用户接口 安全应用 移动商务 电子邮件 浏览器 JAVA应用 简单用户接口 简单应用 WAP 3G 2.5G 2G 数据为主 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等,其数 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 工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等 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 7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 国防、航空航天领域 雷达、电子对抗、坦克、战舰 航天器(火箭、卫星、航天飞机等) 飞机(民用和军用飞机) 第一章 嵌入式系统概论 “索杰纳” 6轮探测车 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 1 什么是嵌入式系统?嵌入式系统主要的特点是 什么? 2 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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