第1章嵌入式系统.ppt

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1、3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统概述嵌入式系统概述3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential什么是嵌入式系统？嵌入式系统是以应用为中心以应用为中心，以计

2、算机技以计算机技术为基础术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用专用计算机系统。简而言之，它是完成特定任务的计算机系简而言之，它是完成特定任务的计算机系统。统。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential什么是嵌入式系统？“所有的计算机系统都是通过编程来执行任务所有的计算机系统都是通过编程来执行任务的的?”嵌入式系统里的程序是被嵌入式系统里的程序是被写死写死的。系统上的。系统上电后程序开始执行直至系统关闭，程序是电后程序开始执行直至系统关闭，程序是不能不能被改变被改变的，除非开发人员采用特定的方法

3、才能的，除非开发人员采用特定的方法才能对程序进行改进并重新写入系统。对程序进行改进并重新写入系统。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential什么是嵌入式系统？嵌入式系统往往做为一个大型系统的组嵌入式系统往往做为一个大型系统的组成部分被嵌入到该系统中成部分被嵌入到该系统中(这也是它名称的由这也是它名称的由来来)，嵌套关系可能相当复杂，嵌套关系可能相当复杂，也可能非常简也可能非常简单，它的表现形式多种多样。单，它的表现形式多种多样。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统应用 PDA 消

4、费电子消费电子 信息家电信息家电 移动通信移动通信 GPS 智能识别系统智能识别系统 导航系统导航系统 汽车电子汽车电子 3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统应用 工业控制工业控制 火控系统火控系统 数字电视数字电视 飞行控制系统飞行控制系统 测试仪器测试仪器 医疗设备医疗设备 游戏机游戏机 等等等等 Mars,December 3,1999Crashed due to uninitialized variable 3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?

5、嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统特点 实时性实时性 小尺寸（资源，代码，规格小尺寸（资源，代码，规格）低功耗低功耗 高效率高效率 3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential什么是实时性?对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑正确性相关，而且与系统的正确性相关，而且与系统的正确性相关，而且与系统的正确性相关，

6、而且与系统的响应时间响应时间响应时间响应时间相关。如果相关。如果相关。如果相关。如果系统的响应不能满足系统的响应不能满足系统的响应不能满足系统的响应不能满足时限时限时限时限要求，即使它能得到正要求，即使它能得到正要求，即使它能得到正要求，即使它能得到正确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。DonaldDonald GilliesGillies3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential什么是实时性?操作系统中的实时性操

7、作系统中的实时性操作系统中的实时性操作系统中的实时性:操作系统对时限要求的一种响应能力。操作系统对时限要求的一种响应能力。操作系统对时限要求的一种响应能力。操作系统对时限要求的一种响应能力。POSIX POSIX 标准标准标准标准 1003.1 1003.13 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential实时系统 在时限范围内的正确响应在时限范围内的正确响应 通常是嵌入式系统通常是嵌入式系统 通常是分布式系统通常是分布式系统 对时限要求的不同对时限要求的不同 硬实时系统硬实时系统 软实时系统软实时系统3 Sept.20083 Sept.2008Con

8、fidentialConfidential硬实时和软实时 硬实时硬实时 系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。软实时软实时 系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足时限要求，系统仍然

9、可以正常工作，只是性能有所时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所影响而已。如数据采集系统。影响而已。如数据采集系统。影响而已。如数据采集系统。影响而已。如数据采集系统。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential实时系统 硬实时系统应用硬实时系统应用 汽车汽车汽车汽车 (沃尔沃沃尔沃沃尔沃沃尔沃S80S80有有有有1919台计算机台计算机台计算机台计算机)飞机飞机飞机飞机 (JAS)(JAS)医疗设备医疗设备医疗设备医疗设备 空间设备空间设备空间设备空间

