嵌入式系统概论A版

中明得琴技，大号

嵌入式实时系统设计方法概论

Embeddedreal-timesystems

(EmbeddedComputing)

李曦llxx@

陈香兰xlanchen@

PresentationOutline

•嵌入式系统概述

-嵌入式系统的定义

-嵌入式系统的特征与指标

-嵌入式系统分类

•发展方向：CPS•

热点应用示例

-汽车电子

­课瘟筋就

Ilxx@2/87

计算机系统的发展趋势

Ilxx@3/87

EmbeddedSystemsaroundus

Traffic

Management

FaxMachineSecurity5/stem

消费电子、通信产品

工业控制、信息家电T«l«visionPnnter

AircraftFlightControl

AudioSyttrnn

Carrwra

MicrcwxveOvenUltraSoundMachine

USTC

ComputingGrowthDriversOverTime,1960-2020E

Morethan

JustPhonos

1,000,000

Mobile乎ad

InternetSmaftphone

100.000Kindle

DesktopTjkteHOt

10,000InternetMP3

CMahone/

PDA

1000

PC10B*C*rElxkona

Units???GPS.ABS.A»V

100Mobdej

IB*Units/

MinicomputerVkf«G

100MM*UsersHcxne

UnitsEEurtaicment

Mainframe

10MM*Units

Wreto4«Home

1MM*UnitsLAp0mnces

1960197019801990200020102020

Industrialcontrols

Consumere4ecironics

Communications/nelwk

Automotwe

Medical

Electronicinstr

AeraMittary(Nel)

InternetofThings'

Compulers'perphs

Video&imaging

Security

Powergenerationutils

Transportation

Govt&municipal

M2M

Audio

美国进口一部“中国产"iPhone

•总价=$179

一日本34%:闪存=$24,屏幕=$35

一德国17%:GPS+摄像+wiFi=$30

-南韩13%：处理器+零部件=$23

一米国6%:蓝牙+录音+3G=$12

-其他：材料+软件许可+专利=$48

一中国3.6%：组装=$6.5

hin.

Ilxx@7/87

WhatisanEmbeddedSystem?

Embed

—LongmanDictionary:tofix(something)

firmlyanddeeply

—WebserDictionary:toenclosecloselyina

surroundingmass

System

-implicitlyacontrollingsystem.

Ilxx@8/87

嵌入式系统的定义（1）

A

“devicesusedtocontrol,monitor,orassistthe

operationofequipment,machineryorplants

-英国电机工程师协会

-早期的典型应用领域在制造业

•1962年，美国一个乙烯厂实现工业装置中的直接数字化控制

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嵌入式控制系统的软/硬件框架》

驱动器1传感器1

驱动器2传感器2

机械装置

......••••••

驱动器N传感器N

被控对象

功能层应用程序

图形用户

文件系统任务管理

软件层接口

实时操作系统(RTOS)

