第三章嵌入式系统工程与应用

嵌入式系统工程与应用第三章嵌入式技术与嵌入式系统工程第一节嵌入式技术与嵌入式系统工程当我们满怀憧憬与希望跨入二十一世纪大门的时候，计算机技术也开始进入一个被称为后PC技术的时代。区别于PC机，我们将非PC的计算机应用系统称之为嵌入式系统（Embeddedsystem）。

嵌入式技术与嵌入式系统工程图3-1嵌入式系统应用举例一、基于嵌入式技术产品的特点嵌入式技术与嵌入式系统工程一、基于嵌入式技术产品的特点嵌入式技术与嵌入式系统工程嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机，数字产品相比，利用嵌入式技术开发的产品有其自己的特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。（2）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，是一门综合技术学科。一、基于嵌入式技术产品的特点嵌入式技术与嵌入式系统工程（3）嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。（4）为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。（5）因为嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。（6）嵌入式系统是典型的计算机系统，更是计算机应用系统。二、嵌入式系统的核心——嵌入式微处理器嵌入式技术与嵌入式系统工程二、嵌入式系统的核心——嵌入式微处理器嵌入式技术与嵌入式系统工程嵌入式系统的组成软硬兼施，互利互惠，融为一体，成为产品。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：二、嵌入式系统的核心——嵌入式微处理器嵌入式技术与嵌入式系统工程1、对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2、具有功能很强的存储区保护功能。3、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微处理器。4、嵌入式微处理器必须功耗很低二、嵌入式系统的核心——嵌入式微处理器嵌入式技术与嵌入式系统工程早在80年代，国际上就有一些IT组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，主要表现在嵌入式系统的核心——嵌入式微处理器的研发。为了抢占这个无限广阔的市场，各大硬件厂商竞相推出产品，包括Intel，FreeScale，NXP，AMD等公司均不甘示弱，几乎每个月都有新产品出现。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。三、单片机、ARM、DSP、FPGA的技术特点和区别嵌入式技术与嵌入式系统工程三、单片机、ARM、DSP、FPGA的技术特点和区别嵌入式技术与嵌入式系统工程单片机作为最典型的嵌入式处理器，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机以体积小、功能强、可靠性好、性能价格比高等特点，已成为实现工业生产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段。三、单片机、ARM、DSP、FPGA的技术特点和区别嵌入式技术与嵌入式系统工程ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。目前ARM在手持设备市场占有90以上的份额，可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。三、单片机、ARM、DSP、FPGA的技术特点和区别嵌入式技术与嵌入式系统工程DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的处理器。DSP实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。三、单片机、ARM、DSP、FPGA的技术特点和区别嵌入式技术与嵌入式系统工程FPGA是英文FieldProgrammableGateArray（现场可编程门阵列）的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，并非是一种处理器。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。FPGA能完成任何数字器件的功能。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程（一）嵌入式系统高级语言编程特点随着嵌入式系统应用范围的不断扩大和嵌入式实时操作系统RTOS（RealTimeOperatingSystem）的广泛使用，高级语言编程已是嵌入式系统设计的必然趋势。高级语言编程具有许多优势。四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程（1）通用性强。（2）容易编程。（3）容易阅读。（4）可移植性好。（5）可维护性好。（6）直接支持中断管理。四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程（二）C/C++、Java与嵌入式系统在小型嵌入式系统中，通常只有一个微处理器，并且其主要工作往往不是计算，而是控制，应选择控制能力较强的语言。在大型嵌入式系统中，往往会有多个微处理器或计算机并行工作，构成多机系统。它们中有些工作于真正的嵌入式模式，有的则为纯粹的信息处理。此时，对系统的编程就变得相当复杂，不同的任务可能会用不同的语言编程。四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程目前，在嵌入式系统开发过程中使用的语言种类很多，但仅有少数几种语言得到了比较广泛的应用如C/C++和Java等。C语言是由DennisRichie于1972年在AT&Bell实验室研究成功并投入使用的系统编程语言。C++是由Bjarne

