嵌入式系统讲义1-01

1、2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室1主要内容1.1 引言1.2 嵌入式系统的定义1.3 嵌入式系统的体系结构1.4 嵌入式系统的特点1.5 嵌入式系统的发展历史及趋势1.6 嵌入式系统的应用2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室21.1 引言从幼苗茁壮成长到参天大树经过三十多年的发展，嵌入式系统从最开始的涓涓细流，发展壮大成了目前数量最多，使用范围最广的电子信息系统在人们的日常生活中，嵌入式设备几乎随处可见，已经成为生活的重要组成部分虽然数量众多，但却不为人所知嵌入式系统一般隐藏在产品中在使用过程中主要完成无形的信息处理，用户不容易感知到它的存在2022/8/16

2、国防科技大学计算机学院601室31.2 嵌入式系统的定义计算机分类从通用性角度来分类：通用计算机和嵌入式计算机通用计算机系统巨型机、大型机、小型机、微型机服务器、工作站、台式机、笔记本计算机嵌入式系统坦克、导弹、飞机、军舰、雷达DVD机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器手机、MP3播放器、数码相机、数码摄像机、机顶盒键盘、鼠标、闪存盘、CD-ROM、交换机、路由器2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室41.2 嵌入式系统的定义（续）嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统简而言之，是

3、含有处理器的专用软硬件系统具有自主的信息处理能力（信息装备）英国电机工程师协会的定义Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants（用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置）2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室51.2 嵌入式系统的定义（续）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系统，可分为系统级、模块级、芯片级系统级：各种类型的工控机以标准总线互联（背板结构）的工控机：CPCI、PCI-ISA、VME 、STD模块级：各种类型的

4、带CPU的模块嵌入式CPU模块：PC104模块、Biscuit板芯片级：各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核心的产品个性化设计2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室61.3 嵌入式系统的体系结构2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室71.3 嵌入式系统的体系结构（续）2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室81.3 嵌入式系统的体系结构（续）硬件层嵌入式处理器嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器SoC(System on Chip)FPGA、ASIC存储器系统ROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等中断控制器、DMAC、定时器/计数器

5、UART、USB控制器、LCD控制器其它I/O接口CAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES等等2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室91.3 嵌入式系统的体系结构（续）中间层（BSP）板级支持包（Board Support Package）系统软件与底层硬件隔离相关硬件的初始化数据的输入输出操作硬件设备的配置功能特点硬件相关性操作系统相关性2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室101.3 嵌入式系统的体系结构（续）操作系统层嵌入式操作系统（EOS）标准内核（API）封装资源时钟、定时器、中断、DMA、I/O简化软件设计、提高软件系统可靠性文件子系统图形子系统网络子系

6、统其它通用模块CAN、蓝牙、Zigbee、Modbus、LIN协议栈2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室111.3 嵌入式系统的体系结构（续）应用层与应用密切相关面向目标和用户完成特定的功能例如星载遥感图像处理系统星载合成孔径雷达机载相控阵雷达机载相控阵雷达2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室122022/8/16 国防科技大学计算机学院601室131.4 嵌入式系统的特点嵌入专用嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的系统中综合性强嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物是一个技术密集、资金

7、密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统设计高效可裁剪嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室141.4 嵌入式系统的特点（续）程序固化软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性需要独立的开发系统嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发生命周期长嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室151.5 嵌入式系统的发展历史及趋势20世

8、纪70年代单片机出现1975年TI推出了第一片4位单片机TMS-10001976年Intel：80488051（8位）20世纪90年代ARM（1991年，32位）ARM7系列、ARM9系列ARM10E系列、 ARM11系列SecurCore系列、Cortex系列Power PC、MIPS2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室161.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）20世纪80年代实时操作系统出现1981年，Ready System: VRTX32WindRiver: VxWorks实时性强、可靠性高20世纪90年代实时多任务操作系统WindRiver: VxWorksMicro

9、soft: WinCE友好的图形界面2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室171.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）市场巨大、发展迅速、前景广阔产品种类不断丰富，应用范围不断普及性能不断提高核心处理芯片位数更高多种媒体处理能力的汇聚功耗不断降低，体积不断缩小软件成为影响价格的主要因素硬件模块化、标准化软件越来越复杂Nvidia Ion平台（离子平台）Ion=ATOM+Geforce 9400M54GFLOPS、14W2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室181.5 嵌入式系统的发展历史及趋势（续）程序设计语言汇编语言C语言C+语言优秀的开发环境软件开发环境完善、友好的

10、工具链项目管理、编辑、编译、调试、下载硬件开发环境开发板、仿真器、万用电表、示波器、逻辑分析仪嵌入式系统设计工程硬件、软件、开发环境集成化、一体化网络化、图形化、多媒体化2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室19固件设计语言选用情况美国版EETimes子网站Embedded Systems Design十三年来针对嵌入式软件所应用之设计语言的调查统计表 2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室201.6 嵌入式系统的应用军事应用航空航天工业控制机器人仪器仪表办公设备家用电器消费电子机载合成孔径雷达2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室21坦克自行加榴炮步兵战车

