物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù) 教學(xué) 丁明躍 物聯(lián)網(wǎng) 第八章

在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http:/教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/第八章 嵌入式系統(tǒng)主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容l 嵌入式系統(tǒng)的定義與特點嵌入式系統(tǒng)的定義與特點l 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成l 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展l 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用l嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例第一節(jié)第一節(jié):嵌入式系統(tǒng)的定義與特點嵌入式系統(tǒng)的定義與特點l 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義l 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點定義與特點定義與特點嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義國內(nèi)定義：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬 件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)控、或者輔助操作機器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備（devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。這個定義主要是從嵌入式系統(tǒng)的用途方面來進行定義的。嵌入式系嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個部分：的構(gòu)架可以分成四個部分：處理器、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件。嵌入式系嵌入式系統(tǒng)中的中的重要重要概念概念：嵌入式處理器 嵌入式處理器嵌入是式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系 統(tǒng)運行的硬件核心單元實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)目前最主要的組成部分分時操作系統(tǒng) 對于分時操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時間上沒有嚴(yán)格的 要求，時間上的錯誤，一般不會造成災(zāi)難性的后果定義與特點定義與特點定義與特點定義與特點多任務(wù)操作系統(tǒng) 系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步通信，傳統(tǒng)的單片機 系統(tǒng)和DOS系統(tǒng)等對多任務(wù)支持的功能很弱，目前 Windows是典型的多任務(wù)操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)中的重要概念 系統(tǒng)響應(yīng)時間（System response time）：從系統(tǒng)發(fā) 出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間。任務(wù)換道時間（Context-switching time）：任務(wù)之間切換而使用的時間。中斷延遲（Interrupt latency）：計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間。定義與特點定義與特點實時操作系統(tǒng)的工作狀態(tài) 運行（Executing），就緒（Ready），掛時（Suspended），冬眠（Dormant）運行：獲得CPU控制權(quán)。就緒：進入任務(wù)等待隊列，通過調(diào)度進入運行狀態(tài)。掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊列，等待系統(tǒng) 實時事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運行。冬眠：任務(wù)完成或因錯誤等原因需要被清除的任務(wù)，可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存在的任務(wù)。定義與特點定義與特點嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點專用、軟硬件可剪裁可配置：嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用，功能專一是與通用系統(tǒng)最大的區(qū)別。低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性：嵌入式系統(tǒng)大多用在特定場合，多用于環(huán)境條件惡劣，或要求其長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)的情況下，因此嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具 有高可靠性、高穩(wěn)定性、低功耗等性能。軟件代碼短小精悍：由于成本和應(yīng)用場合的特殊性，通常嵌入式系統(tǒng)的硬件資 源（如內(nèi)存等）比較少，因此對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計也提出了 較高的要求定義與特點定義與特點代碼可固化：嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化于存儲器芯片或單片機 中，而不是存儲于磁盤中。實時性：大多嵌入式系統(tǒng)采用實時性系統(tǒng)，但嵌入式系統(tǒng)不等于 實時系統(tǒng)。弱交互性：嵌入式系統(tǒng)不僅功能強大，而且要求使用靈活方便，一 般不需要類似鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備。人機交互以簡單方便 為主。嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)通常需要專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán) 境，要求開發(fā)、設(shè)計人員有較高的技能。第二節(jié)第二節(jié):嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成l 嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式系統(tǒng)的硬件組成l 嵌入式系統(tǒng)的軟件編程嵌入式系統(tǒng)的軟件編程 嵌入式微處理器 將通用 CPU中許多由板卡來完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而 有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具 有很高的效率和可靠性。存儲器 嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng) 的存器包含Cache、主存和輔助存儲器。Cache：其是位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間的一種容量小、速度快的存儲器陣列，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。