《嵌入式系统原理与设计》教学课件-嵌入式系统讲义8-27

2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室1主要内容8.1引言8.2Bootloader设计8.3嵌入式系统可靠性设计8.4嵌入式系统低功耗设计8.5嵌入式系统分析与优化8.6实例2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室2本讲简要说明目的与要求掌握可靠性设计的基本概念和基本方法；熟悉Bootloader设计的基本思想；了解Bootloader设计授课重点Bootloader设计的基本思想可靠性设计的基本概念和基本方法授课难点Bootloader设计阅读章节：第节作业：无2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室38.1引言嵌入式系统设计是一个复杂的问题计算机软硬件知识电路分析、电子技术、数字逻辑、计算机原理汇编/C/C++、操作系统、编译原理、软件工程专业领域知识MP3：MP3解码算法手机：信号处理、通信工程嫦娥一号：卫星平台+探测设备工程经验积累发现问题、分析问题、解决问题2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室48.2Bootloader设计启动引导程序是在嵌入式操作系统启动前首先运行的一小段程序初始化加载和运行内核程序特点独立性（因处理器不同而不同）体积小（NORFlash存放）功能多（初始化、下载、调试等）2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室58.2Bootloader设计（续）大多数Bootloader有两种工作模式启动加载模式——正常工作模式操作系统和应用软件的映像文件压缩存放在“电子磁盘”中启动后通过Bootloader解压缩到SDRAM中执行下载开发模式系统开发时使用的一种模式，方便下载程序通过Bootloader建立工作环境（命令控制台）操作系统和应用软件的映像文件由主机通过接口送往Bootloader再存放到SDRAM中执行2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室68.2Bootloader设计（续）Bootloader的功能初始化硬件，特别是存储器控制器初始化操作系统的运行环境启动加载模式解压缩操作系统和应用软件到目标板RAM存储器启动操作系统，移交控制权下载开发模式通过串口或者以太网口下载新的二进制映像文件（操作系统、应用程序）到目标板RAM存储器提供调试功能2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室78.2Bootloader设计（续）Bootloader的组成由汇编语言书写的启动代码为后续代码建立环境由高级语言C/C++书写的简单应用程序TFTP客户端命令解释程序2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室88.2Bootloader设计（续）一般的启动代码执行过程禁止所有中断从ROM区复制已经初始化的数据（data区数据）到指定的RAM区将未初始化的数据区清零给Stack区分配空间并初始化初始化处理器的堆栈指针创建和初始化堆区（Heap）执行高级语言的初始化程序主函数main2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室98.2Bootloader设计（续）Bootloader的C语言部分初始化一个串口，以便和Host终端用户交互决定是直接引导操作系统还是进入下载开发模式初始化网络，包括网络信息配置如果有LCD，则初始化LCD初始化Flash、检测Flash芯片初始化中断：禁止中断、清中断标志、初始化中断向量表、注册中断服务程序初始化命令控制台，等待用户命令2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室102023/12/20©国防科技大学计算机学院601室118.3嵌入式系统可靠性设计1、概述2、元器件的可靠性3、电磁兼容性设计4、软件可靠性设计5、系统级的可靠性设计6、故障检测技术2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室121、概述嵌入式系统通常被应用到恶劣的工作环境中高/低温、高湿、强烈震动、电磁干扰是投入实用化的一个必然设计要求基本思想构造一个正常的工作环境容错、补救措施可靠性的定义产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室131、概述（续）可靠性的性能指标可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R失效率（故障率）是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，一般记为λ平均无故障间隔时间MTBF平均修复时间MTTR2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室142、元器件的可靠性常用电子元器件的选择电阻器的选择与使用电容器的选择与使用电感器的选择与使用半导体分立器件的选择与使用数字集成电路的选择与使用模拟集成电路的选择与使用2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室152、元器件的可靠性（续）系统设计中电子元器件可靠性措施元器件的选择元器件的老化元器件的筛选降额使用容差与漂移设计（鲁棒设计Robust）人为因素2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室163、电磁兼容性设计电磁兼容性EMC——ElectroMagneticCompatibility是指电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI）抗外界的干扰——要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力对外界的干扰——要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室173、电磁兼容性设计（续）电源电路的抗干扰措施电源中的干扰来源电源中的抗干扰措施设计抗干扰性能好的电路数字电路部分模拟电路部分克服信号传输过程中的干扰减少串（差）模干扰减少共模干