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1、2008年2月19日1? ?嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发? ?第第1 1讲讲南海学院计算机系 刘刚主讲2课程目的课程目的l理论与实践相结合l以嵌入式系统根底及嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重点,以应用为目的,全面介绍嵌入式系统l使大家既能对嵌入式系统及开发有一个全景的把握,又能深入理解嵌入式实时操作系统。l配套多种嵌入式平台的C/OS-II实验,提供丰富的实验和手册3课程特点课程特点l利用PC机就可以自己动手搭建嵌入式系统的开发平台,熟悉应用开发,更方便地学习和理解嵌入式系统的根底知识:l从纯软件到硬/软件结合l从“纸上谈兵编程序到“板上谈兵l从“懂怎么做到“会做l从讲/听到
2、讲/听/做4本课程简介本课程简介l本科生选修课l学分:3l总课时:54小时l授课:18次,36小时l实验:18小时l考试:2小时l授课地点:教学楼C301教室l授课时间:每周一上午 第1、2节课5课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式系统根底,约12节课l嵌入式系统导论什么是嵌入式系统?嵌入式系统分类、开展历程、特点、应用领域、开展趋势, 约3节课l嵌入式硬件系统根底根本组成,嵌入式微处理器:ARM、MIPS、X86、SH等,总线、存储系统、输入/输出与典型接口等, W90P710/SH7709S ,约7节课l嵌入式软件系统根底分类、特点、体系结构、运行流程、操作系统、开发工具,约2节课6课程的
3、主要内容课程的主要内容l嵌入式实时内核,约14节课l任务管理与调度任务、任务管理、调度算法, 约6节课l同步、互斥与通信信号量、信箱、队列、事件、异步信号 , 约4节课l中断和时间管理中断分类、处理过程、中断管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理关系、时间管理机制 , 约2节课l内存管理和I/O管理特点和管理机制 , 约2节课7课程的主要内容课程的主要内容l嵌入式系统软件的开发, 约4节课l嵌入式系统开发模式嵌入式系统开发模式l嵌入式软件开发工具嵌入式软件开发工具l软件分析设计方法软件分析设计方法l复习:2节课l实验:34节课8实验系统的内容实验系统的内容目标平台目标平台开发工具开发工具嵌入式操
4、作系统嵌入式操作系统实验工程实验工程PCPC虚拟机虚拟机 CygwinCygwinARM9boardARM9boardEmbest EdkitIIIEmbest EdkitIII开发实验箱开发实验箱Ebest IDEEbest IDE集成开发环境集成开发环境LinuxLinux(源代码)(源代码)9实验系统的内容实验系统的内容l配套8个实验工程,具体是:l开发环境建立实验:1个/平台l实时内核实验:7个l任务的根本管理l优先级反转l优先级继承l信号量:哲学家就餐问题的实现 l消息队列 l时钟中断 lC/OS-II的内存分配 10教材及参考资料教材及参考资料l嵌入式系统根底教程,俞建新等主编,机
5、械工业出版社.l嵌入式实时操作系统及应用开发,罗蕾主编,北京航空航天大学出版社.lJean . 嵌入式实时操作系统uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大学出版社.及uC/OS-II ebookl嵌入式计算系统设计原理 美Wayne Wolf Computers as Components:Principles of Embedded Computing System DesignlJean . 嵌入式实时操作系统uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大学出版社.l, Kang . REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw
6、-Hill.lA Survey of Real-time Operating Systems.lWHAT MAKES A GOOD RTOS.11授课主教材介绍授课主教材介绍l嵌入式系统根底教程l俞建新 王健 宋健建l机械工业出版社l2021年3月第1版l书号:l ISBN 978-7-111-22944-5l定价:42元l要求修课同学人手一本12综合实验教材综合实验教材l俞建新等编著l清华大学出版社l本课程上机实验必备教材。给出了典型的嵌入式应用程序编写范例,适合本科生使用和自学。l配套的实验系统为JXARM2410或者CVT-PXA270。 嵌入式应用程序开发综合实验9例13主要参考书主要
7、参考书l嵌入式系统开发与应用l田泽编著l北京航空航天大学出版社lISBN: 7-81077-541-3l2005年1月第1版l定价:元l简评:主要介绍嵌入式根本概念、ARM体系结构、ARM嵌入式程序设计、uCOS-II操作系统、设备驱动、 uCLinux操作系统。借用为宜。14参考资料参考资料lReal-time Embedded Software SystemslOSEK/VDX Operating System. Version 2.2.2. July 5th, 2004.lCharting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Comp