中间层BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包

D/A通用接口

嵌入式

A/DROM

硬件层微处理器

I/OSDRAM

人机交互接口

嵌入式计算机系统

Ilxx@10/87

嵌入？

单板机SingleBoardcomputer

-Z80

单片机SingleChipcomputer

-8051:CPU+片上存储+I/O控制(INT/DMA)+GPIO

•SOC/SOPC

—System-on-a-Programmable-Chip

—XilinxZynq系歹U

•GPP+DSP+Accelerator+片上存储+I/O-

可编程、可裁减、可扩充、可升级

TypicalEmSFunctionalRequirements

•Controllaws

—e.g.PIDcontrol,fuzzycontrol•Sequencing

control

—e.g.FSMs,modechanges,switchingbetween

controllaws

•Signalprocessing

—e.g.voice,video*

Faultresponse

——e.g.detection,reconfiguration

Application-specificuserinterfacedevice

—e.g.buttons,bells,lights

Ilxx@12/87

嵌入式系统定义（2）

•定义2: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、功耗严格要求的专用计算机系统。

-量身定做

-资源有限

-“在过去的20年中，虽然嵌入式系统仍是许多消费电

子设备、工业设备和军方设备中不可见的部分，但它

作为一个整体已经脱颖而出。如今，嵌入式计算不再

限于简单设备控制，它已经能以高实时处理率和低能

耗来执行复杂的处理任务”。

•WayneWolf,《高性能嵌入式计算》

Ilxx@13/87

应用程序

应用层

文件系统/图形用户应用程序接口

实时操作系统（RTOS）

软件

驱动层设备马反动不呈序、HAL、BSP

硬件

Timer/

UIVIA

SRAM

ADC/DAC

人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标

嵌入式计算机组成

llxx@14/87

Characteristics

ApplicationandDomainSpecific

ReactiveandReal-time

Distributed

Heterogeneous

Operateinharshenvironments

Mustmeethigh-integrityqualityattribute

requirements

SmallSizeandWeight

Powerconcerns

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QualityAttributes

ThroughputAvailability/Usefulness

ResponseReliability

SecuritySafety

Maintainable

abilitytoundergo

repairsandevolution

SurvivabilityTmage^lze

FiyurtfromBumsand

Dependability

Figure1.1-Dependability

Ilxx@16/87

性能指标

•性能(Performance)

—时钟频率、IPS(instructionspersecond)等

•但不是好指标：用户关心数码相机产生照片的速度

•吞吐率(Throughput)

—Taskspersecond,相机A每秒处理4幅照片

-吞吐率比延迟可以更好的描述并发性

•相机B每秒处理8幅照片(存储前一幅照片的同时抓拍一张新照片)

•响应时|司(responsetime)

-任务开始到结束的时间

・相机0.25s完成照片处理

一延迟Jtency)

•加速比(Speedup)

-如B相对于A的加速比=B的性能/A的性能

Throughputspeedup=8/4=2

“可用性’度量：缓急度函数r>

•实时任务的松弛度(laxity):决定优先级/实时性等

-实线：导弹，晚了，无效或炸错，不如不投。

-点线：刷卡消费，连接时间长后，不耐烦或放弃。

-短线：股票显示系统，允许一些数据延迟，但可用性下降很快，大的延迟造成损失

tardiness

FIGURE3-3Examplesofusefulnessfunctions.

“成本”度量指标

Time-to-prototype.thetimeneededtobuilda

workingversionofthesystem

Time-tO-market.thetimerequiredtodevelopa

systemtothepointthatitcanbereleasedandsoldto

customers

UnitCOSt.themonetarycostofmanufacturingeach

copyofthesystem,excludingNREcost

NRECOSt.Theone-timemonetarycostofdesigningthe

system

-Non-RecurringEngineeringcost

Flexibility:theabilitytochangethefunctionalityofthe

systemwithoutincurringheavyNREcost

Time-to-market:ademandingdesignmetric

*aH\

•TTM

-从设计开始到产品可以销售所需的时间

•MarketWindow

MarketWindow

-产品投放市场的最佳时间

•平均TTM是8个月

TTM的推迟将导致产品利润下降

Aheadofschedule

Onschedule

Lateby1-2months

Lateby3-6months

Lateby6-12months

Lateby13-18months02014(N-1574)

2013(N=2,055)

Latebymorethan18months■2012(N=1658)

・2011(N7859)

Canceled

RevenueModel

Simplifiedrevenuemodel

—Productlife=2W,peakatW

Peakrevenue

—Timeofmarketentrydefinesa

triangle,representingmarket

penetration

—Triangleareaequalsrevenue

Loss

Delayed

—Thedifferencebetweenthe

Dw2W

on-timeanddelayedtriangle

On-timeDelayedTime

areasentryentry

Lossesduetodelayedmarketentry(cont.)

Area=1/2*base*height

-On-time=1/2*2W*W

-Delayed=1/2*(W-Peakrevenue

D+W)*(W-D)

Percentagerevenueloss

=(D(3W-D)/2W2)*100%

examples

—Lifetime2W=52wks,delayD=4wksD

2W

-(4*(3*26-4)/2*26A2)=22%On-timeDelayed

Time

entryentry

—Lifetime2W=52wks,delayD=10wks

-(10*(3*26—10)/2*26%=50%

产品研发成本(NRE)与产品成本(UNtCost)

•成本:

——totalcost=NREcost+unitcost*#ofunits

分摊:Amortizing

-per-productcost=totalcost/#ofunits

=(NREcost/#ofunits)+unitcost

Example

-NRE=$2000,unit=$100

—For10units

—totalcost=$2000+10*$100=$3000

—per-productcost=$2000/10+$100=$300

k_____________________/

7

AmortizingNREcostovertheunitsresultsinanadditional$200perunit

一怦管猜测，须5年制造第一台jP咿邛机花碗冬限M二的费时费用。

Comparetechnologiesbycosts

bestdependsonquantity

—TechnologyA:NRE=$2,000,unit=$100

—TechnologyB:NRE=$30,000,unit=$30

—TechnologyC:NRE=$100,000,unit=$2

Numberofunits(volume)Numberofunits(volume)

But,mustalsoconsidertime-to-market

嵌入式系统设计优化

Power

•设计目标

-设计差实现满足需求约束的一个系统.

