嵌入式系統(tǒng)及應用-Chapter1-嵌入式系統(tǒng)導論

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1、Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,電子科技大學嵌入式軟件工程中心,嵌入式系統(tǒng)及應用,,課程目的,,理論與實踐相結(jié)合,,以嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及嵌入式軟件的核心嵌入式實時操作系統(tǒng)為重點，以應用為目的，全面介紹嵌入式系統(tǒng),,使大家既能對嵌入式系統(tǒng)及開發(fā)有一個全景的把握，又能深入理解嵌入式實時操作系統(tǒng)。,,配套多種嵌入式平臺的μC/OS-II實驗，提供豐富的實驗和手冊,課程特點,,利用PC機就可

2、以自己動手搭建嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺，熟悉應用開發(fā)，更方便地學習和理解嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識：,,從純軟件到硬/軟件結(jié)合,,從“紙”上談兵（編程序）到“板”上談兵,,從“懂”怎么做到“會”做,,從講/聽到講/聽/做,嵌入式軟件工程中心,,計算機應用博士點主要方向之一,,自“八五”以來長期從事嵌入式系統(tǒng)軟件的研究、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及人才培養(yǎng),,承擔多項國家級嵌入式軟件相關(guān)的項目，包括863軟件重大專項、國防預研、發(fā)改委軟件產(chǎn)業(yè)化專項、電子發(fā)展基金等,,獲得省部級科技進步獎三項,,培養(yǎng)碩士以上人員近百人,,嵌入式軟件工程中心,,充分整合科技成果和產(chǎn)業(yè)化積淀，構(gòu)筑嵌入式軟件基礎(chǔ)研究、應用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新

3、平臺,,面向智能手機、數(shù)字娛樂終端、航空航天等領(lǐng)域研發(fā)達到國際領(lǐng)先水平的嵌入式軟件相關(guān)技術(shù),,推動我國嵌入式軟件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,,成為嵌入式軟件專業(yè)人才培訓和實習基地,,成為國內(nèi)最大的、在國際上具有影響力的嵌入式軟件研究工程中心。,課程的主要內(nèi)容,,嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)，約12節(jié)課,,嵌入式系統(tǒng)導論（什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)分類、發(fā)展歷程、特點、應用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢）, 約3節(jié)課,,嵌入式硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)（基本組成，嵌入式微處理器：ARM、MIPS、X86、SH等，總線、存儲系統(tǒng)、輸入/輸出與典型接口等， W90P710/SH7709S ），約7節(jié)課,,嵌入式軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)（分類、特點、體系結(jié)構(gòu)、運行

4、流程、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具）,約2節(jié)課,課程的主要內(nèi)容,,嵌入式實時內(nèi)核，約14節(jié)課,,任務管理與調(diào)度（任務、任務管理、調(diào)度算法）, 約6節(jié)課,,同步、互斥與通信（信號量、信箱、隊列、事件、異步信號） , 約4節(jié)課,,中斷和時間管理（中斷分類、處理過程、中斷管理機制、硬件時鐘設備、與OS的管理關(guān)系、時間管理機制） , 約2節(jié)課,,內(nèi)存管理和I/O管理（特點和管理機制） , 約2節(jié)課,課程的主要內(nèi)容,,嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā), 約4節(jié)課,,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式,,嵌入式軟件開發(fā)工具,,軟件分析設計方法,,復習：2節(jié)課,,實驗：16節(jié)課,實驗系統(tǒng)的內(nèi)容,,目標平臺,開發(fā)工具,嵌入式操作系統(tǒng),實驗項目,P

5、C虛擬機,W90P710_Eval_board,SH7709S Start Kit開發(fā)板,LambdaTOOL,,集成開發(fā)環(huán)境,,HEW,μC/OS-II,,（源代碼）,實驗系統(tǒng)的內(nèi)容,,配套8個實驗項目，具體是：,,開發(fā)環(huán)境建立實驗：1個/平臺,,實時內(nèi)核實驗：7個,,任務的基本管理,,優(yōu)先級反轉(zhuǎn),,優(yōu)先級繼承,,信號量：哲學家就餐問題的實現(xiàn),,,消息隊列,,,時鐘中斷,,,μC/OS-II的內(nèi)存分配,,教材及參考資料,,嵌入式實時操作系統(tǒng)及應用開發(fā)，羅蕾主編，北京航空航天大學出版社.,,Jean J.Labrosse. 嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大學出版社

6、.及uC/OS-II ebook,,嵌入式計算系統(tǒng)設計原理 （美）Wayne Wolf Computers as Components：Principles of Embedded Computing System Design,,Jean J.Labrosse. 嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版). 北京航空航天大學出版社.,,, Kang G.Shin. REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw-Hill.,,A Survey of Real-time Operating Systems.,,WHAT MAKES

