现代嵌入式系统设计新发展ppt课件

1、现代嵌入式系统设计的新开展Howard Dr.Wu2021-10-18嵌入式系统概述嵌入式系统的历史与概念无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的根本组成与设计嵌入式热点领域什么是嵌入式系统Embedded system个人电脑嵌入式系统嵌入式简单定义嵌入式系统是指为某种特殊义务将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。可以以为凡是带有微处置器的公用软硬件系统都可以称为嵌入式系统嵌入式系统定义IEEE: “Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants.嵌入式系统是以运用

2、为中心、以计算机技术为根底、软件硬件可裁剪、顺应运用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗严厉要求的公用计算机系统。计算机工业的分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、任务站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的方式隐藏在各种安装、产品和系统中历史电脑用于控制设备或嵌入系统的历史几乎与电脑本身的历史一样长MCU在计算机控制系统的运用功能单片机掀起电子化浪潮微处置器高速开展推进了嵌入式系统嵌入式系统的演化8031/8051单片机系统，自行编写程序；68360/386EX控制系统，本人编写简单的操作系统；32位嵌入式

3、处置器pSoS嵌入式操作系统TCP/IP协议栈；各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 设备server以及各种复杂网络协议栈GUI图形界面无线模块现代可挪动的网络智能设备嵌入式系统的开展趋势(1)嵌入式运用软件的开发需求强大的开发工具和操作系统的支持采用实时多义务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化运用程序设计、保证软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的根底上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向:可顺应不同的嵌入式硬件平台具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向开展 嵌入式系统开发工具嵌入式开发工具支持

4、多种硬件平台覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段高效高度集成的工具集方向开展Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestRelease嵌入式软件开发根本过程嵌入式系统的开展趋势(2)嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的运用针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通讯接口，需求TCP/IP协议簇软件支持。针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE4、USB、CAN、Bluetooth或IrDA/2G/3G通讯接口，同时也需求提供相应的通讯组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的运用，还需内置XML阅读器和Web Server。嵌入式系统的开

5、展趋势(3)嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向开展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机支配高度自动化的汽车主要还是经过习惯的方向盘、脚踏板和支配杆。 可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载和晋级软件，加强嵌入式系统功能。 支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。 无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的运用远远超越了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处置器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字

6、相机、USB集线器等均是由嵌入式处置器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事配备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的运用领域。 经典运用CISCO的路由器华为、中兴的以太网交换机高可靠以及可配置的网管型工业交换机恒基伟业的商务通PDA；现代高档3G手机美国宇航局的火星探测器Sony的机器狗AIBO嵌入式系统的运用领域一 家用市场 机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等通讯市场 交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统L3D，数据交换设备，挪动等工业市场 制造工厂，污水处置

7、系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统开发，维护和测试的工具，石油提炼和相关的贮运设备，建筑设备，计算机辅助制造系统，能源控制系统，核电站，机器人系统等商业和金融市场 自动柜员机，信誉卡系统，售货端系统，平安系统等嵌入式系统的运用领域二办公市场 系统，系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料效力，航空管理，信令系统，雷达系统，交通指挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处置系统，应急设备等建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系

8、统，电子保险柜，警铃等医疗市场 心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统，电磁成像系统等军事 武器控制嵌入式系统热点运用信息家电车载系统军事工业医疗器械信息家电运用特点市场宏大低本钱要求利润空间小竞争猛烈人机界面友好网络化车载系统运用特点与汽车工业相配套利润空间较大可靠性要求较高无线通讯要求军事与航天工业运用特点市场垄断性强高利润可靠性要求高平安性要求高本钱要求布不高勇气号军事航天工业产品数字化单兵信息配备夜视扫描、全球定位、指挥通讯医疗行业运用特点可关注市场宽广，进入门槛较高利润极高 未来三年，中国便携医疗电子市场年复合增长率将超越30%，其市场规模从2006年的

9、80亿元迅速扩展到2021的380亿元。 便携医疗电子产品是切入点便携医疗产品和医疗信息化配套产品是目前国内嵌入式系统厂家切入医疗电子市场的亮点。国内外乡的医疗器械消费厂家还很少，国外厂家还远远没有占领市场的多数份额，48%的市场还待开辟，国内医疗电子消费企业的时机很多嵌入式医疗设备网络应对医疗电子产品设计特殊性要求 普通来讲，医疗设备由下面几个部分组成：电子控制部分、显示和操作台、给养供应和数据采集、以及其他设备接口(包括IT等)，每个部分都能够有独立的MCU 或者ASIC/FPGA，甚至是高性能的嵌入式计算机组成的多处置器系统。软件研发的费用在现代医疗设备研发费用中所占的比重曾经超越50%