11、2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室222022/8/16 国防科技大学计算机学院601室23战斗机防空导弹轰炸机2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室24神舟六号2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室25火星一无所有的荒漠 “索杰纳” 轮探测车“火星探路者”飞船2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室26工业控制2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室27机械脚示教2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室28合成孔径雷达实时成像多处理器波束成形XOUT = w *XIN目标检测XOUT = |XIN|c滤波XOUT = FI

12、R(XIN )映射2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室29小结目的与要求掌握嵌入式系统的定义、体系结构熟悉嵌入式系统的特点了解嵌入式系统的发展历史、应用、发展趋势和实现重点与难点嵌入式系统的定义、体系结构和特点阅读章节：第1.11.6节作业：补充作业2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室30补充作业1 什么是嵌入式系统？嵌入式系统主要的特点是什么？2 列举出一些你所知道的嵌入式系统，分析一下它们的特点。2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室31补充读物 工控机（IPC）工业控制计算机指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机

13、。符合一定的技术、尺寸规范，由专业厂家生产基于背板（底板，BackPlane）结构与商用及个人机比较工控机的特点是强大的过程输入输出能力，高可靠性与实时性类似之处：普通微处理器、Embedded Win2000/XP、Embedded Linux、普通硬盘2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室32PISA总线型背板结构PISA，包含PCI、ISA总线的半长卡特点可用于对空间要求极高的应用中（半长卡） 在PISA系统中可运行旧的ISA卡（升级 ）PCI总线导线的长度减少了一部分，减少了电磁容量发散/再发散的问题2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室33基于PISA总线无源

14、背板结构工控机 2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室34Compact PCI背板结构Compact PCI总线 PCI总线的电气规范 标准针孔连接器（IEC-1076-4-101）欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1） 特点使用工业标准、牢固的欧卡规格支持热插拔、热切换、多处理器能力 Compact PCI最多可支持八个板 PCI总线母板只能扩充到三个或四个板2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室35CPCI连接器以太网卡2022/8/16 国防科技大学计算机学院601室36基于Compact PCI总线的星载计算机Custom Commercial O

15、pencPCI ChassisFlight-like COTS DP nodesFlight-like Mass Memory ModuleBackplane Ethernet Extender CardsSystem Controller(flight RHSBC)NMP ST8DependableMultiprocessor (DM)嵌入式系统设计的主要步骤以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分

16、；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。 需求分析规格说明体系结构设计构件设计系统调试与集成需求分析与规格说明在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段，我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实际的期望，表达要

17、求时使用自己的话而不是专业术语。因而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户的需求中整理形成正式的规格说明。 用户需求的格式用户需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要指：性能、价格、尺寸和重量、功耗等。右边表是一个在系统设计的初始阶段使用的需求说明表格样本，该表格用简练、清晰的语句描述系统的基本需求。 项目说明名称目的输入输出功能性能生产成本功耗尺寸和重量GPS移动地图系统:示例项目说明名称GPS移动地图目的为司机等用户提供图形状的移动地图输入一个电源开关、两个操作按钮、GPS信号输入输出LCD显示器，分辨率为400600功能可接5种GPS接收器；三种用户可选的地图比例；

18、总是显示当前经纬度性能0.25秒内即可更新一次屏幕，常温下工作生产成本1500元（人民币）功耗四节电池供电应连续工作8小时，功耗约100mW尺寸和重量尺寸不大于20cm30cm，重量不大于0.25公斤GPS移动地图是一种手持设备，该设备为用户（如汽车驾驶员）显示他当前所处位置周围的地图；显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的改变而改变。该设备从GPS上得到其位置信息，移动地图的显示看起来应类似纸张上的地图。针对用户的初步要求，我们编写出如右表所示的系统需求表。描述规格说明的工具规格说明应更精确地反映用户的需求，它是设计者在设计时必须明确遵循的要求。规格说明应小心编写，描述应足够清晰，不能有

19、歧义，以便别人可以通过它来验证设计是否达到要求。规格说明中通常只描述系统应做什么，而不描述系统该怎么做。描述规格说明的工具可采用统一建模语言（UML）。UML语言是一种面向对象的建模语言，它是软件工程课程中详细讲解的内容。体系结构设计 系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的一个计划。右图以框图的形式描述了GPS移动地图的体系结构，图中展示了移动地图的主要操作和其间的数据流。框图仍很抽象，还没有规定软件完成什么，专用硬件完成什么，等等。但该图还是清楚地描述了许多功能，如需搜索地形图数据库、需显示地图、需接收GPS信号等。 GPS接收器信号搜索引擎显示控制显示器数据库用户接口系统硬件体系结构 显示器显示控制器(含显缓)存储器GPS信号接收