嵌入式系统介绍


嵌入式系统设计嵌入式系统设计 嵌入式系统介绍嵌入式系统介绍 嵌入式系统定义嵌入式系统定义 z 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。 z 由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器 等一系列微电子芯片与器件,和嵌入在存储器中的微型 操作系统、控制应用软件组成 z 实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理 等各种自动化处理任务。 z 以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术 和通讯技术为基础,强调硬件软件协同性与整合性,软 件与硬件可剪裁,以满足系统对功能、成本、体积和功 耗等要求。 嵌入式系统市场情况嵌入式系统市场情况 嵌入式系统市场情况嵌入式系统市场情况 z 每年全世界的嵌入式系统产值超过1 万亿美元,这还是几年前的数字! z 全球最大的汽车厂商福特宣称“福特 出售的计算能力甚至超过了IBM” z 仅仅基于嵌入式系统的高清晰数字电 视的发展,将给美国带来每年1500亿 美元的产值。 z 全世界每年能卖出几亿部手机! z 。。。 嵌入式系统调查嵌入式系统调查 Type of Processors 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 4-bits 8-bits 16-bits 32-bits 64-bits Special 1998-99 1999-00 2000-01 Programming Languages 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Assemble language C language C++ Java Others 1998-99 1999-00 2000-01 嵌入式系统调查嵌入式系统调查 Lack of engineers fam iliar with it Cost is too high Lack of a development environment and tools Differences in OS spec., hard to switch Big OS size and resource use Performance and functions do not meet Lack of software components Inadequate vendor support Nothing Other RTOS Used 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 4-bits 8-bits 16-bits 32-bits 64-bits Special 1998-99 1999-00 2000-01 Difficulties with RTOS 嵌入式系统与你我有什么关系?嵌入式系统与你我有什么关系? 嵌入式系统应用广泛吗?嵌入式系统应用广泛吗? 应用及其广泛!应用及其广泛! 与你我大有关系!与你我大有关系! 种类繁多的嵌入式系统在你我的生 活中几乎无处不在! 嵌入式系统应用范围广泛吗?嵌入式系统应用范围广泛吗? z 平均每个家庭使用40个嵌入式处理器 z 平均每个汽车需要35 个嵌入式处理器 z 2001年,Gartner估计存在70亿嵌入式处理器 z 70亿嵌入式处理器占据了 94% 处理器市场 z Intel Pentium、Motorola PowerPC等通用处理 器,仅占6%的处理器市场 嵌入式系统与你我嵌入式系统与你我 z 我们现代的生活中已经无法离开嵌入式 系统了! z 食 – 每天使用食堂的收款机付款。。。 z 行 – 每天乘坐公共汽车、汽车出行。。。 – 旅游必带物品,数码照相机、摄像机。。。 z 住 – 每天用的洗衣用的洗衣机、保鲜用的冰 箱。。。 我们已经无法离开嵌入式系统了 你我身边嵌入式系统无处不在 嵌入式系统与你我嵌入式系统与你我 z 娱乐 – 每天听歌用到的MP3、CD机、音响、 DVD。。。 z 学习 – 每天用到的计算机组成部分显卡、网卡、硬 盘、U盘。。。 z 通信 – 每天与家人朋友通信需要手机、呼机 z 更多 – 。。。 我们已经无法离开嵌入式系统了 你我身边嵌入式系统无处不在 常见嵌入式系统产品常见嵌入式系统产品11 消费类 常见嵌入式系统产品常见嵌入式系统产品22 计算机内设 常见嵌入式系统产品常见嵌入式系统产品33 网络设备及服务器 常见嵌入式系统产品常见嵌入式系统产品44 军用产品 常见嵌入式系统产品常见嵌入式系统产品55 工业控制产品 应用领域实在太广泛了!应用领域实在太广泛了! 最早的嵌入式系统最早的嵌入式系统 z 历史上第一个真正的嵌入式系统是什么? Apollo 导航计算机 Hunter ICC Hunter ICC 灌溉控制器灌溉控制器 z 6,000 LOC (汇编语言) z 微内核 (Hunter) z 一个 8-bit 微处理器 (8051) z I2C网络 z 高可靠 小型嵌入式系统 BMW 745iBMW 745i z 2,000,000 LOC z Windows CE OS z 53个8-bit 嵌入式处理 器 z 7个16-bit嵌入式处理器 z 1个32-bit嵌入式处理器 z 多种网络技术 大型嵌入式系统 BMW 850iBMW 850i brake sensor brake sensor brake sensor brake sensor ABS hydraulic pump 大型复杂的嵌入式系统可由若干个小型嵌入式系统组成 嵌入式系统前景广阔嵌入式系统前景广阔 z 社会 – 新的电子产品,尤其消费电子产品发展及其 迅速! – 嵌入式市场广阔,但人才短缺 z 学生 – 嵌入式系统需要硬软件综合知识 – 需要更全面的系统知识和领域知识 – 更容易找到工作 嵌入式系统都是实时系统嵌入式系统都是实时系统 吗?