1-2 第一章 嵌入式系統(tǒng)概述(中嵌教育-嵌入式linux開發(fā)課件)

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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,嵌入式系統(tǒng)概論,嵌入式系統(tǒng)概述,嵌入式系統(tǒng)的基本知識,嵌入式系統(tǒng)的設計原則及方法,1.1,什么是嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成,:,嵌入式微處理器,外圍硬件設備,嵌入式操作系統(tǒng),特定的應用程序,1.2,嵌入式系統(tǒng)的特點,特點：,應用的特定性和廣泛性,技術、知識、資金的密集性,高效性,較長的生命周期,高可靠性,軟硬一體，軟件為主,無自舉開發(fā)能力,1.3,嵌入式系統(tǒng)與,PC,

2、的不同,一般專用于特定的任務，而,PC,是一個通用計算機。,使用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)。,及其關注成本,有實時約束,使用實時多任務操作系統(tǒng),軟件故障造成的后果比,PC,系統(tǒng)更嚴重,大多有功耗約束,經(jīng)常在極端的環(huán)境下運行,系統(tǒng)資源比,PC,少的多,通常所有的目標代碼存放在,ROM,中,需要專用工具和方法進行開發(fā)設計,嵌入式系統(tǒng)的數(shù)量遠遠超過,PC,1.4,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,1.4,嵌入式系統(tǒng)的應用領域,1.5,嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品,網(wǎng)絡設備,:,交換機、路由器,MODEM,消費電子,:,手機、,MP3,、,PDA,、可視電話、電視機頂盒、數(shù)字電視、數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、信息家電,辦公

3、設備,:,打印機、傳真機、掃描儀,汽車電子,:ABS(,防死鎖剎車系統(tǒng),),、供油噴射控制系統(tǒng)、車載,GPS,。,工業(yè)控制,:,各種自動控制設備,我們正步入一個嶄新的“數(shù)字世界”,嵌入式應用,1.6,嵌入式系統(tǒng)的歷史,20,世紀,70,年代：單片機出現(xiàn),嵌入式系統(tǒng)最初的應用是基于單片機。汽車，工業(yè)機器，通信裝置等成千上萬種產(chǎn)品通過內(nèi)嵌電子裝置獲得更佳的使用性能。,20,世紀,80,年代：嵌入式操作系統(tǒng)出現(xiàn),商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核包含傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，使得開發(fā)周期縮短，成本降低，效率提高促使嵌入式系統(tǒng)有了更為廣闊的應用空間。,20,世紀,90,年代：實時多任務操作系統(tǒng),軟件規(guī)模的不斷上升，對實時性

4、要求的提高，使得實時內(nèi)核逐步發(fā)展為實時多任務操作系統(tǒng)，并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。,1.7,巨大的市場,計算機應用的普及、互聯(lián)網(wǎng)技術的實用以及納米微電子技術的突破，正有力推動著,21,世紀工業(yè)生產(chǎn)，商業(yè)活動科學試驗和家庭生活等領域自動化和信息化進程。,嵌入式產(chǎn)品的巨大商機全過程自動化產(chǎn)品制造、大范圍電子商務活動、高度協(xié)同科學實驗以及現(xiàn)代化家庭起居。,你接觸的每一樣東西將裝有芯片和嵌入式軟件。,1.8,創(chuàng)新的機遇,通用計算機產(chǎn)業(yè)是壟斷的。,嵌入式系統(tǒng)與技術是一個分散的工業(yè)，充滿競爭、機遇與創(chuàng)新。,沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，

5、但各不相同的應用領域決定了不可能有少數(shù)公司，少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。因此嵌入式系統(tǒng)領域的產(chǎn)品和技術，必然是高度分散的，留給各個行業(yè)的中小規(guī)模高技術公司的創(chuàng)新余地很大。,2.,嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架,嵌入式微處理器,嵌入式操作系統(tǒng),啟動程序,BootLoader,介紹,2.1,嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架,API(Application,Programming Interface),2.2,嵌入式系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu),2.3,嵌入式處理器,支持實時多任務,.,較短的中斷響應時間,存儲區(qū)保護功能,可擴展的處理器結(jié)構(gòu),較低的功耗,分類：,嵌入式微控制器（,Microcontroller Unit,）

