第1章嵌入式控制系统——第01章.pdf
嵌入式控制系统嵌入式控制系统孙昌国邮箱：电话：13501192048课程课件邮箱：ustb_ 密码：d07_ustb嵌入式控制系统学时：45，516周，第16周集中闭卷考试实验课：18学时，单独设置实验课教材：桑楠等，嵌入式系统原理及应用开发技术(第2 版)，普通高等教育“十一五”国家级规划教材，国家精品课程主讲教材，高等教育出版社，2008 年1月参考教材：傅曦，WindowsCE嵌入式开发入门基于Xscale架构，人民邮电出版社，2006年 刘尚军，ARM嵌入式技术原理与应用基于XScale处理器及WxWorks操作系统，北京航空航天大学出版社，2007年参考资料参考资料 参考资料 罗蕾，嵌入式实时操作系统及应用开发，北航出版社.张大波，嵌入式系统原理、设计与应用，机械工业出版社C.M.Krishna,Kang G.Shin.REAL-TIME SYSTEMS.Tsinghua University Press,McGraw-Hill.A Survey of Real-time Operating Systems，32位嵌入式系统编程，中国电力出版社 嵌入式Linux设计与应用，清华大学出版社 嵌入式系统的实时概念，北航出版社 嵌入式操作系统综述 相关技术文档相关的网站相关的网站英文网站： Systemhttp:/en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system中文网站：关键词：ARM,嵌入式先修课程 模拟电子技术 数字电子技术 EDA 计算机组成原理（计算机系统结构）学习方法 听课 看参考设计 读示例代码 尝试制作评估板 参加产品设计 请教、讨论、交流 由浅入深，系统深入听看做听看做前言前言从上个世纪九十年代中期到现在，嵌入式系统已经从一个不起眼的单词，发展成覆盖所有应用领域、家喻户晓的时髦话题。虽然我国已经是嵌入式产品生产、应用和消费的大国，但国内工业界的技术水平、特别是设计水平相当落后。嵌入式开发的新要求：能够使用工具缩短嵌入式产品的开发周期；能够自行规划、选型、设计、并组织开发一个拥有自主知识产权的嵌入式新产品。课程目的课程目的 理论与实践相结合 以嵌入式软件工程思想为指导，以应用为目的，全面介绍嵌入式系统及其开发技术 对嵌入式系统及开发有一个全景的把握 配套实验：基于ARM的嵌入式系统开发 从纯软件到硬/软件结合 从“纸”上谈兵（编程序）到“板”上谈兵 从“懂”怎么做到“会”做 从讲/听讲/听/做。课程的主要内容 嵌入式控制系统导论（概念、分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势）嵌入式控制系统硬件（基本组成，嵌入式微处理器，外围电路等）嵌入式控制系统软件（分类、特点、体系结构、运行流程、操作系统、开发方法）嵌入式控制系统实例第一章嵌入式控制系统概论核心内容 无所不在的嵌入式系统 嵌入式系统定义 嵌入式系统的特征 嵌入式系统的分类 嵌入式系统基本结构 嵌入式应用开发1.1 无所不在的嵌入式系统比尔.盖茨曾经预言：随着后PC时代的到来，PC将无处不在。嵌入式PC科学家的共识科学家的共识计算机将变得小巧玲珑，藏身在任何地方,又消失在所有地方；功能强大,无影无踪。计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写纸上等等，随用随取、伸手可及嵌入式系统应用领域典型系统：采样控制系统典型系统：飞行控制系统空气数据状态估计飞行控制飞行管理空中交通控制导航状态估计状态估计飞 机传感信息响应命令物理飞机虚拟飞机操作系统接口典型系统：实时信号处理系统典型应用领域：信息家电典型应用领域：普适计算普适计算传感器网络信息设备智能环境远程医疗诊断智能教室可穿戴设备移动终端移动信息发布典型应用：车载综合管理系统小结 嵌入式系统无处不在，桌面系统依然有用 计算机与使用者的比率达到和超过100:1的阶段 95%以上都是嵌入式计算机系统 嵌入式应用带动了产业的迅猛发展1.2 嵌入式系统的定义定义一：定义一：当前国内通用当前国内通用嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用系统。定义二：IEEE定义Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants.实时系统实时系统 POSIX 1003.b定义POSIX 1003.b定义能够在限定响应时间内提供所需水平服务的计算机系统 一般性定义一般性定义一个实时系统是指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间：如果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统出错。