嵌入式系統(tǒng)概述課件

嵌入式系統(tǒng)概述宋健建南京大學軟件學院2004/12/21嵌入式系統(tǒng)概述宋健建1內容什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的歷史和發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)內容什么是嵌入式系統(tǒng)21.Whatareembeddedsystems?Definition:Embeddedsystem:anydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer.Takeadvantageofapplicationcharacteristicstooptimizethedesign:don’tneedallthegeneral-purposebellsandwhistles.1.Whatareembeddedsystems?D3AMoreDetailedDefinition國內一般定義嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。AMoreDetailedDefinition國內一般4EmbeddingacomputerCPUmeminputoutputanaloganalogembeddedcomputerEmbeddingacomputerCPUmeminpu5ExamplesPersonaldigitalassistant(PDA).Printer.Cellphone.Automobile:engine,brakes,dash,etc.Television.Householdappliances.PCkeyboard(scanskeys).ExamplesPersonaldigitalassis6ReferenceInterpretation(1)An"embeddedsystem"isanycomputersystemorcomputingdevicethatperformsadedicatedfunctionorisdesignedforusewithaspecificembeddedsoftwareapplication.EmbeddedsystemsmayuseaROM-basedoperatingsystemortheymayuseadisk-basedsystem,likeaPC.Butanembeddedsystemisnotusableasacommerciallyviablesubstituteforgeneralpurposecomputersordevices.ReferenceInterpretation(1)An7ReferenceInterpretation(2)Aspecializedcomputersystemthatispartofalargersystemormachine.Typically,anembeddedsystemishousedonasinglemicroprocessorboardwiththeprogramsstoredinROM.Virtuallyallappliancesthathaveadigitalinterface--watches,microwaves,VCRs,cars--utilizeembeddedsystems.Someembeddedsystemsincludeanoperatingsystem,butmanyaresospecializedthattheentirelogiccanbeimplementedasasingleprogram.ReferenceInterpretation(2)A8ReferenceInterpretation(3)中國微機學會的定義：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應用為目的的計算機系統(tǒng)，可以分為片級、板級、系統(tǒng)級。芯片級嵌入－含程序或算法的處理器模塊級嵌入－系統(tǒng)中的某個核心模塊板系統(tǒng)級嵌入－主計算機系統(tǒng)ReferenceInterpretation(3)中國微91.2嵌入式系統(tǒng)歷史和發(fā)展1971年代單片微處理器問世，它標志著嵌入式系統(tǒng)的開端。從4個方面了解嵌入式系統(tǒng)歷史硬件軟件代表產品系統(tǒng)結構1.2嵌入式系統(tǒng)歷史和發(fā)展1971年代單片微處理器問世，10嵌入式硬件的歷史1971年Intel4004,4位微處理器TI,TMS1000,4位微控制器ROM,RAM,CPU+I/Oport1980年IntelMCS-51,8位微控制器16位,32位微處理器…1990’s,DSPTMS320C30嵌入式硬件的歷史1971年Intel4004,4位微處理11嵌入式處理器的分類和術語(1)微控制器(MCU：Micro-ControllerUnit)即單片機。早期比較流行的處理器，將整個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片中，內部以某種微處理器為核心，并對ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、I/O、串行口、A/D轉換、D/A轉換等必要外設加以集成。Intel8051微處理器(MPU：Micro-ProcessorUnit)必須在電路板上完成嵌入式系統(tǒng)功能。將MPU和其必要外設裝配在一起的電路板稱為單板機。ARM系列，MIPS嵌入式處理器的分類和術語(1)微控制器(MCU：Micro-12嵌入式處理器的分類和術語(2)數字信號處理器(DSP:DigitalSignalProcessor)對系統(tǒng)結構和指令進行特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也快。TITMS320C30->片上系統(tǒng)(System-on-Chip,SoC)將重要處理器的內核和各種外圍的芯片器件整合在一起，進一步降低功耗。