嵌入式系統(tǒng)概述PPT課件

1、1.1什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成:嵌入式微處理器外圍硬件設(shè)備嵌入式操作系統(tǒng)特定的應(yīng)用程序第1頁/共49頁1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)：應(yīng)用的特定性和廣泛性技術(shù)、知識、資金的密集性高效性較長的生命周期高可靠性軟硬一體，軟件為主無自舉開發(fā)能力第2頁/共49頁1.3嵌入式系統(tǒng)與PC的不同1. 一般專用于特定的任務(wù)，而PC是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)。2. 使用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)。3. 及其關(guān)注成本4. 有實(shí)時(shí)約束5. 使用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)6. 軟件故障造

2、成的后果比PC系統(tǒng)更嚴(yán)重7. 大多有功耗約束8. 經(jīng)常在極端的環(huán)境下運(yùn)行9. 系統(tǒng)資源比PC少的多10.通常所有的目標(biāo)代碼存放在ROM中11.需要專用工具和方法進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)12.嵌入式系統(tǒng)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PC第3頁/共49頁1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域第4頁/共49頁1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域第5頁/共49頁1.5嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:交換機(jī)、路由器,MODEM 消費(fèi)電子:手機(jī)、MP3、PDA 、可視電話、電視機(jī)頂盒、數(shù)字電視、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、信息家電 辦公設(shè)備:打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀 汽車電子:ABS(防死鎖剎車系統(tǒng))、供油噴射控制系統(tǒng)、車載GPS。 工業(yè)控制:各種自動(dòng)控制設(shè)備第6

3、頁/共49頁我們正步入一個(gè)嶄新的我們正步入一個(gè)嶄新的“數(shù)字?jǐn)?shù)字世界世界”嵌入式應(yīng)用第7頁/共49頁1.6嵌入式系統(tǒng)的歷史 20 世紀(jì)70 年代：單片機(jī)出現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)。汽車，工業(yè)機(jī)器，通信裝置等成千上萬種產(chǎn)品通過內(nèi)嵌電子裝置獲得更佳的使用性能。 20 世紀(jì)80 年代：嵌入式操作系統(tǒng)出現(xiàn)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核包含傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，使得開發(fā)周期縮短，成本降低，效率提高促使嵌入式系統(tǒng)有了更為廣闊的應(yīng)用空間。 20 世紀(jì)90 年代：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件規(guī)模的不斷上升，對實(shí)時(shí)性要求的提高，使得實(shí)時(shí)內(nèi)核逐步發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。第

4、8頁/共49頁1.7巨大的市場 計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)用以及納米微電子技術(shù)的突破，正有力推動(dòng)著21 世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)，商業(yè)活動(dòng)科學(xué)試驗(yàn)和家庭生活等領(lǐng)域自動(dòng)化和信息化進(jìn)程。 嵌入式產(chǎn)品的巨大商機(jī)全過程自動(dòng)化產(chǎn)品制造、大范圍電子商務(wù)活動(dòng)、高度協(xié)同科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)代化家庭起居。 你接觸的每一樣?xùn)|西將裝有芯片和嵌入式軟件。第9頁/共49頁1.8創(chuàng)新的機(jī)遇 通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)是壟斷的。 嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)是一個(gè)分散的工業(yè)，充滿競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新。 沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，但各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了不可能有少數(shù)公司，少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的

5、產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)的中小規(guī)模高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。第10頁/共49頁2.嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架 嵌入式微處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 啟動(dòng)程序BootLoader介紹 第11頁/共49頁2.1嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架API(Application Programming Interface)第12頁/共49頁2.2嵌入式系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)第13頁/共49頁2.3嵌入式處理器1.支持實(shí)時(shí)多任務(wù).2.較短的中斷響應(yīng)時(shí)間3.存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能4.可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)5.較低的功耗分類：嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）嵌入式DSP處理器EDSP(Emb