特别注意特别注意实时并不等于快！它是一个相对的概念，确切定义应该是“及时”，即在系统允许的时间范围内完成任务实时系统衡量指标响应时间吞吐量生存时间嵌入式系统的实时性从广义概念上讲，嵌入式系统都可以看成是一个实时系统。1.3 嵌入式系统的特征1.3 嵌入式系统的特征技术密集专用紧凑安全可靠多种多样及时响应成本敏感开发困难不可垄断其它技术密集嵌入式系统是计算机技术、微电子技术和行业技术相结合的产物。专用紧凑嵌入式系统在体积、功耗、配置、处理能力、电磁兼容性等方面有明显的应用约束。安全可靠可靠性要求极高网络信息安全防危安全多种多样嵌入式处理器种类繁多外设随应用领域变化操作系统五花八门嵌入式开发工具不一嵌入式系统实时性多样化应用领域广泛及时响应嵌入式系统需要实时性保障，能够尽可能快地对外部技术过程的请求发出响应，及时完成。成本敏感嵌入式产品每一批次的产品数量大，单位成本对产品的市场前景和利润影响极大。开发困难开发困难不可垄断嵌入式系统是一个分散的工业。没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。其他：确定性任务个数确定每个任务执行时序确定每个任务所占资源等确定任务间通信延迟确定1.4 嵌入式系统发展历程197019851998萌芽阶段简单系统阶段RTOS阶段网络化阶段单芯片可编程控制器无操作系统8位MCUDSP32位嵌入式处理器pSOS+、VxWorks、QNXSOC芯片、多核VxWorks、Symbian、Linux、面向领域OS监测、伺服、指示功能工业应用军事应用无OS、VRTX家电、医疗、仪器仪表、通信简单工具：XRAY；无GUI汇编语言汇编语言消费电子、手机、汽车电子、.pRISM+、Tornado汇编、C、C+GUI、网络、文件系统、.汇编、C、C+、JavaTornado、GNU、BrewInternet、流媒体、数据库、智能家电、联网设备、无线终端、.处理器集成度越来越高；RTOS功能越来越强大；嵌入式中间件迅速发展；开发环境逐渐完善；应用领域覆盖完全。1.5 嵌入式系统的分类 按处理器位数划分 按应用类别划分 按系统的实时性划分 按工业界应用的复杂程度划分按处理器位数划分按所采用的处理器位数，可以分为4位、8位、16位、32位和64位系统。按系统实时性划分硬实时汽车的ABS和安全气囊系统、飞行控制系统、核电控制系统软实时电视信号、证券交易自适应实时自动调整满足环境需要，保证性能级别按工业界应用的复杂程度划分简单单处理器系统可扩展单处理器系统复杂嵌入式系统制造或过程控制中使用的计算机系统1.6 嵌入式系统基本结构外设 备围嵌入式应用应用编程接口嵌入式操作系统嵌入式处理器嵌入式硬件组成嵌入式软件组成嵌入式硬件层应用编程接口API嵌入式应用系统嵌入式实时操作系统操作系统内核功耗管理文件管理GUI基本组件汽车电子有线无线网络浏览器扩展组件嵌入式数据库信息家电板级支持包1.7 嵌入式系统的设计要求 功能实用、便于升级 并发处理、及时响应 造型自然、结构紧凑 接口方便、操作容易 稳定可靠、维护简便 功耗管理、降低成本1.8 嵌入式系统开发开发过程设计方法编程测试嵌入式软件的重用开发平台一、嵌入式系统开发过程二、嵌入式系统的设计 软件设计 硬件设计 集成设计三、嵌入式编程四、嵌入式系统测试软件功能的测试依赖于硬件。强壮性测试、可用性测试难。测试用例、测试结果上载困难。测试线程、任务、子系统之间的交互、并发和容错能力难。嵌入式测试困难：常规测试之外，嵌入式系统测试还包括：定期测试微处理器、存储器、以及嵌入式程序占用的存储空间。外围设备的测试。电源测试。耗材的测试，如燃料测试。安全测试。通信电缆测试。五、嵌入式软件的重用 遵循Moore定律，嵌入式软件的规模和复杂性迅速增大。软件多样性迅速增加。开发周期缩短，软件的质量需要保证。嵌入式软件开发面临的问题：嵌入式构件六、嵌入式软件开发平台为用户开发（包括需求分析、规格说明、设计、编码、测试、产品分配和维护等）嵌入式应用程序而提供的高起点、综合的支撑环境。开发平台的构成 面向领域的应用程序基本框架 可重用的组件库 参考设计 应用示例 开发工具集 嵌入式实时操作系统 相关文档等特殊的开发工具 在线仿真器 数学计算工具如MathCAD JTAG和BDM 软件固化工具 实时软件调试测试工具讨论讨论嵌入式系统与嵌入式控制系统的概念？嵌入式控制系统嵌入式控制系统控制系统嵌入式控制系统嵌入式控制系统控制系统嵌入式控制系统嵌入式控制系统控制系统讨论讨论嵌入式控制系统？简言之：具有控制功能的嵌入式系统。控制器被控对象输出反馈给定控制器硬件软件输入信号输出信号数字量模拟量通信 网络人机界面数字量模拟量讨论讨论嵌入式控制系统的特点？高可靠性（各种电气和气候下的环境适应能力）-无故障 实时性-及时实现控制 控制、反馈、对象适应性-专用功能小结理解和掌握嵌入式系统的基本概念，了解嵌入式系统开发过程的轮廓，为进一步的学习奠定基础
