西電嵌入式系統(tǒng)與SoC設(shè)計

1、1嵌入式系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)與SoCSoC設(shè)計設(shè)計李李 康康 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院2教材3課程實施目標(biāo)了解現(xiàn)代了解現(xiàn)代SoC嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法學(xué)；嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法學(xué)；學(xué)會利用軟硬件協(xié)同思想進行設(shè)計開發(fā)；學(xué)會利用軟硬件協(xié)同思想進行設(shè)計開發(fā)；n 嵌入式系統(tǒng)描述的基本模型與工具；嵌入式系統(tǒng)描述的基本模型與工具；n 如何將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成需要的實現(xiàn)；如何將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成需要的實現(xiàn)； 了解基于了解基于SoC硬件系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程；硬件系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程； 理解嵌入式理解嵌入式SoC系統(tǒng)設(shè)計實施過程系統(tǒng)設(shè)計實施過程 課程核心：建立系統(tǒng)觀念！課程核心：建立系統(tǒng)觀念！4嵌入式系

2、統(tǒng)理論嵌入式系統(tǒng)理論嵌入式體系結(jié)構(gòu)嵌入式體系結(jié)構(gòu) 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式軟硬件開發(fā)嵌入式軟硬件開發(fā)計算機組成計算機組成數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理計算體系結(jié)構(gòu)計算體系結(jié)構(gòu)信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)微機原理與接口微機原理與接口C程序設(shè)計程序設(shè)計HDL語言語言線性電路設(shè)計線性電路設(shè)計 數(shù)字電路設(shè)計數(shù)字電路設(shè)計可編程器件應(yīng)用可編程器件應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)課程承上啟下的作用嵌入式系統(tǒng)課程承上啟下的作用課程所起的作用從“菜鳥”到“高手”？理論實踐菜鳥高手工匠理論家學(xué)校如何定位？老師如何定位？學(xué)生如何定位？全才？專才？研發(fā)？測試？生產(chǎn)？硬件？軟件？驅(qū)動？OS？應(yīng)用？6課程實施介紹基于介紹基于SoC的嵌入式

3、系統(tǒng)設(shè)計基本技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基本技術(shù) 軟硬件協(xié)同設(shè)計；軟硬件協(xié)同設(shè)計；n 嵌入式系統(tǒng)描述的計算模型（嵌入式系統(tǒng)描述的計算模型（FSMD）；）；n 軟硬件協(xié)同的處理器設(shè)計；軟硬件協(xié)同的處理器設(shè)計；n 將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成需要的實現(xiàn)；將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成需要的實現(xiàn)； 嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)流程-基于基于ARM的的SoC系系統(tǒng)開發(fā)統(tǒng)開發(fā) 實際的實際的SoC設(shè)計過程設(shè)計過程-數(shù)碼相機設(shè)計實例；數(shù)碼相機設(shè)計實例；7課程考查方法 上機實驗與平時： 40% 期末考試： 60%8第第1 1課課 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述1. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展2. 嵌入式系統(tǒng)

4、設(shè)計面臨的問題嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨的問題3. MOORE定律導(dǎo)致新的設(shè)計方法學(xué)的發(fā)展定律導(dǎo)致新的設(shè)計方法學(xué)的發(fā)展91. 1. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域10桌面通用型桌面通用型高端服務(wù)型高端服務(wù)型小型專用型小型專用型1.1 計算機應(yīng)用領(lǐng)域的劃分111.2 嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，采用基礎(chǔ)，采用可剪裁可剪裁軟硬件，適用于對功能、可軟硬件，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用專用計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)，用于

5、實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能視或管理等功能 121.3 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(1)p嵌入式系統(tǒng)中運行任務(wù)的嵌入式系統(tǒng)中運行任務(wù)的單一性單一性n心臟監(jiān)視器只需運行信號輸入、信號處理、心電圖顯示任務(wù)心臟監(jiān)視器只需運行信號輸入、信號處理、心電圖顯示任務(wù)n如要更改任務(wù)，需要對整個系統(tǒng)進行重新設(shè)計或在線維護如要更改任務(wù)，需要對整個系統(tǒng)進行重新設(shè)計或在線維護131.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(2)p嵌入式系統(tǒng)對設(shè)計指標(biāo)具有嚴(yán)格的約束嵌入式系統(tǒng)對設(shè)計指標(biāo)具有嚴(yán)格的約束n成本成本n大小大小n性能性能n功耗功耗141.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特