•设计才旨标(Designmetric)

Performance

-系统实现的可度量特征

•关键问题：

NREcost

—optimizingdesignmetrics

,Trade-off:多种设计指标(性能、功耗、成本)优化和权衡•

硬件、软件工程师都需要优化其设计指标

DMAcontrollerDisplayCtrl

Software

MemorycontrollerISAbusinterfaceUARTLCDCtrl

边际收益递减律

•Thelawofdiminishingmarginalutility

-资源投入对产品产出的效用是不断递减的

-100

图2-1边际产出变化图

•按应用领域

-消费电子：信息家电、移动终端、通信产品

-安全关键„1:汽车电子、工业控制

-位数：4位〜64位

—性能：iW］、中、低5

•按实时性能■Q

-实时嵌入式系统<>

•硬实时嵌入式系统（工业和军工系统）r

•软实时嵌入式系统（消费类产品）,

-非实时嵌入式系统

•按系统特征<fifficfiowality——stressingon-implement"。"»

-反应式系统

-DESReal-TimerimingconsTraints

~容错系统Reactive*stressingon

Embeddedhardwarecor^n'aints

§

实时=及时+按时Figure1:Thereal-timespectrum

"ft

reellimerealtimemltime

・牛津计算词典

ComputerUserInternetCrubeTele-FllfhlEleetronk

simulationint«rUc«videocontrolcofnmuniaitiQnscontroltng)n«

-实时系统是指那些产生输出的时间至关重要的系统。

•因为输入对应于外界的某个运动，而输出又必须与同一运动相关。

・自输入时刻到输出时刻的时间滞后必须充分小，以达到可接受的

及时性。

•Young(1982)

-任何必须在有限、指定的周期内对外部发生的输入激

励做出响应的信息处理活动或系统。

•POSIX1003.b

-系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。

•DonaldGillies(1991or1992),广泛弓|用

-“一个实时系统是指计算的正确性不仅取决于程序的

逻辑正确性，也取决于结果产生的时间”

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反应式系统：激励/响应系统

•经常是实时的

-需要在环境限定的时间间隔里对来自环境的激励做出反映

•“时刻准备着”、“按环境的步调”

•事件驱动系统(控制驱动、中断驱动)

-汽车。手机、文字处理器？Knrironmcnf

•交互式

—状态图(statechart)、SDL、Petri网：〃

KeyDifferenceswithPC'sApp

Reacttoexternaleventsthatmaybe

particularlyrapid

—Elevatoronasky-scrapperat7:45amor4:55pm

——Missileflyingatlowaltitudeoveramountainousarea•Taskrequestwith

deadlines

Musthandleunusualevents

Auserblockinganelevatordoor

powerblackout

memoryfailure

Ilxx@31/87

HardReal-TimeReactiveSystems

Safetycriticalapplications:

■Avionics,automotive,trainindustries,manufacturingcontrol

Embeddedcontrollersmustfinish

theirtaskswithingiventimebounds.

Sideairbagincar,Reactionin<10mSec

Developerswouldliketoknowthe

Worst-CaseExecutionTime(WCET)

togiveaguarantee

Classic

EmbeddedSystems.

Crankcraft-synchronoustasks,

Reactionin<45//.Sec

嵌入式系统设计多角色合作》

SoftwareEngineer

Marketing•designthecode

•studymarketneeds

•determinerequirements

•commonEnglishlanguageManufacturingEngineer

•dimensionsofobjects

•layout,location,etc

DesignArchitectNew

•specifications,behavio

•operatingrangeproductTestingEngineer

•environment7•developteststrategies

•architecture•checksspecifications,

CADengineere.g.,setuptime

•developtools

DesignEngineer

DesignTechnician

•designoffunctionalblocks

•selecttechnology

•interconnectionbetweenblocks

•actualhardwarerealization

•eg,schematic

•blockimplementation

•gate/transistor

Ilxx@33/87

嵌入式系统设计过程"op-down

RequirementSpecific。tion

«<ochpstoextract

msof叭［Mwth

ciassiedtrip!Design

Specification/modelinq

fMar*Arch汁ectureHWArch.Dt

Functional、H/W&sA/Vpartitioning

Mod/Sim尸Lw

allocations

&SM

ArchMod/Sim

tggmg

CodeGen.

