某大学嵌入式系统第1讲课件.ppt

1、2023-1-25生物医学工程学院电子技术系2第一讲 第1章嵌入式系统概述2023-1-25生物医学工程学院电子技术系3第一章 嵌入式系统概述n本讲主要内容:n嵌入式系统的定义n嵌入式系统的基本组成n嵌入式系统的特点n嵌入式系统的主要应用领域n嵌入式系统的发展趋势n课程的学习方法2023-1-25生物医学工程学院电子技术系4第1节 嵌入式系统的定义2023-1-25生物医学工程学院电子技术系5计算机发展史n1947年，晶体管诞生n1957年，集成电路的概念被提出n1958年，TI制作出第一片集成了电阻电容等分立元件的半导体n1959年，FairChild使用平面工艺制作出第一片集成电路n新技术

2、的出现导致了新冒险家的诞生，Intel等公司在这种背景下开始出现2023-1-25生物医学工程学院电子技术系6第一颗微处理器的诞生n1971年，Intel Ted Hoff，40042023-1-25生物医学工程学院电子技术系7个人PC的诞生n处理器的发展从4004，到4040,8008,8080n1974年，在8080的基础上，出现了为人们熟悉的PC机2023-1-25生物医学工程学院电子技术系8嵌入式系统的起源n微机时代的到来70年代微处理器的出现4004n嵌入式系统的出现70年代微机在控制方面的应用n外形上，失去了原有的微机系统外观特征n用途上，失去了原有的微机系统的通用性特征n结构上，

3、附加了很多外设接口电路2023-1-25生物医学工程学院电子技术系9计算机系统的两个发展分支n通用计算机系统发展分支n目标：高速海量的数字处理能力n路线：总线速度的无限提升；存储量的无限扩大n其他：功耗增加，体积增大n嵌入式系统发展分支n目标：与对象系统密切相关的嵌入式性能，控制能力和控制的可靠性n路线：单芯片实现，多样化n其他：低功耗，小体积，接口丰富2023-1-25生物医学工程学院电子技术系10通用微处理器的发展道路n从1978年8086的诞生开始飞速发展，经历80186,286,386,486，奔腾I，奔腾II，奔腾III，奔腾IV2023-1-25生物医学工程学院电子技术系11嵌入式

4、处理器发展道路n嵌入式处理器的独立发展的标志为Intel MCS51处理器的诞生。n在此之后，Intel逐渐退出嵌入式处理器市场，开始百家争鸣2023-1-25生物医学工程学院电子技术系12嵌入式处理器的发展道路n单片机标志嵌入式系统开始独立发展n嵌入式处理器的发展阶段nSCM(Single Chip Microcomputer)nMCU/MPU(Micro Controller/Processor Unit)nSoc(System on Chip)n不同字长的嵌入式微处理器n8位机MCS-51，M68HC08n16位机M68HC16n32位机ARM系列2023-1-25生物医学工程学院电子技

5、术系13第1章 嵌入式系统概述1.1嵌入式系统的定义n嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软、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。n计算机的扩展定义：把基于处理器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分成两大部分，即通用计算机和嵌入式计算机。n嵌入式系统-嵌入式计算机，即非通用计算机系统。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系14第1章 嵌入式系统概述n英国电机工程师协会的定义：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂运作的装置。它具备了下列特性：通常执行特定功能；以微电脑与周边构成核心；严格的时

6、序与稳定度要求；全自动操作循环。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系151.1嵌入式系统的定义n嵌入式系统可应用于所有电子产品：n个人数字助理（PDA）n手机手机n机顶盒n汽车控制系统n微波炉控制器n电梯控制器n安全系统n自动售货机控制器n医疗仪器n立体音响n自动取款机n2023-1-25生物医学工程学院电子技术系16第2节 嵌入式系统的基本组成2023-1-25生物医学工程学院电子技术系171.2嵌入式系统的基本组成n嵌入式系统由硬件、软件和开发系统组成n硬件结构图电源晶振电路复位电路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232NetLCDKeyboardCPU和

7、外围电路外部电路2023-1-25生物医学工程学院电子技术系181.2嵌入式系统的基本组成2023-1-25生物医学工程学院电子技术系191.2嵌入式系统的基本组成1.嵌入式系统的硬件n嵌入式核心芯片：nEMPU-嵌入式微处理器nEMCU-嵌入式微控制器nEDSP-嵌入式数字信号处理器nESoC-嵌入式片上系统nEPSoC-嵌入式可编程片上系统n存储器系统n程序存储器（ROM,EPROM,Flash）n数据存储器（随机存储器）n参数存储器（EEPROM）nNVRAMn外部接口n一般嵌入式处理器上已集成了接口，但是外设需要外接。例如大多数的嵌入式通信控制器集成了以太网接口，但是收发器需要外部电路