組成組成硬件組成硬件組成主存：其是用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)的嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器。它可以位于微處理器的內(nèi)部 或外部，其容量為256KB1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用選擇容量大小，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。常用作主存的存儲器有：1.ROM類 NOR Flash、EPROM和PROM等。2.RAM類 SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快，存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了 廣泛應(yīng)用。組成組成輔助存儲器（外存）：輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度比主存慢，可用來長期保存用戶的信息。常用外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。通用設(shè)備接口和I/O接口 嵌入式系統(tǒng)需要一定形式的通用設(shè)備接口和外界交互，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過與片外其他設(shè)備或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。組成組成組成組成嵌入式系統(tǒng)的軟件編程嵌入式系統(tǒng)的軟件編程 除了具有一般操作系統(tǒng)最基本的功能（任務(wù)調(diào)度、同步 機制、中斷處理、文件處理等）外，還有以下特點：可裁剪性。支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。強實時性。EOS一般具有較強的實時性，可用于各種設(shè)備控制中。統(tǒng)一的接口。為設(shè)備提供統(tǒng)一的驅(qū)動接口。操作簡單、方便、提供友好的圖形GUI和圖形界面，易學(xué)易用。具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設(shè)備提供預(yù)留接口。組成組成強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預(yù)、這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，只是通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。第三節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展l 嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史l 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢發(fā)展發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的歷史 四個階段：第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器系統(tǒng)。這類系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性較強的工業(yè)控制系統(tǒng) 中，一般不需要操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編寫軟 件部分。第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。發(fā)展發(fā)展 嵌入式計算機的形成：始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支兩大分支發(fā)展的里程碑事件。嵌入式系統(tǒng)也有其獨立發(fā)展道路：單片機開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路（MCS-51）單片機的技術(shù)發(fā)展史（誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段）發(fā)展發(fā)展小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化多核技術(shù)的應(yīng)用低功耗（節(jié)能）、綠色環(huán)保云計算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進一步應(yīng)用到嵌入 式 系統(tǒng)中嵌入式軟件開發(fā)平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可升級，代碼 可 復(fù)用將更受重視嵌入式系統(tǒng)軟件將逐漸 PC 化融合趨勢安全性 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢第四節(jié)第四節(jié):嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用l 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀l 應(yīng)用領(lǐng)域及前景應(yīng)用領(lǐng)域及前景l(fā) 應(yīng)用形式舉例應(yīng)用形式舉例應(yīng)用應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。最具有產(chǎn)品效益和時代特征的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)屬因特網(wǎng)上的信息家電，如Web可視電話、游戲Web機、WebPDA、WAP電話手機以及多媒體產(chǎn)品，如STB(電視機頂盒)、DVD播放機、電子閱讀機。應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域及前景應(yīng)用領(lǐng)域及前景嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用場合主要可以分為通信、醫(yī)療等領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng)及面向消費電子產(chǎn)品的非實時系統(tǒng)和面向控制；等前者如WindRiver公司的VxWorks,QNX系統(tǒng)公司的QNX等，后者主要集中于個人掌上電腦(PDA)、移動電話、機頂盒(STB)。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)、交通、能源、通信、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、國防以及日常生活等領(lǐng)域，并不斷朝著體積小、功能強的方向發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將代表嵌入式技術(shù)發(fā)展的未來。應(yīng)用應(yīng)用工業(yè)控制 目前已經(jīng)有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器正被應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減 少人力資源主要途。系統(tǒng)控制組成圖與線程框架應(yīng)用應(yīng)用交通管理 在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌 入式系統(tǒng)技術(shù)也獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模GSM 模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的 使用。信息家電 在信息家電方面的應(yīng)用已被稱作嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用 領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生 活步入一個嶄新的空間。