嵌入式系统导论汇总课件.ppt

1、1第一章第一章嵌入式系統介紹2本章學習重點本章學習重點l嵌入式系統的基本概念與發展歷史l嵌入式運算與挑戰l分散式嵌入式系統l資訊家電的介紹3嵌入式系統概說嵌入式系統概說l英國電機工程師協會定義：嵌入式系統為控制、監視或輔助某個設備、機器或甚至工廠運作的裝置用來執行特定功能以微電腦與周邊構成核心需要嚴格的時序與穩定度全自動操作循環l設計的目的，在於滿足某種特殊功能，常用在各類實驗儀器、辦公設備、交通運輸設備、電信設備、製造設備、建築設備、醫療設備、航太設備、及個人電腦等設備之上。4各種嵌入式系統裝置各種嵌入式系統裝置 Hy-wire未來汽車 NASA火星漫遊者 Roomba機器人真空吸塵器 狗語

2、翻譯機 5嵌入式系統的發展歷史嵌入式系統的發展歷史 l嵌入式系統的興起是在1971年，由Intel公司推出有史以來第一顆四位元微處理器4004 l8086微處理器是第一個被大家所重視及熟悉的16位元微處理器 l國家半導體公司所推出的32000系列是第一個32位元的商用微處理器 第一顆四位元微處理器Intel 4004 6微處理器分類微處理器分類 l微處理器內部僅包含單純的中央處理器單元，稱為一般用途型微處理器 l將中央處理器、ROM、RAM及I/O等等裝置做到同一顆晶片上，這種微處理器稱為單晶片控制器（Single Chip Microcontroller）l目前最廣受市場歡迎的嵌入式處理器就

3、是由ARM公司出品的ARM系列處理器l數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP），最著名的是美國德州儀器公司CX家族系列 7Sony Ericsson的P800 Smart Phone 高度整合的嵌入式系統高度整合的嵌入式系統 8嵌入式系統的組成嵌入式系統的組成 l包含了中央處理器、記憶體、輸出裝置、輸入裝置 電腦的標準輸入裝置為鍵盤，但是微波爐的標準輸入裝置可能就是觸控面板 l以平台化設計（platform-based design，PBD）適應多種不同硬體與軟體的組合 硬體與軟體參考設計（reference design）平台 板級支援包（Board Sup

4、port Package，BSP）9典型的參考平台典型的參考平台資料來源：資策會MIC10嵌入式系統的應用與組成嵌入式系統的應用與組成 11嵌入式系統應用發展趨勢嵌入式系統應用發展趨勢 l系統：嵌入式作業系統（RTOS）VxWORKs、Nucleus、Palm、Windows CE、Linux l整合式晶片：SoCARM、MIPS、Rambus、Mentor、Synopsys、Insilicon、DSP Group、Virage Logic、Artisan以及Parthus l應用軟體 使用者端的應用軟體及伺服器端的整合軟體 l服務 日本NTT DoCoMo所發展的iMode服務 12嵌入式作

5、業系統提供廠商嵌入式作業系統提供廠商資料來源：資策會MIC13台灣台灣SoC SIP產業的主要廠商產業的主要廠商規格制訂RTL執行與發展模擬合成功能驗證LVS驗證佈局與繞線平面配置系統設計前段設計後段設計晶圓製造設計服務台積電、聯電、巨有、智原、源捷、擎亞、創意、科雅、勇領、世紀創新、亮發、宏太等Soft IPFirm IPHard IP台積電、聯電、巨有、智原、源捷、創意、世紀創新、亮發等資料來源：資策會MIC，2001年12月 SoC(System on a Chip)SIP(Silicon Intelligent Property)14 前五大嵌入式作業系統廠商前五大嵌入式作業系統廠商資

6、料來源：資策會MIC，2003年10月15嵌入式運算嵌入式運算 l將電腦嵌入到某一種應用裡進行運算 MIT的第一台支援即時 操作的旋風（Whirlwind）第一台手持式計算機HP-35 汽車設計採用單晶片CPU控制引擎，決定何時火星塞點火、控制油氣混合等等功能 Hewlett-Packard 公司所推出的第一台電子計算機 HP-35 16範例範例1-1 汽車裡的嵌入式系統汽車裡的嵌入式系統l防鎖死煞車系統（antilock brake system，ABS）是用來減少煞車打滑的問題 l自動化穩定控制系統 ASC+T調節汽車的穩定度 l透過這系統相互搭配，使得煞車的穩定度提昇不少 17使用嵌入式

7、系統的因素使用嵌入式系統的因素 l設計者必須依據不同領域來決定要使用那一種微處理機，設計出硬體平台、周邊I/O裝置，以滿足功能所需，並且要實作出軟體，讓該平台可以處理需要的運算。可以利用微處理器的精密運算能力，解決許多利用機械方式無法達到的控制與操作 同時能夠縮小體積與提升處理效率 18嵌入式系統的設計考量嵌入式系統的設計考量 l量身定做，也就是客制化（Customize）每一項嵌入式產品都有其特殊性，造成移植（porting）到不同機器上的困難度 l嵌入式系統的開發門檻 複雜的演算法 使用者介面 即時（real-time）功能 多重速度匹配 製造成本 省電 19嵌入式系統的設計挑戰嵌入式系統