8、。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系201.2嵌入式系统的基本组成2.嵌入式系统的软件n分为两大部分。n嵌入式操作系统：VRTX、pSOS、VxWorks、Windows CE、EPOC、Linux、PALM、OS9、Java CHORUS OS、QNX、NAVIO、uCOSIOS、AndroidAndroid、Windows 8n应用软件:为不同应用而编写的软件。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系211.2嵌入式系统的基本组成2023-1-25生物医学工程学院电子技术系222.嵌入式系统的软件n4个层次：n设备驱动接口（DDI，Device Driver Interfac

9、e）-负责嵌入式系统与外部设备的信息交互；n实时操作系统（RTOS，Real Time Operation system）n基本模块：是操作系统的核心，负责整个系统的任务高度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面（GUI，Graphics User Interface）等基本服务。n扩展模块：提供操作的扩展功能，包括网络、数据库等。n可编程应用接口（API，Application Programmable Interface）也称为编程中间件、应用中间软件，是为编制应用程序提供的各种编程接口库。n应用软件-针对不同就用而由开发者自己编写的软件。2023-1-25生物医学工程学院

10、电子技术系231.2嵌入式系统的基本组成3.嵌入式系统的开发工具和开发系统n开发工具：独立于嵌入式系统产品之外，用于开发主机，包括语言编译、连接定位器、调试器-构成开发系统和开发工具。n开发语言：C语言，嵌入式C+，Java，汇编语言。n汇编语言使用场合：n开发小系统时，可有效地减少代码存储空间；n用于系统的初始化和与硬件有关的代码；n对于时间要求苛刻的应用，例如基于DSP数据处理的嵌入式系统。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系24第3节 嵌入式系统的特点2023-1-25生物医学工程学院电子技术系251.3 嵌入式系统的特点n嵌入式系统的主要特点1、通常含有面向特定应用的嵌入式CP

11、U。2、是计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合的产物。3、其硬件和软件的设计效率要高。4、与具体应用紧密结合，其升级换代也与具体产品同步进行，因此生命周期较长。5、其软件均固化在存储芯片或单片机中，因此，速度和可靠性较高。6、不具备独立开发能力，必须借助外部开发工具或系统进行设计，因此用户不能对其中的程序功能进行修改。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系261.3 嵌入式系统的特点n嵌入式处理器n嵌入式处理器分为三类：n微处理器MPU。与通用计算机的CPU相对应的微处理器。n微控制器MCU。它将CPU、存储器和其他外设封装在同一集成电路里，也称为单片机。n数据信号处

12、理器DSP。专门用于对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系27n微内核结构n大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构n内核只提供基本功能，如：任务调度、任务间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。n其他应用组件，如：网络功能、文件管理、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。应用组件是可剪裁的。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系281.3 嵌入式系统的特点n任务调度n在嵌入式系统中，任务即进程或线程。大多数嵌入式操作系统支持多任务。任务调度有三种方式：n可抢占式n不可抢占式n时间片轮转2023-1-25生物

13、医学工程学院电子技术系29n硬实时系统和软实时系统n软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好。n硬实时系统对响应时间有严格的要求，一旦系统响应不能满足，可能引起系统崩溃或致命的错误。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系301.3 嵌入式系统的特点n内存管理n有MMU处理器而设计的操作系统，能与硬件配合采用虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到MMU，MMU将它映射为物理地址。物理地址是分页的，采用分页加载进程，操作系统将当前要运行的部分页装入内存运行。n大多数操作系统没有MMU的处理器设计，是采用实存储器管理策略。对内存的访问是直接的，直接送到地址

14、线上输出，即使用的地址是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，程序运行前需要分配好内存空间。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系31n内核加载方式n嵌入式操作系统内核可在Flash直接运行，也可加载到内存运行。n嵌入式操作系统对用户程序一般采用静态链接的形式。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系321.3 嵌入式系统的特点n嵌入式系统的核心是微处理器，而嵌入式微处理器具备以下四个特点：n具备实时多任务处理能力；n具有存储区保护功能；n可扩展的处理器结构；n功耗很低。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系33第4节 嵌入式系统的主要应用领域2023-1-25生物医学工

15、程学院电子技术系341.4 嵌入式系统的主要应用领域n家庭信息化网络n网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事务管理。n机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、嵌入式视频服务器、车载导航器系统等n移动计算设备n手机、PDA、掌上电脑。n网络设备n路由器、交换机、网络服务器、网络接入点。n工业控制、仿真、医疗仪器n这些领域对嵌入式系统的需求在不断增长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。n同时，Java技术的发展，对开发相关无线通信软件起到推动作用。2023-1-25