Stroustrup

于1995年在Bell实验室研制成功并投入使用的。Java语言是SunMicrosystems公司于1995年在Internet上发布的面向对象的程序设计语言。Java是网络语言，而嵌入式系统则在功能、价格、体积、功耗、上市时间等方面有特殊要求。四、嵌入式系统高级编程语言嵌入式技术与嵌入式系统工程Java不仅是一门语言，更是一种思想。它将使软件开发在设计风格、设计方法、设计目标、设计过程等方面发生根本性变化。它将成为软件再实现的基础，未来OS的核心，各种应用软件的开发平台和实现环境。但Java并不是万能的，它有自己的应用范围，在网络管理、网络应用、面向对象的应用、可视化操作、交互式应用领域Java是优秀的；但在实时控制领域，如火箭控制、传感器控制、宇宙飞行器的方位控制等方面C或汇编语言依然是最佳选择。五、嵌入式系统工程及应用领域总结嵌入式技术与嵌入式系统工程五、嵌入式系统工程及应用领域总结嵌入式技术与嵌入式系统工程嵌入式系统工程是一门面向嵌入式系统应用的综合性系统工程，它涉及到嵌入式系统的通用技术和基本原理、嵌入式产品开发方法等内容。包括嵌入式系统的基本概念、开发原理及原则、软件和硬件结构的设计、嵌入式操作系统及网络协议栈的总体架构。嵌入式系统典型应用技术及实例如表3-1所示。五、嵌入式系统工程及应用领域总结嵌入式技术与嵌入式系统工程在消费类电子产品中应用，如AV产品在兵器和国防工业中应用，如导弹技术在移动电话中应用在安全系统中应用，如智能监控系统在智能家电中应用在智能机器人中应用在智能玩具中应用在农业技术中应用在多媒体中应用在网络工程中应用在车辆与交通工程中应用在控制系统中的应用，如数控技术在智能金融器具中应用在智能传感器中应用在光学系统中应用在智能仪器仪表中应用在气象预报中应用在智能卡中应用表3-1嵌入式系统典型应用领域单片机技术及应用第二节一、单片机及应用概述单片机技术及应用一、单片机及应用概述单片机技术及应用二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉，这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。一、单片机及应用概述单片机技术及应用单片机（Microcontrollor）是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的单片微型计算机。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。一、单片机及应用概述单片机技术及应用图3-2单片机系统组成一、单片机及应用概述单片机技术及应用单片机是大规模集成电路技术发展的产物。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制(就是快速反应)方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。因此，单片机又常常被人称为微控制器(MCU或μC)。单片机体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。二、典型单片机产品单片机技术及应用二、典型单片机产品单片机技术及应用当今单片机产品琳琅满目，性能各异，但是8位内核单片机仍占主要市场，比较流行的8位内核单片机有基于MCS51及改进系列单片机，Atmel的AVR单片机、Microchip公司的PIC单片机和Motorola公司的68HC系列等。二、典型单片机产品单片机技术及应用MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商。其半导体部已经分离出来，就是Freescale公司。MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括众多品种，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，其中常用机型AT89C、AT89S系列是美国ATMEL公司开发生产的片上Flash单片机。二、典型单片机产品单片机技术及应用Microchip单片机是市场份额增长最块的单片机。AVR是ATMEL于1997年由A及V先生共同研发的RISC单片机，AVR单片机吸取PIC及MCS51系列单片机的优点，采用Harward结构，工作于1MHz时性能高达1MIPS。二、典型单片机产品单片机技术及应用16位嵌入式计算机具有较高性能的有FreeScale的DSP56800/E系列，凌阳的μ’nSPTM系列，Microchip公司的dsPIC30和dsPIC33系列，以及TI的TMS320系列DSP和MSP430系列单片机等。三、单片机发展趋势单片机技术及应用三、单片机发展趋势单片机技术及应用现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。三、单片机发展趋势单片机技术及应用（一）低电压与低功耗——CMOS化（二）高度集成——单片化（三）主流与多品种共存（四）生命周期长（五）8位、16位、32位单片机共同发展（六）单片机的速度越来越快（七）低噪声与高可靠性技术（八）OTP与掩膜（九）MTP向OTP挑战四、如何成为单片机开发高手单片机技术及应用四、如何成为单片机开发高手单片机技术及应用单片机应用技术是实践性很强的一门技术，有人说“单片机是玩出来的”，只有多“玩”，也就是多练习、多实际操作，才能真正掌握它。在没有学会单片机之前应该只去研究一种单片机，不要观望，防止徘徊不前，一事无成。坚定信念后：四、如何成为单片机开发高手单片机技术及应用首先，掌握单片机的应用开发需要一个过程。其次，单片机的开发应用还涉及到硬件扩展接口和各类传感器，更重要的是必须尽可能地了解各学科中适应单片机完成的控制项目以及控制过程。再次，学习单片机的C语言编程，是成为单片机高手的必经之路。还有，软件的开发是建立在硬件之上，软硬件设计的巧妙结合是项目开发质量保证的关键。最后，请不要做浮躁的单片机工程师。DSP技术及应用第三节DSP技术及应用数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴交叉性前沿学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP技术及应用数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。一、DSP系统

