嵌入式系统课程第1讲概述2011下

1嵌入式系统原理与应用第一讲嵌入式系统概述2《嵌入式系统》课程开设的背景在当今后PC时代，无论通讯、工控、机械冶金、信息家电、仪器仪表、航空航天、军工、船舶等领域都需要大量的嵌入式开发人员。培养兼具软硬件开发能力的人才，增加学生就业竞争力。学校教育中存在偏向极硬(hardwaredesign)，或偏向超软(softwaredevelopment)，硬件设计人员作风通常比较缺乏系统整合设计能力，而软件设计人员只要遇到硬件问题就无能为力，对硬件知识缺少了解。因此，目前国内非常缺乏嵌入式系统所需要的软硬件系统整合人才。3嵌入式系统工程师既要精通一定的硬件技术、同时还要掌握嵌入式操作系统以及特定软硬件平台上的开发技术；另外，还需要有专门的开发调试设备、软件和资料等。嵌入式系统人才短缺！企业大都不愿投入人力和财力去培养自己企业的嵌入式系统工程师，而是愿意招聘现成的嵌入式系统工程师。4国内外大量需求嵌入式系统工程师，Motorola、Ericsson、Huawei、Intel等著名IT企业高薪聘请的技术人员，绝大多数都是嵌入式系统工程师。由中华英才网提供的行业薪酬调查报告显示，通信、医疗设备、金融名列三甲。而通信、医疗设备就是嵌入式系统的典型应用领域结论：嵌入式系统的教学是大势所趋且刻不容缓!!5《嵌入式系统》课程开设的目的从传统的51、X86等低级的8、16位处理器平台，向目前实用的32位高级RISC处理器平台转移；从纯粹的CPU单任务控制向实时多任务转移；从传统CPU教育的汇编语言、机器指令教学方式，上升到使用规范的C语言来进行条理的模块化嵌入式开发；学生更深入地理解硬件和底层软件间的配合问题；弥补学生动手能力差的问题，避免学生只会纯粹在Windows平台做一些简单劳动的软件编写工作，真正去深入理解嵌入式系统。6目前嵌入式人才培养模式企业需要大量的嵌入式系统工程师高校培养个人学习培训机构企业内训7当前嵌入式系统教学模式电子工程类专业计算机软件专业嵌入式系统设计微处理器及接口操作系统及应用微处理器+操作系统自动化通信电子机电工程微机测控航空航天应用8嵌入式系统课程体系EDA技术微处理器与接口设计嵌入式操作系统嵌入式系统编程嵌入式软硬件协同设计嵌入式系统开发实践微处理器体系结构数字电路与模拟电路SOPC体系结构SOPC开发实验基础平台：ARM/DSP/FPGA/SOPC嵌入式系统设计微电子设计人才培养：嵌入式软硬件设计、IC设计等9嵌入式系统科研与学科建设面向应用，将嵌入式系统与专业特色方向结合起来嵌入式机电控制系统/工业控制/远程监控系统机器人SOC控制器/数字化家庭/智能化楼宇系统嵌入式纺织服装检测系统/智能控制器10面向理论基础研究，探讨基于嵌入式系统的软硬设计方法网络化机电系统设计仿真平台嵌入式系统的设计方法复杂的嵌入式系统建模、调度算法等理论知识11面向分析测试，建立嵌入式系统通用设计开发平台嵌入式机电系统开发平台机电系统通用高性能测试平台12与嵌入式系统融合——新的学科方向计算机——嵌入式系统体系结构、仿真设计方法等软件——嵌入式软件编程、实时软件、组件技术等电工电子——嵌入式微处理器设计、SOC等机电控制——嵌入式机电控制理论与方法等自动化——智能控制算法仪器仪表——便携式、低功耗设计方法通信系统——移动通信设备、……13课程特点国内高校现状内容的选择与特点综合性:涉及多门专业基础课汇编语言C语言，微机原理，系统结构，操作系统，接口与通信。软硬件设计的结合14基础性:作为计算机电子,通信，自动控制等专业基础平台课实践性:实验是嵌入式系统教学的重要环节15参考资料1.马文华.嵌入式系统设计与开发北京：科学出版社2．文全刚等.嵌入系统接口原理与应用北京：北航出版社3金建设等.嵌入式系统基础教程大连理工大学出版社164．李驹光等.ARM应用系统开发详解–基于S3C4510B的系统设计北京：清华大学出版社5．张大波编.嵌入式系统.北京：电子工业出版社176．田泽编.嵌入式系统开发与应用教程（第2版）北京：北航出版社7.杜春雷主编.基于ARM的嵌入式系统开发.北京：电子工业出版社8其他参考资料要求与考核方式18要求与考核19第1章嵌入式系统概述1.1嵌入式系统概念1.2嵌入式系统的应用1.3嵌入式系统组成1.4嵌入式处理器1.5嵌入式系统操作系统1.6嵌入式系统开发201.1嵌入式系统概念.1嵌入式系统定义IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义:嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。21一般定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”22区别于原有使用PC的通用计算机，把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机，称作嵌入式计算机。这种用途的计算机系统在一定程度上改变了通用计算机的形态和功能.23.2嵌入式系统定义要素专用计算机系统(非PC智能电子设备)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、功耗等的严格要求241.2嵌入式系统组成25典型嵌入式系统基本组成处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构26典型嵌入式系统基本组成－硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设27.1嵌入式系统硬件基本结构嵌入式系统的硬件架构,是以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。典型的嵌入式系统组成28嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接DSP和DSP协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成为嵌入式系统的核心，在嵌入式系统设计中，要尽可能的选择能满足系统功能接口的SoC芯片，这些SoC集成了大量的外围USB、UART、以太网、AD/DA、IIS等功能模块。29可编程片上系统SOPC：结合了SoC和PLD、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。