基于ARM的嵌入式系统开发.ppt

1、1,第六部分 嵌入式系统的高级技术,主要内容,6.1 引言 6.2 嵌入式系统可靠性设计 6.3 嵌入式系统安全性设计 6.4 嵌入式系统低功耗设计 6.5 嵌入式系统分析与优化,2,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6.1 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/MP4：MP3/MP4解码算法 手机：信号处理、通信工程 工程经验积累 发现问题、分析问题、解决问题,3,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6.2 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

2、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,4,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1 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,5,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1 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 平均无故障间隔时间MTBF

3、 平均修复时间MTTR,6,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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,7,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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,8,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 电磁兼容性设计,电磁兼容性 EMCElectroMagnetic Compatibility 是指电子产品能在规定的电磁环

4、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,9,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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,10,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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

5、其防护（ESD） 静电的产生 静电的危害 静电的防护,11,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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,12,第六部分 嵌入式系统的高级技术,4 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,13,第六部分 嵌入式系统的高级技术,4 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

6、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,14,第六部分 嵌入式系统的高级技术,5 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,15,第六部分 嵌入式系统的高级技术,5 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

7、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,16,第六部分 嵌入式系统的高级技术,5 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,17,第六部分 嵌入式系统的高级技术,5 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

8、结果 两个独立子系统同时失效的概率较小,18,第六部分 嵌入式系统的高级技术,19,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6 故障检测技术,嵌入式系统的脱机自检 指令系统自检 RAM、ROM、外设及接口的自检 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 直流电机接口的在线检测 瞬时掉电保护,20,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6.3 嵌入式系统安全性设计,1、嵌入式系统面临严重的安全挑战 2、硬件安全 3、软件安全 4、安全与可信,21,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1、嵌入式系统面临严重的安全挑战,端设备性能逐步强大，减少信息交换，提高效率 安全、私有信息逐步

9、转移到端设备中 端设备不具有可控性，容易遗失、被盗、 设计者很难考虑到所有的安全隐患 端设备在设计时，应当充分考虑到恶劣的攻击环境 硬件被攻击、软件被攻击、通信被攻击、服务器端被攻击,22,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2、硬件安全,硬件可能被剖析、仿制、破坏 潜在的硬件缺陷一旦被发现，很难通过“打补丁”方式修正 硬件攻击更容易实现 一台数字示波器 一个读卡器 硬件在设计时应尽可能考虑安全问题，有补救措施 宁可报废，也不泄露,23,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3、软件安全,软件由于复杂度问题，难以排除所有漏洞 建立一定的制度，定期发布补丁 使用辅助工具完成漏洞排查 难以修补的底层问题，应

10、借助硬件完成,24,第六部分 嵌入式系统的高级技术,4、安全与可信,如何建立一个可以信赖的计算环境？ 硬件可以信赖？不被Hack？ 软件可以信赖？ 通信可以信赖？ 服务可以信赖？ 如何保证信任的传递？ 从理论上保证信任可以传递：从硬件-软件-应用-服务 加密技术、完整性验证 TPC,25,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6.4 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,26,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1 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

11、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,27,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1 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,28,第六部分 嵌入式系统的高级技术,1 概述（续）,功耗产生的原因 集成电路的功耗包括静态功耗和动态功耗两部分 静态功耗电路状态没有翻转时产生的功耗 静态

12、功耗：Ps = V*I 动态功耗电路状态发生翻转时产生的功耗 动态功耗：Pd=V2*f*C V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，因此降低功耗主要从降低动态功耗入手,29,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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，功耗比较大 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,30,第六部分 嵌入式系统

13、的高级技术,2 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,31,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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

14、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15mW,32,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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,33,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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

15、大，频率越高，功耗越高 例如：时钟频率32.768kHz、3V工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作电流只有15A 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,34,第六部分 嵌入式系统的高级技术,2 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

16、不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗,35,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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,36,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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

17、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,37,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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

18、入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒,38,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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,39,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 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,40,第六部分 嵌入式系统的高级技术,3 软件低功耗设计（续）,显示器静态/动态显示 嵌入式系统的显示方式有两种：静态显示和动态显示 动态显示 电路简单，需要CPU控制显示的刷新，会消耗一定的功耗 静态显示 电路复杂，虽然电路消耗一定的功率，如果采用低功耗电路和高亮度显示器可以得到很低的功耗 进行系统设计时，采用静态显示还是动态显示，需要根据使用的电路进行计算以选择合适的方案,41,第六部分 嵌入式系统的高级技术,6.5 嵌入式系统分析与优化,一、程序执行功耗的分析与优化 二、程序代码大