10、设备 (火星探测器火星探测器火星探测器火星探测器)军方系统军方系统军方系统军方系统 工业自动化工业自动化工业自动化工业自动化3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential实时系统 软实时系统应用软实时系统应用 游戏游戏游戏游戏 DVD(MPEG DVD(MPEG 编码编码编码编码)英特网视频和广播英特网视频和广播英特网视频和广播英特网视频和广播 通讯通讯通讯通讯3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083

11、Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统结构硬件硬件操作系统操作系统 程序程序硬件硬件内嵌式操作系统内嵌式操作系统系统组件系统组件用户程序用户程序嵌入式系统结构嵌入式系统结构计算机系统结构计算机系统结构3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统应用实例数字控制算法数字控制算法数据日志数据日志数据获取和显示数据获取和显示操作员界面操作员界面界面界面工程系统工程系统远程监视系统远程监视系统实时时钟实时时钟数据库数据库操作员控制台操作员控制台显示设备显示设备实时计算机实时计算机3 Sept.20083 S

12、ept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统硬件CPUIntel x86PowerPC(Mac)G3,G4,G5SPARC,AlphaARMMIPS位宽 8位控制器(仍然存在!)16位控制器(主流)32位控制器(开始流行)64位控制器(高性能)3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统硬件 CPU市场份额市场份额3 Sept.20083 Sep

13、t.2008ConfidentialConfidential嵌入式硬件实例3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential问题 功耗和能量功耗和能量为何担心能量和电力？“电能是嵌入式系统的最大约束电能是嵌入式系统的最大约束”in:L.Eggermont(ed):Embedded Systems Roadmap 2002,STW目前的目前的UMTS电话系统几乎不可能在数据一直被传输的情况下被电话系统几乎不可能在数据一直被传输的情况下被操作多于一小时的时间。操作多于一小时的时间。from a report of the Financial Times,G

14、ermany,on an analysis by Credit Suisse First Boston;http:/www.ftd.de/tm/tk/9580232.html?nv=se3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential目录什么是嵌入式系统?嵌入式系统特点嵌入式系统结构 嵌入式硬件嵌入式软件3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式软件 目标设计可靠、稳定、高效的嵌入式软件，需要考虑 继承性继承性继承性继承性 有限的资源有限的资源有限的资源有限的资源 多样性多样性多样性多样性 可读

15、性可读性可读性可读性 并发性并发性并发性并发性 兼容性兼容性兼容性兼容性 实时性实时性实时性实时性 层次层次层次层次3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统软件的特点HardwareIncluding OperatingSystem ComponentsUser Program嵌入式系统嵌入式系统 有限的资源有限的资源有限的资源有限的资源 实时性实时性实时性实时性 操作系统与用户软件操作系统与用户软件操作系统与用户软件操作系统与用户软件 没有明显的界线没有明显的界线没有明显的界线没有明显的界线 开发模式开发模式开发模式开发模式 ho

16、sttarget串口串口以太网以太网3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式操作系统嵌入式LinuxWinceuCosNucleusVxWorks Symbian Android Meego3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式开发流程3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式软件开发流程需求分析系统设计概要设计详细设计编码单体测试详细测试验收测试3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConf

17、idential4 嵌入式系统开发工具和环境近年来嵌入式领域得到了迅猛发展，嵌入式系统已经无近年来嵌入式领域得到了迅猛发展，嵌入式系统已经无处不在，嵌入式系统的开发也变得越来越复杂，软硬件处不在，嵌入式系统的开发也变得越来越复杂，软硬件的复杂度都大幅度增加。而市场对于嵌入式系统的开发的复杂度都大幅度增加。而市场对于嵌入式系统的开发周期要求也越来越高，这对于嵌入式开发工具提出了新周期要求也越来越高，这对于嵌入式开发工具提出了新的挑战。的挑战。嵌入式开发过程相对嵌入式开发过程相对PCPC应用程序开发而言，具有其特殊应用程序开发而言，具有其特殊的复杂性，涉及更多的硬件以及操作系统底层的知识，的复杂性