10、，未来还会添加。医疗设备的特殊性表达在下面几个方面：第一， 平安性。在医疗设备设计中平安性具有特别重要的位置和级别，数据平安也是平安性的另一个方面，断电后的数据维护、数据长期运用的维护和保管对于医疗诊断有着重要的意义，国际上一些著名的嵌入式操作系统如VxWorks OS Cert(认证符合IEC61508规范)，BSP Cert(经过绑带某个CPU的认证)和平安测试认证效力可以为医疗设备的软件中心提高平安保证。第二， 实时性。医疗设备是个实时系统，在复杂的医疗设备中应该采用实时多义务操作系统，比如VxWorks、实时Linux、uC/OS-II是必要的，在IT接口的设备上可以采用通用的操作系统

11、，如 Windows和Linux，在设备的部件之间应该采器具有实时和容错才干的CAN总线技术。第三， 可诊断性。医疗设备的可用性要求很高的，不延续的任务要求(医疗设备普通要求是365天和24小时待命)，使得设备应该有一个方便和一致性好的诊断软件(方式)，完成定期检测和随机的诊断，方便的诊断接口，易识别的缺点报告等。第四， 符合人体和医学习惯。医疗设备的诊断对象是病人，运用者是医生，设计医疗设备应该充分思索到误操作能够给病患带来的后果和苦楚，因此在工程开发的初期应该和临床人员协作对操作过程进展评价和测试。嵌入式系统的根本组成与设计 嵌入式系统主要由嵌入式处置器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及运用

12、软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立任务的“器件交叉学科先进的计算机技术半导体技术电子技术各个行业面向详细运用嵌入式系统的产品特征 硬件：嵌入式处置器的功耗、体积、本钱、可靠性、速度、处置才干、电磁兼容性等方面嵌入式软件生命周期嵌入式产品软件以只读存储器为载体不可以随意改换嵌入式处置器 嵌入式系统的中心部件 种类总量曾经超越1000多种，流行体系构造有30几个系列，其中8051体系的占有多半嵌入式计算机内核分类 嵌入式微处置器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式DSP处置器(

13、Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式片上系统(System On Chip, SOC) 嵌入式系统硬件主流32,64位微处置器是目前嵌入式系统的中心主要硬件厂商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每个月都有新产品出现嵌入式微处置器(EMPU) 通用计算机中的CPU专门设计的电路板 只保管和嵌入式运用有关的母板功能 加强任务温度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能和工业控制计算机类似嵌入式处置器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又称单片

14、机 以某一种微处置器内核为中心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和本钱下降、可靠性提高。 嵌入式微控制器(MCU)代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LC

15、D及众多公用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。 嵌入式DSP处置器(EDSP) DSP处置器对系统构造和指令进展了特殊设计，使其适宜于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP运用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处置器。嵌入式DSP处置器(EDSP)有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处置器包括用于控制的C2000系列，挪动通讯的C5000系列，以及性能更高的C600

16、0和C8000系列。DSP56000目前曾经开展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处置器。嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去运用系统电路板将变得很简约 SOC可以分为通用和公用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola结合研制的Neuron芯片等。公用SOC普通公用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的Smart XA嵌入式系统软件的特征 (1)

17、 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 系统软件(OS)的高实时性是根本要求 (4) 多义务操作系统是知识集成的平台和走向工业规范化道路的根底 嵌入式软件主流VxWorks 是目前嵌入式系统领域中运用最广泛、市场占有率最高的系统。Os-9是主要为高科技产品设计的，提高了很好的平安和容错性，并且有很好的晋级才干和灵敏性。Palm Os，是Palm公司的操作系统，和微软的Windows CE是PDA操作系统的两大巨头。LinuxWinCEXP EmbeddedQNX嵌入式系统软件 1、嵌入式系统设计言语 2、嵌入式操作系统 3、嵌入式系统开发环境实时在线仿真系统ICE高级言