以SoC/SOPC为核心，可以用最少的外围部件和连接部件构成一个应用系统，满足系统的功能需求，也是嵌入式系统发展的一个方向.30现代嵌入式设计是以处理器/SoC/SOPC为核心，完成系统设计的，其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备（电源、连接器、传感器等）构成硬件系统。对于嵌入式硬件的各个模块将在后续部分作介绍。31.2嵌入式系统软件的层次结构设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统（OS）来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。依据系统所提供的程序界面来编写应用程序，可以大大的减少应用程序员的负担。32具有操作系统的嵌入式软件层次驱动层程序实时操作系统（RTOS）操作系统的应用程序接口（API）应用程序33.3嵌入式系统的特点（1）嵌入式系统是应用于特定环境下，是针对具体应用设计的“专用计算机系统”。（2）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。34（3）嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性存储器芯片中。（4）大多数嵌入式系统本身不具备自开发能力，必须借助开发系统进行软件开发或升级。（5）嵌入式系统使用的操作系统一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束。35（6）一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点；（7）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。36.4嵌入式系统的共性ES应用领域，软件，硬件的多样性导致开发难度增加，但有共性，可以触类旁通，快速进行系统开发。（1）嵌入式处理器种类很多，它们的指令系统，集成的部件不同，但总线结构，中断技术，与外部元件的扩展连接方式等有共同点。37（2）外部设备不同，但功能类似，如串行接口，MCS-51与ARM系列的电路不同，但功能类似。（3）系统开发人员需要关心硬件的细节，特别是设备驱动程序的开发。38（4）软件开发在内核层编程，需要了解OS，EOS种类多，性能不同，但功能类似，掌握其中一种OS的用法，即可跟快使用其他OS。5）其他39.5嵌入式系统的分类嵌入式系统分类：嵌入式系统的硬件嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP微处理器（DSP）嵌入式微处理器（MPU）嵌入式片上系统（SOC）嵌入式可编程系统（SOPC）40MPU：与通用计算机处理器对应的CPU，应用时，其特征，32位以上处理器，有较高性能等；不同点，实际ES应用中只保留嵌入式应用密切相关的功能部件，去除其他冗余功能部分，以最低功耗和资源实现嵌入式应用特殊要求。与工控机比较：ES处理器体积小，成本低，可靠性高41MCU：典型代表是单片机DSP：专用来对离散时间信号进行快速处理提高编译效率和执行速度；DSP出理器系统结构和指令特殊设计；在数字滤波，FFT，谱分析等应用较多。E-SOCSOPC42嵌入式系统按软件实时性分类：非实时系统（如PDA）；软实时系统（如消费类产品）；硬实时系统（工业实时控制系统）431.3嵌入式系统的应用嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务网络工业控制44军事装备45阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。军事侦察应用46信息家电应用家电：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。47家庭智能管理系统社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。48汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络VOLVOS80汽车的CAN总线网络汽车电子49智能玩具与机器人50基于RTLinux的仿人机器人高48cm重:6kg灵活性：20DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通51仿人型机器人HumanoidbyUniversityofHumanoidbyBeijingDefenseTechnologyin1999InstituteofTechnologyin200252机器蛇的智能控制53智能机器鱼技术研究5455FeaturePhone-MT62235657嵌入式技术是中国IT发展的难得机遇后PC时代，即非PC信息设备大显神通的时代，嵌入式系统正是非PC设备的主体，由于其应用广、领域特色突出，谁也无力独吞这一市场。互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速发展，已为我国开发嵌入式产品造就了广大市场，此外我国是人口大国，素有智力优势。58（1）硬件基础冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RICS影响CPU性能的因素存储器系统1.4嵌入式微处理器概述59冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据260冯·诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在同一存储器中2）被大多数计算机所采用3）ARM7——冯诺依曼体系61指令的执行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（InstructionDecode）：TD3）执行指令（InstructionExecute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS62哈佛体系结构指令寄存器控制器数据