南方医科大学嵌入式系统第讲

02二月2023生物医学工程学院电子技术系1嵌入式系统设计原理主讲：林霖单位：生物医学工程学院电子技术系：62789308邮址：南方医科大学第一页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系2第一讲第1章嵌入式系统概述第二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系3第一章嵌入式系统概述本讲主要内容:嵌入式系统的定义嵌入式系统的根本组成嵌入式系统的特点嵌入式系统的主要应用领域嵌入式系统的开展趋势课程的学习方法第三页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系4第1节嵌入式系统的定义第四页，共64页。计算机开展史1947年，晶体管诞生1957年，集成电路的概念被提出1958年，TI制作出第一片集成了电阻电容等分立元件的半导体1959年，FairChild使用平面工艺制作出第一片集成电路新技术的出现导致了新冒险家的诞生，Intel等公司在这种背景下开场出现02二月2023生物医学工程学院电子技术系5第五页，共64页。第一颗微处理器的诞生1971年，IntelTedHoff，400402二月2023生物医学工程学院电子技术系6第六页，共64页。个人PC的诞生处理器的开展从4004，到4040,8008,80801974年，在8080的根底上，出现了为人们熟悉的PC机02二月2023生物医学工程学院电子技术系7第七页，共64页。嵌入式系统的起源微机时代的到来——70年代微处理器的出现4004嵌入式系统的出现——70年代微机在控制方面的应用外形上，失去了原有的微机系统外观特征用处上，失去了原有的微机系统的通用性特征构造上，附加了很多外设接口电路02二月2023生物医学工程学院电子技术系8第八页，共64页。计算机系统的两个开展分支通用计算机系统开展分支目的：高速海量的数字处理才能道路：总线速度的无限提升；存储量的无限扩大其他：功耗增加，体积增大嵌入式系统开展分支目的：与对象系统亲密相关的嵌入式性能，控制才能和控制的可靠性道路：单芯片实现，多样化其他：低功耗，小体积，接口丰富02二月2023生物医学工程学院电子技术系9第九页，共64页。通用微处理器的开展道路从1978年8086的诞生开场飞速开展，经历80186,286,386,486，奔腾I，奔腾II，奔腾III，奔腾IV……02二月2023生物医学工程学院电子技术系10第十页，共64页。嵌入式处理器开展道路嵌入式处理器的独立开展的标志为IntelMCS51处理器的诞生。在此之后，Intel逐渐退出嵌入式处理器市场，开场百家争鸣02二月2023生物医学工程学院电子技术系11第十一页，共64页。嵌入式处理器的开展道路单片机标志嵌入式系统开场独立开展嵌入式处理器的开展阶段SCM(SingleChipMicrocomputer)MCU/MPU(MicroController/ProcessorUnit)Soc(SystemonChip)不同字长的嵌入式微处理器8位机 MCS-51，M68HC0816位机 M68HC1632位机 ARM系列02二月2023生物医学工程学院电子技术系12第十二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系13第1章嵌入式系统概述嵌入式系统的定义嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为根底，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。计算机的扩展定义：把基于处理器〔通用处理器和嵌入式处理器〕的设备称为计算机，把计算机分成两大部分，即通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统----嵌入式计算机，即非通用计算机系统。第十三页，共64页。第1章嵌入式系统概述英国电机工程师协会的定义： 嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂运作的装置。它具备了以下特性：通常执行特定功能；以微电脑与周边构成核心；严格的时序与稳定度要求；全自动操作循环。02二月2023生物医学工程学院电子技术系14第十四页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系15嵌入式系统的定义嵌入式系统可应用于所有电子产品：个人数字助理〔PDA〕手机机顶盒汽车控制系统微波炉控制器电梯控制器平安系统自动售货机控制器医疗仪器立体音响自动取款机……第十五页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系16第2节嵌入式系统的根本组成第十六页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系17嵌入式系统的根本组成嵌入式系统由硬件、软件和开发系统组成硬件构造图电源晶振电路复位电路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232NetLCDKeyboardCPU和外围电路外部电路第十七页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系18嵌入式系统的根本组成第十八页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系19嵌入式系统的根本组成1.嵌入式系统的硬件嵌入式核心芯片：EMPU-----嵌入式微处理器EMCU-----嵌入式微控制器EDSP-----嵌入式数字信号处理器ESoC-----嵌入式片上系统EPSoC----嵌入式可编程片上系统存储器系统程序存储器〔ROM,EPROM,Flash〕数据存储器〔随机存储器〕参数存储器〔EEPROM〕NVRAM外部接口一般嵌入式处理器上已集成了接口，但是外设需要外接。例如大多数的嵌入式通信控制器集成了以太网接口，但是收发器需要外部电路。第十九页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系20嵌入式系统的根本组成2.嵌入式系统的软件分为两大部分。嵌入式操作系统：VRTX、pSOS、VxWorks、WindowsCE、EPOC、Linux、PALM、OS9、JavaCHORUSOS、QNX、NAVIO、 uCOS IOS、 Android、 Windows8应用软件:为不同应用而编写的软件。第二十页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系21嵌入式系统的根本组成第二十一页，共64页。2.嵌入式系统的软件4个层次：设备驱动接口〔DDI，DeviceDriverInterface〕--负责嵌入式系统与外部设备的信息交互；实时操作系统〔RTOS，RealTimeOperationsystem〕根本模块：是操作系统的核心，负责整个系统的任务高度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面〔GUI，GraphicsUserInterface〕等根本效劳。扩展模块：提供操作的扩展功能，包括网络、数据库等。