18、，涉及更多的硬件以及操作系统底层的知识，缺乏统一的软硬件平台，系统建模、工程管理和项目管缺乏统一的软硬件平台，系统建模、工程管理和项目管理的工具也非常缺乏。随着理的工具也非常缺乏。随着3232位嵌入式处理器的应用越位嵌入式处理器的应用越来越广泛，市场对于嵌入式系统的性能要求不断提高。来越广泛，市场对于嵌入式系统的性能要求不断提高。当前嵌入式系统的复杂程度已不是过去当前嵌入式系统的复杂程度已不是过去8 8位单片机系统所位单片机系统所能比拟的了，这对项目的开发、测试、管理都提出了新能比拟的了，这对项目的开发、测试、管理都提出了新的要求，过去的嵌入式开发工具已经越来越无法适应新的要求，过去的嵌入式开

19、发工具已经越来越无法适应新的需求。的需求。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential4.1 嵌入式软件的开发工具目前中国嵌入式软件产业所使用的开发工具和集成开发目前中国嵌入式软件产业所使用的开发工具和集成开发环境（环境（IDEIDE）主要是国外品牌，如）主要是国外品牌，如ARMARM、风河和微软等、风河和微软等公司的产品。公司的产品。国产的嵌入式软件开发工具主要包括凯思集团推出的国产的嵌入式软件开发工具主要包括凯思集团推出的“女娲女娲Hopen SDKHopen SDK”、北京科银京成技术有限公司推出的、北京科银京成技术有限公司推出的嵌入式集成

20、开发工具嵌入式集成开发工具LambdaTool2.0LambdaTool2.0和嵌入式软件测试工和嵌入式软件测试工具具GammaRayGammaRay、北京飞漫软件技术有限公司开发的、北京飞漫软件技术有限公司开发的MiniGUIMiniGUI等等。等等。我国在嵌入式软件开发工具方面的整体研发水平和实力我国在嵌入式软件开发工具方面的整体研发水平和实力较弱，重视程度不够，成熟的产品较少，主要集中在编较弱，重视程度不够，成熟的产品较少，主要集中在编码调试上。我国厂商目前还不具备与国外厂商竞争的实码调试上。我国厂商目前还不具备与国外厂商竞争的实力。力。3 Sept.20083 Sept.2008Con

21、fidentialConfidential嵌入式软件的开发工具编译器（编译器（CompilerCompiler）调试器（调试器（In Circuit EmulatorIn Circuit Emulator）软仿真（软仿真（SimulatorSimulator）集成开发环境（集成开发环境（IDEIDE）典型的商业开发工具及供应商典型的商业开发工具及供应商WindriverWindriver公司的公司的Tornado for VxWorksTornado for VxWorksMontaVisaMontaVisa公司的公司的HardHat Linux HardHat Linux 开发工具包开发工具

22、包AMCAMC公司的公司的SuperTAPSuperTAP调试器调试器免费开发工具免费开发工具GNUGNU系列开发工具系列开发工具WigglerWiggler调试器调试器3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential免费开发工具（GNU）GNUGNU（GNUGNUs Not Unixs Not Unix）项目是自由软件基金会（）项目是自由软件基金会（Free Software Free Software FoundationFoundation）的董事长）的董事长Richard M.StallmanRichard M.Stallman于于19841

23、984年发起，意在软件开年发起，意在软件开发团体中发起支持开发自由软件的运动。发团体中发起支持开发自由软件的运动。GNUGNU软件包括软件包括:C C编译器编译器gccgcc C+C+编译器编译器g+g+GNU GNU的汇编器的汇编器as as GNU GNU的链接器的链接器ld ld 二进制转换工具二进制转换工具(objcopy(objcopy、objdump)objdump)调试工具调试工具(gdb(gdb、gdbservergdbserver、kgdb)kgdb)和基于不同硬件平台的开发库。和基于不同硬件平台的开发库。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialC

