《嵌入式系統(tǒng)》第1章系統(tǒng)概述.ppt

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1、,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,,第1章 目錄,1. 嵌入式系統(tǒng) 2. 嵌入式處理器 3. 嵌入式操作系統(tǒng),1.1 嵌入式系統(tǒng),概述,經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨特的個性。例如，MP3、數(shù)碼相機與打印機就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。,現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng),,嵌入式系統(tǒng)的概念,目前，對嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：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

2、能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),,,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),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)動器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng),嵌入式處理器,早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建

3、造，而不是用通用目的的處理器。 這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類： 注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于不注重計算的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計算密集型的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于蜂窩電話等設(shè)備；,概述,1.2 嵌入式處理器,分類,嵌入式處理器可以分為以下幾大類： 嵌入式微處理器； 嵌入式微控制器； 嵌入式DSP處理器； 嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。,嵌入式處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)

4、用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。 和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。,,嵌入式微處理器,嵌入式處理器,嵌入式微控制器又稱單片機，它是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、

5、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、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器目前的品種和

6、數(shù)量最多，比較有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、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。,嵌入式微控制器,,嵌入式處理器,DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)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(jìn)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處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的

7、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。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費類產(chǎn)品。,嵌入式DSP處理器,,,嵌入式處理器,隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅

8、速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，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，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core

9、、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，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048 位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。,嵌入式片上系統(tǒng)(SOC),1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算

10、機應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)以及實時操作系統(tǒng)。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,時 間 先 后,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述,,,,,,監(jiān) 控 程 序,操 作 系 統(tǒng),實時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時 間 先 后,實時操作系統(tǒng)是我們介紹的重點,uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，

11、并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式Linux,,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),Windows CE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Win CE具有模塊化

12、、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點。Win CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在Win CE平臺上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續(xù)使用。,Win CE,,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),VxWorks,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),OSE主要是由ENEA Data AB 下屬的ENEA OSE Systems AB負(fù)責(zé)開發(fā)和技術(shù)服務(wù)的，一直以來都充當(dāng)著實時操作系統(tǒng)以及分布式和容錯性

13、應(yīng)用的先鋒，并保持良好的發(fā)展態(tài)勢。 OSE的客戶深入到電信，數(shù)據(jù)，工控，航空等領(lǐng)域，尤其在電信方面，該公司已經(jīng)有了十余年的開發(fā)經(jīng)驗，同諸如愛立信，諾基亞，西門子等知名公司確定了良好的關(guān)系。,OSE,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),Nucleus PLUS是為實時嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一個搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95的代碼是用ANSIC寫成的，因此非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的處理器。 Nucleus PLUS采用了軟件組件的方法。每個組件具有單一而明確的目的，通常由幾個C及匯編語言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對組件的引用就是通過這些接口完成的。由于采用了軟件組件的方

14、法，使Nucleus PLUS 的各個組件非常易于替換和復(fù)用。,Nucleus,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),eCos是RedHat公司開發(fā)的源代碼開放的嵌入式RTOS產(chǎn)品，是一個可配置、可移植的嵌入式實時操作系統(tǒng)，設(shè)計的運行環(huán)境為RedHat的GNUPro和GNU開發(fā)環(huán)境。eCOS的所有部分都開放源代碼，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的關(guān)鍵技術(shù)是操作系統(tǒng)可配置性，允許用戶組和自己的實時組件和函數(shù)以及實現(xiàn)方式，特別允許eCOS的開發(fā)則定制自己的面向應(yīng)用的操作系統(tǒng)，使eCos能有更廣泛的應(yīng)用范圍。,eCos,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),C/OS-II是一個

15、源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSI C寫的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器。C/OS-II通過了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證。自1992年問世以來，C/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計的產(chǎn)品中。C/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，并且在高校教學(xué)使用是不需要申請許可證。,C/OS-II,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),TRON是指“實時操作系統(tǒng)內(nèi)核（The Real-time Operating system Nucleux）”,它是在1984年由東京大學(xué)的Sakamura博士提出的，目的是為了建立一個理想的計算機

16、體系結(jié)構(gòu)。通過工業(yè)界和大學(xué)院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的計算機體系結(jié)構(gòu)中。 uITRON是TRON的一個子方案，它具有標(biāo)準(zhǔn)的實時內(nèi)核，適用于任何小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，日本國內(nèi)現(xiàn)有很多基于該內(nèi)核的產(chǎn)品，其中消費電器較多。目前已成為日本事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。,uITRON,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),TRON明確的設(shè)計目標(biāo)使其甚至比Linux更適合于做嵌入式應(yīng)用，內(nèi)核小，啟動速度快，即時性能好，也很適合漢字系統(tǒng)的開發(fā)。另外，TRON的成功還來源于如下兩個重要的條件： 1.它是免費的 2.它已經(jīng)建立了開放的標(biāo)準(zhǔn)，形成了較完善的軟硬件配套開發(fā)環(huán)境，較好地形成了產(chǎn)業(yè)化。,uITRON,