DSP技术及应用一、DSP系统

DSP技术及应用（一）DSP系统构成xa(t)

x(n)

y(n)

ya(t)前置预滤波器A/D变换器数字信号处理器D/A变换器模拟滤波器图3-3典型的DSP系统一、DSP系统

DSP技术及应用输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D（AnalogtoDigital）变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。（一）DSP系统构成一、DSP系统

DSP技术及应用数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：(1)接口方便(2)编程方便(3)稳定性好(4)精度高(5)可重复性好(6)集成方便（二）DSP系统的特点一、DSP系统

DSP技术及应用数字信号处理的实现方法一般有以下几种：(1)在通用的计算机（如PC机）上用软件（如C语言）实现；(2)FPGA上实现；(3)用通用的单片机（如MCS-51、ARM系列等）实现；(4)用通用的可编程DSP芯片实现。第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种方法存硬件实现，是数字信号处理实时应用的最理想载体；第3种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。（三）DSP系统的设计过程一、DSP系统

DSP技术及应用（三）DSP系统的设计过程DSP算法设计软硬结合实现方法设计硬件实现方法设计

实现

实现C语言硬件描述语言图3-4DSP系统的设计流程一、DSP系统

DSP技术及应用在设计DSP系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。在完成第二步之后，接下来就可以设计实时DSP系统，实时DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。DSP硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。（三）DSP系统的设计过程二、DSP型处理器DSP技术及应用二、DSP型处理器DSP技术及应用DSP型处理器概述，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

(3)片内具有快速

RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

1.DSP型处理器概述二、DSP型处理器DSP技术及应用(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；(5)快速的中断处理和硬件I/O支持；

(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

(7)可以并行执行多个操作；

(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。1.DSP型处理器概述二、DSP型处理器DSP技术及应用世界上第一个单片

DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的

S2811。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。1980年，日本

NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用

DSP芯片。在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。2.DSP处理器芯片的发展二、DSP型处理器DSP技术及应用2.DSP处理器芯片的发展表3-2TIDSP芯片发展比较表（典型值）年份