6、edded Digital Signal Processor)嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit) 嵌入式片上系統(tǒng)SOC(System On Chip)第14頁/共49頁嵌入式微處理器特點(diǎn): 功能和微處理器基本一樣,是具有32位以上的處理器,具有較高的性能. 具有體積小,功耗少,成本低,可靠性高的特點(diǎn). 有的可提供工業(yè)級應(yīng)用.流行的嵌入式微處理器: ARM/Strong (ARM公司) PowerPC (MOTOROL公司) 68000 (MOTOROL公司) MIPS(MIPS公司)第15頁/共49頁MIPSMIPS處理器處理器MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)

7、制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS的意思是“無內(nèi)鎖流水段微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），最早是在80年代初期由美國斯坦福大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。 1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續(xù)推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型號。之后，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化第16頁/共49頁MIPSMIP

8、S處理器處理器此外，24K微架構(gòu)能符合各種新興的服務(wù)趨勢，為寬頻存取以及還在不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、通訊協(xié)議提供軟件可編程的彈性。在嵌入式方面，MIPS 系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，在設(shè)計(jì)理念上MIPS強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡化硬件設(shè)計(jì)。 第17頁/共49頁 PowerPC PowerPC處理器處理器PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)

9、核，應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備，無所不包。處理器芯片主要型號是PowerPC 750，它于1997年研制成功，最高的工作頻率可以達(dá)到500MHz，采用先進(jìn)的銅線技術(shù)。該處理器有許多品種，以便適合各種不同的系統(tǒng)。包括IBM小型機(jī)、蘋果電腦和其他系統(tǒng)。嵌入式的PowerPC 405（主頻最高為266MHz）和PowerPC 440（主頻最高為550MHz）處理器內(nèi)核可以用于各種SoC設(shè)計(jì)上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。第18頁/共49頁嵌入式微控制器嵌入式微控制器就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要硬件集成到一塊芯片中,芯片內(nèi)部集成

10、ROM/EPROM,RAM,總線,總線邏輯,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,Watchdog,I/O,串行口等各種必要功能和外設(shè).其特點(diǎn)為: 一個(gè)系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品; 單片化,體積大大減小,功耗和成本降低,可靠性提高; 是目前嵌入式工業(yè)的主流,約占嵌入式系統(tǒng)70%的份額; 多是8位和16位處理器 流行的嵌入式微控制器 通用系列:8051,MCS251,MCS-96/196/296 半通用系列:支持I2C,CAN BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列第19頁/共49頁嵌入式嵌入式DSPDSP嵌入式嵌入式DSPDSP處理器有兩個(gè)發(fā)展方向：處理器有兩個(gè)發(fā)展方向： 是嵌入式DSP處理器和嵌入式處理器經(jīng)

11、過單片化設(shè)計(jì)，片上增加豐富的外設(shè)成為具有高性能DSP功能的SoC； 是在通用微處理器、微控制器或SoC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。第20頁/共49頁嵌入式外圍接口電路嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口和設(shè)備接口 根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類類 存儲(chǔ)器類型通信接口輸入輸出設(shè)備 設(shè)備擴(kuò)展接口 電源及輔助設(shè)備 第21頁/共49頁 存儲(chǔ)器類型：存儲(chǔ)器類型： 存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的功能部件，目前常見的存儲(chǔ)設(shè)備按使用的存儲(chǔ)器類型分為： 靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器（RAM，SRAM）； 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）； 非易失性

12、存儲(chǔ)器ROM（ROMEPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH）； 硬盤、軟盤、CDROM等。第22頁/共49頁 通信接口通信接口 目前存在的所有計(jì)算機(jī)通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都有其廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用最為廣泛的接口設(shè)備包括 RS-232接口（串口UART） USB接口（通用串行總線接口） IrDA（Infra Red Data Association紅外線接口）、 SPI（串行外圍設(shè)備接口）、 I2C、CAN總線接口、 藍(lán)牙接口（Bluetooth） Ethernet（以太網(wǎng)接口）、 IEEE1394接口和通用可編程接口GPIO。 第23頁/共49頁 輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備 CRT、LCD和觸摸屏等，

