嵌入式系统基本概念课件.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,*,陕西理工学院数学与计算机科学学院,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,Date:25.Feb 2005,陕西理工学院数学与计算机科学学院,课程概述,为什么要学习嵌入式系统导论？（,why,）,开课对象？（,who,）,本课程在专业方向中的地位？（,where,）,学什么？（,what,）,怎么学？（,how,）,为什么要学习嵌入式系统（,why,）,市场需求中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，,，嵌入式技术无处不在。,企业人才需求软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，,技术发展趋势要求8位、16位、32位，实时操作系统，,开课对象（,who,）,嵌入式方向,JAVA,方向,开课内容及教学安排,第一章：嵌入式系统基础知识,什么是嵌入式系统？结构？应用？微处理器？操作系统？嵌入式系统的设计过程？,第二章：嵌入式微处理器体系结构,ARM9,的存储组织结构？,ARM9,的异常？,ARM9,的汇编指令？,第三章：嵌入式系统的存储系统,存储器组织及接口方式？存储器接口设计？,第四章：嵌入式系统的接口设计,接口控制方式？,GPIO,？定时器？看门狗？,第五章：嵌入式系统软件平台,LINUX,的移植？文件系统？,第六章：嵌入式网络技术,I2C?CAN?USB?TCP/IP,如何学好这门课（,how,）,勤思考,勤动手,培养兴趣,课程要求及考核方式,一、,50,学时（理论教学,36,学时，实践教学,14,学时）；,二、考核方式：平时成绩,10,实验,20%+,期末,70,闭卷考试三、平时成绩评分方法：,平时成绩作业课堂纪律,四、准备作业本,五、注意课堂记录,嵌入式系统的定义,单片机与嵌入式系统应用,定义,嵌入式系统是,嵌入,到,对象体系,内部的,专用计算机系统,嵌入式系统的定义,一般定义（国内普遍认同）,以,应用,为中心，以计算机技术为基础，其,软硬件可,配置,，对,功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束,的一种,专用,系统，所用的计算机称为嵌入式计算机。,嵌入式系统的定义,对概念的理解,狭义：人们一般将埋藏在宿主设备中的专用的、使用者不可见的微处理器系统称为嵌入式系统。,广义：计算机可以作为某种技术过程的核心处理环节,嵌入式系统的特点,1,）面向特定应用，专用性强,2,）软硬件需高效设计，量体裁衣,3,）融合多种技术,4,）程序固化,5,）全自动循环操作,6,）要求软件高质量、高可靠性,7,）,嵌入式系统需要开发工具和环境,嵌入式系统的特点,嵌入式系统的产业链,嵌入式系统的应用,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,消费电子,军事国防,电子商务,网络,工业控制,嵌入式系统的应用,军用,嵌入式计算机系统，最早出现在60年代武器控制中。,各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。在海湾战争到最近伊拉克战争中广泛使用。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。,嵌入式系统的应用,家用,我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，,VCD、DVD,音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，电冰箱，智能玩具等。广泛采用微处理器微控制器及嵌入式软件，,EMIT,已用于社区对家用电、水、煤气表远程抄表、洗衣机遥控。,现在每个家庭使用的嵌入式处理器平均约30,40个，一台,pc,机就有可能包含10个嵌入式处理器。,嵌入式系统的应用,工业用,各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等广泛采用微处理器、控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入式计算机。,汽车中的嵌入式系统：汽车内部正在迅速发展成为一个具有相当规模的局域网（,LAN）。,为什么要这么做？,车灯控制，车内音响，车上电脑，语音转换，,嵌入式系统的应用,商用,各类收款机、,POS,系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、,IC,卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备。,嵌入式系统的应用,办公用,复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理（,PDA）、,变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。,女娲,Hopen,嵌入式软件已用于机顶盒、网络电视、电话、手机、个人数字助理（,PDA）,嵌入式系统的应用,医用,各种医疗电子仪器，,X,光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。,在我国信息家电产品年需求量几亿台，每一类数字化家电产品都有千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台需求量，商用嵌入式系统需求量几百万台。