6、點嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(3)p嵌入式系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)對實時性實時性和和反應(yīng)性反應(yīng)性有有高要求。高要求。p實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時間內(nèi)提供所實時系統(tǒng)：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)。需水平的服務(wù)。p嵌入式實時系統(tǒng)可分為：嵌入式實時系統(tǒng)可分為：w強實時型：響應(yīng)時間強實時型：響應(yīng)時間ssmsms級；級；w一般實時：響應(yīng)時間一般實時：響應(yīng)時間msmss s級；級；w弱實時型：響應(yīng)時間弱實時型：響應(yīng)時間s s級以上。級以上。151.3 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(4)p嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)一般是嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)一般是實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)p嵌入式實時

7、操作系統(tǒng)數(shù)量眾多，如：嵌入式實時操作系統(tǒng)數(shù)量眾多，如：nVxWorksnWindows CEnQNX161.3 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(5)p嵌入式系統(tǒng)大都有嵌入式系統(tǒng)大都有功耗約束功耗約束。 ZebraNet （普林斯頓大學(xué)）n一個設(shè)計用于監(jiān)控野生斑馬群的移動規(guī)律的系統(tǒng)。每個斑馬佩戴一一個設(shè)計用于監(jiān)控野生斑馬群的移動規(guī)律的系統(tǒng)。每個斑馬佩戴一個套環(huán)節(jié)點，包含個套環(huán)節(jié)點，包含GPSGPS、無線收發(fā)器、處理器、太陽能供電電池。、無線收發(fā)器、處理器、太陽能供電電池。n處理器周期讀取處理器周期讀取GPSGPS信息保存在信息保存在memorymemory中；套環(huán)每三分鐘讀取一次中；套環(huán)每

8、三分鐘讀取一次位置信息以及指示斑馬在陽光下還是在樹蔭下的信息；每小時套環(huán)位置信息以及指示斑馬在陽光下還是在樹蔭下的信息；每小時套環(huán)要花費三分鐘詳細(xì)的讀取數(shù)據(jù)判斷斑馬的速度，每匹斑馬每天產(chǎn)生要花費三分鐘詳細(xì)的讀取數(shù)據(jù)判斷斑馬的速度，每匹斑馬每天產(chǎn)生6KB6KB的數(shù)據(jù)。每當(dāng)生物學(xué)家到達(dá)一定的區(qū)域范圍內(nèi)，套環(huán)才發(fā)送數(shù)的數(shù)據(jù)。每當(dāng)生物學(xué)家到達(dá)一定的區(qū)域范圍內(nèi)，套環(huán)才發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)。據(jù)到網(wǎng)絡(luò)。17MicrocontrollerCCD preprocessorPixel coprocessorA2DD2AJPEG codecDMA controllerMemory controllerISA bus in

9、terfaceUARTLCD ctrlDisplay ctrlMultiplier/AccumDigital camera chiplensCCDHardwareSoftware1.4 嵌入式系統(tǒng)實例嵌入式系統(tǒng)實例-數(shù)碼相機數(shù)碼相機182.1 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-航天航天國際空間站好奇號火星車 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)192.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-軍事戰(zhàn)斧導(dǎo)彈全球鷹無人機武裝直升機202.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-通信路由交換設(shè)備無線網(wǎng)卡手機212.4 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-汽車汽車電子設(shè)備一覽222.5 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-醫(yī)療飛利浦智能藥丸檢測系統(tǒng)遠(yuǎn)距離看護系統(tǒng) 232.6 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用-家居與娛樂XboX3

10、60PS3Wii24InTouch 信息交互系統(tǒng)2.7 嵌入式技術(shù)的應(yīng)用智能家居嵌入式技術(shù)的應(yīng)用智能家居電子涂鴉墻移動 Skype電話智能插座英特爾智能家庭能源管理252.8 嵌入式技術(shù)的未來應(yīng)用可穿戴系統(tǒng)嵌入式技術(shù)的未來應(yīng)用可穿戴系統(tǒng)美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室的 數(shù)位人系統(tǒng)視頻眼鏡262.9 嵌入式技術(shù)未來的應(yīng)用智能機器嵌入式技術(shù)未來的應(yīng)用智能機器機器人iPhone遙控272. 2. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨的問題嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨的問題嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程28嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成p嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件嵌入式系

11、統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個部分組成應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個部分組成 29一個典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用一個典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用30嵌入式微處理器嵌入式微處理器p10001000多種硬件處理器，分為多種硬件處理器，分為MCUMCU、DSPDSP、MPUMPU、SOCSOCnARM RISC ARM RISC （ARMARM）nTMS320 DSPTMS320 DSP（TITI）nTrimediaTrimedia （PhilipsPhilips）nStrongARMStrongARM （IntelIntel

12、）nXscaleXscale （IntelIntel）nMIPS RISC MIPS RISC （MIPSMIPS）nDragonBallDragonBall（MotorolaMotorola）nX86 (Intel)X86 (Intel)31外圍硬件設(shè)備外圍硬件設(shè)備 （1/2）p片外總線：片外總線：連接系統(tǒng)各個部件，進行互連和傳輸信息的信號線。連接系統(tǒng)各個部件，進行互連和傳輸信息的信號線。nESIAESIA總線、總線、SCSISCSI總線、總線、PCIPCI總線總線nAMBAAMBA總線：總線：ARMARM研發(fā)的總線規(guī)范研發(fā)的總線規(guī)范n專用總線專用總線wCompactPCICompactPC