13、構(gòu)成了嵌入式系 統(tǒng)中重要的信息輸入輸出設(shè)備，應(yīng)用廣泛。 觸摸屏可以方便的實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤功能。 第24頁/共49頁 設(shè)備擴(kuò)展接口設(shè)備擴(kuò)展接口 簡單的嵌入式系統(tǒng)如具有簡單的記事本、備忘錄以及日程計(jì)劃等功能的PDA，它所需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量并不需要很大的內(nèi)存。由于目前的嵌入式系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，需要大容量內(nèi)存，大的內(nèi)存使得系統(tǒng)成本和體積加大。目前一些高端的嵌入式系統(tǒng)都會(huì)預(yù)留可擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備接口，為日后用戶有特別需求時(shí)，可購買符合擴(kuò)展接口規(guī)格的裝置直接接入系統(tǒng)使用。 常用的擴(kuò)展卡還有各種CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系統(tǒng)都留有一定的擴(kuò)展卡接口。第25頁/共49頁 電源及輔助設(shè)備

14、電源及輔助設(shè)備 嵌人式系統(tǒng)力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長，例如移動(dòng)電話或PDA，體積較大或者過重的機(jī)型已經(jīng)被淘汰。 目前發(fā)展的目標(biāo)是體積小、易攜帶和外觀設(shè)計(jì)新穎等。在便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，必須特別關(guān)注電源裝置等輔助設(shè)備。 第26頁/共49頁2.4嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái).嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題.嵌入式系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的最基本的功能:進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存管理設(shè)備管理文件管理操作系統(tǒng)接口(API調(diào)用)嵌入式操作系統(tǒng)具有的特點(diǎn):系統(tǒng)可裁減,可配置.系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)支持功能系統(tǒng)具有一定的實(shí)時(shí)性第27頁/共49頁嵌入式操作系統(tǒng)的分類 按照

15、對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義,嵌入式系統(tǒng)可分為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng): 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時(shí)間要有保證。 對外部事件的響應(yīng)包括 事件發(fā)生時(shí)要識別出來 在給定時(shí)間約束內(nèi)必須輸出結(jié)果實(shí)時(shí)操作系統(tǒng):VxWorks，WinCE，QNX,Nucleus非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng):嵌入式Linux第28頁/共49頁嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須產(chǎn)生正確的結(jié)果 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)必須在預(yù)定的周期內(nèi)完成 這兩點(diǎn)同樣重要 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是具有確定性的。在這些實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間決定事件是有界的。一個(gè)確定的實(shí)時(shí)系統(tǒng)意味著系統(tǒng)的每個(gè)部件都必須具有確定的行為，使得整個(gè)系統(tǒng)是確定性的。第29頁/共4

16、9頁2.5幾種主流的嵌入式操作系統(tǒng) Vxworks: 美國WindRiver公司于1983年開發(fā)，具有可靠、實(shí)時(shí)、可裁減特性。 Windows Embedded:支持具有豐富應(yīng)用程序和服務(wù)的32位嵌入式系統(tǒng)。主要系列：Windows CE3.0, Windows NT Embedded 4.0和帶有Server Appliance Kit的Windows 2000 Palm OS: Com公司產(chǎn)品，在PDA市場占據(jù)很大份額，具有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(API)，可讓用戶靈活方便地定制操作系統(tǒng)。 嵌入式Linux：近兩年來，Linux在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，他的獨(dú)特性，使其作為開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的