24、onfidential4.2 嵌入式软件调试方式交叉调试方式交叉调试方式Rom MonitorRom Monitor In Circuit Emulator(ICE)In Circuit Emulator(ICE)On Chip Debugging(OCD)On Chip Debugging(OCD)SimulatorSimulator方式（非交叉）方式（非交叉）3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidentialRom MonitorROMROM监控器是一小程序，驻留在嵌入系统监控器是一小程序，驻留在嵌入系统ROMROM中，通过串行的或中，通过串行的或

25、网络的连接和运行在工作站上的调试软件通信。这是一种便宜的方网络的连接和运行在工作站上的调试软件通信。这是一种便宜的方式，当然也是最低端的技术。它除了要求一个通信端口和少量的内式，当然也是最低端的技术。它除了要求一个通信端口和少量的内存空间外，不需要其它任何专门的硬件。存空间外，不需要其它任何专门的硬件。应用举例应用举例 ：Trace32 Trace32 工具；工具；AngelAngel工具（工具（Angel Debug ProtocolAngel Debug Protocol）从应用来讲，并不局限于嵌入式系统。从应用来讲，并不局限于嵌入式系统。3 Sept.20083 Sept.2008Con

26、fidentialConfidentialICE 调试模式ICEICE（In-Circuit EmulatorIn-Circuit Emulator）是一种用于替代）是一种用于替代目标机上目标机上CPUCPU的设备，即在线仿真器。它的设备，即在线仿真器。它比一般的比一般的CPUCPU有更多的引出线，能够将内有更多的引出线，能够将内部的信号输出到被控制的目标机。部的信号输出到被控制的目标机。ICEICE上的上的MemoryMemory也可以被映射到用户的程也可以被映射到用户的程序空间，这样即使目标机不存在的情形下序空间，这样即使目标机不存在的情形下也可以进行代码的调试。也可以进行代码的调试。3

27、Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidentialOCD调试方式OCDOCD（On Chip DebuggingOn Chip Debugging）是）是CPUCPU芯片提芯片提供的一种调试功能（片上调试），可以认供的一种调试功能（片上调试），可以认为是一种廉价的为是一种廉价的ICEICE功能：功能：OCDOCD的价格只的价格只有有ICEICE的的20%20%，但提供了，但提供了ICE 80%ICE 80%的功能。的功能。OCDOCD的几种商用实现的几种商用实现BDMBDM（Background Debugging Background Debugging

28、 ModeMode）（）（MotoralaMotorala）JTAGJTAG（Joint Test Access GroupJoint Test Access Group）（）（ARMARM）OnCEOnCE（On Chip EmulationOn Chip Emulation）3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential4.3 软件仿真技术通过软件仿真的方式来进行嵌入式系统的设计一直是嵌入式开发工具的重通过软件仿真的方式来进行嵌入式系统的设计一直是嵌入式开发工具的重点发展方向。软件仿真可以加快软件开发进度，使得软件工程师对硬件工点发展方向。软件

29、仿真可以加快软件开发进度，使得软件工程师对硬件工程师的依赖减弱，同时还减少了对硬件损伤的机会。另外给学习者提供了程师的依赖减弱，同时还减少了对硬件损伤的机会。另外给学习者提供了廉价的学习方法，降低了学习门槛。目前，软件仿真技术在嵌入式的各个廉价的学习方法，降低了学习门槛。目前，软件仿真技术在嵌入式的各个层面都取得了长足的发展层面都取得了长足的发展。OPLDOPLDFPGAFPGA设计的仿真设计的仿真CPLDCPLDFPGAFPGA的设计是嵌入式系统硬件设计的重要部分，而且随着的设计是嵌入式系统硬件设计的重要部分，而且随着SoCSoC系统设计的增长，系统设计的增长，EDAEDA在硬件设计中所占的