8、uting.lPriority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronizationl :/m15课程成绩课程成绩l课程成绩平时成绩实验成绩期末考试成绩l平时成绩l5分,分,l实验成绩l25分分l期末考试:闭卷考试闭卷考试70分分16理论教学主要内容理论教学主要内容l嵌入式系统概述l可编程逻辑器件与IP核l嵌入式微处理器与调试技术lARM体系结构和指令集lARM汇编语言程序设计lARM开发工具lARM中断、DMA和时间管理l嵌入式存储器和接口技术l嵌入式操作系统概论17前导课程知识前导课程知识l根底课程l计算机组成原理,
9、微机原理与接口l软件专业课程l操作系统l汇编语言,ANSI C标准 C,JAVAl硬件专业课程l电子线路,数字电路,集成电路设计18本课程的实验环节本课程的实验环节l包含四局部实验l基于ADS集成开发环境的ARM汇编语言实验l基于ADS集成开发环境的C语言实验l17个ARM300-S实验平台的常规实验l在ARM300-S实验平台完成一个综合实验l自行创意的综合实验l基于?9例?教材的改进型综合实验19第第1章章 绪论绪论l本章介绍以下内容:l什么是嵌入式系统?l嵌入式系统的开展简史l嵌入式系统的特点l嵌入式系统的分类l嵌入式系统的根本组成l嵌入式处理器l嵌入式系统开展趋势l嵌入式系统的相关研究
10、领域201.1 什么是嵌入式系统?什么是嵌入式系统?l顾名思义:l包含安装在电子装置应用对象内部的计算机系统称为嵌入式系统。l根本描述:l专门用途的计算机系统l常常用于控制l广泛存在l包含硬件和软件21嵌入式系统的释义嵌入式系统的释义l全称l嵌入式计算机l嵌入式计算机系统l简称l嵌入式系统l相关术语l嵌入式设备l嵌入式技术l有时还进一步简称为嵌入式22民用嵌入式设备或产品民用嵌入式设备或产品1MOTOC350彩屏彩屏WAP移动电话移动电话彪骐数字机顶盒彪骐数字机顶盒BlackBerry 7230移动电话移动电话DL7100/DL7200 数字式示波器数字式示波器嵌入式嵌入式GIS畅视畅视200
11、0可视电话可视电话Palm Zire71型型个人数字助理个人数字助理23民用嵌入式设备或产品民用嵌入式设备或产品224苹果公司的媒体播放器和苹果公司的媒体播放器和 iPOD和和iPHONE25嵌入式产品嵌入式产品电子书阅读器电子书阅读器飞利浦Readius 亚马逊Kindle26 的内部结构的内部结构-127 的内部结构的内部结构-228 的内部结构的内部结构-329 的内部结构的内部结构-4l诺基亚N95 内部结构30诺基亚诺基亚N95型型 根本技术指标根本技术指标l 型号:诺基亚N95l通信制式:GSMl外形:滑盖lLCD色彩数:1600万lLCD分辨率:240 x 320 l重量:120
12、克l电池:950 毫安时诺基亚电池 BL-5Fl数码相机:500万像素lGPS模块:SiRF科技公司SirfIII芯片,可追踪20颗星l客户端手持设备操作系统:Symbian31用于水下勘测的螃蟹机器人用于水下勘测的螃蟹机器人l英国巴斯大学一位研究生设计的,它目前可以在陆地上任意移动,未来的开发设计将方案将它用于完全的水下勘测任务操作。 32富士数码相机富士数码相机FinePix F460l富士公司2006年前后推出l500万像素中档相机l光学镜头:3倍变焦lLCD :英寸l电荷耦合器件(CCD):l索尼公司500万像素的ICX505l图像处理芯片:ADI公司的AD9948Al读取CCD的输出
13、信号,图像数据处理33富士数码相机富士数码相机FinePix F460续续l电机控制电路:三洋公司的ASIC(LB8659)l用于控制镜头拉伸、缩放和聚焦l微控制器:NEC公司的uPD78F0533l处理按键,完成主要的系统控制功能l内存储器:三星公司的SDRAM (K4M283233)l提供图像处理所需的工作内存34Finepix数码相机的解剖照片数码相机的解剖照片35嵌入式系统高端应用的产品嵌入式系统高端应用的产品美国美国AGM-86B战略空射巡航导弹战略空射巡航导弹美国火星登陆车美国火星登陆车国产战斗机国产战斗机F-7MG机器人机器人国产国产88式坦克式坦克2002年型林肯黑木年型林肯黑
14、木(Blackwood)汽车汽车36嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1 1l根据IEEE国际电气和电子工程师协会的定义:l嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。l英文原文为:devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.37嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义2 2l本课程使用的定义,也是国内高校流行的定义:l嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为根底,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗有严格要求的专用计