18、语编译器源程序模拟器 嵌入式热点领域日益增长的功能密度更高的可靠性保证灵敏的网络衔接分布式运用和挪动运用多媒体信息处置更便利的信息共享顺应更加猛烈的市场竞争 系统设计方法实例 从整体来看，嵌入式系统分为两个部分； 1与运用相关的硬件平台，它担任和外部环境进展交互； 2在这个硬件平台上运转的功能软件。 在过去的几年里，微电子技术的迅速开展使得硬件部件的破费降低了很多，软件和硬件的区分也逐渐变得模糊。然而，嵌入式系统的开发的原那么是在最短的时限内和最低的破费设计出高性能的系统。最重要的步骤是根据详细需求将整个系统分为硬件部分和软件部分。 在通用PC平台上作开发，这种软硬件的划分是很轻松的；但是，基

19、于嵌入式平台，需求思索很多的要素。例如：为了提高运转速度和减少义务切换的破费，必需将某些功能用硬件来实现。本文重点引见了两种嵌入式系统设计模型，以及对这两种嵌入式系统设计模型进展了分析比较。硬件优先设计方法 首先是对整个系统的需求分析，由于嵌入式系统的特殊性，需求仔细思索功能性、能耗、本钱破费等各个方面。在完成了需求分析以后，下一步要进展的就是软硬件部分的划分，这一步非常重要，系统将要被分为软件和硬件两个部分： (1) 硬件部分包括系统的硬件平台以及某些用公用硬件(例如:ASIC和Ip-cores)实现的功能模块；(2) 软件部分是指经过特殊处置过的操作系统和建立在操作系统之上的一些功能模块

20、虽然硬件优先的设计模型存在有一些问题，但它依然是一种很流行的方案。在一些小型和中型复杂度的系统中，由于硬件的复杂度不高，而且技术也比较成熟，通常都会选择这种方法；但是在一些大型的系统中，这种方法就不是很适宜了，需求更先进的设计模型。硬件优先设计方法的模型分析 利用硬件优先这种方法设计的嵌入式系统不断到最后一步才干验证系统设计的正确性。因此，在系统开发过程中经过反复修正、反复实验的方法使产品到达设计要求，这在很大程度上依赖于设计者的阅历；而且设计周期长、费用开支大，产质量量难以保证；这是由于在反复修正正程中，常会在某些方面背叛原始设计的要求。因此，为了降低设计的风险，设计人员会选择采用己经成熟的

21、模块，而不是本人重新设计；与此同时，这种设计方法还有一个很大的缺陷：在硬件部分可用之前是不能实施软件模块。由于以上问题，硬件优先设计方法适用于在一些小型和中型复杂度的系统中；在这些系统中，硬件的复杂度不高，而且技术也相对比较成熟；因此通常都会选择这种方法。 软硬件协同设计方法 软硬件协同设计是在系统目的要求的指点下，经过综合分析系统软硬件功能及现有资源，最大限制地发掘系统软硬件之间的并发性，协同设计软硬件体系构造，以使系统可以任务在最正确任务形状。它的本质就是让软件和硬件体系作为一个整体并行设计、找到软硬件的最正确结合点，使它们可以以最有效的方式相互作用，相互结合，从而使系统任务在最正确形状。

22、 在这个过程中，将一切的模块组合到一同，然后验证这些模块的组合能否符合系统的方式化阐明；假设不符合，就要重新进展软硬件的划分。当前的研讨热点之一是对验证算法的实际研讨，利用这些实际算法，完全可以将软硬件的划分和模块的验证开展为自动化的过程。由于软硬件的划分是基于实际算法的，这在设计中可以尽早的暴露问题，以减少损失。但是这种设计模型也有其局限性软硬件协同设计模型分析 在软硬件协同设计模型中，由于软硬件的划分是基于实际算法的，这在设计中可以尽早的暴露问题，以减少损失；但是，这种设计模型也有其局限性，详细表如今： (1)可有的信息能否足够。假设要采用方式化的方法描画整个系统，并且正确的将系统分解为多

23、个功能模块的组合体；设计者需求知道整个系统中的功能描画；但是，有些第三方开发的模块，设计者是无法知道其内部功能实现的；这种情况能够会导致系统划分过程的不准确。 (2)软硬件模块相互交换的自在度。在这种设计模型中，将系统分为软硬件模块后，可以为各个模块都是可以相互转换的：即原先被划分为用硬件实现的模块也可以用软件来实现，反之亦然。从实际上来看这是没有问题的，但在实践的运用中是不能到达这么灵敏的实际高度的。 两种方法的比较-系统描画阶段 嵌入式系统设计可以分为系统描画、系统设计、系统评价与综合实现四个阶段。上述的两种设计模型在这四个阶段中各有异同： 虽然两种设计方法都是将系统功能全面表述出来，但软