1982年

1992年

1999年

制造工艺

MIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz内部RAM144字

1K字

32K字

内部ROM1.5K字

4K字

16K字

价格

$150.00＄15.00$5.00~$25.00功耗

250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶体管数

50K500K

二、DSP型处理器DSP技术及应用（1）按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。（2）按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。（3）按用途分3.DSP芯片的分类二、DSP型处理器DSP技术及应用（1）DSP芯片的运算速度。1）指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。2）MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间。3）FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间。4）MIPS：即每秒执行百万条指令。5）MOPS：即每秒执行百万次操作。6）MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作。7）BOPS：即每秒执行十亿次操作。4.DSP芯片的选择二、DSP型处理器DSP技术及应用（2）DSP芯片的价格（3）DSP芯片的硬件资源（4）DSP芯片的运算精度（5）DSP芯片的开发工具（6）DSP芯片的功耗（7）其他。除了上述因素外，选择DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。4.DSP芯片的选择三、DSP技术应用DSP技术及应用三、DSP技术应用DSP技术及应用DSP芯片的应用主要有：(1)信号处理——如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；(2)通信——如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；(3)语音——如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等；三、DSP技术应用DSP技术及应用(4)图形/图像——如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等；(5)军事——如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；(6)仪器仪表——如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；三、DSP技术应用DSP技术及应用(7)自动控制——如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；(8)医疗——如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；(9)家用电器——如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。四、DSP和MCU的深度融合DSP技术及应用四、DSP和MCU的深度融合DSP技术及应用单片机（MCU）和数字信号处理器（DSP）曾各自为营，但现在却呈现出融合式的发展，为以最低成本完成各种消费类和工业类任务提供最佳解决方案。混合型产品的应用可以分为不同的两类，一类侧重于DSP功能对完成主要任务极为重要的特殊应用领域；第二类是为8位和16位单片机用户提供向上发展途径的通用应用领域。四、DSP和MCU的深度融合DSP技术及应用MicrochipTechnology公司的dsPIC30系列和dsPIC33系列是具有DSP指令的高性能单片机，均具有30MIPS的性能，并可以在工业温度范围和扩展的温度范围内工作。TexasInstruments公司的TMS320系列中的C2000系列也是典型混合型产品。Freescale公司的56800系列混合处理器在业界也有很高的声誉。四、DSP和MCU的深度融合DSP技术及应用AnalogDevices公司同样将其Blackfin处理器定在达到高水平的处理能力上，其最近推出的产品包括时钟速率高达750MHz的双内核器件。多内核体系结构是在同一块芯片上支持DSP任务和控制任务的另一种方法。嵌入式操作系统与电子设计应用第四节嵌入式操作系统与电子设计应用计算机是由硬件和软件组成的，缺了任何一样都无法运行。操作系统是现代电脑必不可少的系统软件，是计算机的灵魂所在。现代的计算机都是通过操作系统来解释人们的命令，从而达到控制电脑的目的。操作系统的理论是计算机科学中一个古老而又活跃的分支，而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与核心。一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用操作系统(OperatingSystem)是用户和计算机之间的界面。一方面操作系统管理着所有计算机系统资源，另一方面操作系统为用户提供了一个抽象概念上的计算机。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，具有一般操作的基本功能，如任务调度、同步机制、中断处理，同时它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统是以库的形式提供给用户，用户可以通过操作系统的

API（ApplicationProgrammingInterface）使用嵌入式操作系统。一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用1.嵌入式操作系统基本功能（1）任务调度——就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度的，每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级；（2）任务管理——建立任务、删除任务、改变任务的优先级、挂起和恢复任务，以及获得有关任务的信息；一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用（3）时间管理——用户提供定时中断，也叫时钟节拍来实现延时与超时控制等功能；（4）任务间的通信与同步——在实际系统的应用中有时需要任务间的或中断服务与任务间的信息传递，这种信息传递被称为任务间的通信；（5）内存管理——嵌入式操作系统把连续的大块内存按分区来管理，每个分区中包含有整数个大小相同的内存块，在一个系统中可以有多个内存分区，用户的应用程序可以从不同的内存分区中得到不同大小的内存块。一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用2.嵌入式操作系统特点（1）可裁减性——操作系统可定制、可裁减，以有效减少操作系统所需的存储空间；（2）高可靠性——可靠性主要有两个方面含义。一是硬件本身要连续稳定运行；二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力；一、嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与电子设计应用（3）实时性——实时性指系统对响应时间的严格要求，指能在确定的时间内执行其功能，能对外部的异步事件做出快速正确的响应；（4）多任务操作系统——嵌入式应用程序的设计过程包括如何把问题分割成多个任务，多任务的操作系统是嵌入式系统发展的必然要求；（5）可移植性——针对不同的嵌入式应用系统，都可以把系统内核移植到不同的嵌入式处理器中。二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用1.VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用2.WindowsCEWindowsCE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE推广的一大优势。它是一个完整的可携式操作系统，Microsoft打算以此为基础，发展广泛的商业与消费设备，包括新的无线通讯设备、DVD播放器、InternetTV、数字信息装置盒及网络电话等。二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用3.嵌入式Linux这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循GPL协议，在近一年多以来成为研究热点，据IDG预测嵌入式Linux将占未来两年的嵌入式操作系统份额的50%。二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用4.μC/OS-II