7、 A GOOD RTOS.,參考資料,,Real-time Embedded Software Systems,,OSEK/VDX,,Operating System,. Version 2.2.2. July 5th, 2004.,,Charting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Computing.,,Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization,,CLDCSpecification1.1,,課程成績,,課程成績＝平時成績＋實驗成績

8、＋期末考試成績,,平時成績,,20分，其中作業(yè)兩次每次5分，中期課堂測驗10分,,實驗成績,,25分，平時5分，上機考試20分,,期末考試：閉卷考試55分，第十一周左右,第一章,嵌入式系統(tǒng)導論,主要內(nèi)容,,嵌入式系統(tǒng)概述,,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)概述,無處不在的嵌入式系統(tǒng),,嵌入式系統(tǒng)的定義,,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程,,嵌入式系統(tǒng)的特點,,嵌入式系統(tǒng)的分類,計算機發(fā)展的三大階段,,第一階段：始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型機。,,第二階段,：,始于七十年代的個人計算機。,,第三階段,：,計算機正邁入

9、下一個充滿機遇的階段—“,后PC時代,”或“,無處不在的計算機,”階段。,計算的發(fā)展過程,,分時系統(tǒng),,批處理系統(tǒng),,單用戶系統(tǒng),大型機,分布式計算,小型機,基于網(wǎng)絡的,,個人計算,微型機,協(xié)同計算,基于開放系統(tǒng)的客戶/服務器,普適計算,普適計算終端,資源使用的靈活性,計算的自由性,無處不在的計算機,,施樂公司,Palo Alto,研究中心主任,Mark Weiser,認為：,,“從長遠來看，,PC,機和計算機工作站將衰落，因為計算機變得無處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫電腦中,(,象手寫紙一樣,),等等，隨用隨取、伸手可及”。,無處不在的計算機,,全世界的計算機科學家正在形成一種共識,:

10、,,,計算機不會成為科幻電影中的那種貪婪的怪物,,,而是將變得小巧玲瓏,,,無處不在,.,他們藏身在任何地方,,,又消失在所有地方,,,功能強大,,,確有無影無蹤,.,人們將這種思想命名為,:,“,無所不在的計算機”。,,嵌入式系統(tǒng)無處不在,,彼此互連,即使遠在火星,,面對6萬年才有一次的機會，科學家們積極行動起來———從6月開始，先后有歐洲的“火星快車”、美國“勇氣號”和“機遇號”等三顆火星探測器飛往火星，而日本一顆本已在太空“迷失方向”的火星探測器也在關(guān)鍵時刻及時“醒”來，開始了久違的火星之旅。,火星與地球，這一對在星空中遙遙相望的“兄弟”，迎來6萬年來“最親密的接觸”，在2003年8月2

11、7日這一天，火星距離地球最近達到55756622(5千多萬)公里。,勇氣號,自1997年10月15日發(fā)射以來，經(jīng)歷了7年35億公里航程的卡西尼號太空船在2004年7月1日10時30分進入土星軌道，開始進行人類有史以來對土星及其31顆已知衛(wèi)星最詳盡的探測。,土星探測,“哥倫比亞”號，整個系統(tǒng)的起飛重量達2000噸，高56米。,,“小鷹”號標準排水量為60100噸，滿載排水量達81123噸，艦長323.6米，艦寬39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常規(guī)動力航空母艦。艦員2930名，其中軍官155名；航空人員2480名，其中軍官320名。飛機：F-14D戰(zhàn)斗機20架，F(xiàn)/A-18戰(zhàn)斗機36架，

12、E-2C預警機和EA-6B電子干擾機各4架，6架S-3B反潛機，6架直升機，2架ES-3A。,Smart Dust,http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/,,Wearable Computing,嵌入式設備無處不在，,,但桌面系統(tǒng)還依然有用,無處不在的計算機是計算機與使用者的比率達到和超過,100:1,的階段,,無處不在的計算機包括,通用計算機,和,嵌入式計算機系統(tǒng),,在,100:1,比例中,95%,以上,都是嵌入式計算機系統(tǒng)，并非通用計算機,通用計算機－看得見的計算機,,如：PC機、服務器、大型計算機等。,顯示器,主 機,鼠

13、 標,鍵 盤,硬 件,諸如主機、顯示器、鍵,盤、鼠標等看得見部件,軟件,應用程序可按用戶,需要隨時改變,,即重新編制。,通用計算機－看得見的計算機,嵌入式系統(tǒng)定義,,看不見的計算機，一般不能被用戶編程, 它有一些專用的I/O設備, 對用戶的接口是應用專用的。,,An embedded system is a computer system contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that de

14、vice.,,“Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.”,,通常將嵌入式計算機系統(tǒng)簡稱為嵌入式系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)定義,,IEEE: “Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”.,,嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠

