嵌入式计算系统课件：嵌入式计算系统概论

1、嵌入式计算系统，lecture1-11嵌入式计算系统概论本节提纲嵌入式计算系统，lecture1-121 嵌入式计算系统的概念2 嵌入式计算系统的应用3 嵌入式计算系统特征4 嵌入式计算系统的分类5 嵌入式计算系统的设计挑战嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-13嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-14做什么？ 控制、监视或者辅助操作对谁做？ 设备、机器或者装置是什么？ 器件（Device）装置维基百科嵌入式计算系统，lecture1-15是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专属功能的计算机系统，通常要求实时计算性能。嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lec

2、ture1-16系统来源 应用系统主要技术 计算机技术系统构建理念 裁剪：有用的带上，无用的坚决去掉系统实现方法 不仅要实现功能，而且还要满足特定性能嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-17嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-18嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-19本节提纲嵌入式计算系统，lecture1-1101 嵌入式计算系统的概念2 嵌入式计算系统的应用3 嵌入式计算系统特征4 嵌入式计算系统的分类5 嵌入式计算系统的设计挑战嵌入式系统应用示例机器人/智能车嵌入式计算系统，lecture1-111嵌入式系统应用示例无人机大疆无人机

3、公司估值高达100亿美元嵌入式计算系统，lecture1-112视频：TED - 红遍全球的的炫酷飞行器嵌入式系统应用示例汽车控制系统嵌入式计算系统，lecture1-113嵌入式系统应用示例汽车控制系统嵌入式计算系统，lecture1-114电动汽车与无人驾驶嵌入式计算系统，lecture1-115嵌入式系统应用示例家电嵌入式计算系统，lecture1-116嵌入式系统应用示例智能硬件嵌入式计算系统，lecture1-117嵌入式系统应用示例智能家居嵌入式计算系统，lecture1-118视频：Nest恒温器视频：Broadlink智能插座智能硬件领域1、谷歌32亿美金收购智能家居公司Nes

4、t2、谷歌5.5亿美元收购云摄像头公司DropCamp3、苹果智能手表上市，占可穿戴市场70%4、Fitbit 在纽交所上市5、小米手环销量超过1000万，投资多家智能硬件公司嵌入式系统应用示例医疗设备嵌入式系统应用示例工业设备状态监测嵌入式计算系统，lecture1-121*21嵌入式系统应用示例工业设备状态监测*22嵌入式系统应用示例工业设备状态监测*23嵌入式系统应用示例消防员搜救嵌入式计算系统，lecture1-1249个小时1个月消防员搜救的需求分析火场内消防员需求主动报警/遇险报警救援人到达被救人的路径导航火场外指挥人员需求可视化指挥2022/7/1425嵌入式系统应用示例消防员搜

5、救传统装备消防方位灯呼救器通信型呼救器2022/7/1426嵌入式系统应用示例消防员搜救传统室内三维定位技术的缺陷惯性导航轨迹推算异常姿态导致跟踪丢失累积误差成本高（610万/单兵）救援人员无法可视化无线室内定位基站覆盖救援人员无法可视化2022/7/1427嵌入式系统应用示例消防员搜救相对定位搜救器的原理2022/7/1428嵌入式系统应用示例消防员搜救相对定位搜救器的原理2022/7/1429嵌入式系统应用示例消防员搜救消防员相对定位搜救器2022/7/1430嵌入式系统应用示例消防员搜救嵌入式系统应用：无处不在嵌入式计算系统，lecture1-131打印机、路由器汽车：发动机、刹车等.飞

6、机：发动机、飞行控制、导航、通信.数字电视.家用电气.手环、手表、插座、窗帘智能车、机器人、物联网设备智能手机、平板（趋向于通用平台）有多少种应用就有多少种嵌入式系统！嵌入式系统的应用领域嵌入式计算系统，lecture1-132嵌入式计算系统应用数量嵌入式计算系统，lecture1-133通用CPU与嵌入式CPU的应用量比较嵌入式计算是更全面智能化基础技术嵌入式计算系统，lecture1-134 ENIAC1953 大型机1980 PC1995 Internet2007 Mobile Internet2010+ IOT/互联网+/工业4.0IEEE：2025 年物联网时代生活指南某S解说戏说电

