嵌入式系统概述26182

第一节嵌入式系统概述 内容 1 嵌入式系统的概念2 嵌入式系统的特点3 嵌入式系统的发展历史4 嵌入式系统的组成5 嵌入式系统的应用6 嵌入式系统的发展趋势7 与实时系统相关的几个基本概念 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统 IEEE的定义 是控制 监视或辅助设备 机器运行的装置 从应用上来定义的 另外一种定义 以应用为核心 以计算机技术为基础 软硬件可裁减 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统是计算机技术 电子技术 半导体技术综合发展的产物 2 嵌入式系统的特点 1 面向特定的应用 从硬件到软件 CPU具有不同的应用领域 如ARM PowerPC 决定嵌入式处理器的应用环境的因素主要是集成的外部接口的功能和处理速度 通常具有功耗低 体积小 集成度高等特点 将通用CPU系统中由板卡完成的功能集成在芯片内部 有利于实现小型化 节约成本 提高可靠性 软件也必须根据应用系统的需要进行设计 大多数嵌入式系统的开发不是计算机专业人才 而是各个行业的专业技术人员 如控制系统 生物医学工程等 2 嵌入式系统是计算机技术 半导体技术 电子技术以及各行业的具体应用相结合的产物 不同的嵌入式系统具有不同的市场定位 满足其要求 不易形成垄断 3 嵌入式系统必须精简设计 考虑成本和体积因素 量体裁衣 通常不必升级 生命周期较长 4 高可靠性 高实时性要求 如DO 178 5 软件固化 通常要求高可靠性 强实时性 为了开发的标准化 通常要有操作系统 工业化 标准化 开发时考虑软件和硬件的可移植性等 便于在不同系统的修改 跨平台只需修改1 4 的代码 和重用 减少开发时间 保证软件质量 6 需要专门的开发工具 不具备自举开发能力 通常基于通用的计算机平台 主机开发和目标机运行 调试时交换数据 3 嵌入式系统的发展历史 20世纪50 60年代 在军事应用的需求下 出现了专用的计算机系统 用于控制导弹和空间飞行器 1971 Intel为计算器设计的4位4004 70年代 80年代初 出现了单板计算机 存储器板 外围接口板构成的嵌入式计算机系统 不同的应用需求选用不同的配置满足不同的应用 80年代 采用VLSI集成外围接口 单片机 采用操作系统来编写嵌入式应用软件 第一个商业嵌入式实时内核VRTX32 现在多种形式的商用嵌入式操作系统如VxWorks pSOS Nucleus WinCE和ucos等90年代 RTOS得到广泛应用 处理器由8位 16位 32位 DSP得到广泛应用现在 SoC SystemonChip 在FPGA上实现CPU 存储器和与应用相关的外围接口 4 嵌入式系统的组成 1 嵌入式系统的硬件 包括处理器 存储器以及外围接口等 处理器分为 嵌入式微处理器 EMPU 嵌入式微控制器 EMCU 嵌入式数字信号处理器 EDSP 嵌入式片上系统 ESoC 嵌入式可编程片上系统 EPSoC 等 存储器包括 程序存储器 ROM EPROM EEPROM Flash 数据存储器 RAM 外围接口包括 网络 AD DA USB UART等 2 嵌入式系统软件 Hardware BSP Application RTOS Driver Hardware BIOS Application OS Driver 嵌入式系统软件 PC机软件 BSP与BIOS 板级支持包BSP boardsupportpackage 基本输入输出系统BIOS BasicInputOutputSystem 启动代码 设置堆栈指针 初始化各寄存器和IO端口 跳到实时操作系统的内核运行 启动操作系统 操作系统 商用OS 方便用户管理计算机资源 追求系统资源的最大利用率 RTOS 追求调度的实时性 响应时间的确定性 系统的可靠性 功能包括 任务管理 任务间同步和通信 内存管理 时钟管理 中断管理 RTOS与商用OS的主要区别 可伸缩性 调度策略 对目标环境的支持等 驱动程序 应用程序 与特定应用相关的程序 3 嵌入式系统的开发系统 嵌入式系统开发完成后 用户通常不能修改 借助于开发系统 其独立于嵌入式系统产品外 包括 语言编译器 连接定位器 调试器等 开发语言包括汇编 C EC Ada Java等 汇编常用于 小型系统 与系统初始化和硬件相关代码 为了提高效率应用于时间要求苛刻的程序中 5 嵌入式系统的应用 1 工业控制 机器人 现场总线设备 智能仪表 数控机床 医疗设备 2 消费类电子设备 机顶盒 数码相机 3 网络通信设备 路由器 网关 加解密系统等 4 办公自动化 打印机 投影仪等 实例 飞控和导航系统 PowerPC控制器应用实例 1 Boing AV8B F 15 F A 18飞控系统2 LockheadMartin JSF的航空电子系统 F 22的座舱显示系统3 NorthropGrumman Airbus380的惯性导航系统4 GE 在777 200LR和777 300ER的航空发动机GE90 115B上控制其温度 速度 风量和燃油流量等5 Honeywell 其研制的航空电子设备已用在B 52 B 1B C 17 F 35 F 16 AirBus380 Sikorsky S 92以及空间飞行器的惯性导航系统中 6 嵌入式系统的发展趋势 1 嵌入式系统应用的纵深发展 更广 性能更高 导致嵌入式系统向产业化发展 网络化 友好的人机界面 更高的可靠性等2 嵌入式系统的硬件和软件的高性能和专业化 高性能处理器 高速 多核 IP核 实时多任务操作系统的广泛应用 性能不断提高 高可靠性 组件更多3 嵌入式系统开发平台的完备化 嵌入式处理器 开发工具 第三方开发工具与仿真器 硬件和软件开发工具 硬件电路的参考设计 DEMO 板级支持包 BSP 软件开发工具 编译器 连接定位器 集成开发环境等 开发系统集成化 自动化和人性化 7 与实时系统相关的几个基本概念 事件驱动系统 event drivensystem 其行为是通过对外部事件产生特定反应的系统 时间驱动系统 time drivensystem 是指根据时间长短或者到达时刻来产生动作的系统 其主要通过周期性的任务分配而不是通过非周期性事件的发生来驱动的 实时系统 Real timesystem 是指其计算和动作具有性能期限的系统 实时系统通常是嵌入式的 完成整个系统的一部分功能 整个系统可能包含多个实时子系统 期限或时限 deadline 系统的动作必须在某个时刻 时间驱动 上 或者是一段时间间隔内 时间驱动 出现 则这个时间点或时间间隔就称为期限或时限 有两种类型的实时系统 软实时系统和硬