8、的設計挑戰 l將不同領域的知識在有限的預算與時間內整合出穩定且高品質的產品，才是這個領域主要的困難 應該使用多少硬體 系統的期限是多少 最小化電力的需求 升級考量 是否真的可以用 完整測試 難以觀察與控制 嚴苛的發展環境 20嵌入式系統設計能力嵌入式系統設計能力 l硬體的晶片設計、電路與周邊設計，到軟體、韌體（firmware）系統整合，以及各式各樣的應用程式與服務提供，都是整個嵌入式系統領域包含的範疇 l一個軟體工程師應該具備的能力系統整合能力 語言能力 掌握市場應用導向 21分散式嵌入式系統分散式嵌入式系統 一個簡單的分散式嵌入式系統 Processor Element22範例範例1-2

9、汽車裡的分散式嵌入式系統汽車裡的分散式嵌入式系統 23具有網路能力的嵌入式系統具有網路能力的嵌入式系統 l通訊分析，先決定訊息延遲（message delay）所造成的影響l其中tx表示傳輸端負載時間，tn表示網路傳輸時間，tr表示接收端負載時間 rnxmtttt24範例範例1-3 訊息延遲時間計算訊息延遲時間計算 l假設某個匯流排傳輸速率每秒100Kbits，如果我們要傳送1byte的話，也就是8bits，所需要花費的網路傳輸時間為：l假設傳輸端與接收端的驅動程式，其傳送與接收的網路介面呼叫需要耗費20個指令來執行，在8MHz的微處理器所花費的時間為：l則總共的訊息延遲時間為：5108nt

10、sec66105.210125.020rxtt sec5656105.8105.2108105.2mt sec25多層網路通訊多層網路通訊(Multi-hop Network)26系統效率分析系統效率分析l需要分析整個系統的效率，並且給予適當的調整，好讓系統符合效率的最低要求。有時候必須引進負載平衡（load balancing）多重工作進行分散式嵌入式系統可能造成工作衝突 27網際網路能力的嵌入式系統網際網路能力的嵌入式系統 l稱為Internet-enabled embedded system或是稱為 Internet appliances不能提供即時功能給分散式嵌入式系統，但是仍然可以做

11、一些不需要即時性互動的功能 網際網路提供標準的通訊方式，讓每一個具有網路位址（IP address）的系統，可以彼此溝通 因為嵌入式系統一般的記憶體空間與儲存空間不是很多，但是網際網路協定運作需要比較大的記憶體空間，所以必須取捨一些不需要的網際網路服務，以縮小所佔用的空間 個人數位助理（PDA）、雷射印表機或是傳真機 28資訊家電資訊家電 lInformation Appliance，IA：能與網際網路互動，專為特定功能而設計，並且易於使用的產品 一種專門應用於資訊方面的家電，應用範圍包含知識、新聞、圖形、影像、影片及聲音，具有特定的功能，最重要的是這些資訊家電彼此之間可以交換資訊。主要的特色

12、是具功能性、品質穩定、可靠性及易於使用性，方便、容易使用可說是IA的精神，這樣才能符合真正的需要。29各種型態的各種型態的IA產品外觀產品外觀 資料來源：資策會MIC ITIS計畫整理，1999年12月 30資訊家電的興起資訊家電的興起 l網際網路普及l半導體設計及製程技術的改善 Predicated by Moores Lawl3C（Computer、Communication、Consumer Electronics）技術的快速整合l使用者的需求l資訊服務應用生活化31行動數位娛樂裝置的銷售成長行動數位娛樂裝置的銷售成長 資料來源：IDC,Jun,2003 32資訊家電系統的產品資訊家電系

13、統的產品 l個人型/行動型（personal/mobile）資訊家電產品 電子書、可攜式全球定位系統裝置（Portable global positioning devices）、可上網行動電話、個人數位助理（PDA）配合無線傳輸功能及穿戴式電腦（Wearable computers）l家庭式/娛樂式/視聽式（Home/Entertainment或Audio/Video）產品 網路電視配合視訊轉換器（WebTV and Set-Top Box）l企業型/網路型（Enterprise/Networking）產品嵌入式伺服器（embedded server）及精簡型終端設備（thin client

14、）33IA產業之各種產品關聯產業之各種產品關聯NCNet PCInternet Commerce EquipInternet Traffic EquipWBT(Windows BasedTerminal)Lean ClientInternet TVNetTV(WebTV)Internet STBGame ConsoleScreen PhoneA/V over IPHPC/Palm TopMini NotebookE-BookPDASmart PhoneSuper PhoneInformation AppliancesInformation Appliances企業用戶企業用戶(網路運算環境網路

15、運算環境)家庭用戶家庭用戶(娛樂多媒體中心娛樂多媒體中心)個人用戶個人用戶(個人行動資訊站個人行動資訊站)資料來源：工研院經資中心 經濟部ITIS計畫，2000、資料整理：MIC 34資訊家電的功能資訊家電的功能 l資訊擷取 資訊家電藉由連網能力，可以與其他的資訊服務提供者或是其他的家電系統互相溝通 l娛樂功能 遊戲機與MP3撥放機等影音設備，佔了資訊家電極大的市場，這證明了未來娛樂設備的發展，會越來越形重要 l溝通人際 方便的與他人取得聯繫與溝通 35未來嵌入式產業之技術需求未來嵌入式產業之技術需求Any TimeAny MediumAny WhereAny ContentConsumer Electronics-Low Cost-Low Power-造型外觀設計能力Communications-寬頻-無線Computer-運算技術-量產能力SoCRTOSInformation Access用戶需求技術需求36總結總結l嵌入式系統的起源與相關歷史 l由於電腦技術的快速發展，原本計算領域從超級大電腦逐漸衍生到嵌入式運算，也從通用領域變成變化萬千的專用領域 l未來這幾年最大的進展，將是個人電腦的形式會延伸到各種大小的智慧型設備中