可编程应用接口〔API，ApplicationProgrammableInterface〕也称为编程中间件、应用中间软件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库。应用软件-----针对不同就用而由开发者自己编写的软件。02二月2023生物医学工程学院电子技术系22第二十二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系23嵌入式系统的根本组成3.嵌入式系统的开发工具和开发系统开发工具：独立于嵌入式系统产品之外，用于开发主机，包括语言编译、连接定位器、调试器-------构成开发系统和开发工具。开发语言：C语言，嵌入式C++，Java，汇编语言。汇编语言使用场合：开发小系统时，可有效地减少代码存储空间；用于系统的初始化和与硬件有关的代码；对于时间要求苛刻的应用，例如基于DSP数据处理的嵌入式系统。第二十三页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系24第3节嵌入式系统的特点第二十四页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系251.3嵌入式系统的特点嵌入式系统的主要特点1、通常含有面向特定应用的嵌入式CPU。2、是计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的详细应用相结合的产物。3、其硬件和软件的设计效率要高。4、与详细应用严密结合，其晋级换代也与详细产品同步进展，因此生命周期较长。5、其软件均固化在存储芯片或单片机中，因此，速度和可靠性较高。6、不具备独立开发才能，必须借助外部开发工具或系统进展设计，因此用户不能对其中的程序功能进展修改。第二十五页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系261.3嵌入式系统的特点嵌入式处理器嵌入式处理器分为三类：微处理器MPU。与通用计算机的CPU相对应的微处理器。微控制器MCU。它将CPU、存储器和其他外设封装在同一集成电路里，也称为单片机。数据信号处理器DSP。专门用于对离散时间信号进展极快的处理计算，进步编译效率和执行速度。第二十六页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系27微内核构造大多数嵌入式操作系统采用了微内核构造内核只提供根本功能，如：任务调度、任务间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其他应用组件，如：网络功能、文件管理、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。应用组件是可剪裁的。第二十七页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系281.3嵌入式系统的特点任务调度在嵌入式系统中，任务即进程或线程。大多数嵌入式操作系统支持多任务。任务调度有三种方式：可抢占式不可抢占式时间片轮转第二十八页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系29硬实时系统和软实时系统软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好。硬实时系统对响应时间有严格的要求，一旦系统响应不能满足，可能引起系统崩溃或致命的错误。第二十九页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系301.3嵌入式系统的特点内存管理有MMU处理器而设计的操作系统，能与硬件配合采用虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到MMU，MMU将它映射为物理地址。物理地址是分页的，采用分页加载进程，操作系统将当前要运行的部分页装入内存运行。大多数操作系统没有MMU的处理器设计，是采用实存储器管理策略。 对内存的访问是直接的，直接送到地址线上输出，即使用的地址是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，程序运行前需要分配好内存空间。第三十页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系31内核加载方式嵌入式操作系统内核可在Flash直接运行，也可加载到内存运行。嵌入式操作系统对用户程序一般采用静态链接的形式。第三十一页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系321.3嵌入式系统的特点嵌入式系统的核心是微处理器，而嵌入式微处理器具备以下四个特点：具备实时多任务处理才能；具有存储区保护功能；可扩展的处理器构造；功耗很低。第三十二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系33第4节嵌入式系统的主要应用领域第三十三页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系341.4嵌入式系统的主要应用领域家庭信息化网络网络阅读、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事务管理。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、嵌入式视频效劳器、车载导航器系统等挪动计算设备手机、PDA、掌上电脑。网络设备路由器、交换机、网络效劳器、网络接入点。工业控制、仿真、医疗仪器这些领域对嵌入式系统的需求在不断增长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩大才能、系统可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。同时，Java技术的开展，对开发相关无线通信软件起到推动作用。第三十四页，共64页。1.4嵌入式系统的主要应用领域02二月2023生物医学工程学院电子技术系35第三十五页，共64页。1.4嵌入式系统的主要应用领域02二月2023生物医学工程学院电子技术系36第三十六页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系371.4嵌入式系统的主要应用领域第三十七页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系381.4嵌入式系统的主要应用领域嵌入式视频效劳器的架构第三十八页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系391.4嵌入式系统的主要应用领域现代化家庭第三十九页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系401.4嵌入式系统的主要应用领域中国数字电视开展规划2002年完成地面播送传输标准的测试；2002年底公布国家数字电视有线传输标准；2003年底前公布国家数字电视地面播送标准和相关配套标准，确定数字电视标准体系；2005年在有条件的城市推广数字电视播出；年的北京奥运会上向全世界传输数字高明晰度电视节目，主要的大城市开场数字电视商业播送；年数字电视成为我国电视播出的主要方式。