16、生物医学工程学院电子技术系351.4 嵌入式系统的主要应用领域2023-1-25生物医学工程学院电子技术系361.4 嵌入式系统的主要应用领域2023-1-25生物医学工程学院电子技术系371.4 嵌入式系统的主要应用领域2023-1-25生物医学工程学院电子技术系381.4 嵌入式系统的主要应用领域n嵌入式视频服务器的架构2023-1-25生物医学工程学院电子技术系391.4 嵌入式系统的主要应用领域n现代化家庭2023-1-25生物医学工程学院电子技术系401.4 嵌入式系统的主要应用领域n中国数字电视发展规划n20022002年完成地面广播传输标准的测试；年完成地面广播传输标准的测试；n

17、20022002年底颁布国家数字电视有线传输标准；年底颁布国家数字电视有线传输标准；n20032003年底前颁布国家数字电视地面广播标准和相关配套标准，确定数字电视标准体系；年底前颁布国家数字电视地面广播标准和相关配套标准，确定数字电视标准体系；n20052005年在有条件的城市推广数字电视播出；年在有条件的城市推广数字电视播出；n20082008年的北京奥运会上向全世界传输数字高清晰度电视节目，主要的大城市开始数字电年的北京奥运会上向全世界传输数字高清晰度电视节目，主要的大城市开始数字电视商业广播；视商业广播；n20152015年数字电视成为我国电视播出的主要方式。年数字电视成为我国电视播出

18、的主要方式。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系411.4 嵌入式系统的主要应用领域n通信市场通信市场n电话交换系统n电缆系统n卫星和全球定位系统（L3D）n数据交换设备n移动电话nPDA2023-1-25生物医学工程学院电子技术系421.4 嵌入式系统的主要应用领域n通信市场通信市场n智能网络电话机n通过普通电话线与网络相连。n宽带网络电话机n通过宽带接入Internet。n目前IP电话发展现状n据统计，全球电话业务收入综合年增长率将以的速度增长，到年电话已占国际电话业务量的三分之一。到年，国际长途将占业务市场的。电话已成为当前各国电话运营重点发展的业务之一。2023-1-25生物医

19、学工程学院电子技术系431.4 嵌入式系统的主要应用领域n工业市场工业市场n制造工厂污水处理系统n发电站和电力传输系统n自动化工厂控制系统开发，维护和测试的工具n石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备n计算机辅助制造系统n能源控制系统，核电站n机器人系统等n商业和金融市场商业和金融市场n自动柜员机n信用卡系统n售货端系统n安全系统2023-1-25生物医学工程学院电子技术系441.4 嵌入式系统的主要应用领域n办公市场办公市场n电话系统n传真系统n复印机n计时系统n照相机和摄象机n运输市场运输市场n航空、铁路、公路运输系统n航空管理、雷达系统n交通指挥系统n停车系统、售票系统n乘客信息系统n检票系

20、统n行李处理系统n应急设备等2023-1-25生物医学工程学院电子技术系451.4 嵌入式系统的主要应用领域n建筑市场建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等n医疗市场医疗市场n心脏除颤器n心脏起搏器n患者信息和监视系统n理疗控制系统n电磁成像系统n便携式生理参数记录仪2023-1-25生物医学工程学院电子技术系461.4 嵌入式系统的主要应用领域n医疗影像网络医疗影像网络PACSPACSn主要功能：n医学影像的采集和数字化n图像的存储和管理n医学图像的高速传输n图像的数

21、字化处理和重现n图像信息与其他信息nPACSPACS子系统子系统n影像实时采集子系统 n影像分析处理子系统 n影像的查询、管理和存储子系统 n图文编辑及打印子系统 n数字图像回写子系统 n远程会诊子系统 n系统管理子系统2023-1-25生物医学工程学院电子技术系471.4 嵌入式系统的主要应用领域n医疗影像网络医疗影像网络PACSPACS2023-1-25生物医学工程学院电子技术系481.4 嵌入式系统的主要应用领域n军事领域军事领域n军事工业应用特点n市场垄断性强n高利润n可靠性要求高n安全性要求高n成本要求不高n军事工业产品n数字化单兵信息装备n夜视扫描、全球定位、指挥通信n21世纪部队