μC/OS-II是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位、16位和32位单片机或DSP。

它的主要特点如下：（1）公开源代码，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上；（2）可移植性，绝大部分源代码是用C语言写的，便于移植到其他微处理器上；

二、几种嵌入式操作系统比较嵌入式操作系统与电子设计应用（3）可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间；（4）占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务；（5）多任务，可管理64个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法；（6）可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少；（7）实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证据。FPGA与SOC技术第五节一、引言FPGA与SOC技术一、引言FPGA与SOC技术集成电路的发展已有40年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进。随着VLSI(超大规模集成电路)工艺技术的发展，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，数百万门级的电路可以集成在一个芯片上，半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD芯片等。一、引言FPGA与SOC技术SOC为各种应用提供了一个新的实现技术。这种新的电子系统实现技术促使工业界在近3年中发生了巨大的变化，为信息技术的应用提供坚实的基础，因此，完全可以称之为SOC革命。同时，SOC也为单片机技术提供了更广阔的应用领域，使单片机应用技术发生了革命性的变化。一、引言FPGA与SOC技术现代科学技术应用的重要特点之一，就是技术多样性、智能多变性和面向对象的系统设计性。SOC正是成为满足现代科学和工程技术发展的要求而产生的现代应用电子技术。SOC是集成电路发展的必然趋势，是技术发展的必然，是IC产业未来的发展。二、SOC及其特点FPGA与SOC技术二、SOC及其特点FPGA与SOC技术SOC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来，SOC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。二、SOC及其特点FPGA与SOC技术从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SOC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。二、SOC及其特点FPGA与SOC技术国内外学术界一般倾向将SOC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。SOC定义的基本内容主要表现在两方面：其一是它的构成，其二是它形成过程。二、SOC及其特点FPGA与SOC技术系统级芯片SOC是在单片上实现全电子系统的集成，具有以下几个特点：（一）系统功能集成是SOC的核心技术（二）固件集成是SOC的基础设计思想（三）嵌入式系统是SOC的基本结构（四）IP是SOC的设计基础（五）速度高、时序关系严密（六）采用超深亚微米(UDSM)、纳米集成电路的设计理论和技术（七）外部可以对芯片进行编程三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术具体地说，SOC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SOC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术大规模可编程逻辑器件CPLD(CompexProgrammableLogicDevice)和FPGA(FieldProgrammableGateArry)是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路（Application-SpecificIntegratedCircuit，ASIC）（一）CPLD与FPGA三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术由于结构和工艺的改进，可编程ASIC芯片上包含的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强，它们已成为当今实现电子系统集成化的重要手段。Altera、Xilinx、Lattice、和Actel等公司是全球著名的可编程逻辑器件供应商。（一）CPLD与FPGA三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件，有很多共同特点，但由于CPLD和FPGA结构上的差异，具有各自的特点，特比较如下：（1）CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序逻辑。（2）CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。（一）CPLD与FPGA三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术（3）在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。（4）FPGA的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。（5）CPLD比FPGA使用起来更方便。（6）CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。（一）CPLD与FPGA三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术（7）在编程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。（8）CPLD保密性好，FPGA需要外部配置，保密性差。（9）一般情况下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明显。（一）CPLD与FPGA三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术SOC可采用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现。开发新型SOC器件需要解决的几个关键问题包括：新的设计工具、先进的工艺技术及半导体IP。尽管在技术上十分先进，基于ASIC的SOC产业仍然面临着挑战，甚至会因此难以完全发挥潜力，以下列举其面临的一些问题和挑战：（二）FPGA与SOC三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术（1）系统复杂性不断增加（2）上市时间压力更大（3）产品生命周期更短（4）多种业界标准并存（5）可用于不同产品的设计灵活性较差（6）可重配置及现场升级性能缺乏。（二）FPGA与SOC三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术现在，基于FPGA的SOC可以解决以前基于ASIC的SOC无法完成的任务和挑战，如现场升级、减少产品上市时间、满足不断出现和更新的标准要求。（二）FPGA与SOC三、FPGA与SOC设计FPGA与SOC技术基于FPGA的SOC设计可用于多种场合，其中从ASIC向FPGA转型中受益最多的应用包括：（1）通信及网络：网络及无线基础设施。（2）数据处理：服务器及存储设备。