17、操作系統(tǒng)具備巨大的潛力。Linux具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢：層次結(jié)構(gòu)及內(nèi)核完全開放；強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能；具備一整套工具鏈；廣泛的硬件支持特性。第30頁/共49頁第31頁/共49頁2.6嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu) 如當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)，但是當(dāng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜的程序時(shí)，可能就需要一個(gè)操作系統(tǒng)（OS）來管理、控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等等。依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來編寫應(yīng)用程序，可以大大的減少應(yīng)用程序員的負(fù)擔(dān)。 對于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 一 般 包 含 四 個(gè) 層 面 ： 設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng) 層 、 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng)（RTOS）、應(yīng)

18、用程序接口（API）層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)?。有些資料將應(yīng)用程序接口API歸屬于OS層，如圖1-1的上半部分所示的嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，是按三層劃分的。由于硬件電路的可裁減性和嵌入式系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，其軟件部分也是可裁減的。 對于功能簡單僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?，F(xiàn)代高性能嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，操作系統(tǒng)使用成為必然發(fā)展趨勢。本節(jié)主要講述的具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次。第32頁/共49頁嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)具有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件層次 驅(qū)動(dòng)層程序 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API） 應(yīng)用程序 第33頁

19、/共49頁2.7啟動(dòng)程序啟動(dòng)程序BootLoader介紹介紹對于PC機(jī)，其開機(jī)后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（Basic Input /Output System）完成的，但對于嵌入式系統(tǒng)來說，出于經(jīng)濟(jì)性、價(jià)格方面考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序。這就是所需要的開機(jī)程序，在嵌入式中稱為BootLoader程序。系統(tǒng)加電復(fù)位后，幾乎所有的 CPU都從由復(fù)位地址上取指令。因此在系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將首先執(zhí)行 Boot Loader 程序。第34頁/共49頁啟動(dòng)程序啟動(dòng)程序BootLoader介紹介紹BootLoader是系統(tǒng)加電后、操作系統(tǒng)內(nèi)核或

20、用戶應(yīng)用程序運(yùn)行之前，首先必須運(yùn)行的一段程序代碼。通過這段程序,為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。對于嵌入式系統(tǒng)來說，有的使用操作系統(tǒng)，也有的不使用操作系統(tǒng)，但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都必須運(yùn)行BootLoader，為系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備好軟硬件環(huán)境。系統(tǒng)啟動(dòng)代碼完成基本軟硬件環(huán)境初始化后，對于有操作系統(tǒng)的情況下，啟動(dòng)操作系統(tǒng)、啟動(dòng)內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、加載驅(qū)動(dòng)程序等，最后執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令；對于沒有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)直接執(zhí)行應(yīng)用程序或等待用戶命令第35頁/共49頁啟動(dòng)程序啟動(dòng)程序BootLoader介紹介紹系統(tǒng)的啟動(dòng)通常有兩種方式，一種是可以直接從Flash啟動(dòng)，另一種是可以將壓縮的內(nèi)

21、存映像文件從Flash（為節(jié)省Flash資源、提高速度）中復(fù)制、解壓到RAM，再從RAM啟動(dòng)。當(dāng)電源打開時(shí)，一般的系統(tǒng)會(huì)去執(zhí)行ROM（應(yīng)用較多的是Flash）里面的啟動(dòng)代碼。這些代碼是用匯編語言編寫的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必備硬件如內(nèi)存、中斷控制器等。有時(shí)候用戶必須根據(jù)自己板子的硬件資源情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與修改。 第36頁/共49頁主流bootloader介紹 U-boot PPCboot ARMboot Blob Redboot第37頁/共49頁3.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法1.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程3.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法4.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式5.嵌入式系統(tǒng)的測試第38頁/共49頁3.1嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同于桌面系統(tǒng),它非常受制于功能和具體的應(yīng)用環(huán)境。所以嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一些特殊的要求。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求:并發(fā)處理,及時(shí)響應(yīng)接口方便,操作容易穩(wěn)定可靠,維護(hù)簡便功耗管理,降低成本功能實(shí)用,便于升級第39頁/共49頁3.2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的最大特點(diǎn)就是需要軟硬件綜合開發(fā)。其原因在于:一