我国已有集成电路及板级产品的大批量生产能力，出口的嵌入式应用产品亦将逐步增长，在全球市场也可占有一席之地。,嵌入式系统的应用,goReader Internet eBook,Samsung AnyWeb,Internet Screen Phone,eRemote,Intelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital Album,Digital Photo Album,一些典型的嵌入式系统应用,美国“捕食者”战斗机,嵌入式系统的应用,阿富汗参加反恐作战的,“,赫耳墨斯,”,价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,军事侦察,嵌入式系统的应用,2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。,反恐防暴,嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用,微型飞行器-“黑寡妇”,空中飞行器,基于,Win CE,的移动机器人平台,嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用,高 48,cm,重:6,kg,灵活性：20,DOF,操作系统:,RT-Linux,接口形式:,USB 1.0(12Mbps),响应周期:1,ms,能源：,DC24V x 6.2A(150W),制造：富士通,日本富士通公司的仿人型机器人,HOAP-1,基于,RTLinux,的仿人机器人,基于,VxWorks,的火星探路者,嵌入式系统的应用,2004年“勇气号”再次登陆火星,嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用,信息家电的应用,嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用,汽车电子,嵌入式系统的应用,智能玩具与机器人,嵌入式系统的应用,嵌入式系统的应用,医疗,工业控制,嵌入式系统的结构,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,嵌入式系统基本组成,硬件结构,软件结构,嵌入式系统的发展阶段,第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；,第二阶段是以嵌入式,CPU,为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；,第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；,第四阶段是以,Internet,为标志的嵌入式系统。,2025/9/18 周四,嵌入式系统的发展阶段,2025/9/18 周四,嵌入式系统的发展趋势,1.,轻型,2.,小型,3人性化,与,PC,相比所具有的特点,嵌入式软件系统,PC,引导代码,Bootloader,引导，针对不同电路进行移植,主板的,BIOS,引导,OS,Wince,Vxworks,linux,等，需要移植,Window,linux,不移植,驱动程序,每个设备都必须针对电路板进行开发,Os,中含有大多数，直接下载,协议栈,移植,Os,或第三方供应商提供,开发环境,借助服务器进行交叉编译,在本机可开发调试,仿真器,需要,不需要,嵌入式系统的分类,（,1,）简单嵌入式系统,如以单片机、,DSP,为微处理器的系统，系统软硬件复杂度很低。,（上下位机通讯等，小的智能家电）,（,2,）复杂嵌入式系统,如以ARM,，,soc,为核心，,32,位以上（速度快，外围接口能力强）,可以移植嵌入式操作系统，现在所指的嵌入式系统。,嵌入式微处理器和嵌入式操作系统,嵌入式微处理器特点,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,嵌入式操作系统,嵌入式微处理器特点,嵌入式处理器分类,嵌入式片上系统,SOC,嵌入式处理器,嵌入式微处理器,MPU,嵌入式微控制器,MCU,嵌入式,DSP,处理器,2025/9/18 周四,嵌入式微处理器特点,对实时多任务有很强的支持能力,具有功能很强的存储区保护功能,可扩展的处理器结构,嵌入式微处理器必须功耗很低,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,ARM,（,Advanced RISC Machines,）,全球领先的,16/32,位,RISC,微处理器知识产权核供应商,ARM,处理器三大特点,耗电少，成本低，功能强,16/32,位双指令集,全球众多合作伙伴保证供应,ARM,处理器性能卓越，占据,80,的市场,ARM,的,RISC,性能全世界领先，小尺寸封装，具有最低的芯片成本，在非常低的功耗和价格下提供高的性能。