IntelPCA架構；PXA255嵌入式處理器的分類和術語(2)數字信號處理器(DSP:Di13MicroprocessorvarietiesMicrocontroller:includesI/Odevices,on-boardmemory.Digitalsignalprocessor(DSP):microprocessoroptimizedfordigitalsignalprocessing.Typicalembeddedwordsizes:8-bit,16-bit,32-bit.MicroprocessorvarietiesMicroc14嵌入式軟件的歷史監(jiān)控程序操作系統(tǒng)1981,嵌入式實時內核VTRX321990’s,QNX-4pSOS,VxWorks,PalmOS,WinCE,EmbeddedLinux,LynxOS,uCOS,Nucleus…嵌入式軟件的歷史監(jiān)控程序15嵌入式系統(tǒng)結構演變硬件系統(tǒng)4位單片機8位單片機/16位單片機32位專用微處理器32位DSP微處理器SoCSoPC軟件系統(tǒng)實時監(jiān)控程序專用系統(tǒng)通用系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)結構演變硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)16IA&EmbeddedSystemInformationApplianceAnappliancespecializingininformation:Knowledge,facts,graphics,images,video,orsound.Aninformationapplianceisdesignedtoperformactivity,suchasmusic,photography,orwriting.Adistinguishingfeatureofinformationapplianceistheabilitytoshareinformationamongthemselves.(DonNorman)IA&EmbeddedSystemInformatio17IA&EmbeddedSystem(cont’d)信息電器的核心就是嵌入式系統(tǒng)信息電器的成本取決于嵌入式系統(tǒng)的成本信息電器的使用性能取決于嵌入式系統(tǒng)的軟件信息電器的發(fā)展方向決定著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向IA&EmbeddedSystem(cont’d)信181.4嵌入式系統(tǒng)的基本組成1.4嵌入式系統(tǒng)的基本組成19軟件硬件基本要素硬件嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件軟件實時操作系統(tǒng)（RTOS）板級支持包（BSP）設備驅動（DeviceDriver）協(xié)議棧（ProtocolStack）應用程序（Application）軟件硬件基本要素硬件軟件20嵌入式處理器的分類微控制器(MPU)微處理器(MCU)數字信號處理器(DSP)片上系統(tǒng)(SoC)嵌入式處理器的分類微控制器(MPU)21存儲設備ROMPROM，EPROM，EEPROMFlashROMFlash在嵌入式系統(tǒng)中的兩種作用(bootROM、harddisk)RAMSRAMDRAM存儲設備ROM22典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成23嵌入式系統(tǒng)概述課件24PXA255ArchitecturePXA255Architecture25嵌入式系統(tǒng)概述課件26嵌入式系統(tǒng)概述課件27典型的嵌入式系統(tǒng)軟件組成典型的嵌入式系統(tǒng)軟件組成28VxWorksArchitectureVxWorksArchitecture29EmbeddedLinuxBasiccomponents:BootloaderLinuxkernelFurther:HardwaredriversApplicationprogramsFilesystemsbasedonROMorRAMTCP/IPstackGUIEmbeddedLinuxBasiccomponents30嵌入式操作系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)的場合多任務方便的用戶界面網絡功能升級和二次開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的基本功能多任務調度內存管理硬件資源管理嵌入式操作系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)的場合311.5嵌入式系統(tǒng)的特點專門用于特定任務嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺。技術集成軟硬件集成，計算機和網絡通信集成有實時約束一般采用實時操作系統(tǒng)有功耗約束軟件通常沒有系統(tǒng)和應用的區(qū)別，軟件固化。系統(tǒng)內核小高可靠性資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具非壟斷市場1.5嵌入式系統(tǒng)的特點專門用于特定任務軟件通常沒有系統(tǒng)和應32CharacteristicsofembeddedsystemsSophisticatedfunctionality.Real-timeoperation.Lowmanufacturingcost.Lowpower.Designedtotightdeadlinesbysmallteams.Characteristicsofembeddedsy33FunctionalcomplexityOftenhavetorunsophisticatedalgorithmsormultiplealgorithms.Cellphone,laserprinter.Oftenprovidesophisticateduserinterfaces.FunctionalcomplexityOftenhav34Real-timeoperationMustfinishoperationsbydeadlines.Hardrealtime:missingdeadlinecausesfailure.Softrealtime:missingdeadlineresultsindegradedperformance.Manysystemsaremulti-rate:musthandleoperationsatwidelyvaryingrates.Real-timeoperationMustfinish35Non-functionalrequirementsManyembeddedsystemsaremass-marketitemsthatmusthavelowmanufacturingcosts.Limitedmemory,microprocessorpower,etc.Powerconsumptioniscriticalinbattery-powereddevices.Excessivepowerconsumptionincreasessystemcosteveninwall-powereddevices.Non-functionalrequirementsMan36DesignteamsOftendesignedbyasmallteamofdesigners.Oftenmustmeettightdeadlines.6monthmarketwindowiscommon.Can’tmissback-to-schoolwindowforcalculator.DesignteamsOftendesignedby371.6嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)編程語言匯編、C、Java…交叉編譯器(crosscompiler)在一種機器(host)上為另一種機器(target)生成代碼的編譯程序1.6嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)編程語言38開發(fā)流程開發(fā)流程39代碼的下載與調試開發(fā)平臺目標平臺下載代碼返回調試信息代碼的下載與調試開發(fā)平臺目標平臺下載代碼返回調試信息40嵌入式系統(tǒng)調試的方法LEDSimulatorICE(In-CircuitEmulator)基于JTAG的EmbeddedICEAngel嵌入式系統(tǒng)調試的方法LED41SimulatorSimulator(模擬器)完全基于主機的軟件。在主機上模擬了目標機中處理器的功能和指令，特點簡單可行缺乏在線調試功能和實時仿真功能僅能模擬目標處理器，無法模擬處理器有關I/O的功能常作為初步基本調試工具SimulatorSimulator(模擬器)42ICEICE:In-CircuitEmulator傳統(tǒng)用于測試印刷電路板的方法。ICE是一種專用的設備，配有專用于特定CPU芯片的接頭。將ICE的接頭騎在CPU芯片上并加以固定，使它的每一條引線與CPU芯片上的對應引線接觸，就可以監(jiān)測CPU芯片各條引線上的邏輯電平。由于集成電路的集成度不斷提高，芯片的引腳不斷增加；此外,為了縮小體積常常采用表面貼裝技術。因此，無法用常規(guī)的在線仿真的方式…ICEICE:In-CircuitEmulator43EmbeddedICE EmbeddedICE:一組調試寄存器IBCR(InstructionBreakControlRegister)DBAR(DataBreakAddressRegister)…JTAG接口JTAG(JointTestActionGroup)制定了邊界掃描標準，只需5根引腳就可以實現在線仿真的功能。ARM架構處理器內含嵌入式在線仿真宏單元，為JTAG調試提供相應的接口。同時，為了能達到實時跟蹤調試的功能，ARM架構處理器還內含嵌入式跟蹤宏單元，通過邏輯分析儀來實現實時跟蹤調試的功能。EmbeddedICE EmbeddedICE:一組調44AngelAngel是一組運行在目標機上的程序，可以接受主機上調試器發(fā)送的命令。功能Debug。接收和解釋PC主機的調試命令，顯示處理器、存儲器和寄存器的狀態(tài)，也可以通過未定義指令來設置斷點。支持Angel調試協(xié)議ADP(AngelDebugProtocol)，從而實現PC主機與目標機的串行或并行通信,也支持與目標板的網卡通信。支持目標機中應用程序可使用主機PC上的標準C函數庫。通過軟中斷SWI指令來實現。具有多任務調度和處理器模式管理功能。能分配任務優(yōu)先級并對任務進行管理,也可根據操作需要在不同處理器模式中運行。具有中斷功能。從而能實現調試、通信和管理等操作的要求。AngelAngel是一組運行在目標機上的程序，可以接受主機45ARM的調試系統(tǒng)ARM的調試系統(tǒng)46EmbeddedSystemDesignTop-downdesign:startfrommostabstractdescription;worktomostdetailed.Bottom-updesign:workfromsmallcomponentstobigsystem.Realdesignusesbothtechniques.EmbeddedSystemDesignTop-down47LevelsofabstractionrequirementsspecificationarchitecturecomponentdesignsystemintegrationLevelsofabstractionrequireme48Example:GPSmovingmapRequirementsSpecificationArchitectureComponentdesignSystemintegrationExample:GPSmovingmapRequire49ReviewReview50嵌入式系統(tǒng)概述宋健建南京大學軟件學院2004/12/21嵌入式系統(tǒng)概述宋健建51內容什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的歷史和發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)內容什么是嵌入式系統(tǒng)521.Whatareembeddedsystems?Definition:Embeddedsystem:anydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer.Takeadvantageofapplicationcharacteristicstooptimizethedesign:don’tneedallthegeneral-purposebellsandwhistles.1.Whatareembeddedsystems?D53AMoreDetailedDefinition國內一般定義嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。