30、比例将越来越大，也越来在硬件设计中所占的比例将越来越大，也越来越复杂。越复杂。单元模块设计的仿真单元模块设计的仿真单元模块的驱动设计是嵌入式系统软件设计的最底层，是嵌入式系统单元模块的驱动设计是嵌入式系统软件设计的最底层，是嵌入式系统软硬件结合处软硬件结合处。操作系统设计的仿真操作系统设计的仿真3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential 4.4 图形化设计方法图形化开发在嵌入式领域已经越来越多，图形化开发在嵌入式领域已经越来越多，从硬件设计到软件编程的各个环节都已经从硬件设计到软件编程的各个环节都已经有了非常多的优秀工具。有了非常多的优秀工具。

31、将整个嵌入式系统的设计图形化是未来嵌将整个嵌入式系统的设计图形化是未来嵌入式系统设计的另一个新趋势。入式系统设计的另一个新趋势。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential5 嵌入式软件发展趋势随着信息技术以及互联网飞速发展普及，随着信息技术以及互联网飞速发展普及，3C3C（计算机、通讯、消费（计算机、通讯、消费电子）合一的加速，嵌入式设计已经成为工业现代化、智能化的必电子）合一的加速，嵌入式设计已经成为工业现代化、智能化的必经之路，嵌入式产品已经深入到各行各业。嵌入式接入设备是数字经之路，嵌入式产品已经深入到各行各业。嵌入式接入设备是数字化时代

32、的一大主流产品，嵌入式软件已经成为数字化产品的核心。化时代的一大主流产品，嵌入式软件已经成为数字化产品的核心。嵌入式软件大量应用于家用市场、工业市场、商业市场、通讯市场嵌入式软件大量应用于家用市场、工业市场、商业市场、通讯市场和国防市场。近几年来，信息电器迅速发展，也为嵌入式软件的发和国防市场。近几年来，信息电器迅速发展，也为嵌入式软件的发展起到推波助澜的作用。展起到推波助澜的作用。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式软件发展趋势随着行业的推广，行业应用软件市场将迅速扩大。掌上电脑功能的不断扩随着行业的推广，行业应用软件市场将迅速扩

33、大。掌上电脑功能的不断扩展，专项功能软件面临新的发展机会。展，专项功能软件面临新的发展机会。由于嵌入式系统关乎民生，涉及工业、农业、商业、国防以及政务等社会由于嵌入式系统关乎民生，涉及工业、农业、商业、国防以及政务等社会生活的方方面面，决不能受制于人，嵌入式软件必将成为我国软件产业未生活的方方面面，决不能受制于人，嵌入式软件必将成为我国软件产业未来发展的一个主要方向。来发展的一个主要方向。我国目前在嵌入式应用软件领域具有优势，或者说在这一领域面临的竞争我国目前在嵌入式应用软件领域具有优势，或者说在这一领域面临的竞争形式还不算恶劣，所以以此为突破口相对较容易。形式还不算恶劣，所以以此为突破口相对

34、较容易。彩电、彩电、DCDDCD、手机、手机、MP3/MP4MP3/MP4、掌上电脑、汽车等都是潜在的信息电器。、掌上电脑、汽车等都是潜在的信息电器。信息电器平台不存在国外软件厂商垄断市场的现象，这一领域已成为中国信息电器平台不存在国外软件厂商垄断市场的现象，这一领域已成为中国软件业的突破口。软件业的突破口。3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式软件发展趋势总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点：总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点：由由8 8位处理向位处理向3232位过渡位过渡 由单核向多核过渡由单核向多核过渡 向网络化功能发展向网络

35、化功能发展 MCUMCU、FPGAFPGA、ARMARM、DSPDSP等齐头并进等齐头并进 嵌入式操作系统呈多元化趋势嵌入式操作系统呈多元化趋势3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统软件的今天3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential嵌入式系统软件的明天3 Sept.20083 Sept.2008ConfidentialConfidential作业你是如何理解嵌入式系统的?在日常生活中，你接触过哪些嵌入式产品？他们都有些什么功能？l l嵌入式系统中的软件有哪些特征嵌入式系统中的软件有哪些特征?l l比较嵌入式系统与普通的计算机系统比较嵌入式系统与普通的计算机系统存有哪些相同和不同之处。存有哪些相同和不同之处。