15、算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个局部组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。38嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义3 3l根据中国微机学会的定义:嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统,可以分为系统级,板级,片级。系统,可以分为系统级,板级,片级。q芯片级嵌入v含程序或算法的处理器含程序或算法的处理器q模块级嵌入v系统中的某个核心模块板系统中的某个核心模块板q系统级嵌入v主计算机系统主计算机系统39专家观点专家观点1l嵌入式系统只是单板机在某种场合下的应用个体经营的单片机公司经理语l我们的控
16、制装置产品都用嵌入式系统设计方案中科院自动化研究所工程师语l单片机是嵌入式系统的初级形态,SOC是嵌入式系统的高级形态南京市单片机协会理事资深专家语。40专家观点专家观点2l要想成功地设计一个嵌入式系统,就必须寻找或开发一个适宜的软件和硬件平台。l电子工程专辑()主编语l嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一,对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。l单片机实验室高级工程师语l国内外嵌入式系统市场是广阔天地,嵌入式系统是新的经济增长点。l北京计算机高级专家工控学会资深理事语。41参考解释参考解释1lUnderstand the Definition of an E
17、mbedded SystemlAn embedded system is any computer system or computing device that performs a dedicated function or is designed for use with a specific embedded software application.lEmbedded systems may use a ROM-based operating system or they may use a disk-based system, like a PC. lBut an embedded
18、 system is not usable as a commercially viable substitute for general purpose computers or devices. l但是一个嵌入式系统不是通用计算机或装置的商业可行的替代用品42参考资料参考资料微软公司的网页微软公司的网页43参考解释参考解释2lEmbedded System Definition lA specialized computer system that is part of a larger system or machine. Typically, an embedded system is
19、 housed on a single microprocessor board with the programs stored in ROM. Virtually all appliances that have a digital interface - watches, microwaves, VCRs, cars - utilize embedded systems. Some embedded systems include an operating system, but many are so specialized that the entire logic can be i
20、mplemented as a single program. 44嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域移动电话信息家电视听设备飞机人造卫星导弹鱼雷车辆机器人掌上电脑医疗设备工业控制计算机外围设备水面舰船潜艇坦克战车自行火炮环境监测其它交通管理嵌入式系统45主要的嵌入式系统产品主要的嵌入式系统产品l l媒体播放器l机器人lPDAl机顶盒l医疗器械l通信设备l网关、路由器lIC卡l工业控制装置l电子书l计算机外部设备l打印机l数码相机l信息家电l汽车电子46嵌入式系统在汽车产业的应用嵌入式系统在汽车产业的应用l单芯片微电脑控制系统l雨刷、车灯系统、仪表盘、电动门窗等lMCU系统lABS系统、