第四十页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系411.4嵌入式系统的主要应用领域通信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PDA第四十一页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系421.4嵌入式系统的主要应用领域通信市场智能网络机通过普通线与网络相连。宽带网络机通过宽带接入Internet。目前IP开展现状据ＩＤＣ统计，全球ＩＰ业务收入综合年增长率将以１０８％的速度增长，到２００３年ＩＰ已占国际业务量的三分之一。到２００４年，国际长途将占ＩＰ业务市场的７５％。ＩＰ已成为当前各国运营重点开展的业务之一。第四十二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系431.4嵌入式系统的主要应用领域工业市场制造工厂污水处理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施，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第四十三页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系441.4嵌入式系统的主要应用领域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、公路运输系统航空管理、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理系统应急设备等第四十四页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系451.4嵌入式系统的主要应用领域建筑市场电力供给，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理疗控制系统电磁成像系统便携式生理参数记录仪第四十五页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系461.4嵌入式系统的主要应用领域医疗影像网络PACS主要功能：医学影像的采集和数字化图像的存储和管理医学图像的高速传输图像的数字化处理和重现图像信息与其他信息PACS子系统影像实时采集子系统影像分析处理子系统影像的查询、管理和存储子系统图文编辑及打印子系统数字图像回写子系统远程会诊子系统系统管理子系统第四十六页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系471.4嵌入式系统的主要应用领域医疗影像网络PACS第四十七页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系481.4嵌入式系统的主要应用领域军事领域军事工业应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不高军事工业产品数字化单兵信息装备夜视扫描、全球定位、指挥通信21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统〔FBCB2〕C4ISR系统(指挥、控制、通讯、电脑、情报、监视、侦察)第四十八页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系491.4嵌入式系统的主要应用领域军事领域的特殊要求尺寸和重量:在军事和航天环境中，空间是非常珍贵的。对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素，但在工业上应用并不重要。功率消耗:电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题。因为发热与功耗成正比，降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求。震动和冲击:军事和空间系统要合适在恶劣运动环境中工作和贮存。这些环境包括：大范围或小范围的重复运动；芯片、模块和模板可能部分或全部变位或断线；由于震动而加重的电化学反响引起的腐蚀，使模板互连金手指管脚的导电性能变差；由于使用硬盘驱动器致使数据的完好性成为难题等。温度和湿度:大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下。用于军事和空间产品的电子产品的可靠工作范围必须在-40℃~+85℃。第四十九页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系501.4嵌入式系统的主要应用领域军事领域第五十页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系511.4嵌入式系统的主要应用领域军事领域21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统〔FBCB2〕作为美国陆军战斗指挥系统的一部分，FBCB2应用软件将在Applique+V4型计算机上运行，构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统。FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官、战斗支援部队以及战斗效劳支援部队提供在行进中、近实时的事态感知以及指挥和控制信息，使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队。第五十一页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系521.4嵌入式系统的主要应用领域军事领域关于中国C4ISR系统的消息消息来源声称这一系统的研制已经进展多年，有关的分系统目前已经部分进入中国军队服役。战区级别的C3I系统预计假设干年之内全面建成。规划之中的国家级C4ISR系统包括2个以上的海岸指挥作战中心下设假设干海岸雷达,海岸火炮,声纳分系统并使用数据链同国家宇宙作战中心相连接。国家宇宙指挥作战中心又通过卫星同结合作战指挥中心,防空作战中心、陆军作战指挥中心等分系统衔接.整个大系统还包括两个以上的电子作战指挥中心。每个下设电子对抗,电子作战飞机,电子侦察,电子支援分中心。它又透过国家宇宙作战中心同防空指挥中心等衔接.在电子作战指挥中心之外,还设有一个雷达信息处理系统。下设电子侦察,防空雷达等分系统,并与战术防空系统联网。战术防空系统包括地对空导弹部队,防空雷达,国土防空战斗机等分系统。战术防空系统又通过宇宙作战中心同防空作战中心联网。第五十二页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系53第5节嵌入式系统的开展趋势第五十三页，共64页。02二月2023生物医学工程学院电子技术系54嵌入式系统的开展趋势嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持面对嵌入式系统应用领域的不断扩大，功能要求更加多样化和强大，将推动开发工具和操作系统的进一步支持。连网成为必然趋势为适应嵌入式分布处理构造和上网应用需求，要求嵌入式系统装备有网络通信接口。支持