嵌入式系统技术 Part 1 嵌入式系统基本概念李国才 四川大学电气信息学院 2012.02嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院2/53内容大纲通过本部分学习，要求掌握嵌入式系统的基本 概念-ch1嵌入式系统定义 嵌入式系统组成 嵌入式系统硬件和软件特征 嵌入式系统应用领域和发展趋势 一些典型应用嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院3/53什么是“嵌入式系统”?近年来“嵌入式系统”一词开始风靡起来，小到普通 的MP3播放器、PDA个人数字助理，大到信息家 电，汽车电子、机械加工中心、工业机器人等都 被冠以嵌入式系统应用的称谓。 然而嵌入式系统的概念并非新近才出现， 早在20世纪70年代，随着Intel公司的8位微控制器8048 的出现（同期的8位微控制器还有：Motorola公司的 68HC05，Zilog的Z80系列等），使得过程控制、通信 设备、汽车、工业机器人以及成千上万的消费电子产品 可以通过内嵌电子装置的形式来获得更佳的性能、更可 靠、速度更快、价格更低。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院4/53嵌入式系统定义? 嵌入式系统被定义为： 以应应用为中心, 以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯 技术为基础， 强调软硬件的协同性、整合性和可剪裁性， 并能满足目标应用对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等方面有严格要求 一种专用计算机系统。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院5/53嵌入式系统包括那些内容? 嵌入式系统通常由包括二个方面： 微处理器或微控制器MPU/MCU 定时器、 存储器、 外设器件和I/O端口、 传感器、 图形控制器、 执行器等一系列微电子芯片与器件， 嵌入在存储器中的微型操作系统（要求实时和多任务操作）、应用 程序组成， 共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理 等各种任务。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院6/53简单的嵌入式系统组成 即最常用的计算机系统的表示嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院7/53复杂的嵌入式系统组成嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院8/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点(一)实时多任务实时? 任何一个电子系统都可看成是一个激励-响应系统。每个特定的电子 系统都有一个从激励输入到响应输出的时间，即激励-响应周期T，它 表现为系统的响应能力。如果系统的响应能力T能满足嵌入对象所规 定的响应时间ta要求，即Tta，这个系统便是实时的电子系统。 经典电子系统:(不含计算机的纯电子电路系统)它具有极短的、相对固定 不变的，从激励到响应的时间周期T 通用计算机系统:(是一个人机交互的激励-运行-响应系统。它的激励-响 应时间T表现为电路系统的激励-响应时间tc与软件运行时间ts ) 嵌入式系统(由于嵌入对象体系的多样性、复杂性，不同的对象体系会提 出不同的响应时间ta要求 )在嵌入式应用系统的具体设计中，必须考虑系 统中每一个任务运行时，能否满足tsta的要求，这就是嵌入式系统的实 时性问题 而嵌入式系统应用中，必须考虑实时性问题，是因为软件运行的时 间耗费ts，会使系统的激励-响应时间T巨额增加，而不能满足嵌入对 象系统提出的响应时间ta要求，凸现了嵌入式系统的实时性问题。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院9/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (一)实时多任务 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并 且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实 时内核的执行时间减少到最低限度。 以电力系统的稳定观测控制为例。电网的安全稳定性通常在事故后几十到几 百毫秒内就有可能受到严重威胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想 的作用，造成经济上的损失，甚至可能引起其他的安全问题。这里的实时性 不仅指获得数据的实时性，而且还包括数据处理、分析、决策的实时性。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院10/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点(一) 实时性解决?处理器核心设计上：硬件设计中的Cache技术、DSP协处理器核心、外 设进入核心、总线、以及动态分支预测技术等 通用系统注重平均表现 软件上：实时软件(操作系统)所遵循的最重要的设计原则是：采用各种 算法和策略,始终保证系统行为的可预测性(predictability)。 可预测性是指在系统运行的任何时刻,在任何情况下,实时操作系统的资源调 配策略都能为争夺资源(包括CPU、内存、网络带宽等)的多个实时任务合理 地分配资源,使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。 在最坏情况下都要满足其实时性要求, 注重的是个体任务表现, 是个体最坏情 况表现以虚拟存储管理技术为例讨论处理器核心设计上的差别; 取消了MMU，直接硬件化，取消重定位等嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院11/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点(二) 具有功能很强的临界存储区保护功能。 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为 了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需 要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软 件诊断。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院12/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (三)可扩展的处理器结构 可扩展的处理器结构，以便能迅速地开发出 满足各种应用需求的高性能嵌入式微处理器 。 系列众多嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院13/53可扩展的处理器结构例 8051结构 Atmel系列嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院14/53嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院15/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (四)专用调试电路 嵌入式微处理器内部通常包含专用调试电路，外部 有JTAG边界扫描接。 JTAG最初是用来对芯片进行测试的，JTAG的基本原理 是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port;测试访问 口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试 。