6、,嵌入式,DSP,處理器,EDSP(Embedded,Digital Signal Processor),嵌入式微處理器,(Embedded Microprocessor Unit),嵌入式片上系統(tǒng),SOC(System,On Chip),2.3.1,嵌入式微處理器,特點,:,功能和微處理器基本一樣,是具有,32,位以上的處理器,具有較高的性能,.,具有體積小,功耗少,成本低,可靠性高的特點,.,有的可提供工業(yè)級應用,.,流行的嵌入式微處理器,:,ARM/Strong(ARM,公司,),PowerPC(MOTOROL,公司,),68000(MOTOROL,公司,),MIPS(MIPS,公司,)

7、,MIPS,處理器,MIPS,技術公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式,32,位和,64,位處理器的廠商。在,RISC,處理器方面占有重要地位。,MIPS,的意思是“無內(nèi)鎖流水段微處理器”（,Microprocessor without interlocked piped stages,），,最早是在,80,年代初期由美國斯坦福大學,Hennessy,教授領導的研究小組研制出來的。,1986,年推出,R2000,處理器，,1988,年推出,R3000,處理器，,1991,年推出第一款,64,位商用微處理器,R4000,。,之后，又陸續(xù)推出,R8000,（,于,1994,年）、,R10000

8、,（,于,1996,年）和,R12000,（,于,1997,年）等型號。之后，,MIPS,公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化,MIPS,處理器,此外，,24K,微架構(gòu)能符合各種新興的服務趨勢，為寬頻存取以及還在不斷發(fā)展的網(wǎng)絡基礎設施、通訊協(xié)議提供軟件可編程的彈性。,在嵌入式方面，,MIPS,系列微處理器是目前僅次于,ARM,的用得最多的處理器之一（,1999,年以前,MIPS,是世界上用得最多的處理器），其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。,MIPS,的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設計理念比較先進，在設計理念上,MIPS,強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設計。,PowerPC,處理器,PowerP

9、C,架構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活。,PowerPC,處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費類電子產(chǎn)品到大型通信設備，無所不包。,處理器芯片主要型號是,PowerPC 750,，,它于,1997,年研制成功，最高的工作頻率可以達到,500MHz,，,采用先進的銅線技術。該處理器有許多品種，以便適合各種不同的系統(tǒng)。包括,IBM,小型機、蘋果電腦和其他系統(tǒng)。,嵌入式的,PowerPC 405,（,主頻最高為,266MHz,）,和,PowerPC 440,（,主頻最高為,550MHz,）,處理器內(nèi)核可以用于各種,S

10、oC,設計上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應用。,2.3.2,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器就是將整個計算機系統(tǒng)的主要硬件集成到一塊芯片中,芯片內(nèi)部集成,ROM/EPROM,RAM,總線,總線邏輯,定時,/,計數(shù)器,Watchdog,I,/O,串行口等各種必要功能和外設,.,其特點為,:,一個系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品,;,單片化,體積大大減小,功耗和成本降低,可靠性提高,;,是目前嵌入式工業(yè)的主流,約占嵌入式系統(tǒng),70%,的份額,;,多是,8,位和,16,位處理器,流行的嵌入式微控制器,通用系列,:8051,MCS251,MCS-96/196/296,半通用系列,:,支持,I2C

11、,CAN BUS,LCD,及眾多專用,MCU,和兼容系列,2.3.3,嵌入式,DSP,嵌入式,DSP,處理器有兩個發(fā)展方向：,是嵌入式,DSP,處理器和嵌入式處理器經(jīng) 過單片化設計，片上增加豐富的外設成為具有高性能,DSP,功能的,SoC,；,是在通用微處理器、微控制器或,SoC,中增加,DSP,協(xié)處理器，例如,Intel,的,MCS-296,和,Siemens,的,TriCore,。,2.3.4,嵌入式外圍接口電路和設備接口,根據(jù)外圍設備的功能可分為以下,5,類,存儲器類型,通信接口,輸入輸出設備,設備擴展接口,電源及輔助設備,存儲器類型：,存儲器是嵌入式系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)和程序的功能部件，目前

12、常見的存儲設備按使用的存儲器類型分為：,靜態(tài)易失型存儲器（,RAM,，,SRAM,）；,動態(tài)存儲器（,DRAM,）；,非易失性存儲器,ROM,（,ROMEPROM,，,EEPROM,，,FLASH,）；,硬盤、軟盤、,CD,ROM,等。,通信接口,目前存在的所有計算機通信接口在嵌入式領域中都有其廣泛的應用，應用最為廣泛的接口設備包括,RS-232,接口（串口,UART,）,USB,接口（通用串行總線接口）,IrDA,（,Infra Red Data Association,紅外線接口）、,SPI,（,串行外圍設備接口）、,I2C,、,CAN,總線接口、,藍牙接口（,Bluetooth,）,Et