（3）消费类电子产品：数字机顶盒、数字电视和个人摄像机。（二）FPGA与SOC四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术微处理器是现代电子技术应用中的主流技术，特别是在工业和民用的独立电子系统中，单片机起着系统核心的作用。由于单片机系统特有的固件特性，使单片机在SOC技术中占有重要的地位。四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术（一）SOC中的嵌入式技术随着电子技术的发展，特别是应用技术的飞速发展，单片机应用系统已经形成了常用的、独特的嵌入式结构。目前，单片机已经成为CPU和其他辅助电路而形成的。单片机已经成为IP库中的重要成员，而其嵌入式结构正是SOC的一种重要实现技术和方法。用SOC设计单片机系统嵌入式结构，为设计者提供了现有技术所无法比拟的优越条件。四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术（二）SOC中单片机系统优化目前在单片机应用中，有相当一部分实际上并不能叫做单片机。因为许多应用中需要形成单片机的外部系统总线。因此，单片机资源的充分利用和避免形成外部总线，往往是单片机应用设计的主要追求目标。换句话说，优化问题是单片机应用中的一个重要问题。四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术图3-6不同单片机应用系统设计方法框图四、SOC技术与处理器技术深度融合FPGA与SOC技术概括地说，SOC使单片机应用技术发生了革命性的变化，这个变化就是应用电子系统的设计技术，从选择厂家提供的定制产品时代进入了用户自行开发设计器件的时代。这标志着单片机应用的历史性变化，一个全新的单片机应用时代已经到来。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术五、硬件描述语言FPGA与SOC技术随着EDA技术的发展，使用硬件语言设计CPLD/FPGA成为一种趋势。硬件描述语言（HarewareDescribeLanguage，HDL）是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、CynlibC++等等。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术目前，硬件描述语言可谓是百花齐放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、CynlibC++、CLevel等等。虽然各种语言各有所长，但业界对到底使用哪一种语言进行设计，却莫衷一是，难有定论。目前最主要的硬件描述语言是VHDL和VerilogHDL。而比较一致的意见是，HDL和C/C++语言在设计流程中实现级和系统级都具有各自的用武之地。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术在2001年举行的国际HDL会议上，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计项目，他们愿意选择哪种方案?结果，仅有2票或3票赞成使用SystemC、Cynlib和CLevel设计；而Superlog和Verilog各自获得了约20票。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SOC快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，CynlibC++是最佳的选择，它速度快、代码精简；Superlog的捍卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。五、硬件描述语言FPGA与SOC技术1.VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部开始进行VHDL的开发。1987年，由IEEE（InstituteofElectricalandElectro-nicsEngineers）将VHDL制定为标准。（一）几种代表性的HDL语言五、硬件描述语言FPGA与SOC技术2.VerilogHDLVerilogHDL是在1983年，由GDA（GateWayDesignAutomation）公司的PhilMoorby首创的。VHDL发展的较早，语法严格，而VerilogHDL是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。（一）几种代表性的HDL语言五、硬件描述语言FPGA与SOC技术3.SystemC随着半导体技术的迅猛发展，SOC已经成为当今集成电路设计的发展方向。SystemC是由Synopsys公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。（一）几种代表性的HDL语言五、硬件描述语言FPGA与SOC技术1.了解HDL的可综合性问题HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现。2.用硬件电路设计思想来编写HDL学好HDL的关键是充分理解HDL语句和硬件电路的关系。3.语法掌握贵在精，不在多30%的基本HDL语句就可以完成95%以上的电路设计。（二）学习HDL的几点重要提示五、硬件描述语言FPGA与SOC技术（1）文本编辑：用任何文本编辑器都可以进行，也可以用专用的HDL编辑环境。（2）功能仿真：将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。（3）逻辑综合：将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简的布尔表达式和信号的连接关系。（三）HDL开发流程五、硬件描述语言FPGA与SOC技术（4）布局布线：将.edf文件调入PLD厂家提供的软件中进行布线，即把设计好的逻辑安放到PLD/FPGA内。（5）时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序。（也叫后仿真）（6）编程下载：确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。（三）HDL开发流程嵌入式应用系统举例——