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起， 形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。现在， JTAG接口还常用于实现ISP（In-System Programmable; 在线编程），对FLASH等器件进行编程。 嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院16/53“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (五)功耗很低 嵌入式微处理器必须功耗很低， 尤其是用于无线、便携式移动计算和通信设备中 靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗 只有mW甚至W级。 低功耗MCU-低电压、低工作频率、支持睡眠、 支持模块关闭、软件上的设计。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院17/53嵌入式系统硬件的特征 以应用为中心 从IC卡 到 登月车 软硬件专用性强 嵌入式系统产品通常具有较长的生命周期 嵌入式系统开发需要专门的交叉开发工具和 环境嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院18/53嵌入式系统软件的特征 软件要求固态化存储 固化/重载要求 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)要求高实时性 视应用情况而定 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工 业标准化道路的基础嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院19/53嵌入式系统应用领域 工业控制 信息家电 国防装备 机器人 其他. 图片来自互联网嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院20/53工业控制 工控系统必须具备两方面的功能: 在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务 都具有一定的实时性要求; 测控系统实现远程监控。 嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院21/53信息家电 智能型手持装置：如PDA、电子书等； 电器 数字家庭嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院22/53信息家电 数字家庭嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院23/53国防武器装备 智能武器 智能武器指的是具有人工智能的武器，通常由信息采集 与处理系统、知识库系统、辅助决策系统和任务执行系 统等组成。能够自行完成侦察、搜索、瞄准、攻击目标 和收集、整理、分析、综合情报等军事任务。 精确制导武器、无人驾驶飞机、无人驾驶坦克、无人操 纵火炮、智能鱼雷和自主多用途智能作战机器人等 嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院24/53嵌入式系统发展趋势 微型化 ： 微型化是现代各类型产品的基本要求，特别在嵌 入式产品中，由于半导体技术的进步，使得原本 需要庞大空间的电路设计，浓缩在一片SOC（片 上系统）芯片中。 微型化，能使嵌入式系统更加价廉物美，具有更 强的竞争力。就像现在的智能型手机集成了通信 、网络、PDA种种功能于一身，各种微型化的嵌 入式产品，如同项链一般可以佩戴在胸前，兼具 美观与实用的功能。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院25/53嵌入式系统发展趋势 智能化 ： 机器人技术将对嵌入式系统智能化产生重大的影 响。机器人巳从工业机器人阶段步入到具有视觉 、触觉、力觉、滑觉等智能传感器的智能机器人 阶段。 新传感器的使用：陀螺，重力、加速度、方向. 微机电系统(MEMS) :嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院26/53其他领域-交通管理 智能交通嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院27/53其他领域-电子商务 支付 物流 POS嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院28/53其他领域 电力广域测量与管理 气候/资源监测与管理 水文嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院29/53嵌入式系统发展趋势 人性化 ： 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就 是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵 活的控制方式，这方面的要求嵌入式系统设计者 一方面要在图形界面、多媒体技术上多下功夫。 另一方面要在人性化的操作方面下功夫，特别是 在人工智能与生物信息科技领域方面，通过语音 操作或是自然语言的方式来达到人性化操作的要 求，是目前热门的方向之一。 界面设计嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院30/53嵌入式系统发展趋势 安全性： 以生物特征提取技术为例，特征主要分两大类， 一类是生理特征，分别是利用指纹、手型、虹膜 及视网膜等特征而进行识别；另一类是行为特征 ，包括数字签名和语音识别。由这些方式来辨认 个人身份，不但兼具方便性，而且利用生物特征 独一无二的特性，达到安全保密的功能。 自身系统的安全，反向工程、知识产权保护嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院31/53嵌入式系统发展趋势 功能强大： 采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC 芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加 功能接口(如USB)，扩展总线类型(如CAN)，加 强对多媒体、图形图像等的处理。 软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发 工具来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保 障软件质量和缩短开发周期。嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院32/53嵌入式系统发展趋势 互联网应用 新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口， 除了支持TCP/P协议，有的还支持IEEEl394、 USB、CAN、Bluetooth或IrDA，同时也提供相应 的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在 设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各 种设备上网。 硬件协议栈嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院33/53一些典型嵌入式方案实例 嵌入式非接触式智能卡(射频卡) 音乐播放器MP3 MC35 GPRS无线调制解调器嵌入式系统设计与实践四川大学电气信息学院34/53嵌入式非接触式智能卡(射频卡) 智能卡技术风靡全球，改变了现代生活中关于钱和票的概念 。 智能住