21、智慧平安气囊、主动式悬吊系统、发动机管理系统等lSoC系统l混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等47汽车上嵌入式系统的装备情况汽车上嵌入式系统的装备情况l据统计,从1989年至2000年,平均每辆车上电子装置在整个汽车制造本钱中所占的比例由16增至23以上。l一些豪华轿车上,使用单片微型计算机的数量已经到达48个,电子产品占到整车本钱的50以上。l目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。48两种汽车使用的嵌入式系统两种汽车使用的嵌入式系统l一类是汽车电子控制装置l它和车上机械系统进行配合使用,即所谓“机电结合的汽车电子装置;它们包括发动机、底盘、车身电子控制。
22、例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。49两种汽车使用的嵌入式系统续两种汽车使用的嵌入式系统续l另一类是车载汽车电子装置l车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置,它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统行车电脑、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。50汽车嵌入式控制的开展方向汽车嵌入式控制的开展方向l向集中综合控制开展:l将发动机管理系统和自动变速器控制系统,集成为动力传动系统的综合控制PCM;l将制动防抱死控制系统ABS、牵引力控制系统TCS和驱动防滑控制系统ASR综合在
23、一起进行制动控制;l通过中央底盘控制器,将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。控制器通过复杂的控制运算,对各子系统进行协调,将车辆行驶性能控制到最正确水平,形成一体化底盘控制系统UCC。51汽车电子系统模块的布局52汽车电子应用:主被动集成方案汽车电子应用:主被动集成方案Active Passive Integration Approach APIAlAPIA可利用网络覆盖汽车的所有主动及被动平安系统,并集成了环境传感器。lAPIA系统复杂,包括自适应巡航控制、组合传感器、侧面传感器、数据网关、相应的控制单元等等。系统核心是危险控制模块,它能意识到潜在的碰撞,并引入预先设定的
24、措施。531.2 嵌入式系统的开展简史嵌入式系统的开展简史l第一阶段l以4到8位单片机为核心的可编程控制器系统l第二阶段l以8到16位嵌入式处理器CPU为根底l第三阶段l32位RISC嵌入式中央处理器l嵌入式操作系统l第四阶段l基于Internt接入为标志的嵌入式系统54从从4个方面考察嵌入式系统历史个方面考察嵌入式系统历史l可从4个方面考察嵌入式系统的历史l硬件l软件l代表产品l系统结构l近6年以来嵌入式系统成为计算机业界的热点技术,全球大型IT企业无一不在进军嵌入式技术。55嵌入式硬件历史大事嵌入式硬件历史大事l1971年11月微处理器诞生,代表产品Intel 4004微处理器l1980年
25、美国Intel公司推出MCS-51单片机l1985年美国Xilinx公司推出FPGAlFPGAl现场可编程门阵列lField Programmable Gate Arrayl1994年英国ARM公司推出ARM610l1988年 DSP微处理器问世l代表产品是美国德州公司TMS320C3056军用嵌入式计算机系统开展军用嵌入式计算机系统开展l第一阶段 1970年代到1980年代l军用标准阶段l美国陆军的NEBULA架构l美国海军的UYK-43架构和AYK架构等l使用的编程语言不统一l陆军使用NEBULA、空军使用PASCAL、海军使用CMS2l第二阶段 1980年代中期到1980年代末l美军在通
26、用化标准化系列化上作了重大改进l军内统一使用ADA语言l实时操作系统趋于完善57军用嵌入式计算机系统开展续军用嵌入式计算机系统开展续l第三阶段 1990年代初开始l32位嵌入式处理器广泛使用l多种实时操作系统出现lPSOS+ mliRMK III58嵌入式软件历史回忆嵌入式软件历史回忆l早期的单片机执行由专用的监控程序控制,不含操作系统。l目前许多简单的单片机应用仍然使用监控程序作为控制软件。l1980年代,开始在单片机上使用基于操作系统的控制程序。l现在高端嵌入式系统软件都在操作系统的支持下运行59嵌入式操作系统简况嵌入式操作系统简况l1981年Ready System开发了世界上第1个商业
27、嵌入式实时内核VTRX32,它包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。l后来,出现了如WRS公司的VxWorks、QNX公司的QNX、Symbian公司的Symbian、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS。l此外,还有Palm OS、WinCE、嵌入式Linux、LynxOS、uCOS、Nucleus、以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。601.3 嵌入式系统的特点l专门用于特定任务l嵌入式系统一般是专用系统,而PC是通用计算平台。l技术融合l集计算机,通信及其它高新
