基于ARM的嵌入式系统开发11

1、 1第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术主要内容n6.1 引言n6.2 嵌入式系统可靠性设计n6.3 嵌入式系统安全性设计n6.4 嵌入式系统低功耗设计n6.5 嵌入式系统分析与优化 2第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.1 引言n嵌入式系统设计是一个复杂的问题n计算机软硬件知识n电路分析、电子技术、数字逻辑、计算机原理n汇编/C/C+、操作系统、编译原理、软件工程n专业领域知识nMP3/MP4：MP3/MP4解码算法n手机：信号处理、通信工程n工程经验积累n发现问题、分析问题、解决问题 3第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技

2、术6.2 嵌入式系统可靠性设计n1 概述n2 元器件的可靠性n3 电磁兼容性设计n4 软件可靠性设计n5 系统级的可靠性设计n6 故障检测技术 4第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述n嵌入式系统通常被应用到恶劣的工作环境中n高/低温、高湿、强烈震动、电磁干扰n是投入实用化的一个必然设计要求n基本思想n构造一个正常的工作环境n容错、补救措施n可靠性的定义n产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力 5第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n可靠性的性能指标n可靠度n是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R

3、n失效率（故障率）n是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，一般记为n平均无故障间隔时间MTBFn平均修复时间MTTR 6第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 元器件的可靠性n常用电子元器件的选择n电阻器的选择与使用n电容器的选择与使用n电感器的选择与使用n半导体分立器件的选择与使用n数字集成电路的选择与使用n模拟集成电路的选择与使用 7第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 元器件的可靠性（续）n系统设计中电子元器件可靠性措施n元器件的选择n元器件的老化n元器件的筛选n降额使用n容差与漂移设计（鲁棒设计Robust）n人

4、为因素 8第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计n电磁兼容性nEMCElectroMagnetic Compatibilityn是指电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI）n抗外界的干扰要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力n对外界的干扰要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度 9第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）n电源电路的抗干扰措施n电源中的干扰来源n电源中的抗干扰措施n设计抗干扰性能好的电路n数字电路部分n模拟电路部分

5、n克服信号传输过程中的干扰n减少串（差）模干扰n减少共模干扰 10第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）n接地n信号地模拟地、数字地、功率地n安全地机壳地n滤波、去耦及屏蔽n滤波、去耦、屏蔽n静电及其防护（ESD）n静电的产生n静电的危害n静电的防护 11第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）nPCB可靠性n高速信号传输引起严重问题n恶劣的工作环境更加重问题n电源电路中的抗干扰措施n高频信号和器件n布局布线引起的问题n热效应n信号反射、辐射、串扰 12第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技

6、术4 软件可靠性设计n软件的可靠性n软件故障n软件可靠性指标n软件错误的来源n软件工程与管理n软件工程的开发模式n嵌入式系统的软件开发n软件可靠性管理 13第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术4 软件可靠性设计（续）n软件的可靠性设计n依据软件工程规范要求开发软件n采用软件滤波方法n检错及纠错编码n软件容错技术n软件可维护性及软件可靠性模型n软件可维护性设计n软件可靠性模型 14第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级可靠性设计n系统的可靠性模型n串联系统的可靠性模型n串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统n并联系

7、统的可靠性模型n并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的系统n混合系统的可靠性模型n是由串联和并联混合组成的系统 15第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级可靠性设计（续）n系统的可靠性模型n冷备份系统的可靠性模型nn个完全相同部件的冷备份系统 （待机备份系统），转换开关为理想开关，只要一个部件正常，则系统正常n表决系统的可靠性模型n在组成系统的n个单元中，不失效的单元不少于k（k介于1和n之间），系统就不会失效的系统，又称为k/n系统 16第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级可靠性设计（续）n可靠性的预估n由一批有经验人员按该

8、产品复杂程度与已知可靠性的产品类比评分给定n可靠性的分配n原则：技术水平、复杂程度、重要程度、任务情况 n方法：等分配法 、再分配法、 比例分配法、综合评分分配法、动态规划分配法 n可靠性设计的具体措施n冗余设计n抗环境影响设计 17第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级可靠性设计（续）n典型双工系统n双工系统n冗余技术实现整个系统的可靠性n两个独立子系统n同源输入、独立处理、比较结果n两个独立子系统同时失效的概率较小 18第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术 19第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6 故障检测技术n嵌

9、入式系统的脱机自检n指令系统自检nRAM、ROM、外设及接口的自检n嵌入式系统的在线故障检测n程序监视器、状态反馈n检错及纠错编码n超时故障检测n直流电机接口的在线检测n瞬时掉电保护 20第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.3 嵌入式系统安全性设计n1、嵌入式系统面临严重的安全挑战n2、硬件安全n3、软件安全n4、安全与可信 21第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1、嵌入式系统面临严重的安全挑战n端设备性能逐步强大，减少信息交换，提高效率n安全、私有信息逐步转移到端设备中n端设备不具有可控性，容易遗失、被盗、n设计者很难考虑到所有的安全隐患n端