15、性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。,,嵌入式系統(tǒng)定義,,嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物。,,,,包含有計算機，但又不是通用計算機的計算機應用系統(tǒng)。,,通用計算機與嵌入式系統(tǒng)對比,特征,通用計算機,嵌入式系統(tǒng),形式和類型,看得見的計算機。,,按其體系結(jié)構(gòu)、運算速度和結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中、小型機和微機。,看不見的計算機。,,形式多樣，應用領(lǐng)域廣泛，按應用來分。,組成,通用處理器、標準總線和外設。,,軟件和硬件相對獨立。,面向應用的嵌入式微處理器，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。,,軟件與硬件是緊密集成在一起的。,開發(fā)方式,開

16、發(fā)平臺和運行平臺都是通用計算機,采用交叉開發(fā)方式，開發(fā)平臺一般是通用計算機，運行 平臺是嵌入式系統(tǒng)。,二次開發(fā)性,應用程序可重新編制,一般不能再編程,嵌入式系統(tǒng)的組成,,嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和軟件組成,,硬件以微處理器為核心集成存儲器和系統(tǒng)專用的輸入/輸出設備,,軟件包括：初始化代碼及驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序等，這些軟件有機地結(jié)合在一起，形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程,,嵌入式系統(tǒng)的,出現(xiàn)和興起,（1960-1970）,,嵌入式系統(tǒng)開始走向,繁榮,，軟件和硬件日臻,完善,（1971-1989）,,嵌入式系統(tǒng)應用,走向縱深,（1990年-現(xiàn)在）,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興

17、起,出現(xiàn),：20世紀60年代以晶體管、磁芯存儲為基礎(chǔ)的計算機開始用于航空等軍用領(lǐng)域。,,第一臺機載專用數(shù)字計算機是奧托內(nèi)蒂克斯公司為美國海軍艦載轟炸機“民團團員”號研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。,,同時嵌入式計算機開始應用于工業(yè)控制。1962年一個美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制(DDC)。,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起,興起,：在1965～1970年，當時計算機已開始采用集成電路，即第三代計算機。在軍事、航空航天領(lǐng)域、工業(yè)控制的需求推動下。,,第一次使用機載數(shù)字計算機控制的是1965年發(fā)射的Gemini3號，第一次通過容錯來提高可靠性是1968年的阿波羅4號、土星5號。,,

18、1963年DEC公司推出PDP8并發(fā)展成PDP11系列，成為工業(yè)生產(chǎn)集中控制的主力軍。,,在軍用領(lǐng)域中，為了可靠和滿足體積、重量的嚴格要求，還需為各個武器系統(tǒng)設計五花八門的專用的嵌入式計算機系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮,嵌入式系統(tǒng)大發(fā)展是在微處理器問世之后,,1973年至1977年間各廠家推出了許多8位的微處理器，包括Intel 8080/8085，Motorola 的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。,,微處理器不單用來組成微型計算機，而且用來制造儀器儀表、醫(yī)療設備、機器人、家用電器等嵌入式系統(tǒng)。,,僅8085/Z80微處理器的銷售就超過7億片,其中大部分

19、是用于嵌入式工業(yè)控制應用。,嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮,微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，計算機廠家除了要繼續(xù)以整機方式向用戶提供工業(yè)控制計算機系統(tǒng)外，開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要構(gòu)成專用的工業(yè)控制微型計算機，嵌入到自己的系統(tǒng)設備中。,,為了靈活兼容，形成了標準化、模塊化的單板機系列。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。,,由于兼容的要求，這就導致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生。,嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮,1976年Intel推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/S的MultibusⅡ。,,197

20、8年P(guān)rolog設計簡單的STD總線廣泛用于小型嵌入式系統(tǒng)。,,1981年Motorola推出的VME_Bus則與MultibusⅡ瓜分高端市場。,,目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式PC、PC104、CPCI（Compact PCI）總線已廣泛應用到工業(yè)控制領(lǐng)域。,嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮,單片機、DSP出現(xiàn),,隨著微電子工藝水平的提高, 集成電路設計制造商開始把嵌入式應用所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一個VLSI中, 制造出,面向I/O設計的微控制器，就是我們俗稱的單片機,。,,專門用于高速實時信號處理的數(shù)字信號處理器DSP。,,嵌入式系統(tǒng)開始

21、走向繁榮,軟件技術(shù)的進步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善,,在微處理器出現(xiàn)的初期，為了保障嵌入式軟件的時間、空間效率，軟件只能用匯編語言編寫。,,由于微電子技術(shù)的進步，對軟件的時空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式計算機的軟件開始使用PL/M、C等高級語言。,,對于復雜的嵌入式系統(tǒng)來說除了需要高級語言開發(fā)工具外，還需要嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持。,嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮,80年代初開始出現(xiàn)了一批軟件公司，推出商品化的嵌入式實時操作系統(tǒng)和各種開發(fā)工具。,,Ready System,(后來的Microtec Research、后來又被Mentor Graphic收購)公司:VRTX操作系統(tǒng)及Xray, Spect