吗? 不一定吧! 实时系统与嵌入式系统实时系统与嵌入式系统 嵌入式系统不一定是实时系统 实时系统一般都是嵌入式系统 什么是实时系统?什么是实时系统? z IEEE(美国电气电子工程师协会) – 实时系统为“那些正确性不仅取决于计算的 逻辑结果,也取决于产生结果所花费的时间 的系统”。 – 实时嵌入式系统必须在一个可预测可保证的 时间段内做出对外部事件的反应。如果没有 达到上述要求,那么系统就会做出错误的操 作。 什么是实时系统?什么是实时系统? z POSIX Standard 1003.1 – 操作系统中实时的定义: 操作系统有能力在限定响应时间范围内,提 供满足需求的服务。 - 实时系统指标实时系统指标 z 响应时间(Response Time): 是计算机识别 一个外部事件到作出响应的时间, z 生存时间(Survival Time): 是数据有效等 待时间, 在这段时间里数据是有效的。 z 吞吐量(Throughput): 是在一给定时间内, 系统可以处理的事件总数。 实时系统到底有多快?实时系统到底有多快? z 实时系统的响应“足够快” – 满足要求即可 z 实时软件时限 – 十微妙的时间内对外部事件做出可靠的响应 z 实时系统是最快的吗? – 不一定是运行速度最快的代码 – 可预测性比速度更重要 怎么达到实时的要求呢?怎么达到实时的要求呢? z 充分发挥硬件的功能 z 微处理器的中断机制 z 简单的单线程循环程序 z 基于实时操作系统的复杂多线程程序 z 以硬件的方式实现软件 嵌入式系统分类嵌入式系统分类 z 按确定性来分嵌入式系统 – 硬实时系统(Hard Real Time) z 系统对系统响应时间有严格的要求,如果系统响 应时间不能满足,就要引起系统崩溃或致命的错 误。 – 软实时系统(Soft Real Time) z 系统对系统响应时间有要求,但是如果系统响应 时间不能满足,不会导致系统出现致命的错误或 崩溃。 嵌入式系统分类嵌入式系统分类 z 按确定性来分嵌入式系统 – 严格实时系统( Firm Real-Time ) z 系统对系统响应时间有严格的要求,如果系统响 应时间不能满足,就要导致无法接受的低质量服 务。 – 非实时系统( Non Real-Time ) z 系统对系统响应时间没有实时要求。 举例-软实时嵌入式系统举例-软实时嵌入式系统 z PDA – PDA支持很多应用软件, 举例-硬实时嵌入式系统举例-硬实时嵌入式系统 z 交换机 – 交换机速度很快,你感觉不到交换机的交换 时间消耗。 – 当你在互联网上冲浪时,你访问一个网站, 需要经过无数次交换过程,如果其中一个交 换机的交换服务速度下降,将导致访问速度 的下降,甚至导致网络的终端。 举例-严格实时嵌入式系统举例-严格实时嵌入式系统 z 打印机 – 一分钟可以打印3页至100页 – 想像一下,如果打印机二分钟只打印一页, 不错打印机还在工作,但你能忍受吗? z 视频点播 – 宽带视频点播一般可以达到512K,视频效果 基本可以观看。 – 如果宽带视频速度只能达到128K,你能忍受 吗? 举例-非实时嵌入式系统举例-非实时嵌入式系统 软实时软实时 vsvs 硬实时硬实时 1s 100ms 10ms 1ms 100μs 10μs 1μs Soft Hard 激光 打印机 TCPIP 协议栈 自动 检票机 大型 游戏 比较比较 非实时系统 软实时系统 严格实时严格实时实时系统 硬实时系统 嵌入式实时系统分类嵌入式实时系统分类 z 按软件结构来分嵌入式实时系统 – 单线程程序(Single-threaded program) z (1)循环轮询系统(Polling Loop) z (2)有限状态机(Finit State Machine) – 事件驱动系统:(Event-Driven system) z (1)前后台系统(Foreground/Background)又叫中 断驱动系统 z (2)实时多任务系统(Multitasking或Multi-thread Program Model) z (3)多处理机系统 循环轮询系统循环轮询系统 z 优点: – 对于简单的系统而言,便于编程和理解 – 没有中断的机制,程序运行良好,不会出现 随机的问题 z 缺点: – 有限的应用领域(由于不可确定性) – 对于大量的I/O服务的应用,不容易实现 – 大的程序不便于调试 举例举例--简单循环轮询系统简单循环轮询系统 举例举例--复杂循环轮询系统复杂循环轮询系统 有限状态机有限状态机 z 优点: – 对于小的系统而言,便于编程和理解 – 可以快速的执行 – 只是通过改变输出功能来改变机器的响应 z 缺点: – 有限的应用领域 – 不能保证确定性 – 对于大的应用系统,难于调试 举例举例--简单有限状态机简单有限状态机 举例举例--复杂有限状态机复杂有限状态机 前后台系统前后台系统 z 前后台系统(Foreground/Background) –中断服务程序处理异步事件,这部分可称为 前台(Foreground),或叫中断级 –应用程序是一个无限的循环,循环中调用相 应的函数完成相应的操作,这部分可称为后 台(Background),或叫任务级 z 系统的性能: – 中断延迟时间(Interrupt latency time) – 响应时间(response time) – 恢复时间(recovery time) 前后台系统前后台系统 ISR ISR ISR ISR 时间 后台 前台 实时多任务系统实时多任务系统 z 优点: – 将复杂的系统分解为相对独立的多个线程, 达到“分而制 之”的目的,从而降低系统的复杂性。 – 保证系统的实时性 – 系统的模块化好,提高系统的可维护性。 z 缺点: – 需要采用一些新的软件软件设计方法 – 需要增加功能:线程间的协调,同步和通信功能 – 需要对每一个共享资源互斥 – 导致线程间的竞争 – 需要使用RTOS,RTOS要增加系统的开销 多处理机系统多处理机系统 z 紧耦合系统(tightly-coupled system) – 多个处理器通过共享内存空间来交换信息( 如:SMP), z 松耦合系统(loosely-coupled system) – 多个处理器通过通讯线路来连接和交换信 息。 举例举例--多处理机系统多处理机系统 举例举例--多处理机系统多处理机系统 实时系统-杀毒软件实时系统-杀毒软件 iNetmon Engine Virus Parser Virus Matching Output Alert Virus Signature SMS, Email, XML, HTML 1 2 3 4 5 杀毒引擎架构杀毒引擎架构 杀毒引擎架构杀毒引擎架构 实时多任务系统实时多任务系统 z 优点: – 将复杂的系统分解为相对独立的多个线程, 达到 “分而制之”的目的,从而降低系统的复杂性。 – 保证系统的实时性 – 系统的模块化好,提高系统的可维护性。 实时多任务系统实时多任务系统 z 缺点: – 需要采用一些新的软件软件设计方法 – 需要增加功能:线程间的协调,同步和通信功能 – 需要对每一个共享资源互斥 – 导致线程间的竞争 – 需要使用RTOS,RTOS要增加系统的开销 嵌入式系统特点:一般看来嵌入式系统特点:一般看来 z 种类繁多,应用广泛 z 特定任务,非通用平台 z 软硬件一体化 z 多种处理器种类以及处理器体系结构的 支持 z 极其关注系统成本,即成本敏感 z 有实时约束,代码小,执行速度快 z 实时操作系统 嵌入式系统特点:用户方嵌入式系统特点:用户方 z 功能简单 z 专门完成一个或几个任务 z 要求严格 z 大小、 功耗、价格、市场时间 z 实时和交互 z 实时与环境交互 z 安全可靠 z 软硬件的错误威胁生命 嵌入式系统特点:开发方嵌入式系统特点:开发方 z 软件硬件协同并行开发 z 多种多样的微处理器 z 实时操作系统的多样性 (RTOS) z 与台式机相比,可利用系统资源很少 z 应用支持很少 z 要求特殊的开发工具 z 调试很困难 z 软件硬件都应很健壮 嵌入式系统特点:开发方嵌入式系统特点:开发方 z 故障率低 z 功耗约束 z 适应使用环境 z 较少的系统资源需求 z 代码存储在ROM中 z 不同的设计方法和设计开发工具 嵌入式系统的软硬件框架嵌入式系统的软硬件框架 嵌入式系统组成嵌入式系统组成 嵌入式系统组成嵌入式系统组成 嵌入式系统嵌入式系统I/OI/O z 一般不包括: – 键盘 – 显示器 – 硬盘 – 光驱 – 喇叭 – 软驱 – 鼠标 z 一般包括: – 数字键盘 – LCD – LED – 通讯卡 – 传感器 – 开关 典型的嵌入式系统典型的嵌入式系统 举例举例 –– DCDC Analog Digital Analog Memory Coprocessors Controllers Converters Processor Interface Software (Application Programs) ASIC DCDC DCDC Microcontroller 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 z Single-functioned -- always a digital camera z Tightly-constrained -- Low cost, low power, small, fast z Reactive and real-time -- only to a small extent 举例举例--GPSGPS GPS receiver search engine renderer user interfacedatabase display GPSGPS硬件架构硬件架构 GPS receiver CPU panel I/O display frame buffer memory GPSGPS软件架构软件架构 position database search renderertimer user interface pixels 嵌入式系统软件嵌入式系统软件 嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件
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domi

贡献于2014-06-18

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