AMoreDetailedDefinition國內一般54EmbeddingacomputerCPUmeminputoutputanaloganalogembeddedcomputerEmbeddingacomputerCPUmeminpu55ExamplesPersonaldigitalassistant(PDA).Printer.Cellphone.Automobile:engine,brakes,dash,etc.Television.Householdappliances.PCkeyboard(scanskeys).ExamplesPersonaldigitalassis56ReferenceInterpretation(1)An"embeddedsystem"isanycomputersystemorcomputingdevicethatperformsadedicatedfunctionorisdesignedforusewithaspecificembeddedsoftwareapplication.EmbeddedsystemsmayuseaROM-basedoperatingsystemortheymayuseadisk-basedsystem,likeaPC.Butanembeddedsystemisnotusableasacommerciallyviablesubstituteforgeneralpurposecomputersordevices.ReferenceInterpretation(1)An57ReferenceInterpretation(2)Aspecializedcomputersystemthatispartofalargersystemormachine.Typically,anembeddedsystemishousedonasinglemicroprocessorboardwiththeprogramsstoredinROM.Virtuallyallappliancesthathaveadigitalinterface--watches,microwaves,VCRs,cars--utilizeembeddedsystems.Someembeddedsystemsincludeanoperatingsystem,butmanyaresospecializedthattheentirelogiccanbeimplementedasasingleprogram.ReferenceInterpretation(2)A58ReferenceInterpretation(3)中國微機學會的定義：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應用為目的的計算機系統(tǒng)，可以分為片級、板級、系統(tǒng)級。芯片級嵌入－含程序或算法的處理器模塊級嵌入－系統(tǒng)中的某個核心模塊板系統(tǒng)級嵌入－主計算機系統(tǒng)ReferenceInterpretation(3)中國微591.2嵌入式系統(tǒng)歷史和發(fā)展1971年代單片微處理器問世，它標志著嵌入式系統(tǒng)的開端。從4個方面了解嵌入式系統(tǒng)歷史硬件軟件代表產品系統(tǒng)結構1.2嵌入式系統(tǒng)歷史和發(fā)展1971年代單片微處理器問世，60嵌入式硬件的歷史1971年Intel4004,4位微處理器TI,TMS1000,4位微控制器ROM,RAM,CPU+I/Oport1980年IntelMCS-51,8位微控制器16位,32位微處理器…1990’s,DSPTMS320C30嵌入式硬件的歷史1971年Intel4004,4位微處理61嵌入式處理器的分類和術語(1)微控制器(MCU：Micro-ControllerUnit)即單片機。早期比較流行的處理器，將整個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片中，內部以某種微處理器為核心，并對ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、I/O、串行口、A/D轉換、D/A轉換等必要外設加以集成。Intel8051微處理器(MPU：Micro-ProcessorUnit)必須在電路板上完成嵌入式系統(tǒng)功能。將MPU和其必要外設裝配在一起的電路板稱為單板機。ARM系列，MIPS嵌入式處理器的分類和術語(1)微控制器(MCU：Micro-62嵌入式處理器的分類和術語(2)數字信號處理器(DSP:DigitalSignalProcessor)對系統(tǒng)結構和指令進行特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也快。TITMS320C30->片上系統(tǒng)(System-on-Chip,SoC)將重要處理器的內核和各種外圍的芯片器件整合在一起，進一步降低功耗。IntelPCA架構；PXA255嵌入式處理器的分類和術語(2)數字信號處理器(DSP:Di63MicroprocessorvarietiesMicrocontroller:includesI/Odevices,on-boardmemory.Digitalsignalprocessor(DSP):microprocessoroptimizedfordigitalsignalprocessing.Typicalembeddedwordsizes:8-bit,16-bit,32-bit.MicroprocessorvarietiesMicroc64嵌入式軟件的歷史監(jiān)控程序操作系統(tǒng)1981,嵌入式實時內核VTRX321990’s,QNX-4pSOS,VxWorks,PalmOS,WinCE,EmbeddedLinux,LynxOS,uCOS,Nucleus…嵌入式軟件的歷史監(jiān)控程序65嵌入式系統(tǒng)結構演變硬件系統(tǒng)4位單片機8位單片機/16位單片機32位專用微處理器32位DSP微處理器SoCSoPC軟件系統(tǒng)實時監(jiān)控程序專用系統(tǒng)通用系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)結構演變硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)66IA&EmbeddedSystemInformationApplianceAnappliancespecializingininformation:Knowledge,facts,graphics,images,video,orsound.Aninformationapplianceisdesignedtoperformactivity,suchasmusic,photography,orwriting.Adistinguishingfeatureofinformationapplianceistheabilitytoshareinformationamongthemselves.