22、ra工具,,Integrated System Incorporation,(ISI，后被WindRiver公司合并):pSOS操作系統(tǒng)及pRISM工具,,WindRiver,公司:VxWorks操作系統(tǒng)及Tornado工具,,QNX,公司:QNX操作系統(tǒng)及工具,,商用嵌入式實時操作系統(tǒng)和開發(fā)工具的出現(xiàn)和推廣應用，使,嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)從作坊式向分工協(xié)作規(guī)?；姆较虬l(fā)展,，促使嵌入式應用擴展到更廣闊的領(lǐng)域。,嵌入式系統(tǒng)應用走向縱深,進入20世紀90年代, 在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和數(shù)字化家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件技術(shù)進一步加速發(fā)展、應用領(lǐng)域進一步擴大。,,手機、數(shù)碼相

23、機、VCD、數(shù)字電視、路由器、交換機等都是嵌入式系統(tǒng)。,,大多數(shù)豪華轎車每輛擁有約50個嵌入式微處理器。,,最新的波音777寬體客機上約有1000個微處理器。,,在不久的將來你會在你的家里發(fā)現(xiàn)幾十到上百的嵌入系統(tǒng)在為你服務。,嵌入式系統(tǒng)應用走向縱深,嵌入式系統(tǒng)的硬件,,4位、8位、16位微處理器芯片已逐步讓位于32位嵌入式微處理器芯片。,,面向不同應用領(lǐng)域的（Application-Specific）、功能強大、集成度高、種類繁多、價格低廉、低功耗的32位芯片已大量應用于各種各樣的軍用和民用設備。,,DSP向高速、高精度、低功耗發(fā)展。,,DSP與通用嵌入式微處理器集成（SoC）已成為現(xiàn)實，并已

24、大量應用于嵌入式系統(tǒng)，如手機、IP電話等。,嵌入式系統(tǒng)應用走向縱深,在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式PC大量應用于嵌入式系統(tǒng)中。,,PC104、CPCI（Compact PCI）總線因其成本低、兼容性化也已被廣泛應用。,,嵌入式系統(tǒng)的軟件,,隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也隨著發(fā)生指數(shù)型增長。,嵌入式系統(tǒng)應用走向縱深,低價位的 RISC / 32-位,,微處理器,日益復雜的,,應用,產(chǎn)品推向市場的,,時間壓力,開發(fā)成本的提高,嵌入式,,軟件,,危機,32位芯片將能夠執(zhí)行由上百萬行C代碼構(gòu)成的復雜程序，使得嵌入式應用具備高度復雜和智能化的功能,軟件的實現(xiàn)從某種意義上說決定了產(chǎn)品的功能，已成為新產(chǎn)

25、品成功與否的關(guān)鍵因素。,,軟件體現(xiàn)價值,,DVD播放機,,功能：視頻 + 音頻（incl. MP3）,,價格：200 – 600元,iPod MP3播放機,,功能：MP3,,價格：,iPod nano,1 GB,1400元,iPod nano,4 GB,2200元,iPod,30GB,2800元,iPod,60GB,3800元,兩者的硬件差異？,,兩者的價格差異？,,核心價值在于：,好的軟件帶給消費者最好的使用體驗,嵌入式系統(tǒng)應用走向縱深,為此，嵌入式系統(tǒng)已大量采用,嵌入式操作系統(tǒng),。,,嵌入式操作系統(tǒng)功能不斷的擴大和豐富，由80年代只有內(nèi)核、發(fā)展為包括內(nèi)核、網(wǎng)絡、文件、圖形接口、嵌入式JAV

26、A、嵌入式CORBA及分布式處理等豐富功能的集合。,,此外，,嵌入式開發(fā)工具,更加豐富，其集成度和易用性不斷提高，目前不同廠商已開發(fā)出不同類型的嵌入式開發(fā)工具，可以覆蓋嵌入式軟件開發(fā)過程各個階段，提高嵌入式軟件開發(fā)效率。,嵌入式系統(tǒng)的特點,,嵌入式系統(tǒng)通常是形式多樣、面向特定應用的,,嵌入式系統(tǒng)得到多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)的支持,,嵌入式系統(tǒng)通常極其關(guān)注成本,,嵌入式系統(tǒng)有實時性和可靠性的要求,,嵌入式系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)一般是適應多種處理器、可剪裁、輕量型、實時可靠、可固化的嵌入式操作系統(tǒng),,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門工具和特殊方法,形式多樣、面向特定應用,一般用于特定的任務，其硬件和軟件