13、hernet,（,以太網(wǎng)接口）、,IEEE1394,接口和通用可編程接口,GPIO,。,輸入輸出設備,CRT,、,LCD,和觸摸屏等，構(gòu)成了嵌入式系 統(tǒng)中重要的信息輸入輸出設備，應用廣泛。,觸摸屏可以方便的實現(xiàn)鼠標和鍵盤功能。,設備擴展接口,簡單的嵌入式系統(tǒng)如具有簡單的記事本、備忘錄以及日程計劃等功能的,PDA,，,它所需要存儲的數(shù)據(jù)量并不需要很大的內(nèi)存。,由于目前的嵌入式系統(tǒng)功能越來越復雜，需要大容量內(nèi)存，大的內(nèi)存使得系統(tǒng)成本和體積加大。,目前一些高端的嵌入式系統(tǒng)都會預留可擴展存儲設備接口，為日后用戶有特別需求時，可購買符合擴展接口規(guī)格的裝置直接接入系統(tǒng)使用。,常用的擴展卡還有各種,CF,卡

14、、,SD,卡、,Memory Stick,等。目前高端的嵌入式系統(tǒng)都留有一定的擴展卡接口。,電源及輔助設備,嵌人式系統(tǒng)力求外觀小型化、重量輕以及電源使用壽命長，例如移動電話或,PDA,，,體積較大或者過重的機型已經(jīng)被淘汰。,目前發(fā)展的目標是體積小、易攜帶和外觀設計新穎等。在便攜式嵌入式系統(tǒng)的應用中，必須特別關注電源裝置等輔助設備。,2.4,嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺,.,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題,.,嵌入式系統(tǒng)具有操作系統(tǒng)的最基本的功能,:,進程調(diào)度,內(nèi)存管理,設備管理,文件管理,操作系統(tǒng)接口,(API,調(diào)用,),嵌入式操作系統(tǒng)具有

15、的特點,:,系統(tǒng)可裁減,可配置,.,系統(tǒng)具備網(wǎng)絡支持功能,系統(tǒng)具有一定的實時性,2.4.1,嵌入式操作系統(tǒng)的分類,按照對實時系統(tǒng)的定義,嵌入式系統(tǒng)可分為實時嵌入式系統(tǒng)與非實時嵌入式系統(tǒng),:,實時系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應的系統(tǒng)。響應時間要有保證。,對外部事件的響應包括,事件發(fā)生時要識別出來,在給定時間約束內(nèi)必須輸出結(jié)果,實時操作系統(tǒng),:,VxWorks,，,WinCE,，,QNX,Nucleus,非實時操作系統(tǒng),:,嵌入式,Linux,2.4.2,嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點,實時系統(tǒng)必須產(chǎn)生正確的結(jié)果,實時系統(tǒng)的響應必須在預定的周期內(nèi)完成,這兩點同樣重要,實時系統(tǒng)是具有確定性的。在這

16、些實時系統(tǒng)中，響應時間決定事件是有界的。一個確定的實時系統(tǒng)意味著系統(tǒng)的每個部件都必須具有確定的行為，使得整個系統(tǒng)是確定性的。,2.5,幾種主流的嵌入式操作系統(tǒng),Vxworks,:,美國,WindRiver,公司于,1983,年開發(fā)，具有可靠、實時、可裁減特性。,Windows Embedded,:,支持具有豐富應用程序和服務的,32,位嵌入式系統(tǒng)。主要系列：,Windows CE3.0,Windows NT Embedded 4.0,和帶有,Server Appliance Kit,的,Windows 2000,Palm OS,:Com,公司產(chǎn)品，在,PDA,市場占據(jù)很大份額，具有開放的操作系統(tǒng)應用程序接口,(API),，可讓用戶靈活方便地定制操作系統(tǒng)。,嵌入式,Linux,：近兩年來，,Linux,在嵌入式領域異軍突起，他的獨特性，使其作為開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的操作系統(tǒng)具備巨大的潛力。,Linux,具有一些獨特的優(yōu)勢：層次結(jié)構(gòu)及內(nèi)核完全開放；強大的網(wǎng)絡支持功能；具備一整套工具鏈；廣泛的硬件支持特性。,2.6,嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu),如當設計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)，但是當