家庭智能管理系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù) 公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard,CSC)發(fā) 行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動售貨機環(huán)境工程與自然 水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安 全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測 機器人 嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化、高智能方面優(yōu) 勢更加明顯機電產(chǎn)品無損檢測第四節(jié)第四節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)用形式舉例應(yīng)用形式舉例機電監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)機電監(jiān)控型嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要特點為：可靈活裁減、可變化 輸入輸出接口種類多 通信能力好 可重構(gòu)計算的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式智能控制系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用機器翻譯（人工智能）系統(tǒng)定制流程第四節(jié)第四節(jié) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用第五節(jié)第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例l 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用下物聯(lián)網(wǎng)的通信方嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用下物聯(lián)網(wǎng)的通信方式式l 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的特性嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的特性l 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例 嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用意義深遠(yuǎn)，尤其體現(xiàn)在離人們最近的家居網(wǎng)絡(luò)。目前，關(guān)于聯(lián)網(wǎng)的稱謂不少，如H、信息家電、家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(HNS)和e-home等，盡管名稱不同，但它們的含義和所要完成的功能大體是相同的。典型的家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例 鏈接方式鏈接方式：串行鏈接 SLIP 一種比較舊的點對點協(xié)議，主要用于專用的或撥號 的 PoTS(Plain Old TelePhone Service:普通老式 電話系統(tǒng))線路。PPP 一種比較新的協(xié)議，使用與SLIP相同的幀封裝，但 是支持動態(tài)IP分配(從服務(wù)器到客戶機)，并且包括 支持壓縮。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用下物聯(lián)網(wǎng)的通信方式嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用下物聯(lián)網(wǎng)的通信方式第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例無線鏈接 無線調(diào)制解調(diào)器通?？梢酝ㄟ^串口連接嵌入式計算機，并且所有配置和通信都發(fā)生在這個端口上。典型的無線 鏈接有電路交換式蜂窩(CSC)，蜂窩數(shù)據(jù)包交換(CDPD)及全球移動通信系統(tǒng)(GSM)等。以太網(wǎng) 以太網(wǎng)是基于CSMA/CD運行的，以太網(wǎng)是在很多用戶 (多路存取)中間的一個共享總線?，F(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和基于微處理器的控制 室自動化系統(tǒng)間的全數(shù)字化、多站總線式的雙向多信息 數(shù)字通信的規(guī)程是互操作和數(shù)據(jù)共享的公共協(xié)議。第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例 屏蔽層包括物理層接口硬件和實現(xiàn)介質(zhì)訪問協(xié)議的通信控制器，LLC實現(xiàn)用戶自主開發(fā)。因此，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議選擇的核心是介質(zhì)訪問協(xié)議的選擇。可供選擇的協(xié)議有：可供選擇的協(xié)議有：面向鏈接的協(xié)議 面向鏈接協(xié)議主要用在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期的主機-終端式網(wǎng)絡(luò)中，如 X.25和IBM的SNA網(wǎng)絡(luò)。輪詢法 輪詢法因其簡單和實時性能可確定等特點而成為嵌入式網(wǎng)絡(luò)常 用協(xié)議之一。OCSMA/CD（帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）CSMA/CD有許多不同的實現(xiàn)版本，其核心思想是：一個節(jié)點 只有確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息。第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例TDMA TDMA(Time Division Multiple Access)已大量應(yīng)用于移動 通信領(lǐng)域(如GSM，DAMPS等)，但也可用于局域網(wǎng)令牌環(huán) 在令牌環(huán)網(wǎng)中，節(jié)點之間使用端到端的連接，所有節(jié)點在 物理上組成一個環(huán)型結(jié)構(gòu)令牌總線 令牌在虛擬環(huán)中從一個節(jié)點傳向其邏輯鄰居節(jié)點。只有持 有令牌的節(jié)點才能訪問網(wǎng)絡(luò)OCSMA/CA（帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問）CSMA/CA綜合了CSMA/CD和基于令牌的協(xié)議的優(yōu)點 第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例實時性可靠性通信效率雙重混合支持實現(xiàn)難度和造價開放性可恢復(fù)性嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的特性嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的特性第五節(jié) 嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用實例嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例 一種基于IPv6的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)視頻應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)，利用該架構(gòu)可以快速開發(fā)機頂盒等家用娛樂設(shè)施播放互聯(lián)網(wǎng)視頻應(yīng)用軟件視頻服務(wù)的嵌入式應(yīng)用架構(gòu)