28、技术于一体。l有实时约束l一般采用实时操作系统有功耗约束l软件没有系统和应用的区别,软件固化。l系统内核小l软硬件可裁剪l高可靠性l资源比PC少得多l嵌入式系统需要专用的开发工具l非垄断市场61软件硬件根本要素软件硬件根本要素硬件硬件l嵌入式处理器l各种类型存储器l模拟电路及电源l接口控制器及接插件软件软件实时操作系统实时操作系统RTOS板级支持包板级支持包BSP设备驱动设备驱动Device Driver协议栈协议栈Protocol Stack应用程序应用程序Application621.4 嵌入式系统的分类 l有多种对嵌入式系统的分类方法,以下是局部分类方法:l按用途分类:军用/民用l按载体
29、分类:宇航/车载 l按通信性质分类:无线/有线l按网络性质分类:联网/单机l按环境分类:普通/恶劣l按功耗分类:低功耗/普通功耗l主要分类方法l按硬件软件性质631.4.1 按照技术复杂度分类按照技术复杂度分类l根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类:l无操作系统控制的嵌入式系统lNOSES,Non-OS control Embedded System;l小型操作系统控制的嵌入式系统lSOSES,Small OS control Embedded System;l大型操作系统控制的嵌入式系统lLOSES,Large OS control Embedded System。641.4.2 按
30、照用途分类按照用途分类l按照用途可以把嵌入式系统分成以下三类:l工业用l军用l民用651.5 嵌入式系统根本组成l嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、外围电路和外部设备三大局部所组成。l嵌入式处理器包括:嵌入式微处理器MPU、微控制器MCU、数字信号处理器DSP。l外围电路包括:各式存储器RAM、ROM、FLASH,时钟电路,各种I/O接口电路,调试接口JTAG、BDM等。l外部设备包括:存储卡CF、SD卡、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。66嵌入式系统常用硬件器件嵌入式系统常用硬件器件l嵌入式处理器lMCU, DSP, MPUl可编程逻辑器件lFPGA, CPLDl存储器芯片l电源模块l周边元
31、件和接插件67典型嵌入式系统硬件组成典型嵌入式系统硬件组成168典型嵌入式系统硬件组成典型嵌入式系统硬件组成2Chip Board CircuitCPU CoreExternal DevicesUSBLCDPenKeyboardIRDAOthersConnection for DebuggingPortsResetCircuitOscillationCircuitPowerSupplyDMATimerPrescalerA/DI/O PortInterruptControlerConnectingDRAMConnectingSRAMConnectingFlashConnectingROMCPUB
32、CU69嵌入式系统的软件根本构成嵌入式系统的软件根本构成70基于基于VxWorks操作系统的操作系统的嵌入式软件层次结构嵌入式软件层次结构71嵌入式系统结构演变嵌入式系统结构演变l硬件系统l4位单片机l8位单片机/ 16位单片机l32位专用微处理器l32位DSP微处理器lSoClSoPCl软件系统l实时监控程序l专用系统l通用系统721.5.1 实时性能分类实时性能分类l依据操作系统的实时性能类型划分,有以下几种依据操作系统的实时性能类型划分,有以下几种类型。参看以下图:类型。参看以下图:嵌入式系统嵌入式系统分时系统分时系统实时系统实时系统软实时系统硬实时系统731.5.2 按照电路板分类按照
33、电路板分类l中国计算机协会微机专业委员会对嵌入式系统给出以下分类:l单硅片嵌入式系统lSingle-Silicon Embedded Systeml单板嵌入式系统lSingle-Board Embedded Systeml多板嵌入式系统lMulti-Board Embedded System74高端嵌入式产品中高端嵌入式产品中各种各种CPU所占市场份额所占市场份额75嵌入式系统开发工具嵌入式系统开发工具l高级语言编译器lCompiler Toolsl源程序模拟器lSource Simulatorl目标监控器lObject Monitorl实时在线仿真系统ICElIn-Circuit Emula
34、tor76嵌入式系统与单片机区别嵌入式系统与单片机区别l从历史的角度来看,这两个名词术语没有本质的区别。但是,它们都是专用的计算机系统,与通用型的微机系统有着本质的区别。l现在的一般说法:嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行,而单片机系统不含操作系统,只在控制程序下运行。l低端嵌入式系统:单片机+印刷线路板高端嵌入式系统: SoC771.6 嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的局部,嵌入式处理器有多种功能。按照处理器功能分类,主要如下五种:通用型嵌入式微处理器简称:MPU微控制器MCU数字信号处理器DSP混合处理器和片上系统SOC嵌入式双核或者多核处理
