嵌入式系统设计

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1、嵌 入 式 系 统 设 计 参 考 书l 嵌 入 式 计 算 机 系 统 设 计 原 理 ， computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 机 械 工 业 出 版 社 ， 2002l ARM嵌 入 式 处 理 器 结 构 与 应 用 基 础 ， 马忠 梅 等 ， 北 航 出 版 社 ， 2002l 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 VxWorks及 其 开 发 环境 Tornado， 孔 祥 营 等 ， 中 国 电 力 出 版 社 ，2002 第 一 课 、 嵌 入 式

2、 系 统 概 述l 嵌 入 式 系 统 的 历 史 与 概 念l 无 所 不 在 的 嵌 入 式 系 统l 普 适 计 算l 嵌 入 式 系 统 的 基 本 组 成 与 设 计l 嵌 入 式 热 点 领 域 一 、 什 么 是 嵌 入 式 系 统l Embedded systeml 个 人 电 脑 嵌 入 式 系 统 计 算 机 工 业 的 分 类l 以 往 计 算 机 分 类 ： 大 型 计 算 机 、 中 型 机 、小 型 机 和 微 计 算 机l 目 前 计 算 机 分 类 ： 超 级 计 算 机 ， 大 型 计 算机 、 工 作 站 、 微 计 算 机 、 亚 微 计 算 机l 亚 微

3、 计 算 机 (嵌 入 式 计 算 机 ) 是 以 嵌 入 式 系统 的 形 式 隐 藏 在 各 种 装 置 、 产 品 和 系 统 中 历 史l 电 脑 用 于 控 制 设 备 或 嵌 入 系 统 的 历 史 几 乎电 脑 自 身 的 历 史 一 样 长l 计 算 机 控 制 系 统l 单 片 机 掀 起 电 子 化 浪 潮l 微 处 理 器 高 速 发 展 推 动 了 嵌 入 式 系 统 嵌 入 式 系 统 的 演 变l 8031/8051单 片 机 系 统 ， 自 行 编 写 程 序 ；l 68360/386EX控 制 系 统 ， 自 己 编 写 简 单 的操 作 系 统 ；l 32位

4、嵌 入 式 处 理 器 pSoS嵌 入 式 操 作 系统 tcp/ip协 议 栈 ；l 各 种 SoC+嵌 入 式 Linux/VxWorks+嵌 入 式Web 设 备 server以 及 各 种 复 杂 网 络 协 议 栈 GUI图 形 界 面 无 线 模 块 现 代 可 移 动的 网 络 智 能 设 备 后 PC技 术 的 时 代l 小 到 mp3， PDA等 微 型 数 字 化 产 品 ， 大 到网 络 家 电 ， 智 能 家 电 ， 车 载 电 子 设 备l 嵌 入 式 系 统 是 这 个 后 PC时 代 的 擎 天 之 柱l 1999年 世 界 电 子 产 品 产 值 已 超 过 1

5、2000亿美 元 ， 2000年 达 到 13000亿 美 元 ， 预 计2005年 ， 销 售 额 将 达 18000亿 美 元 。 嵌 入 式 简 单 定 义l 嵌 入 式 系 统 是 指 操 作 系 统 和 功 能 软 件 集 成于 计 算 机 硬 件 系 统 之 中 。l 可 以 认 为 凡 是 带 有 微 处 理 器 的 专 用 软 硬 件系 统 都 可 以 称 为 嵌 入 式 系 统 狭 义 定 义l 使 用 嵌 入 式 微 处 理 器 构 成 独 立 系 统 ， 具 有自 己 的 操 作 系 统 并 且 具 有 某 些 特 定 功 能 的系 统l 微 处 理 器 专 指 32位