嵌入式系统与智能机器人第六节嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人应该说人类是最聪明、最有智慧的群体。但我们也应看到人类存在的不足。我们的祖先就曾幻想过人类应具有顺风耳和千里眼，可以听世界上的一切声音，可以看世界上的一切事物；可以有三头六臂，甚至成为千手观音；可以上天入地，力大无比。如今，机器人帮助人类实现了很多梦想，但是，机器人的本领不会超过人类，因为机器人是人类发明、创造的，人类是机器人的主人。机器人是嵌入式应用的典型应用领域。一、什么是机器人嵌入式应用系统举例——嵌入式系统与智能机器人一、什么是机器人嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人实际意义上的机器人，应该是“能自动工作的机器”。有的功能很简单，有的功能就复杂得多。机器人通常具有3个基本特征。是不是机器人，只需看一看它是否具备以下3个特征：（1）身体：是一种物理状态，具有一定的形态。（2）大脑：控制机器人的程序。（3）动作：任何机器人都有一定的动作表现。一、什么是机器人嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义：一个定义是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器。”另一个定义是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：（1）具有脑、手、脚等三要素的个体；（2）具有非接触传感器和接触传感器；（3）具有平衡觉和固有觉的传感器。一、什么是机器人嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。”1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”一、什么是机器人嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”二、机器人的分类嵌入式应用系统举例——嵌入式系统与智能机器人二、机器人的分类关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人分类名称说

明操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。表3-3机器人的分类三、机器人对外界信息的感知嵌入式应用系统举例——嵌入式系统与智能机器人三、机器人对外界信息的感知所有的机器人都装有传感器，用于为机器人提供输入。一些传感器很像我们人类的感觉器官，能够“看到”或“感觉到”外界环境的变化。一个机器人的控制程序主要取决于以下几种因素：（1）使用的传感器类型和数量。（2）传感器的安装位置。（3）可能的外部激励。（4）需达到的活动效果。（5）可编程积木式。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人三、机器人对外界信息的感知通常，机器人只能简单地“做”我们谈论机器人的“动作”时，就知道人类是怎么理解机器人这一概念的。简单地说，机器人的“动作”就是：“机器人做什么”。机器人通常是用来完成需要人自己来做的一些工作。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人三、机器人对外界信息的感知机器人必须有“手”，这样它才能根据电脑发出的“命令”动作。“手”不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，这就是我们通常所说的“触觉”。现在，机器人的手已经具有了灵巧的指、腕、肘和肩胛关节，能灵活自如地伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的东西的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人（一）机器人的手三、机器人对外界信息的感知人的眼睛是感觉之窗，人有80%以上的信息是靠视觉获取的，能否造出“人工眼”让机器也能像人那样识文断字和看东西，这是智能自动化的重要课题。关于机器识别的理论、方法和技术，称为模式识别。所谓模式是指被判别的事件或过程。机器识别系统与人的视觉系统类似，由信息获取、信息处理与特征抽取以及判决分类等部分组成。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人（二）机器人的眼睛三、机器人对外界信息的感知1.机器认字2.机器识图3.机器识别物体嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人（二）机器人的眼睛三、机器人对外界信息的感知机器人的鼻子也就是用气体自动分析仪做成的。现在利用各种原理制成的气体自动分析仪已经有很多种类，广泛应用于检测毒气，分析宇宙飞船座舱里的气体成分，监察环境等方面。这些气体分析仪，原理和显示都和电现象有关，所以人们把它叫做电子鼻。把电子鼻和电子计算机组合起来，就可以做成机器人的嗅觉系统了。嵌入式应用系统举例 ——嵌入式系统与智能机器人（三）机器人的鼻子三、机器人对外界信息的感知机器人的耳朵通常是用“微音器”或录音机来做的。被送到太空去的遥控机器人，它的耳朵本身就是一架无线电接收机。用一种叫做钛酸钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