(DonNorman)IA&EmbeddedSystemInformatio67IA&EmbeddedSystem(cont’d)信息電器的核心就是嵌入式系統(tǒng)信息電器的成本取決于嵌入式系統(tǒng)的成本信息電器的使用性能取決于嵌入式系統(tǒng)的軟件信息電器的發(fā)展方向決定著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向IA&EmbeddedSystem(cont’d)信681.4嵌入式系統(tǒng)的基本組成1.4嵌入式系統(tǒng)的基本組成69軟件硬件基本要素硬件嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件軟件實時操作系統(tǒng)（RTOS）板級支持包（BSP）設備驅動（DeviceDriver）協(xié)議棧（ProtocolStack）應用程序（Application）軟件硬件基本要素硬件軟件70嵌入式處理器的分類微控制器(MPU)微處理器(MCU)數字信號處理器(DSP)片上系統(tǒng)(SoC)嵌入式處理器的分類微控制器(MPU)71存儲設備ROMPROM，EPROM，EEPROMFlashROMFlash在嵌入式系統(tǒng)中的兩種作用(bootROM、harddisk)RAMSRAMDRAM存儲設備ROM72典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成73嵌入式系統(tǒng)概述課件74PXA255ArchitecturePXA255Architecture75嵌入式系統(tǒng)概述課件76嵌入式系統(tǒng)概述課件77典型的嵌入式系統(tǒng)軟件組成典型的嵌入式系統(tǒng)軟件組成78VxWorksArchitectureVxWorksArchitecture79EmbeddedLinuxBasiccomponents:BootloaderLinuxkernelFurther:HardwaredriversApplicationprogramsFilesystemsbasedonROMorRAMTCP/IPstackGUIEmbeddedLinuxBasiccomponents80嵌入式操作系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)的場合多任務方便的用戶界面網絡功能升級和二次開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的基本功能多任務調度內存管理硬件資源管理嵌入式操作系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)的場合811.5嵌入式系統(tǒng)的特點專門用于特定任務嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺。技術集成軟硬件集成，計算機和網絡通信集成有實時約束一般采用實時操作系統(tǒng)有功耗約束軟件通常沒有系統(tǒng)和應用的區(qū)別，軟件固化。系統(tǒng)內核小高可靠性資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具非壟斷市場1.5嵌入式系統(tǒng)的特點專門用于特定任務軟件通常沒有系統(tǒng)和應82CharacteristicsofembeddedsystemsSophisticatedfunctionality.Real-timeoperation.Lowmanufacturingcost.Lowpower.Designedtotightdeadlinesbysmallteams.Characteristicsofembeddedsy83FunctionalcomplexityOftenhavetorunsophisticatedalgorithmsormultiplealgorithms.Cellphone,laserprinter.Oftenprovidesophisticateduserinterfaces.FunctionalcomplexityOftenhav84Real-timeoperationMustfinishoperationsbydeadlines.Hardrealtime:missingdeadlinecausesfailure.Softrealtime:missingdeadlineresultsindegradedperformance.Manysystemsaremulti-rate:musthandleoperationsatwidelyvaryingrates.Real-timeoperationMustfinish85Non-functionalrequirementsManyembeddedsystemsaremass-marketitemsthatmusthavelowmanufacturingcosts.Limitedmemory,microprocessorpower,etc.Powerconsumptioniscriticalinbattery-powereddevices.Excessivepowerconsumptionincreasessystemcosteveninwall-powereddevices.Non-functionalrequirementsMan86DesignteamsOftendesignedbyasmallteamofdesigners.Oftenmustmeettightdeadlines.6monthmarketwindowiscommon.Can’tmissback-to-schoolwindowforcalculator.DesignteamsOftendesignedby871.6嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)編程語言匯編、C、Java…交叉編譯器(crosscompiler)在一種機器(host)上為另一種機器(target)生成代碼的編譯程序1.6嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)編程語言88開發(fā)流程開發(fā)流程89代碼的下載與調試開發(fā)平臺目標平臺下載代碼返回調試信息代碼的下載與調試開發(fā)平臺目標平臺下載代碼返回調試信息90嵌入式系統(tǒng)調試的方法LEDSimulatorICE(In-CircuitEmulator)基于JTAG的Em