6、以 上 的 微 处 理 器 嵌 入 式 系 统 的 定 义l以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适 应 应 用 系 统 对 功 能 、 可靠 性 、 成 本 、 体 积 、 功 耗 严 格 要 求的专用计算机系统 二 、 无 所 不 在 的 嵌 入 式 系 统l 嵌 入 式 系 统 的 应 用 远 远 超 过 了 各 种 通 用 计 算 机l 一 台 通 用 计 算 机 的 外 部 设 备 中 就 包 含 了 5-10个嵌 入 式 微 处 理 器 ：l 键 盘 、 鼠 标 、 软 驱 、 硬 盘 、 显 示 卡 、 显 示 器 、Modem、 网 卡 、 声 卡 、 打 印 机

7、 、 扫 描 仪 、 数 字 相 机 、USB集 线 器 等 均 是 由 嵌 入 式 处 理 器 控 制 的 。l 在 制 造 工 业 、 过 程 控 制 、 通 讯 、 仪 器 、 仪 表 、汽 车 、 船 舶 、 航 空 、 航 天 、 军 事 装 备 、 消 费 类产 品 等 方 面 均 是 嵌 入 式 计 算 机 的 应 用 领 域 。 经 典 应 用lCISCO的 路 由 器l 华 为 、 中 兴 的 以 太 网 交 换 机l 恒 基 伟 业 的 商 务 通 PDA；l 摩 托 罗 拉 的 手 机l 美 国 宇 航 局 的 火 星 探 测 器lSony的 机 器 狗 AIBO 嵌 入

8、 式 系 统 的 应 用 领 域 （ 一 ） l 家 用 市 场 机 顶 盒 、 掌 上 电 脑 、 DVD、 MP3、 数 码 相 机 、 数 字 电 视 、 WebTV、 网 络 冰 箱 、网 络 空 调 、 家 庭 网 关 、 智 能 家 用 电 器 、 车 载 导 航 器 系 统 等l 通 信 市 场 电 话 交 换 系 统 ， 电 缆 系 统 ， 卫 星 和 全 球 定 位 系 统 （ L3D） ， 数 据 交 换 设 备 ， 移动 电 话 等l 工 业 市 场 制 造 工 厂 ， 污 水 处 理 系 统 ， 发 电 站 和 电 力 传 输 系 统 ， 自 动 化 工 厂 ， 控 制

9、 系 统 开发 ， 维 护 和 测 试 的 工 具 ， 石 油 提 炼 和 相 关 的 贮 运 设 施 ， 建 筑 设 备 ， 计 算 机 辅 助 制 造 系 统 ， 能 源 控 制 系 统 ， 核 电 站 ， 机 器 人 系 统 等l 商 业 和 金 融 市 场 自 动 柜 员 机 ， 信 用 卡 系 统 ， 售 货 端 系 统 ， 安 全 系 统 等 嵌 入 式 系 统 的 应 用 领 域 （ 二 ）l 办 公 市 场 电 话 系 统 ， 传 真 系 统 ， 复 印 机 ， 计 时 系 统 ， 照 相 机 和 摄 象 机l 运 输 市 场 航 空 、 铁 路 、 公 路 运 输 系 统 ，

10、 燃 料 服 务 ， 航 空 管 理 ， 信 令 系 统 ， 雷 达 系 统 ， 交通 指 挥 系 统 ， 停 车 系 统 ， 售 票 系 统 ， 乘 客 信 息 系 统 ， 检 票 系 统 ， 行 李 处 理 系 统 ， 应急 设 备 等l 建 筑 市 场 电 力 供 应 ， 备 用 电 源 和 发 电 机 ， 火 警 控 制 系 统 ， 供 热 和 通 风 系 统 ， 电 梯 和 升 降系 统 ， 车 库 管 理 ， 安 保 系 统 ， 电 子 门 锁 系 统 ， 楼 宇 管 理 系 统 ， 闭 路 电 视 系 统 ， 电 子保 险 柜 ， 警 铃 等l 医 疗 市 场 心 脏 除 颤 器