10、设备在设计时，应当充分考虑到恶劣的攻击环境n硬件被攻击、软件被攻击、通信被攻击、服务器端被攻击 22第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2、硬件安全n硬件可能被剖析、仿制、破坏n潜在的硬件缺陷一旦被发现，很难通过“打补丁”方式修正n硬件攻击更容易实现n一台数字示波器n一个读卡器n硬件在设计时应尽可能考虑安全问题，有补救措施n宁可报废，也不泄露 23第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3、软件安全n软件由于复杂度问题，难以排除所有漏洞n建立一定的制度，定期发布补丁n使用辅助工具完成漏洞排查n难以修补的底层问题，应借助硬件完成 24第六部分第六部分 嵌入

11、式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术4、安全与可信n如何建立一个可以信赖的计算环境？n硬件可以信赖？不被Hack？n软件可以信赖？n通信可以信赖？n服务可以信赖？n如何保证信任的传递？n从理论上保证信任可以传递：从硬件-软件-应用-服务n加密技术、完整性验证nTPC 25第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.4 嵌入式系统低功耗设计n1 概述n2 硬件低功耗设计n3 软件低功耗设计 26第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述n低功耗设计成为热点n电池供电延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销n手机、MP3、MP4、

12、数码相机、数码摄像机n降低电磁干扰系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小n安全需要例如工业现场总线设备的本安（本质安全）要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗 27第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n低功耗设计构成n系统设计、硬件设计、软件设计、器件的工艺设计n器件的工艺设计n主要由半导体器件厂家来完成n嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗指标n嵌入式系统低功耗设计的核心n集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面 28第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n功耗产生的原因n集成电

13、路的功耗包括静态功耗和动态功耗两部分n静态功耗电路状态没有翻转时产生的功耗n静态功耗：Ps = V*In动态功耗电路状态发生翻转时产生的功耗n动态功耗：Pd=V2*f*CnV为工作电压，f为时钟频率，C为负载电容n目前大多数电路采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略，起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗主要从降低动态功耗入手 29第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计n低功耗器件n尽量选用CMOS系列电路n选用低功耗的嵌入式处理器n处理器是嵌入式系统的硬件核心，功耗比较大n选择低功耗的外围电路n未用输入端不要悬空n悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电

14、平的转换，转换器件的功耗很大n尽量采用输出为高的原则n输出电流小，输入电流大 30第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n低功耗电路形式n完成同样的功能，电路的实现形式有多种n例如，可以利用分立元件、小规模集成电路、大规模集成电路甚至单片实现n善于利用CPLD、FPGA构成数字电路n使用的元器件的数量越少，系统的功耗越低n尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数，减少整机的功耗 31第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n单电源、低电压供电n一些模拟电路如运算放大器等，供电方式有正负电源和单电源两

15、种n双电源供电可以提供对地输出的信号，但电源设计复杂，功耗大n高电源电压可以提供大的动态范围，缺点是功耗大n例如低功耗运放LM324，单电源电压n当电源电压为15V时，功耗约为220mWn当电源电压为10V时，功耗约为90mWn当电源电压为5V时，功耗约为15mW 32第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n电源管理单元设计n处理器全速工作时功耗最大，待机状态时功耗比较小n常见的待机方式有两种n空闲方式（idle）nCPU停止工作，I/O接口电路工作n通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给n掉电方式（shutdown）nCPU、I/O接口电路停止

16、工作，中断也不响应n需要进入复位才能退出掉电方式 33第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n降低或动态改变处理器的时钟频率n处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功耗越高n例如：时钟频率32.768kHz、3V工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作电流只有15An在许多低功耗的场合，采用低速晶振实现低功耗非常有效n可以动态改变处理器的时钟以降低系统的总功耗nCPU空闲时降低时钟频率nCPU处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行 34第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续

17、）n降低持续工作电流n在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时期不消耗电流n例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗 35第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计 n编译低功耗优化技术n编译技术降低系统功耗是基于这样的事实n对于实现同样的功能，不同的软件算法消耗的时间不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同n目前的软件编译优化方式有多种n基于代码长度优化，基于执行时间优化等n基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究

18、中n如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系统开发），可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗 36第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n硬件软化与软件硬化n硬件电路一定消耗功率n可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等n软件处理需要时间n处理器需要消耗功率，特别是处理大量数据的时候，需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率n系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要综合计算设计 37第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式

19、系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n减少处理器的工作时间n软件设计降低系统功耗的关键n尽量减少CPU的全速运行时间，使CPU较长地处于空闲方式或掉电方式n事件驱动的程序设计方法n在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成信息或数据的处理，然后进入空闲或掉电方式n在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒 38第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n采用快速算法n数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗n在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法n通信中尽量提高通信速率n在多机通信中，尽量提高传送的波特率n发送、接收均应采用中断处理方式，而不采用查询方式 39第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n数据采集系统中降低采集速率n在测量和控制系统中，数据采集部分的设计需根据实际情况，不要只顾提高采样率n模数转换时功耗较大，过高的采样速率会导