27、都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，而通用計算機則是一個通用的計算平臺。,,它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用微處理器中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部。,,嵌入式軟件是應用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序。,處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)類型多,通用計算機采用少數(shù)的處理器類型和體系結(jié)構(gòu)，而且主要掌握在少數(shù)大公司手里。,,嵌入式系統(tǒng)可采用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)。,,在嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)鏈上，IP設計、面向應用的特定嵌入式微處理器的設計、芯片的制造已相成巨大的產(chǎn)業(yè)。大家分工協(xié)作，形成多贏模式。,,有上千種的嵌入式微處理器和幾十種嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)可以選擇。,19

28、80,1990,1996,1998,68000,Z80,8086,80x86,CPU32,680x0,i960,MIPS,SPARC,ColdFIRE,Alpha,SH 1/2/3,ARM,SPARC,i960,MIPS,Pentium,80x86,PowerPC,CPU32,680x0,100 - 500 Kips2,?10 mHz,1 - 2 Mips1.0,?25 mHz,10 - 25 Mips.5 - .8,?50 - 100 mHz,10 - 200 Mips.2 - .5,?100 - 300 mHz,SH 4/5,SH-DSP,SH 1/2/3,ARM,SPAR

29、C,i960,MIPS,Pentium,80x86,PowerPC,CPU32,680x0,SA1500,MAP1000,AltiVEC,Merced,MCORE,SHARC,563xx,Lucent16000,C6x,SI 20,TriCore,微處理器的演變,關(guān)注成本,嵌入式系統(tǒng)通常需要注意的成本是系統(tǒng)成本，特別是量大的消費類數(shù)字化產(chǎn)品，其成本是產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵因素之一。,,嵌入式的系統(tǒng)成本包括:,,一次性的開發(fā)成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本,,產(chǎn)品成本:硬件BOM、外殼包裝和軟件版稅等,,批量產(chǎn)品的總體成本=NRE成本+每個產(chǎn)品成本*產(chǎn)品總量,,每個

30、產(chǎn)品的最后成本=總體成本/產(chǎn)品總量=NRE成本/產(chǎn)品總量+每個產(chǎn)品成本,實時性和可靠性的要求,一方面大多數(shù)實時系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng),,另一方面嵌入式系統(tǒng)多數(shù)有實時性的要求，軟件一般是固化運行或直接加載到內(nèi)存中運行，具有快速啟動的功能。并對實時的強度要求各不一樣，可分為硬實時和軟實時。,,嵌入式系統(tǒng)一般要求具有出錯處理和自動復位功能，特別是對于一些在極端環(huán)境下運行的嵌入式系統(tǒng)而言，其可靠性設計尤其重要。,,在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的軟件中一般都包括一些機制，比如硬件的看門狗定時器，軟件的內(nèi)存保護和重啟動機制。,適應多種處理器、可剪裁、輕量型、實時可靠、可固化的嵌入式操作系統(tǒng),由于嵌入式系統(tǒng)應用的特點，

31、像嵌入式微處理器一樣，嵌入式操作系統(tǒng)也是多姿多彩的。,,大多數(shù)商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)可同時支持不同種類的嵌入式微處理器?？筛鶕?jù)應用的情況進行剪裁、配置。,,嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模小，所需的資源有限如內(nèi)核規(guī)模在幾十KB，能與應用軟件一樣固化運行。,,一般包括一個實時內(nèi)核，其調(diào)度算法一般采用基于優(yōu)先級的可搶占的調(diào)度算法。,,高可靠嵌入式操作系統(tǒng)：時、空、數(shù)據(jù)隔離,開發(fā)需要專門工具和特殊方法,多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)意味著軟件與硬件的并行設計和開發(fā)，其開發(fā)過程一般分為幾個階段：,,產(chǎn)品定義,,軟件與硬件設計與實現(xiàn),,軟件與硬件集成,,產(chǎn)品測試與發(fā)布,,維護與升級,,開發(fā)需要專門工具和特殊方法,由于嵌入式系統(tǒng)資源有

32、限，一般不具備自主開發(fā)能力，產(chǎn)品發(fā)布后用戶通常也不能對其中的軟件進行修改，必須有一套專門的開發(fā)環(huán)境。,,該開發(fā)環(huán)境包括專門的開發(fā)工具（包括設計、編譯、調(diào)試、測試等工具），,采用交叉開發(fā)的方式進行,，交叉開發(fā)環(huán)境如圖所示。,嵌入式系統(tǒng)的分類,,,,,,,按嵌入式處理器的位數(shù)來分類,按應用來分類,按速度分類,按確定性來分類,按嵌入式系統(tǒng)軟件復雜程度來分類,按嵌入式處理器的位數(shù)來分類,4位嵌入式系統(tǒng),,8位嵌入式系統(tǒng),,16位嵌入式系統(tǒng),,32位嵌入式系統(tǒng),,64位嵌入式系統(tǒng),正成為主流發(fā)展趨勢,高度復雜的、高速的嵌入式系統(tǒng)已開始采用,目前已大量應用,按應用來分類,信息家電類,移動終端類,通信類,汽