11、 ， 心 脏 起 搏 器 ， 患 者 信 息 和 监 视 系 统 ， MN光 设 备 ， 理 疗 控 制 系 统 ，电 磁 成 像 系 统 等l 军 事 武 器 控 制 嵌 入 式 系 统 热 点 应 用l 信 息 家 电l 车 载 系 统l 军 事 工 业l 医 疗 器 械 信 息 家 电 应 用 特 点l 市 场 巨 大l 低 成 本 要 求l 利 润 空 间 小l 竞 争 激 烈l 人 机 界 面 友 好l 网 络 化 车 载 系 统 应 用 特 点l 与 汽 车 工 业 相 配 套l 利 润 空 间 较 大l 可 靠 性 要 求 较 高l 无 线 通 讯 要 求 军 事 工 业 应 用

12、 特 点l 市 场 垄 断 性 强l 高 利 润l 可 靠 性 要 求 高l 安 全 性 要 求 高l 成 本 要 求 布 不 高 军 事 工 业 产 品l 数 字 化 单 兵 信 息 装 备l 夜 视 扫 描 、 全 球 定 位 、 指 挥 通 信 医 疗 行 业 应 用 特 点l 市 场 广 阔 ， 进 入 门 槛 较 高l 利 润 极 高 三 、 普 适 计 算 Pervasive Computing l 普 适 计 算 是 指 使 用 小 型 计 算 设 备 、 在 位 置不 断 移 动 的 过 程 中 或 在 地 理 位 置 分 布 很 广的 范 围 内 ， 在 不 稳 定 的 通

13、信 条 件 下 实 现 联机 事 务 处 理 和 企 业 核 心 数 据 访 问 。 l 普 适 计 算 是 指 无 所 不 在 的 、 随 时 随 地 可 以进 行 计 算 的 一 种 方 式 ；l 主 要 针 对 移 动 设 备 ；l 普 适 计 算 设 备 可 以 一 直 或 间 断 地 连 接 着 网络 普 适 计 算 和 无 线 互 联 及 网 络 计 算 比 较l 普 适 计 算 是 网 络 计 算 的 自 然 延 伸 l 它 使 得 不 仅 PC机 而 且 其 它 小 巧 的 智 能 设备 也 可 以 连 接 到 网 络 中 ， 从 而 方 便 人 们 即时 地 获 得 信 息

14、并 采 取 行 动 l 人 们 就 可 以 以 一 种 一 致 的 方 式 ， 使 用 所 喜欢 的 设 备 （ 主 要 是 嵌 入 式 系 统 设 备 ） ， 随时 随 地 获 得 信 息 普 适 计 算 需 要 的 条 件 l 第 一 ， 处 理 器 价 格 越 来 越 便 宜 ， 而 体 积 越 来 越 小 ， 使 得计 算 机 功 能 得 以 广 泛 应 用 。 可 以 将 计 算 机 部 件 安 装 在 任何 用 于 监 控 或 采 集 数 据 的 各 种 小 型 计 算 物 理 设 备 上 ， 例如 家 用 电 器 、 数 据 采 集 器 、 跟 踪 器 等 。l 第 二 ， 高

15、的 网 络 带 宽 也 确 保 了 网 络 连 接 更 快 、 更 方 便 、更 便 宜 ， 更 完 善 的 网 络 保 证 了 网 络 连 接 的 质 量 和 效 率 。l 第 三 ， 现 在 已 被 广 泛 应 用 的 蜂 窝 技 术 也 有 了 很 大 的 发 展 。蜂 窝 式 移 动 通 讯 系 统 的 覆 盖 能 力 和 范 围 比 任 何 通 信 系 统都 要 广 ， 且 价 格 低 廉 。 蜂 窝 电 话 不 必 插 在 墙 壁 上 ， 用户 在 任 何 地 方 都 能 打 。 通 过 蜂 窝 技 术 的 连 接 ， 不 用 物 理连 线 就 可 以 将 POS销 售 机 连 到