Verif.

JLatency/RT

//Analysis

AHoc./Sched.DPL

Analysis5WDeployment

I

嵌入式系统设计方法与工具©

•Keil:指令级系统仿真器

软硬件协同设计Co-design

ModelBasedDesign

ApplicationSpace

ApplicationInWance

try!DesignXilinxISE/XPS:

x->SWEET:WCESystem

团妲HWPwr/Platform

Piatfom

Mod/Sim

ArchMod/SimVProInstance

ArchitecturalSpace

PIattomBa与仿

y。。化,MQTOPPAAL:形式化验证,modelchecker

^^\Analysis

SWDeploys

SystemPlatformStack

(meeting-in-the-middle)

“YChart”Approach:建模与分析］

ApplicationPlatform

ModelModel

Applic.ConstraintsResourcesQoS

•EnvironmentParams.•Capacity,speed,etc

•QualityRequirements•Reliability(availability,

•DesignConstraintsfaulttolerance,etc.)

Allocation

Alloc.InformationutFilesfor'---

•Applic.toPlatformnalysis

mapping

•Allocation-specific

propertiesAnalysisTools

Specificationof

Non-FunctionalProperties!

GeneratedCode

嵌入式系统设计相关学科与领域

•ME>EE>CE、SE、CS等

对象学科（嵌入式应用领域）

自动控制、仪器仪表、通信工程、信息技术

-计算机学科（嵌入式计算机系统）

-体系结构、软硬件平台、开发环境。

-电子技术学科（电子电路设计）

-电路设计、电子系统设计、EDA、CPLD

-微电子学科（集成电路设计）

-ASIC、SoC、IP设计

Closelyrelatedareas:

Computerarchitecture.

Softwareengineering.Seldomanyoneof

Low-powerdesign.ushastheclear

Operatingsystems.

pictureofthewhole.

Programminglanguagesandcompilers.

Networking.

Secureandreliablecomputing.

Ilxx@37/87

UCB嵌入式系统研究与教学体工

S

E

l

u.Largeresearchprojects

一

0」「(e.g.PATH.GSRC,CHESS)

6

布

1Advancedcourses(290

S

Qseries)

P

O

E

Graduatecourses(e.g.

EE249:EmbeddedSystem

EDesign:Modeling,Validation

9

致andSynth8s⑸

s

C$152/252ArchitectureUndergraduatecourses(e.g.

O

EE141/142/241/242AnalogandDigitalDesign

oEE20:StructureandInterpretation

EECS145M/145LMicrocomputer/electronicsofSignalsandSystems)

EE125/128IntroductorycontrolsandroboticsE

\______4______AA______ZA______

EE20:STrucfureondInferprefofion

ofSignalsandSystems

k_________________________________________________________J

本课程目标

•针对“嵌入式实时系统”

•重点是设计与分析，而不是简单的编程实现!

—Understandingofthebroadconceptofembedded

systems

—Practicalunderstandingforindustry

—Tostimulateresearchinterest

FindProblem

FindSolution

KnownProblem

FindSolution

编程人员KnownProblem

KnownSolution

系统管理员、DBA…

《嵌入式系统设计方法》要点

号统级和模型驱动的工程化方法。

-步骤：设计、分析、实现、验证

•讨论嵌入式系统实现过程中的关键问题

-设计平台与工具(微处理器、OS、仿真调试)

—数字系统设计

-软硬件协同设计流程

-系统建模与描述方法

-低功耗设计

-性能分析

-嵌入式软件开发方法

-实町系统设计

—可罪性设计(Fault-Tolerant)

-分布式嵌入式系统

Ilxx@40/87

《嵌入式系统设计方法》大纲

•嵌入式系统概论

•嵌入式系统软硬件协同设计

-系统硬件平台：微处理器架构，I/。系统，通信

-系统软件平台：RTOS(uC/OS,FreeOS,RTX,RTEMS)

-SOPC方法Hardwarearchitectures

•CPUs,co-design,multiprocessors,

实时系统设计networks