13、I總線：工業(yè)控制總線：工業(yè)控制wCANCAN總線：汽車電子總線總線：汽車電子總線w1553B1553B總線：航空工業(yè)總線總線：航空工業(yè)總線p電子盤：電子盤：采用采用flashflash芯片存儲數(shù)據(jù)，體積小、功耗低、抗震芯片存儲數(shù)據(jù)，體積小、功耗低、抗震nDOCDOC：Disk on ChipDisk on ChipnDOMDOM：IDEIDE電子盤電子盤nCFCF：CompactFlashCompactFlashnSMSM：Smart MediaSmart MedianMSMS：Memory StickMemory Stick32外圍硬件設(shè)備外圍硬件設(shè)備 （2/2）pI/OI/O設(shè)備設(shè)備nA/

14、DA/D、D/AD/An中斷控制器中斷控制器nUARTUARTnLCDLCDp通訊設(shè)備通訊設(shè)備n有線通訊：有線通訊：IEEE1394IEEE1394、USBUSBn無線通訊：無線通訊：IrDAIrDA、BluetoothBluetooth、802.11b/g802.11b/g33嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)p典型的嵌入式實時操作系統(tǒng)（典型的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOSRTOS）n近近200200種操作系統(tǒng)，種操作系統(tǒng)，VxWorksVxWorks、QNXQNX、WinCEWinCE、PalmOSPalmOSn面向面向SOCSOC的操作系統(tǒng)：的操作系統(tǒng)：GoogleGoogle的的And

15、riodAndriod、SymbianSymbian的的EpocEpoc、Express LogicExpress Logic的的ThreadXThreadX、ATIATI的的NucleusNucleusn開放源碼的操作系統(tǒng)：開放源碼的操作系統(tǒng)：LinuxLinux系列、系列、uCuC/OS/OS、AndriodAndriodp典型性能指標(biāo)典型性能指標(biāo)n內(nèi)核大?。簬變?nèi)核大?。簬譑 K幾百幾百K K；n調(diào)度時間片：調(diào)度時間片：1ms1ms；n實時任務(wù)響應(yīng)時間：實時任務(wù)響應(yīng)時間：20204040微妙微妙n一般任務(wù)響應(yīng)時間：一般任務(wù)響應(yīng)時間：2020微妙幾百毫秒微妙幾百毫秒342. 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

16、歷程嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程p嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代，4040多年來隨著計算機技多年來隨著計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各項技術(shù)蓬勃發(fā)術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各項技術(shù)蓬勃發(fā)展，市場迅猛擴大，已深入生產(chǎn)和生活的各個角落。展，市場迅猛擴大，已深入生產(chǎn)和生活的各個角落。p嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個階段嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個階段n嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起 （1960196019701970）n嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（1971197119891989）n嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向

17、縱深化發(fā)展嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展 （19901990至今）至今）35嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起p第一代電子管計算機第一代電子管計算機(1946(194619571957年年) )，無法滿足嵌入式計算所要求，無法滿足嵌入式計算所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實時性強等一系列要求。的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實時性強等一系列要求。p6060年代，第二代晶體管計算機系統(tǒng)開始應(yīng)用：年代，第二代晶體管計算機系統(tǒng)開始應(yīng)用：n第一臺機載專用數(shù)字計算機是美國海軍艦載轟炸機第一臺機載專用數(shù)字計算機是美國海軍艦載轟炸機“民團團員民團團員”號研制的多功能數(shù)字分析器號研制的多

18、功能數(shù)字分析器(Verdan(Verdan) )。n19621962年美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制。年美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制。p1965196519701970年，第三代集成電路化計算機系統(tǒng)應(yīng)用：年，第三代集成電路化計算機系統(tǒng)應(yīng)用：n第一次使用機載數(shù)字計算機控制：第一次使用機載數(shù)字計算機控制：19651965年發(fā)射的年發(fā)射的Gemini3Gemini3號號n第一次通過容錯來提高可靠性：第一次通過容錯來提高可靠性：19681968年阿波羅年阿波羅4 4號、土星號、土星5 5號。號。36嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟、硬件日臻完善嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟、硬件日臻完