16、 局 域 网 上 。 普 适 计 算 的 特 性 l 间 断 连 接l 普 适 计 算 的 第 一 个 特 征 是 间 断 连 接 ， 是 服 务 器 能 否不 时 地 同 用 户 （ 特 别 是 移 动 用 户 ） 保 持 联 系 。 用 户必 须 能 够 存 取 服 务 器 信 息 ， 在 中 断 联 系 的 情 况 下 ，可 以 处 理 这 些 信 息 。 l 轻 量 计 算l 即 计 算 资 源 相 对 有 限 。 普 适 计 算 主 要 用 于 商 业 用 途的 数 据 处 理 ， 通 常 针 对 移 动 办 公 的 工 作 人 员 和 需 要经 常 在 旅 途 中 存 取 公 司

17、系 统 数 据 的 职 员 ， 他 们 需 要不 受 地 域 和 时 间 限 制 地 获 取 和 处 理 核 心 系 统 上 的 数据 。 普 适 计 算 对 数 据 库 的 要 求 l 第 一 ， 在 普 适 计 算 设 备 上 安 装 一 个 系 统 开销 低 的 小 型 数 据 库 管 理 系 统 ， 用 于 在 本 地存 取 信 息 。 l 第 二 ， 在 软 件 的 分 布 、 数 据 备 份 和 恢 复 、移 动 存 取 等 方 面 ， 要 具 备 高 效 、 实 时 的 数据 复 制 能 力 。 l 第 三 ， 普 适 计 算 也 与 电 子 商 务 紧 密 联 系 在一 起 ，

18、 那 些 电 子 商 务 应 用 程 序 要 求 能 够 交流 、 存 取 信 息 。 普 适 计 算 对 于 系 统 开 销 的 要 求 l 按 普 适 计 算 对 于 系 统 开 销 的 要 求 通 常 可 以 分 为 三 种 类 型 ， 分 别 使 用三 类 操 作 系 统 ， 适 用 于 不 同 类 型 的 用 户 ， 针 对 不 同 的 市 场 ， 有 三 种不 同 的 数 据 存 储 需 求 。l 第 一 种 是 Windows CE， 它 具 有 典 型 的 前 端 办 公 形 式 应 用 程 序 ， 是用 于 商 务 处 理 的 完 整 操 作 系 统 ， 在 小 型 轻 便

19、个 人 计 算 机 上 运 行 。 用户 用 微 型 键 盘 输 入 数 据 ， 整 个 系 统 开 销 大 约 为 2 MB， 所 以 数 据 库的 开 销 很 小 ， 大 约 只 有 1 MB， 物 理 存 储 量 约 在 500 MB600 MB之间 。 l 第 二 种 是 手 持 设 备 （ 又 叫 掌 上 机 ， Palm） ， 运 行 生 产 商 特 制 的 掌上 机 操 作 系 统 （ Palm OS） 。 这 种 设 备 比 Windows CE设 备 更 小 ，通 过 手 写 笔 进 行 数 据 录 入 ， 配 有 一 个 很 小 的 浏 览 窗 口 。 通 常 该 设 备上

20、 数 据 库 可 用 的 内 存 容 量 小 于 1MB， 物 理 存 储 量 在 500 MB以 下 。 l 第 三 种 设 备 的 代 表 是 汽 车 的 内 置 计 算 机 部 件 。 这 种 设 备 只 有100 KB的 内 存 ， 没 有 硬 盘 存 储 ， 运 行 用 专 用 的 实 时 操 作 系 统 开 发商 开 发 的 操 作 系 统 。 普 适 计 算 用 途 及 前 景 l 普 适 计 算 主 要 用 于 商 业 ， 通 常 针 对 移 动 办公 的 工 作 人 员 和 需 要 经 常 存 取 公 司 系 统 信息 的 职 员 。 l 数 字 家 庭 能 通 过 家 庭