35、器78通用型嵌入式微处理器通用型嵌入式微处理器l英文全称英文全称lGeneral Purpose Embedded Micro Processorl也称为嵌入式微处理单元也称为嵌入式微处理单元lEmbedded Micro Processor Unitl缩略语:缩略语:EMPU,或者,或者MPU79通用型嵌入式微处理器有两种类型通用型嵌入式微处理器有两种类型l一类是嵌入式系统中使用的通用处理器lx86处理器从80186、80386到Pentium M就是这一类处理器的典型代表。l另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器l属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-
36、400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。l使用通用型嵌入式微处理器时都要在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面采取各种措施。80微控制器微控制器l又称单片机又称单片机SCM,Single Chip Microcomputerl它将整个计算机系统集成到一块芯片中,体积减小,它将整个计算机系统集成到一块芯片中,体积减小,功耗和本钱下降,可靠性提高,速度更快,性能更好,功耗和本钱下降,可靠性提高,速度更快,性能更好,电磁辐射更少。它通常以某种微处理器内核为核心,电磁辐射更少。它通常以某种微处理器内核为核心,芯片内部集成芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、
37、定时、总线、总线逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能等各种必要功能部件和外设。有代表性的通用微控制器系列包括部件和外设。有代表性的通用微控制器系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。等。81数字信号处理器数字信号处理器l本教材中讨论的嵌入式DSP处理器简称为DSP处理器或者DSP是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。它是系统结构和指令集做了特殊设计的处理器,使其适合执行
38、DSP算法程序。嵌入式DSP处理器有两个开展来源,一是DSP处理器经过单片化、EMC电磁兼容改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器;二是在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器。lDSP处理器可分为两大类:定点DSP和浮点DSP。l嵌入式DSP处理器中比较有代表性的产品是德州仪器公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。 82片上系统片上系统l把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。l为了解决SoC设计中遇到的难题,设计方法必须进一步优化。因此,人们提出了基于FPGA的SoC设计方案可编程片上系统System On a
39、Programmable Chip,称为SOPC。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP 核知识产权核和可重构的嵌入式处理器软核的出现,作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点,具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。 83嵌入式双核处理器嵌入式双核处理器l双核Dual Core处理器就是基于单个半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处理器核心,即将两颗物理处理器核心整合入一个内核中通过协同运算来提升性能。其优势在于克服
40、了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。84嵌入式多核处理器嵌入式多核处理器l嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频处理。这些DSP处理器的主要结构是一个或多个的微控制器MCU核外加一个DSP核。l例如,美国AD公司生产的Blackfin系列产品是适用于多格式音频、视频、语音和图像处理的嵌入式DSP处理器系列。采用Blackfin芯片的最终产品可以是便携式媒体播放器(PMP)、VoIP通过IP传输话音 机、网络摄像机IP 以及移动电视设备等。85Blackfin系列多核处理器系列多核处理器lBlackfin系列中的ADSP-BF561处理器是一款双内核的具