7、脑发展史嵌入式计算系统，lecture1-135嵌入式计算是更全面智能化基础技术本节提纲嵌入式计算系统，lecture1-1361 嵌入式计算系统的概念2 嵌入式计算系统的应用3 嵌入式计算系统特征4 嵌入式计算系统的分类5 嵌入式计算系统的设计挑战汽车电子高端汽车有100个以上的嵌入式系统，实现功能包括:检查安全带运行表盘控制发动机等等嵌入式计算系统，lecture1-137嵌入式系统的硬件嵌入式计算系统，lecture1-138CPU存储器输入接口输出接口外设嵌入式计算机（微处理器、单片机）嵌入式计算系统特性功能多样性实时性低制造成本低功耗设计周期紧嵌入式计算系统，lecture1-139

8、功能复杂性经常需要运行复杂算法或并发算法. 例如：汽车发动机控制激光打印机通常需要提供复杂的用户界面手机导航仪嵌入式计算系统，lecture1-140实时性操作要求必须在时限之前完成操作.硬实时性（Hard real time）: 错过时限意味着失败.软实时性 （Soft real time）: 错过时限意味着性能降低.许多系统包含多速率（ multi-rate）操作: 要求以不同的速率完成相应操作.无人机智能车嵌入式计算系统，lecture1-141非功能（Non-functional）要求制造成本。很多嵌入式系统面向大批量产品市场，因此要求低制造成本，例如：在存贮器方面、微处理器能力等方面

9、的约束。低功耗。功耗对于电池供电的嵌入式系统至关重要，即使对有线供电的嵌入式系统而言，过大的功耗也会增加系统成本和运行成本。嵌入式计算系统，lecture1-142根据应用，软硬件定制！无法形成统一的通用平台！嵌入式计算系统，lecture1-143为什么选择嵌入式计算系统？通用计算系统（通用处理器）嵌入式计算系统（微处理器）专用集成电路（ASIC）嵌入式计算系统，lecture1-144通用计算VS. 嵌入式计算 嵌入式计算系统，lecture1-145通用计算机系统：快速计算海量高速存储低功耗体积小嵌入式计算机系统：满足应用要求的实时性可靠性功耗成本体积微处理器的多样性微控制器（Micro

10、controller）数字信号处理器（Digital signal processor (DSP)）典型嵌入式处理器字长: 8-bit, 16-bit, 32-bit.嵌入式计算系统，lecture1-146嵌入式系统VS ASICASICApplication Specific Integrated Circuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。选择微处理器的优势：可编程能力：可以实现多种功能，简化产品设计和调试软件开发比逻辑电路开发简单软件可升级通常情况下成本更低性能、功耗、体积？嵌入式计算系统，lecture1-147性能微处理器通常比专用集成电路使用更多

11、的逻辑来实现同一个功能.但微处理器由于其他一些途径提高性能:深度流水线;更大更强的设计队伍的独立；更好地将VLSI工艺发挥到极致嵌入式计算系统，lecture1-148功耗ASIC使用较少的功耗，但微处理器具有以下有点:现代微处理器提供帮助控制功耗的机制.软件设计技术可以帮助降低功耗.可以采用异构系统：对于很好定义的功能采用ASIC，其他部分采用CPUs+software.嵌入式计算系统，lecture1-149体积工艺提升减小微处理器体积CPU+software 可以实现多种功能，减少专用电路使用，实际系统的体积体积可能比专业电路更小嵌入式计算系统，lecture1-150本节提纲嵌入式计算