21、网 关 将 宽 带 网 络 接 入家 庭 ， 家 庭 内 部 的 网 络 可 以 是 无 线 或 有 线的 。 在 家 庭 内 部 ， 手 持 设 备 、 PC或 者 家用 电 器 通 过 有 线 或 者 无 线 的 方 式 连 接 到 网络 ， 从 而 提 供 了 一 个 无 缝 、 交 互 和 普 适 计算 的 环 境 。 四 、 嵌 入 式 系 统 的 基 本 组 成 与 设 计 嵌 入 式 系 统 主 要 由 嵌 入 式 处 理 器 、 相关 支 撑 硬 件 、 嵌 入 式 操 作 系 统 及 应 用 软 件系 统 等 组 成 ， 它 是 集 软 硬 件 于 一 体 的 可 独立 工

22、作 的 “ 器 件 ” 交 叉 学 科l 先 进 的 计 算 机 技 术l 半 导 体 技 术l 电 子 技 术l 各 个 行 业l 面 向 具 体 应 用 嵌 入 式 系 统 的 产 品 特 征 l 硬 件 ： 嵌 入 式 处 理 器 的 功 耗 、 体 积 、 成 本 、可 靠 性 、 速 度 、 处 理 能 力 、 电 磁 兼 容 性 等方 面l 嵌 入 式 软 件 生 命 周 期 嵌 入 式 产 品l 软 件 以 只 读 存 储 器 为 载 体l 不 可 以 随 意 更 换 嵌 入 式 处 理 器 l 嵌 入 式 系 统 的 核 心 部 件 l 品 种 总 量 已 经 超 过 1000

23、多 种 ， 流 行 体 系结 构 有 30几 个 系 列 ， 其 中 8051体 系 的 占有 多 半 嵌 入 式 系 统 硬 件 主 流l 32,64位 微 处 理 器 是 目 前 嵌 入 式 系 统 的 核心l 主 要 硬 件 厂 商 包 括 Intel， Motorola，Philip， AMD等l 每 个 月 都 有 新 产 品 出 现 嵌 入 式 计 算 机 内 核 分 类 l 嵌 入 式 微 处 理 器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) l 嵌 入 式 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) l 嵌 入 式 D

24、SP处 理 器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) l 嵌 入 式 片 上 系 统 (System On Chip) 嵌 入 式 微 处 理 器 (EMPU) l 通 用 计 算 机 中 的 CPUl 专 门 设 计 的 电 路 板 l 只 保 留 和 嵌 入 式 应 用 有 关 的 母 板 功 能 l 增 强 工 作 温 度 、 抗 电 磁 干 扰 、 可 靠 性 等 方 面l 功 能 与 和 工 业 控 制 计 算 机 相 似l 嵌 入 式 处 理 器 目 前 主 要 有 Am186/88、 386EX、SC-400、 Power PC、 6

25、8000、 MIPS、 ARM系列 等 嵌 入 式 微 控 制 器 (MCU)l 又 称 单 片 机 l 以 某 一 种 微 处 理 器 内 核 为 核 心 ， 芯 片 内 部 集 成ROM/EPROM、 RAM、 总 线 、 总 线 逻 辑 、 定 时 /计 数 器 、 WatchDog、 I/O、 串 行 口 、 脉 宽 调 制输 出 、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM等 各种 必 要 功 能 和 外 设l 微 控 制 器 的 最 大 特 点 是 单 片 化 ， 体 积 大 大 减 小 ，从 而 使 功 耗 和 成 本 下 降 、 可 靠 性 提 高 。 嵌 入 式