41、有对称多处理SMP架构的DSP处理器,时钟频率为750MHz,它能够以两种工作方式执行。l以下图是第1种工作模式。在该模式下,可以让Core A运行操作系统、网络协议栈和控制任务,让Core B运行信号处理的RISC/DSP任务。86BF561处理器的第处理器的第1种工作模式种工作模式87BF561处理器的第处理器的第2种工作模式种工作模式881.7 嵌入式系统开展趋势嵌入式系统开展趋势196019701980199020002021年代11/100100每人使用计算机数量时代特点时代特点2021MFPCCE89如何描述当前的如何描述当前的IT时代?时代?l后PC时代?lPost PC era
42、l信息电器信息家电时代?lInformation Appliancel3C时代?lConsumer Electronics、Computer、Communicationl普适计算时代?lPervasive Computingl无所不在的计算时代?lUbiquitous Computing90后后PC时代时代IA时代时代l假设干年前未来学家的语言正在变成现实,现在已经进入了后PC时代 。l美国著名未来学家尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte) 1999年初来华访问时说过:l嵌入式智能工具将是继PC和Internet之后最伟大的创造。lMIT的David Clark于1999年首次提
43、出“后PC时代post-PC era的概念,他认为:l在后PC时代,具有联网功能的信息电器IA和手持设备handheld device将逐步取代PC。91计算机产品开展路线图计算机产品开展路线图l摩尔定律仍然适用大型机大型机: 60年代年代 小型机小型机: 70年代年代 PC: 80-90年代年代 后后PC: 2000年年VLSILSIMSISoC92嵌入式产品和台式计算机嵌入式产品和台式计算机处理器芯片使用量比较处理器芯片使用量比较93后后PCPC时代的新秀时代的新秀- -信息电器信息电器l信息电器 (Information Appliance,IA)l1998年HP公司的一名资深专家Don
44、 Norman给出了IA的定义:lAn appliance specializing in information : Knowledge, facts, graphics, images, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information amo
45、ng themselves.94后后PC时代时代当前业界特征当前业界特征l后PC时代特征表现在以下几个方面:l产品开展趋势l国民产值l研究和开发方向l社会物质和精神需要l人才需求95IT产业界涉及时代特点的假设干大事产业界涉及时代特点的假设干大事l近几年来大事记l2002年11月高性能嵌入式32位微处理器神威I号在上海复旦微电子公司研制成功,并一次流片成功。l2004年底联想公司收购IBM公司的PC事业部l2005年微软公司大力推广Windows CE操作系统l2007年MIPS公司宣布该公司不再研发桌面处理器l2007年苹果公司总裁乔布斯宣布苹果公司不再是计算机公司,它是一个消费电子公司l2
46、007年IT巨头公司Google宣布了 开发平台AndriodlMotorola公司因为业绩原因,进行了公司内部改组,并裁员几千人。96信息电器与嵌入式系统信息电器与嵌入式系统l信息电器的核心就是嵌入式系统l信息电器的本钱取决于嵌入式系统的本钱l信息电器使用性能取决于嵌入式系统的软件l信息电器的开展方向决定着嵌入式系统的开展方向l讨论题:哪些是信息电器?97普适计算根本特征普适计算根本特征l普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。它使计算机融入人的生活空间。l普适计算主要通过移动设备,如信息家电或各种嵌入式设备实现。l包括:如掌上电脑、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、
47、智能 、机顶盒、POS销售机、屏幕 除了普通话机的功能还可以浏览因特网等。l普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与Internet、Intranet及Extranet连接,使用户能够随时随地获取各种信息,并做出回应。98普适计算模式将对计算和信息的方普适计算模式将对计算和信息的方式带来一场变革。式带来一场变革。l普适计算形成一个“无时不在、无处不在而又不可见(Anytime, Anywhere, Invisible)的计算环境。在这样的环境中,计算不再局限于桌面,用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。 l普适计算可包括移动计算,但普适计算