33、車電子類,工業(yè)控制類,,按速度分類,強實時系統(tǒng),, 其系統(tǒng)響應時間在毫秒或微秒級。,,一般實時系統(tǒng),, 其系統(tǒng)響應時間在幾秒的數(shù)量級上,其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些。,,弱實時系統(tǒng),, 其系統(tǒng)響應時間約為數(shù)十秒或更長。這種系統(tǒng)的響應時間可能隨系統(tǒng)負載的輕重而變化。,按確定性來分類,根據(jù)確定性的強弱，可將嵌入式系統(tǒng)分為硬實時、軟實時系統(tǒng)：,,硬實時,：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有嚴格的要求，如果系統(tǒng)響應時間不能滿足，就要引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。,,軟實時,：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應時間不能滿足，不會導致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。,按嵌入式系統(tǒng)軟件復雜程度來分類,循環(huán)輪詢系統(tǒng),有

34、限狀態(tài)機系統(tǒng),前后臺系統(tǒng),單處理器多任務系統(tǒng),多處理器多任務系統(tǒng),循環(huán)輪詢系統(tǒng),initialize(),,while(true),,{,,if (condition_1) action_1();,,if (condition_2) action_2();,,......,,if (condition_n) acition_n();,,},Check for Input,Do Something,優(yōu)點,,對于簡單的系統(tǒng)而言，便于編程和理解。,,沒有中斷的機制，程序運行良好，不會出現(xiàn)隨機的問題。,,缺點,,有限的應用領(lǐng)域。,,對于大量的I/O服務的應用，不容易實現(xiàn)。,,大的程序不便于調(diào)試。,適合

35、于慢速和非?？焖俚暮唵蜗到y(tǒng),循環(huán)輪詢系統(tǒng),前后臺系統(tǒng),是中斷驅(qū)動系統(tǒng)的一種,,后臺是一個循環(huán)輪詢系統(tǒng)一直在運行。,,前臺是由一些中斷處理過程組成的。,,當有一前臺事件(外部事件)發(fā)生時，引起中斷, 進行前臺處理, 處理完成后又回到后臺(通常又稱主程序)。,中斷1,中斷2,主程序,中斷1,中斷1,中斷2,,初始化,處理1,事件1,處理2,事件2,N,Y,Y,N,ISR1,ISR2,前臺處理,后臺處理,ISR3,前后臺系統(tǒng),需要考慮的是中斷的現(xiàn)場保護和恢復，中斷嵌套，中斷處理過程與主程序的協(xié)調(diào)(共享資源)問題。,,,系統(tǒng)的性能主要由中斷延遲時間(Interrupt latency time), 響

36、應時間(response time)和恢復時間(recovery time)來刻畫。,,中斷請求,,數(shù)據(jù)傳送,,←,,響應時間,,,→,,,主程序,,━━━,━━━━━━,現(xiàn)場保護,,━━,━━,和恢復,中斷服務,,━━━━━━━,,→,,←,→,|,←,,,中斷延遲時間,,恢復時間,前后臺系統(tǒng),單處理器多任務系統(tǒng),對于一個復雜的嵌入式實時系統(tǒng)來說，,,當采用中斷處理程序加一個后臺主程序這種軟件結(jié)構(gòu)難以實時的、準確的、可靠的完成時,,存在一些互不相關(guān)的過程需要在一個計算機中同時處理時,,,需要采用實時多任務系統(tǒng)！,結(jié)構(gòu),由多個任務，多個中斷處理過程，實時操作系統(tǒng)組成的有機的整體。,每個任務是順

37、序執(zhí)行的，并行性通過操作系統(tǒng)來完成，任務間的相互通信和同步也需要操作系統(tǒng)的支持。,單處理器多任務系統(tǒng),流程,并發(fā)多任務,：：：,：：：,后臺,前臺,ISRs,Tasks,多任務系統(tǒng),,多個順序執(zhí)行的程序并行運行。,,宏觀上看，所有的程序同時運行，每個程序運行在自己獨立的CPU上。,,實際上，不同的程序是共享同一個CPU和其它硬件。因此，需要RTOS來對這些共享的設備和數(shù)據(jù)進行管理。,,每個程序都被編制成無限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，執(zhí)行相應的任務等。,,這種程序模型將系統(tǒng)分成相對簡單的，相互合作的模塊。,單處理器多任務系統(tǒng),優(yōu)點,,將復雜的系統(tǒng)分解為相對獨立的多個線程， 達到“分而制之”的目