扰2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室183、电磁兼容性设计（续）接地信号地——模拟地、数字地、功率地安全地——机壳地滤波、去耦及屏蔽滤波、去耦、屏蔽静电及其防护（ESD）静电的产生静电的危害静电的防护2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室193、电磁兼容性设计（续）PCB可靠性高速信号传输引起严重问题恶劣的工作环境更加重问题电源电路中的抗干扰措施高频信号和器件布局布线引起的问题热效应信号反射、辐射、串扰2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室204、软件可靠性设计软件的可靠性软件故障软件可靠性指标软件错误的来源软件工程与管理软件工程的开发模式嵌入式系统的软件开发软件可靠性管理2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室214、软件可靠性设计（续）软件的可靠性设计依据软件工程规范要求开发软件采用软件滤波方法检错及纠错编码软件容错技术软件可维护性及软件可靠性模型软件可维护性设计软件可靠性模型2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室225、系统级可靠性设计系统的可靠性模型串联系统的可靠性模型串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统并联系统的可靠性模型并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的系统混合系统的可靠性模型是由串联和并联混合组成的系统2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室235、系统级可靠性设计（续）系统的可靠性模型冷备份系统的可靠性模型n个完全相同部件的冷备份系统

（待机备份系统），转换开关为理想开关，只要一个部件正常，则系统正常表决系统的可靠性模型在组成系统的n个单元中，不失效的单元不少于k（k介于1和n之间），系统就不会失效的系统，又称为k/n系统2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室245、系统级可靠性设计（续）可靠性的预估由一批有经验人员按该产品复杂程度与已知可靠性的产品类比评分给定可靠性的分配原则：技术水平、复杂程度、重要程度、任务情况方法：等分配法、再分配法、比例分配法、综合评分分配法、动态规划分配法可靠性设计的具体措施冗余设计抗环境影响设计2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室255、系统级可靠性设计（续）典型双工系统双工系统冗余技术实现整个系统的可靠性两个独立子系统同源输入、独立处理、比较结果两个独立子系统同时失效的概率较小2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室262023/12/20©国防科技大学计算机学院601室276、故障检测技术嵌入式系统的脱机自检指令系统自检RAM的自检只读存储器ROM自检外设及接口的自检2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室286、故障检测技术（续）嵌入式系统的在线故障检测程序监视器状态反馈检错及纠错编码超时故障检测A/D变换器的在线检测直流电机接口的在线检测瞬时掉电保护2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室29本讲简要说明目的与要求掌握嵌入式系统低功耗设计的基本手段；熟悉嵌入式系统低功耗设计的其它一些手段；了解嵌入式程序的分析与优化以及实例授课重点嵌入式系统低功耗设计的基本手段授课难点嵌入式程序的分析与优化阅读章节：第～节作业：无2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室308.4嵌入式系统低功耗设计1、概述2、硬件低功耗设计3、软件低功耗设计2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室311、概述低功耗设计成为热点电池供电——延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销手机、MP3、MP4、数码相机、数码摄像机降低电磁干扰——系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小安全需要——例如工业现场总线设备的本安（本质安全）要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室321、概述（续）低功耗设计构成系统设计、硬件设计、软件设计、器件的工艺设计器件的工艺设计主要由半导体器件厂家来完成嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗指标嵌入式系统低功耗设计的核心集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室331、概述（续）功耗产生的原因集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗两部分静态功耗——当电路状态没有进行翻转时，电路的功耗属于静态功耗，其大小等于电路的电压与流过的电流的乘积动态功耗——是电路翻转时产生的功耗动态功耗Pd=V^2*f*CV为工作电压，f为时钟频率，C为负载电容目前大多数电路采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略，起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗从降低动态功耗入手2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室342、硬件低功耗设计低功耗器件尽量选用CMOS系列电路选用低功耗的嵌入式处理器处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗功率大选择低功耗的外围电路未用输入端不要悬空悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电平的转换，转换器件的功耗很大尽量采用输出为高的原则输出电流小，输入电流