26、 微 控 制 器 (MCU)l 代 表 性 的 通 用 系 列 包 括 8051、 P51XA、MCS-251、 MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、 68300等 。l 另 外 还 有 许 多 半 通 用 系 列 如 ： 支 持 USB接口 的 MCU 8XC930/931、 C540、 C541；支 持 I2C、 CAN-Bus、 LCD及 众 多 专 用MCU和 兼 容 系 列 。 目 前 MCU占 嵌 入 式 系统 约 70 的 市 场 份 额 。 嵌 入 式 DSP处 理 器 (EDSP) l DSP处 理 器 对 系 统 结 构 和

27、 指 令 进 行 了 特 殊设 计 ， 使 其 适 合 于 执 行 DSP算 法 ， 编 译 效率 较 高 ， 指 令 执 行 速 度 也 较 高 。l 在 数 字 滤 波 、 FFT、 谱 分 析 等 方 面 DSP算法 正 在 大 量 进 入 嵌 入 式 领 域 ， DSP应 用 正从 在 通 用 单 片 机 中 以 普 通 指 令 实 现 DSP功能 ， 过 渡 到 采 用 嵌 入 式 DSP处 理 器 。 嵌 入 式 DSP处 理 器 (EDSP)l 有 代 表 性 的 产 品 是 Texas Instruments的 TMS320系 列 和 Motorola的 DSP56000系列

28、。l TMS320系 列 处 理 器 包 括 用 于 控 制 的C2000系 列 ， 移 动 通 信 的 C5000系 列 ， 以及 性 能 更 高 的 C6000和 C8000系 列 。l DSP56000目 前 已 经 发 展 成 为 DSP56000，DSP56100， DSP56200和 DSP56300等几 个 不 同 系 列 的 处 理 器 。 嵌 入 式 片 上 系 统 (SOC)l 在 一 个 硅 片 上 实 现 一 个 复 杂 的 系 统 l 整 个 嵌 入 式 系 统 大 部 分 均 可 集 成 到 一 块 或 几 块芯 片 中 去l 应 用 系 统 电 路 板 将 变 得

29、 很 简 洁 l SOC可 以 分 为 通 用 和 专 用 两 类 。l 通 用 系 列 包 括 Infineon(Siemens)的 TriCore，Motorola的 M-Core， 某 些 ARM系 列 器 件 ，Echelon和 Motorola联 合 研 制 的 Neuron芯 片 等 。l 专 用 SOC一 般 专 用 于 某 个 或 某 类 系 统 中 。 有 代表 性 的 产 品 是 Philips的 Smart XA 嵌 入 式 系 统 软 件 的 特 征 l (1) 软 件 要 求 固 态 化 存 储 l (2) 软 件 代 码 高 质 量 、 高 可 靠 性 l (3)

30、系 统 软 件 (OS)的 高 实 时 性 是 基 本 要 求 l (4) 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 软 件 主 流l VxWorks 是 目 前 嵌 入 式 系 统 领 域 中 使 用最 广 泛 、 市 场 占 有 率 最 高 的 系 统 。l Os-9是 主 要 为 高 科 技 产 品 设 计 的 ， 提 高 了很 好 的 安 全 和 容 错 性 ， 并 且 有 很 好 的 升 级能 力 和 灵 活 性 。l Palm Os， 是 Palm公 司 的 操 作 系 统 ， 和 微软 的 Windo

31、ws CE是 PDA操 作 系 统 的 两 大巨 头 。 嵌 入 式 系 统 软 件 l 1、 嵌 入 式 系 统 设 计 语 言 l 2、 嵌 入 式 操 作 系 统 l 3、 嵌 入 式 系 统 开 发 环 境l 实 时 在 线 仿 真 系 统 ICEl 高 级 语 言 编 译 器l 源 程 序 模 拟 器 五 、 嵌 入 式 热 点 领 域l 日 益 增 长 的 功 能 密 度l 更 高 的 可 靠 性 保 障l 灵 活 的 网 络 连 接l 分 布 式 应 用 和 移 动 应 用l 多 媒 体 信 息 处 理l 更 便 捷 的 信 息 共 享l 适 应 更 加 激 烈 的 市 场 竞 争