38、的，從而降低系統(tǒng)的復雜性。,,保證系統(tǒng)的實時性。,,系統(tǒng)的模塊化好，提高系統(tǒng)的可維護性。,,缺點,,需要采用一些新的軟件設計方法。,,需要增加功能：線程間的協(xié)調(diào)，同步和通信功能。,,需要對每一個共享資源互斥。,,導致線程間的競爭。,,需要使用RTOS，RTOS要增加系統(tǒng)的開銷。,單處理器多任務系統(tǒng),多處理器多任務系統(tǒng),多任務可運行在多個處理器上，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，處理。,,宏觀上看是并發(fā)的，微觀上看也是并發(fā)的。,,多處理機系統(tǒng)分為緊耦合系統(tǒng)(tightly-coupled system)和松耦合系統(tǒng)(loosely-coupled system)兩種。,,多處理多任務系統(tǒng)目前還不成熟。,第二

39、節(jié)嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,嵌入式系統(tǒng)廣泛地應用于消費電子、通信、汽車、國防、航空航天、工業(yè)控制、儀表、辦公自動化等領(lǐng)域。,,據(jù)歐盟的統(tǒng)計：,,2003年全球大概有80億片嵌入式微處理器，到2010年，預計會達到160億片，地球上的人平均擁有3個嵌入式微處理器；,,在航空電子中，嵌入式軟件的開發(fā)成本占整個飛機研制成本的50%；對于汽車工業(yè)，汽車電子在整車價值中的比例逐年提高，將從1997年的20%提升到2010年的33-40%；,,消費電子數(shù)量越來越大，據(jù)預測，到2010年，僅數(shù)字家庭在美國的銷售額就將達到2000億歐元。,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,And the lis

40、t goes on and on,,,,,Anti-lock brakes,,Auto-focus cameras,,Automatic teller machines,,Automatic toll systems,,Automatic transmission,,Avionic systems,,Battery chargers,,Camcorders,,Cell phones,,Cell-phone base stations,,Cordless phones,,Cruise control,,Curbside check-in systems,,Digital cameras,,Dis

41、k drives,,Electronic card readers,,Electronic instruments,,Electronic toys/games,,Factory control,,Fax machines,,Fingerprint identifiers,,Home security systems,,Life-support systems,,Medical testing systems,Modems,,MPEG decoders,,Network cards,,Network switches/routers,,On-board navigation,,Pagers,,

42、Photocopiers,,Point-of-sale systems,,Portable video games,,Printers,,Satellite phones,,Scanners,,Smart ovens/dishwashers,,Speech recognizers,,Stereo systems,,Teleconferencing systems,,Televisions,,Temperature controllers,,Theft tracking systems,,TV set-top boxes,,VCR’s, DVD players,,Video game conso

43、les,,Video phones,,Washers and dryers,,A “short list” of embedded systems,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,消費電子領(lǐng)域,,隨著技術(shù)的發(fā)展，消費電子產(chǎn)品正向數(shù)字化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。,,高清晰度數(shù)字電視將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電視。,,數(shù)碼相機將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片相機。,,固定電話今后會被IP電話所替代。,,各種家用電器（電視機、冰箱、微波爐、電話等）將通過家庭通信、控制中心與Internet連接，實現(xiàn)遠程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂、遠程醫(yī)療和遠程教育等。轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡家電，還可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療，遠程教育等。,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,,Microp

44、rocessor,CCD preprocessor,Pixel coprocessor,A2D,D2A,JPEG codec,DMA controller,Memory controller,ISA bus interface,UART,LCD ctrl,Display ctrl,Multiplier/Accum,Digital camera chip,lens,CCD,A Digital Camera,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,2G,3G,,2.5G,通信,計算,話音為主,數(shù)據(jù)為主,簡單用戶接口,,簡單應用,,WAP,彩色顯示,,圖形用戶接口,,安全應用,,移動商務,,電子郵件,,瀏覽器,,J

45、AVA應用,手機發(fā)展趨勢,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,通信領(lǐng)域,,通信領(lǐng)域大量應用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機、路由器、IP交換機、傳輸設備等。,,據(jù)預測，由于互聯(lián)的需要，特別是寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展，將會出現(xiàn)各種網(wǎng)絡設備如：ADSL Modem/Router等，其數(shù)量將遠遠高于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設備。,,它們基于32位的嵌入式系統(tǒng)、價格低廉，將為企業(yè)、家庭提供更為廉價的、方便的、多樣的網(wǎng)絡方案。就寬帶上網(wǎng)的網(wǎng)絡設備ADSL Router而言，國外現(xiàn)在每月需要600K的數(shù)量。,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,工控、汽車電子、仿真、醫(yī)療儀器等,,隨著工業(yè)、汽車、醫(yī)療衛(wèi)生等各部門對智能控制需求的不斷增長，需要對設備進行智能