大2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室352、硬件低功耗设计（续）低功耗电路形式完成同样的功能，电路的实现形式有多种例如，可以利用分立元件、小规模集成电路、大规模集成电路甚至单片实现善于利用CPLD、FPGA构成数字电路使用的元器件的数量越少，系统的功耗越低尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数，减少整机的功耗2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室362、硬件低功耗设计（续）单电源、低电压供电一些模拟电路如运算放大器等，供电方式有正负电源和单电源两种双电源供电可以提供对地输出的信号，但电源设计复杂，功耗大高电源电压可以提供大的动态范围，缺点是功耗大例如低功耗运放LM324，单电源电压当电源电压为15V时，功耗约为220mW当电源电压为10V时，功耗约为90mW当电源电压为5V时，功耗约为15mW2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室372、硬件低功耗设计（续）分区/分时供电技术一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时/分区供电技术原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室382、硬件低功耗设计（续）电源管理单元设计处理器全速工作时功耗最大，待机状态时功耗比较小常见的待机方式有两种空闲方式（idle）CPU停止工作，I/O接口电路工作通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给掉电方式（shutdown）CPU、I/O接口电路停止工作，中断也不响应需要进入复位才能退出掉电方式2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室392、硬件低功耗设计（续）智能电源设计在系统中增加适当的智能预测、检测，根据需要对系统采取不同的供电方式，以求系统的功耗最低Intel公司的SpeedStep技术系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整如果系统使用外接电源，CPU将按照正常的主频率及电压运行当检测到系统为电池供电时，软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室402、硬件低功耗设计（续）降低或动态改变处理器的时钟频率处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功耗越高例如：时钟频率32kHz、3V工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作电流只有15μA在许多低功耗的场合，采用低速晶振实现低功耗非常有效可以动态改变处理器的时钟以降低系统的总功耗CPU空闲时降低时钟频率CPU处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室412、硬件低功耗设计（续）降低持续工作电流在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时期不消耗电流例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室423、软件低功耗设计编译低功耗优化技术编译技术降低系统功耗是基于这样的事实对于实现同样的功能，不同的软件算法消耗的时间不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同目前的软件编译优化方式有多种基于代码长度优化，基于执行时间优化等基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究中如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系统开发），可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室433、软件低功耗设计（续）硬件软化与软件硬化硬件电路一定消耗功率可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等软件处理需要时间处理器需要消耗功率，特别是处理大量数据的时候，需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要综合计算设计2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室443、软件低功耗设计（续）减少处理器的工作时间软件设计降低系统功耗的关键尽量减少CPU的全速运行时间，使CPU较长地处于空闲方式或掉电方式事件驱动的程序设计方法在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成信息或数据的处理，然后进入空闲或掉电方式在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室453、软件低功耗设计（续）采用快速算法数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法通信中尽量提高通信速率在多机通信中，尽量提高传送的波特率发送、接收均应采用中断处理方式，而不采用查询方式2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室463、软件低功耗设计（续）数据采集系统中降低采集速率在测量和控制系统中，数据采集部分的设计需根据实际情况，不要只顾提高采样率模数转换时功耗较大，过高的采样速率会导致功耗大为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗CPU的时间和功耗2023/12/20©国防科技大学计算机学院601室473、软件低功耗设计（续）延时程序设计延时程序的设计有两种方法：软件延时和硬件定时器延时尽量使用硬件定时器延时，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗大多数嵌入式处理器在进入待机模式时，CPU停止工作，定时器可正常工作，定时器的功耗可以很低，所以处理器调用延时程序时，进入待机方式，定时器开始计时，时间到