48、不是移动计算,前者更强调环境驱动性。99无所不在计算无所不在计算l无所不在计算(ubiquitous computing)l强调人与计算环境的紧密联系,使计算机和网络更有效地融入人们的生活,让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷地获得网络计算提供的各种效劳。l无所不在计算研究的两个关键技术:l自然人机交互l网络计算100普适计算大事记普适计算大事记l1988年,Mark Weiser提出了普适计算的思想,并预测计算模式会开展为普适计算。l1990年代末,普适计算这一概念得到广泛关注,逐渐升温。 l1999年,IBM正式提出普适计算的概念。 l同年,召开第一届Ubicomp国际会议。 l2000
49、年,第一届Pervasive Computing国际会议。 l2002年,IEEE Pervasive Computing期刊创刊。101普适计算知识领域普适计算知识领域l包括以下计算机科学与技术知识领域l分布式计算l多媒体技术l移动计算l人工智能l人机交互l嵌入式系统嵌入式系统l信息融合l感知网络102普适计算的科研动向普适计算的科研动向l现在和未来的计算机科学技术研究热点l美国排名前10位的大学无一例外地投巨资设立了以“普及计算为主要方向的研究方案。主要有以下4个:l卡耐基梅隆大学的Aura方案l麻省理工大学的Qxygen方案l加州大学伯克利分校的Endeavour方案l华盛顿大学的Por
50、tolano方案103普适计算相关网站地址普适计算相关网站地址l :/l :/www-2.cs /aura/l :/104Carnegie Mellon UniversitysProject Aura1 lThe most precious resource in a computer system is no longer its processor, memory, disk or network. Rather, it is a resource not subject to Moores law: User Attention. Todays systems distract
51、 a user in many explicit and implicit ways, thereby reducing his effectiveness.lProject Aura will fundamentally rethink system design to address this problem. Auras goal is to provide each user with an invisible halo of computing and information services that persists regardless of location. 105Carn
52、egie Mellon UniversitysProject Aura2lMeeting this goal will require effort at every level: from the hardware and network layers, through the operating system and middleware, to the user interface and applications. lProject Aura will design, implement, deploy, and evaluate a large-scale system demons
53、trating the concept of a “personal information aura that spans wearable, handheld, desktop and infrastructure computers.106当前研究热点当前研究热点l硬件方面l国外的主流嵌入式微处理器进入中国lARM公司的ARM核大学方案lTI公司的DSP大学方案l积极地研发自主知识产权的嵌入式微处理器l龙芯l博芯107当前研究热点续当前研究热点续1l软件方面l嵌入式软件向平台化方向开展l中国厂商因应Linux转型l开展趋势l平台化l标准化lLinux势不可挡108 开发平台技术竞争剧烈开
54、发平台技术竞争剧烈l以 操作系统为例l2003年以前,三分天下lSymbian、Palm OS、Windows CEl现在,新三分天下lSymbian、Windows CE、Linuxl 开发平台lS60、S90、MOAP、UIQlAndroid、MOTOMAGXlJ2ME 、.NET、BREW109当前研究热点续当前研究热点续2l国外的主流嵌入式操作系统进入中国l科银京成公司研发出嵌入式软件开发平台道系统Delta Systeml中科院软件所研发出女娲Hopen嵌入式操作系统l无线多媒体技术l华东计算所研究与VxWorks兼容的嵌入式操作系统110嵌入式系统近期开展预测嵌入式系统近期开展预测l有以下开展趋势:l由32位处理器更广泛地得到普及l由单核向多核过渡l向网络化功能开展l更加友好的多媒体人机界面lMCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进l嵌入式操作系统呈多元化趋势l无线应用GPS、GPRS、3G、FRID将普及l平台技术更加成熟111 操作系统的趋势分析和预测操作系统的趋势分析和预测l四大主流 操作系统分割市场地局面将
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