24、硬件协同设计的方法除了全面描画系统功能外、还深化发掘软硬件之间的协同性，从而使系统可以稳定、高效地任务。 两种方法的比较-系统设计阶段 两种设计方法都将完成软硬件功能的分配，即确定哪些功能由硬件模块来实现，哪些系统功能由软件模块来实现，以及系统映射，即根据系统描画和功能分配选择确定系统的体系构造。在软硬件功能分配阶段，由于硬件模块的可编程性和嵌入式系统的变异性，软硬件的界限曾经不非常清楚；因此，软硬件的功能划分是一个复杂而艰苦的过程；这一方面是由于软硬件划分的研讨任务还处在初级阶段；另一方面那么是由于这一问题内在的复杂性。在进展软硬件功能分配时，既要思索市场可以提供的资源情况，又要思索系统造价

25、、开发周期等要素。 其中：硬件优先的设计方法普通根据设计者的阅历来确定软硬件的划分，而软硬件协同的设计方法那么利用方式化的方法，经过各方面的评价，例如：时间复杂度、破费估计等得到一组最正确的选择。在系统映射阶段，就是要确定系统将采用哪些硬件模块如微处置器、微控制器、存储器、FPGA、DSP等部件、软件模块操作系统、驱动程序等以及软硬件模块之间的联络媒体如共享存储器、总线等，在这一阶段：采用硬件优先设计方法的设计者为了降低设计的风险，通常会选择采用己经成熟的硬件模块，而不是本人重新设计；而采用软硬件协同设计方法的设计者那么需求将软件和硬件体系作为一个整体并行设计、找到软硬件的最正确结合点；这一过

26、程显然是一个复杂而艰苦的过程，但用这种方法可以使软硬件可以以最有效的方式相互作用，相互结合，从而使系统任务在最正确形状。 两种方法的比较-系统评价阶段 检查确认系统设计的正确性的过程。采用硬件优先方法的设计者在系统开发过程中经过反复修正、反复实验的方法来对设计结果进展验证评价，这在很大程度上依赖于设计者的阅历；而采用软硬件协同的设计者那么经过方式化评价技术，经过建立准确的数学模型、利用数学手段检测系统的正确性。因此，对系统中的不确定要素及隐性目的的检查有特殊效果。 两种方法的比较-系统综合实现阶段 软件系统、硬件系统的详细制造的过程。硬件优先的设计方法是先进展硬件部分的实现，在硬件部分完成后再

27、进展软件部分的实现；而软硬件协同的设计方法那么是将软件和硬件体系作为一个整体并行设计、经过协同设计，深化发掘软硬件之间的协同性，从而使设计出来的系统可以稳定、高效地任务。 两种方法的比较-总结 硬件优先的设计方法适用于一些小型和中型复杂度的系统中，在这些系统中由于硬件的复杂度不高，而且技术也比较成熟，选择这种方法比较简单易行；但是在一些大型的系统中，这种方法就不是很适宜了，需求更先进的设计模型。 软硬件协同的设计模型比较适宜在一些大型的系统中运用，在一些大型的系统设计中，设计者的主要义务就是要在系统描画的根底上确定功能模块、分配系统功能、建立模块间的联络、规定模块之间的作用方式。软硬件协同设计

28、模型与硬件优先设计模型相比，更能有效地处理好这些问题。Which RISC Chip to be selectedIndustry Market ShareAtmel-AT91SAM(ARM9)NXP-LPC3000(ARM9)Cirrus- EP9315Freescale-MPC8313(PowerPC)CAVIUM MIPS R64MIPS-MIPS32M4KARM处置器的分类构造体系版本ArchitectureARM v4TARM v5TE ARM v6ARM Cortex (v7)Processor FamilyARM7 ARM9ARM10ARM11ARM Cortex按运用特征分类运用途置器 Application Processor实时控制处置器 Real-time Controller微控制器 Micro-controller特征：MMU, Cache 最快频率、最高性能、合理功耗 特征：MPU, Cache 实时呼应、合理性能、较低功耗 特征：no sub-memory system 普通性能、最低本钱、极低功耗 Embedded MPU Roadmap Intelligent User Int