22、旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2）C4ISR系统(指挥、控制、通讯、电脑、情报、监视、侦察)2023-1-25生物医学工程学院电子技术系491.4 嵌入式系统的主要应用领域n军事领域的特殊要求军事领域的特殊要求n尺寸和重量:n在军事和航天环境中，空间是非常珍贵的。对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素，但在工业上应用并不重要。n功率消耗:n电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题。因为发热与功耗成正比，降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求。n震动和冲击:n军事和空间系统要适合在恶劣运动环境中工作和

23、贮存。这些环境包括：大范围或小范围的重复运动；芯片、模块和模板可能部分或全部变位或断线；由于震动而加重的电化学反应引起的腐蚀，使模板互连金手指管脚的导电性能变差；由于使用硬盘驱动器致使数据的完整性成为难题等。n温度和湿度:n大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下。用于军事和空间产品的电子产品的可靠工作范围必须在-40+85。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系501.4 嵌入式系统的主要应用领域n军事领域军事领域2023-1-25生物医学工程学院电子技术系511.4 嵌入式系统的主要应用领域n军事领域军事领域n21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2）作为美

24、国陆军战斗指挥系统的一部分，FBCB2应用软件将在Applique+V4型计算机上运行，构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统。FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官、战斗支援部队以及战斗服务支援部队提供在行进中、近实时的事态感知以及指挥和控制信息，使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系521.4 嵌入式系统的主要应用领域n军事领域军事领域n关于中国C4ISR系统的消息n消息来源声称这一系统的研制已经进行多年，有关的分系统目前已经部分进入中国军队服役。战区级别的C3I系统预计若干年之内全面建成。n规划之中的国家级C4ISR系统包括2个以上

25、的海岸指挥作战中心下设若干海岸雷达,海岸火炮,声纳分系统并使用数据链同国家宇宙作战中心相连接。国家宇宙指挥作战中心又通过卫星同联合作战指挥中心,防空作战中心、陆军作战指挥中心等分系统衔接.整个大系统还包括两个以上的电子作战指挥中心。每个下设电子对抗,电子作战飞机,电子侦察,电子支援分中心。它又透过国家宇宙作战中心同防空指挥中心等衔接.在电子作战指挥中心之外,还设有一个雷达信息处理系统。下设电子侦察,防空雷达等分系统,并与战术防空系统联网。战术防空系统包括地对空导弹部队,防空雷达,国土防空战斗机等分系统。战术防空系统又通过宇宙作战中心同防空作战中心联网。2023-1-25生物医学工程学院电子技术

26、系53第5节 嵌入式系统的发展趋势 2023-1-25生物医学工程学院电子技术系541.5嵌入式系统的发展趋势 n嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持n面对嵌入式系统应用领域的不断扩大，功能要求更加多样化和强大，将推动开发工具和操作系统的进一步支持。n连网成为必然趋势n为适应嵌入式分布处理结构和上网应用需求，要求嵌入式系统配备有网络通信接口。n支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本n为了适应这些需求，要求嵌入式系统芯片设计和软件设计更加简化、采用更加先进的嵌入式设计技术。n提供精巧的多媒体人机界面n嵌入式设备之所以得到用户的接受，是因为它们已初步具备台式计算机的多媒体人机

27、界面的交互能力，但达到台式计算机的功能还需要进一步的努力。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系551.5嵌入式系统的发展趋势 n芯片的高集成度2023-1-25生物医学工程学院电子技术系561.5嵌入式系统的发展趋势 n芯片的高集成度2023-1-25生物医学工程学院电子技术系571.5嵌入式系统的发展趋势 n芯片的高集成度2023-1-25生物医学工程学院电子技术系581.5嵌入式系统的发展趋势 n硬件发展的潜力2023-1-25生物医学工程学院电子技术系591.5嵌入式系统的发展趋势 n设计能力推动工艺的改进2023-1-25生物医学工程学院电子技术系601.5嵌入式系统的发展趋势

28、 n基于集成电路核的SOC设计2023-1-25生物医学工程学院电子技术系611.5嵌入式系统的发展趋势 n软硬件协同设计1.6 课程的学习方法n嵌入式系统属于专用的计算机系统，必须广泛的了解微机原理，对计算机系统理论深刻认识。n嵌入式系统涉及硬件和软件的结合，必须重视这两方面的知识。n多涉猎计算机体系的知识，最好对计算机的底层架构有所接触。n结合日常生活知识，进一步加深嵌入式系统的理念。n重视实验课程。多做实验，多思考实验中的现象，努力解决问题。2023-1-25生物医学工程学院电子技术系63课程内容安排n硬件：ARM处理器ARM系统的外部设备ARM系统的接口n软件：Linux系统Android系统2023-1-25生物医学工程学院电子技术系64学习方法n多动手n多实验n以Android为主n实现一些小的嵌入式项目