,双指令集可以相互切换，可以优化软件设计,保证了大量的开发工具和第三方资源,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,Partner,授权费,IP,ARM,创造和,设计,IP,产品，例如：芯片,Partner,把,ARM IP,和其他,IP,集成进产品,OEM,Customer,版权费,单价,OEM,用来自,ARM Partner,的芯片设计制造最终用户产品,业务拓展,/,市场格局,ARM,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,ARM,系列,ARM7,、,ARM9,、,ARM9E,、,ARM10,、,ARM11,、,SecureCore,、,Intel XScale,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,S3C2410,S3C2410,是三星公司生产的基于,ARM920T,内核的,RISC,微处理器，主频率可达,203MHz,，适用于信息家电、,Smart Phone,、,Tablet,、手持设备、移动终端等领域,三个通用异步串行端口,2,个,USB HOST,8,通道,10,位,ADC,和触摸屏接口,ARM,嵌入式微处理器体系结构概述,ARM,指令集,大量的寄存器，都可用于多种用途,Load-Store,体系结构,3,地址指令（两个源操作数寄存器和结果寄存器独立设定）,每条指令都条件执行包含非常强大的多寄存器,Load,和,Store,指令,能在单时钟周期执行的单条指令内完成一项普通的移位操作和一项普通的,ALU,操作,能过协处理器指令集来扩展,ARM,指令集，包括在编程模式下增加了新的寄存器和数据类型,在,Thumb,体系结构中以高密度,16,位压缩形式表示指令集,嵌入式操作系统,实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和免费型。,商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。,免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有,Linux,和,C/OS,，稳定性与服务性存在挑战。,嵌入式操作系统,VxWorks,VxWorks,操作系统是美国,WindRiver,公司于,1983,年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（,RTOS,），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,VxWorks,所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。,它支持多种处理器，如,x86,、,i960,、,Sun Sparc,、,Motorola MC68xxx,、,MIPS,、,POWER PC,等等。,大多数的,VxWorks API,是专有的，火星机器人。美国市场第一名,嵌入式操作系统,Windows Embeded,Windows CE 3.0,：一种针对小容量、移动式、智能化、,32,位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。,针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，,WindowsCE,嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，目前也开始中文手机的研究开发。,由于其,Windows,背景，界面比较统一认可。,操作系统的基本内核需要至少,200K,的,ROM,。,嵌入式操作系统,PalmOS,Palm OS,是著名的网络设备制造商,3COM,旗下的,Palm Computing,掌上电脑公司的产品。,特点：,Palm OS,在,PDA,市场上占有很大的市场份额，主要与,WIN CE,进行激烈竞争。,2025/9/18 周四,嵌入式操作系统,Hopen OS,北京凯思昊鹏公司的产品，“女娲”计划,内核小，一般在,10k,左右,实时、多任务、多线程,嵌入式操作系统,嵌入式实时内核,uC/OS,uC/OS,是一款公开源代码的免费实时内核,uC/OS,的特点：具有,RTOS,基本的特点，代码尺寸小、结构简明、易学、易移植,源代码的绝大部分是用,C,语言写的，经过简单的编译，就能在,PC,机上运行；用汇编语言写的部分只有,200,行左右，该实时内核可以方便地移植到几乎所有的嵌入式应用类,CPU,上,嵌入式操作系统,嵌入式,Linux,Linux,是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多,Linux,爱好者又是,Linux,开发的强大技术后盾。,Linux,的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。,Linux,不仅支持,x86 CPU,，还可以支持其他数十种,CPU,芯片。,嵌入式系统的选型原则,嵌入式微处理器的选型原则,嵌入式操作系统的选型原则,嵌入式微处理器的选型原则,处理性能,技术指标,功耗,软件支持工具,是否内置调试工具,供应商是否提供评估板,嵌入式操作系统的选型原则,市场进入时间,可移植性,可利用资源,系统定制能力,成本,中文内核支持,2025/9/18 周四,62,2.3,嵌入式系统的设计过程,2.3.1,需求分析,2.3.2,规格说明,2.3.3,体系结构设计,2.3.4,软硬件构件设计,2.3.5,系统集成,2.3.6,系统测试,2025/9/18 周四,63,2.3.1,需求分析,作用,从客户那儿收集系统的,非形式描述,分类,功能性需求,接口设计,：输入输出信号、操作方式,非功能性需求,性能,成本,功耗,系统的尺寸和重量,2025/9/18 周四,64,嵌入式系统的设计过程,2025/9/18 周四,65,2.3.2,规格说明,作用,对,需求,进行,提炼,得到系统的,规格说明,作为正式设计指导和验收的标准,它起到客户和生产者之间的,合同,的作用,2025/9/18 