19、善p嵌入式系統(tǒng)的大發(fā)展是在微處理問世之后：嵌入式系統(tǒng)的大發(fā)展是在微處理問世之后：n19711971年年1111月，月，IntelIntel公司推出了第一片微處理器公司推出了第一片微處理器Intel4004Intel4004。 人們再也不必為設(shè)計一臺專用機而研制專用的電路、專用的運人們再也不必為設(shè)計一臺專用機而研制專用的電路、專用的運算器了，只需以微處理器為基礎(chǔ)進行設(shè)計。算器了，只需以微處理器為基礎(chǔ)進行設(shè)計。n19761976年，第一個單片機年，第一個單片機Intel 8048Intel 8048出現(xiàn)。出現(xiàn)。n19821982年，第一個年，第一個DSPDSP出現(xiàn)，比同期的出現(xiàn)，比同期的CPUCP

20、U快快10105050倍。倍。n8080年代后期，第三代年代后期，第三代DSPDSP芯片出現(xiàn)。芯片出現(xiàn)。p軟件技術(shù)的進步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善：軟件技術(shù)的進步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善：n早期嵌入式系統(tǒng)：采用早期嵌入式系統(tǒng)：采用匯編語言，基本不采用操作系統(tǒng)匯編語言，基本不采用操作系統(tǒng)n硬件的提升硬件的提升n軟件技術(shù)發(fā)展軟件技術(shù)發(fā)展37嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展 p應(yīng)用充分普及：應(yīng)用充分普及：工業(yè)控制、數(shù)字化通訊、數(shù)字化家電工業(yè)控制、數(shù)字化通訊、數(shù)字化家電n汽車汽車：5050個以上嵌入式微處理器個以上嵌入式微處理器n飛機：飛機：7070個以上嵌入式系統(tǒng)個以上嵌入式系統(tǒng)p嵌入

21、式微處理器嵌入式微處理器3232位、位、6464位位p嵌入式實時操作系統(tǒng)使用比率越來越高嵌入式實時操作系統(tǒng)使用比率越來越高n早期：早期：1010；9090年代初：年代初：3030；目前：；目前：80809090p嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具越來越豐富嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具越來越豐富p嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈形成嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈形成383. IC制造業(yè)的摩爾定律制造業(yè)的摩爾定律392.3.2 設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢設(shè)計生產(chǎn)率的指數(shù)增長趨勢100,00010,0001,0001001010.10.01198319811987198919911993198519951997199920012003200520072009設(shè)計效

22、率(K) 晶體管./人 月.402.3.4 設(shè)計效率的差距盡管過去幾十年來設(shè)計效率得到了大大提高，但仍然跟不上芯片盡管過去幾十年來設(shè)計效率得到了大大提高，但仍然跟不上芯片容量的增長速度。容量的增長速度。10,0001,0001001010.10.010.001每芯片中的每芯片中的邏輯晶體管邏輯晶體管（百萬）（百萬）100,00010,00010001001010.10.01晶體管（千）/設(shè)計師-月198119831985198719891991199319951997199920012003200520072009IC capacityproductivityGap412.3.4 設(shè)計效率的差

23、距1981 高級芯片設(shè)計需要100 人-月n10,000 transistors / 100 transistors/month2002高級芯片設(shè)計需要30,000 人-月n150,000,000 / 5000 transistors/month設(shè)計成本從$1M 增加到 $300M10,0001,0001001010.10.010.001每芯片中的邏輯每芯片中的邏輯晶體管晶體管（百萬）（百萬）100,00010,00010001001010.10.01生產(chǎn)效率晶體管(K)/人-月.198119831985198719891991199319951997199920012003200520072

24、009IC capacityproductivityGap42人月神化增加設(shè)計師會降低個人效率，有時會延長項目完成時間。增加設(shè)計師會降低個人效率，有時會延長項目完成時間?，F(xiàn)實中，由于團隊管理和交流的復(fù)雜性，使得每個人的現(xiàn)實中，由于團隊管理和交流的復(fù)雜性，使得每個人的設(shè)計效率降低。設(shè)計效率降低。1020304001000020000300004000050000600004324191615161823TeamIndividualMonths until completionNumber of designers1M 晶體管, 1個設(shè)計師=5000 trans/month每增加一個設(shè)計師減少 1

25、00 trans/month2 個設(shè)計師時，每個的效率是 4900晶體管/month each433. 3. 摩爾定律導(dǎo)致新的設(shè)計方法學(xué)摩爾定律導(dǎo)致新的設(shè)計方法學(xué)協(xié)同設(shè)計的階梯協(xié)同設(shè)計的階梯軟硬件的協(xié)同軟硬件的協(xié)同442.3.2 設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢協(xié)同設(shè)計的階梯協(xié)同設(shè)計的階梯ImplementationAssembly instructionsMachine instructionsRegister transfersCompilers(1960s,1970s)Assemblers, linkers(1950s, 1960s)Behavioral synthesis(1990s)RT synthesis(1980s, 1990s)Logic synthesis(1970s, 1980s)Microprocessor plus program bits: “softw