46、化、數(shù)字化改造，為嵌入式系統(tǒng)提供了很大的市場。,,就汽車電子系統(tǒng)而言，目前的大多數(shù)高檔轎車每輛擁有約50個嵌入式微處理器。如BMW 7系列轎車，則平均安裝有63個嵌入式微處理器。,,據(jù)預測，21世紀初美國接入Internet的汽車將有一億輛。IC Insights報道2001年車載計算系統(tǒng)的市場規(guī)模是30億美元，而2004年將達到46億美元，屆時這些系統(tǒng)將成為所有新型轎車的標準設備。,嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域,,國防、航空航天領(lǐng)域,,雷達、電子對抗、坦克、戰(zhàn)艦,,航天器(火箭、衛(wèi)星、航天飛機等),,飛機(民用和軍用飛機),第四節(jié)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,以信息家電、移動終端

47、、汽車電子、網(wǎng)絡設備等為代表的互聯(lián)網(wǎng)時代的嵌入式系統(tǒng)，不僅為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命，同時也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，提出新的挑戰(zhàn)：,,支持日趨增長的功能密度,,靈活的網(wǎng)絡聯(lián)接,,輕便的移動應用,,多媒體的信息處理、低功耗、人機界面友好互動,,支持二次開發(fā)和動態(tài)升級等,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,形成行業(yè)的標準：行業(yè)性嵌入式軟硬件平臺,,嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心的系統(tǒng)，不會象PC一樣只有一種平臺。,,吸取PC的成功經(jīng)驗，形成不同行業(yè)的標準。,,統(tǒng)一的行業(yè)標準具有開放、設計技術(shù)共享、軟硬件重用、構(gòu)件兼容、維護方便和合作生產(chǎn)的特點，是增強行業(yè)性產(chǎn)品競爭能力的有效手段。,,如歐共體汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟規(guī)

48、定以OSEK標準作為開發(fā)汽車嵌入式系統(tǒng)的公用平臺和應用編程接口,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,面向應用領(lǐng)域的、高度集成的、以32位嵌入式微處理器為核心的SOC（System On Chip）將成為應用主流,,,,,,,SoC給系統(tǒng)帶來高性能之外更多更重要的好處,,穩(wěn)定性、體積、散熱、功耗,· · ·,,處理器,外設,存儲器,I/O,“System on board”,“System on chip”,USB,以太網(wǎng),memory,External,,Memory,CPU,Address,Data,Cache,Bus,,Interface,Write Buffer,MMU / MPU,R,R,W,W,

49、W,W,(R/W),,外設,,如USB、LCD,,控制器等,擴展芯片,內(nèi)核（core）,處理器存儲器子系統(tǒng),SoC的片內(nèi)外設,系統(tǒng)的片外設備,處理器（Processor）,芯片（SoC）,系統(tǒng)（System）,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,嵌入式應用軟件的開發(fā)需要強大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持,,采用實時多任務編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。,,嵌入式操作系統(tǒng)將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，不斷采用先進的操作系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的需求向:,,可適應不同的嵌入式硬件平臺,,具有可移植、可伸縮、功能強大、可配置、良好的實時性、可靠性

50、、高可用方向發(fā)展,,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,嵌入式開發(fā)工具,,支持多種硬件平臺,,覆蓋嵌入式軟件開發(fā)過程各個階段,,高效,,高度集成的工具集方向發(fā)展,Requirement Analysis,Software Design,Coding,Test,Release,嵌入式軟件開發(fā)基本過程,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,,嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢，驅(qū)動了大量新的應用,,針對外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入系統(tǒng)必需配有通信接口，需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持。,,針對內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)要求，新一代嵌入式系統(tǒng)還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層

51、驅(qū)動軟件。,,為了支持網(wǎng)絡交互的應用，還需內(nèi)置XML瀏覽器和Web Server。,互聯(lián)的價值,,嵌入式設備的互聯(lián)性可提高對各種服務、內(nèi)容和信息的訪問能力,,為動態(tài)修改嵌入式軟件提供了可能，如:,,修改系統(tǒng)代碼或,“固件”,,增添新的應用軟件模塊,,增強了系統(tǒng)和設備的可管理性,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,嵌入式系統(tǒng)向新的嵌入式計算模型方向發(fā)展,,支持自然的人機交互和互動的、圖形化、多媒體的嵌入式人機界面。操作簡便、直觀、無須學習。如司機操縱高度自動化的汽車主要還是通過習慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。,,可編程的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可支持二次開發(fā)如采用嵌入式,Java,技術(shù)，可動態(tài)加載和升級軟件，增強嵌入式系統(tǒng)功能。,,支持分布式計算。與其他嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)成分布式計算環(huán)境。,,謝謝！,