周四,66,2.3.3,体系结构设计,作用,描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括,对硬件、软件的功能划分,以及,系统的软硬件选型,等,体系结构描述说明需要什么样的构件,一个好的体系结构是设计成功与否的关键,2025/9/18 周四,67,2.3.4,软硬件构件设计,作用,基于体系结构，对系统的软件、硬件进行,详细,设计,软件硬件,并行,设计,对于使用现成的硬件模块，大部分工作集中在,软件设计,上（硬件标准化、模块化、可重用）,如果设计硬件模块，大部分工作集中在,硬件设计,上设计技术,模块化设计技术,面向对象设计技术,组件设计技术,2025/9/18 周四,68,2.3.5,系统集成,作用,把软件、硬件、执行装置和被控对象集成在一起,进行调试,发现并改进单元设计过程中的错误,2025/9/18 周四,69,2.3.6,系统测试,作用,对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求,严格而全面的测试是产品质量保证的坚实基础,分类,白盒测试,黒盒测试,灰盒测试,第三方测试,2025/9/18 周四,70,2.5,实例分析,GPS,导航仪,方案设计,1,、需求分析,用户要求,2,、规格说明,做什么,3,、体系结构,如何做,2025/9/18 周四,711,、需求分析（用户）,功能,针对高速公路上的开车用户和类似用户,系统应展示,主要道路,和其它,陆地标志,用户界面,LCD,：,400*600,控制按钮不多于三个,按下按钮时屏幕弹出菜单，供用户选择,性能,地图应该,平滑,滚动，系统应在,15,秒钟,内显示当前地图,2025/9/18 周四,72,1,、需求分析（用户）,成本,单个设备零售价不高于,2000,5000,元,功耗,4,节,5,号电池供电，可持续,8,小时,物理尺寸和重量,设备应该可以非常舒适地放在手上,2025/9/18 周四,73,1,、需求分析（表格化）,名称,GPS,导航仪,目的,为开车者提供用户级移动地图和定位信息,输入三个控制按钮,输出,400*600,逆光,LCD,功能,显示当前的位置信息和地图,性能,屏幕刷新时间,0.25s,成本,1000,元,功耗,100mW,物理尺寸与重量,不大于,8cm*20cm,，,350g,2025/9/18 周四,74,2,、规格说明,GPS,导航仪基本构成,接收,GPS,卫星数据,地图数据,操作键盘,LCD,显示器（集成控制器）,2025/9/18 周四,75,2,、规格说明,工作框图,2025/9/18 周四,76,2,、规格说明,工作框图细化,2025/9/18 周四,77,2,、规格说明,类图,2025/9/18 周四,78,2,、规格说明,合作图,2025/9/18 周四,79,2,、规格说明,顺序图,2025/9/18 周四,80,3,、体系结构,处理器,CPU,核,存储控制器,Flash,、,SDRAM,UART,、,LCD,控制器、,GPIO,GPS,接收模块,UART,接口,键盘（键盘控制器）,LCD,SD/CF,卡,存储地图数据,2025/9/18 周四,81,3,、体系结构,硬件结构,2025/9/18 周四,82,3,、体系结构,硬件结构,键盘控制器,去抖动（,20ms,）,按键识别,窜键、连续按键处理等,可以软件实现,存储系统,Flash,存储程序和数据,SDRAM,运行程序、中间数据、地图缓存,SD/CF,卡,移动存储，存放地图数据2025/9/18 周四,83,3,、体系结构,硬件结构,GPS,接收模块,采用美国,GARMIN,公司的,GPS_25,接收板,体积小、性能优良、价格便宜、易于二次开发,数据信息,星历信息,(,卫星状况,),、位置信息,(,经度、纬度、海拔,),、时间信息,(,日期、时间,),、速度信息等,应用车载导航、智能交通、地理信息系统,(GIS),，提供实时的三维位置信息,软件接口协议,采用美国的,NMEA0183,基于,ASCII,码的接口协议,2025/9/18 周四,84,3,、体系结构,硬件结构,数据结构,GPS,接收模块周期性地发出异步串行数据帧,以,RS232C,为传输标准,数据帧由,帧头、帧内数据和帧尾,组成,帧头有几种格式,$GPGGA,、,$GPGSA,、,$GPGSV,、,$GPRMC,帧头标识了后续帧内数据的组成结构,帧尾：回车符和换行符,定位数据,如经纬度、速度、时间等可以从,$GPGGA,帧中获取,2025/9/18 周四,85,3,、体系结构,硬件结构,$GPGGA,帧格式,$GPGGA,UTC,时间,hh mm ss,格式,经度,dd mm mmmm,格式,经度方向（,N,或,S,）,纬度,dd mm mmmm,格式,纬度方向（,E,或,W,）,GPS,状态指示,使用卫星号（,0008,）,精度百分比,海平面高度,大地球面相对海平面的高度,差分,GPS,信息,差分站,ID,号,2025/9/18 周四,86,3,、体系结构,软件结构,2025/9/18 周四,87,3,、体系结构,软件结构,北京灵图公司导航地图数据库开发平台,SmrtGuider SDK 3.1,2025/9/18 周四,88,课后作业,查找相关资料总结嵌入式系统的发展趋势，相关技术的,网上查找当今比较流行的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，至少列出,8,种。,复习,Linux,基本常用命令。,安装,linux,虚拟机,先安装,vmware,软件，再运行映象文件,