12、系统，lecture1-1511 嵌入式计算系统的概念2 嵌入式计算系统的应用3 嵌入式计算系统特征4 嵌入式计算系统的分类5 嵌入式计算系统的设计挑战嵌入式系统的分类嵌入式计算系统，lecture1-152嵌入式系统的分类嵌入式计算系统，lecture1-153本节提纲嵌入式计算系统，lecture1-1541 嵌入式计算系统的概念2 嵌入式计算系统的应用3 嵌入式计算系统特征4 嵌入式计算系统的分类5 嵌入式计算系统的设计挑战嵌入式系统设计面临的挑战需要多少硬件？多快的微处理器？什么样的内存？如何能够满足时限要求？用更快的硬件还是更优的算法?如何能够最小化功耗？关闭不必要的逻辑还是减少存贮

13、器读写？如何确保系统工作？需求说明是否正确？实现与需求说明是否一致？如何测试实时特性？如何用实际数据测试？如何开发该系统？开发平台是什么？可观测性与可控性如何？嵌入式计算系统，lecture1-155设计方法学设计方法学是设计一个系统的过程.设计方法学帮助你不会漏掉什么.编译器、软件工程工具、CAD等能够用于帮助自动实施设计方法学中的步骤，或确保按照设计方法学进行设计。嵌入式计算系统，lecture1-156设计目标性能：整体速度，实时性功能和用户界面.制造成本.功耗.其他要求 (如：物理尺寸.)嵌入式计算系统，lecture1-157设计流程嵌入式计算系统，lecture1-158需求分析规

14、格说明系统结构设计模块设计系统集成Top-down vs. Bottom-upTop-down设计: 从最抽象的层次开始设计，直到最细节的层次Bottom-up设计: 从最小的成分开始设计，直到最大的系统。实际设计往往是两个设计路径的结合.嵌入式计算系统，lecture1-159逐步求精在每个抽象层次完成：分析设计以确定当前设计状态的特性;在当前设计中适当地增加细节.嵌入式计算系统，lecture1-160需求用自然语言表达的用户想做的事情.可以通过几种途径获得需求:直接与用户交谈;直接与市场人员交谈;通过给用户提供原型系统获得用户需求.嵌入式计算系统，lecture1-161功能需求 vs.

15、 非功能需求功能需求：输入处理输出.非功能需求：计算出输出的时间;尺寸、重量;功耗/能耗;可靠性;etc.嵌入式计算系统，lecture1-162需求表格嵌入式计算系统，lecture1-163Example: GPS moving map requirements嵌入式计算系统，lecture1-164获取GPS数据进行定位，显示所在位置地图lat: 40 13 lon: 32 19I-78Scotch RoadGPS moving map needs功能性: 本系统针对高速公路开车的用户或者类似用户，系统需要展示标准地图数据.用户界面：至少400 x 600 像素. 不多于三个按钮.性能:

16、 加电后1秒内出现显示界面，15秒内显示地图.成本: $120 零售价. $30 成本.物理尺寸和重量: 放手里很舒适.功耗: 8 小时，4AA 电池.嵌入式计算系统，lecture1-165GPS moving map requirements form嵌入式计算系统，lecture1-166规格（Specification）说明系统的更精确描述:不应当限定于特定的体系结构;作为体系结构设计的输入.可以包含功能和非功能描述.可以是可执行的，也可以是数学公式等.嵌入式计算系统，lecture1-167GPS moving map规格说明应当包括:从GPS接收的内容;地图数据;用户接口;为满足用

17、户需求需要提供的操作;为保证系统运行需要提供的后台操作.嵌入式计算系统，lecture1-168体系结构设计满足规格说明所需的主要元件?硬件元件:CPUs, 外设, etc.软件元件:主要程序及其操作描述.必须同时考虑功能方面和非功能方面的规格说明.嵌入式计算系统，lecture1-169GPS moving map block diagram嵌入式计算系统，lecture1-170GPSreceiversearchenginerenderuserinterfacedatabasedisplayGPS moving map hardware architecture嵌入式计算系统，lecture1-171GPSreceiverCPUpanel I/OdisplayframebuffermemoryGPS moving map software architecture嵌入式计算系统，lecture1-172positiondatabasesearchrendertimeruserinterfacepixels设计