1、現代嵌入式系統設計的新開展Howard Dr.Wu2021-10-18嵌入式系統概述嵌入式系統的歷史與概念無所不在的嵌入式系統嵌入式系統的根本組成與設計嵌入式熱點領域什么是嵌入式系統Embedded system個人電腦嵌入式系統嵌入式簡單定義嵌入式系統是指為某種特殊義務將操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中。可以以為凡是帶有微處置器的公用軟硬件系統都可以稱為嵌入式系統嵌入式系統定義IEEE: “Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants.嵌入式系統是以運用

2、為中心、以計算機技術為根底、軟件硬件可裁剪、順應運用系統對功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴厲要求的公用計算機系統。計算機工業的分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、任務站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機) 是以嵌入式系統的方式隱藏在各種安裝、產品和系統中歷史電腦用于控制設備或嵌入系統的歷史幾乎與電腦本身的歷史一樣長MCU在計算機控制系統的運用功能單片機掀起電子化浪潮微處置器高速開展推進了嵌入式系統嵌入式系統的演化8031/8051單片機系統，自行編寫程序；68360/386EX控制系統，本人編寫簡單的操作系統；32位嵌入式

3、處置器pSoS嵌入式操作系統TCP/IP協議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設備server以及各種復雜網絡協議棧GUI圖形界面無線模塊現代可挪動的網絡智能設備嵌入式系統的開展趨勢(1)嵌入式運用軟件的開發需求強大的開發工具和操作系統的支持采用實時多義務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化運用程序設計、保證軟件質量和縮短開發周期。 嵌入式操作系統將在現有的根底上，不斷采用先進的操作系統技術，結合嵌入式系統的需求向:可順應不同的嵌入式硬件平臺具有可移植、可伸縮、功能強大、可配置、良好的實時性、可靠性、高可用方向開展 嵌入式系統開發工具嵌入式開發工具支持

4、多種硬件平臺覆蓋嵌入式軟件開發過程各個階段高效高度集成的工具集方向開展Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestRelease嵌入式軟件開發根本過程嵌入式系統的開展趨勢(2)嵌入式系統聯網成為必然趨勢，驅動了大量新的運用針對外部聯網要求，嵌入系統必需配有通訊接口，需求TCP/IP協議簇軟件支持。針對內部聯網要求，新一代嵌入式系統還需具備IEEE4、USB、CAN、Bluetooth或IrDA/2G/3G通訊接口，同時也需求提供相應的通訊組網協議軟件和物理層驅動軟件。為了支持網絡交互的運用，還需內置XML閱讀器和Web Server。嵌入式系統的開

5、展趨勢(3)嵌入式系統向新的嵌入式計算模型方向開展 支持自然的人機交互和互動的、圖形化、多媒體的嵌入式人機界面。操作簡便、直觀、無須學習。如司機支配高度自動化的汽車主要還是經過習慣的方向盤、腳踏板和支配桿。 可編程的嵌入式系統。嵌入式系統可支持二次開發如采用嵌入式Java技術，可動態加載和晉級軟件，加強嵌入式系統功能。 支持分布式計算。與其他嵌入式系統和通用計算機系統互聯構成分布式計算環境。 無所不在的嵌入式系統嵌入式系統的運用遠遠超越了各種通用計算機一臺通用計算機的外部設備中就包含了5-10個嵌入式微處置器：鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網卡、聲卡、打印機、掃描儀、數字

6、相機、USB集線器等均是由嵌入式處置器控制的。在制造工業、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事配備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的運用領域。 經典運用CISCO的路由器華為、中興的以太網交換機高可靠以及可配置的網管型工業交換機恒基偉業的商務通PDA；現代高檔3G手機美國宇航局的火星探測器Sony的機器狗AIBO嵌入式系統的運用領域一 家用市場 機頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數碼相機、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調、家庭網關、智能家用電器、車載導航器系統等通訊市場 交換系統，電纜系統，衛星和全球定位系統L3D，數據交換設備，挪動等工業市場 制造工廠，污水處置

7、系統，發電站和電力傳輸系統，自動化工廠，控制系統開發，維護和測試的工具，石油提煉和相關的貯運設備，建筑設備，計算機輔助制造系統，能源控制系統，核電站，機器人系統等商業和金融市場 自動柜員機，信譽卡系統，售貨端系統，平安系統等嵌入式系統的運用領域二辦公市場 系統，系統，復印機，計時系統，照相機和攝象機運輸市場 航空、鐵路、公路運輸系統，燃料效力，航空管理，信令系統，雷達系統，交通指揮系統，停車系統，售票系統，乘客信息系統，檢票系統，行李處置系統，應急設備等建筑市場 電力供應，備用電源和發電機，火警控制系統，供熱和通風系統，電梯和升降系統，車庫管理，安保系統，電子門鎖系統，樓宇管理系統，閉路電視系

8、統，電子保險柜，警鈴等醫療市場 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監視系統，MN光設備，理療控制系統，電磁成像系統等軍事 武器控制嵌入式系統熱點運用信息家電車載系統軍事工業醫療器械信息家電運用特點市場宏大低本錢要求利潤空間小競爭猛烈人機界面友好網絡化車載系統運用特點與汽車工業相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求軍事與航天工業運用特點市場壟斷性強高利潤可靠性要求高平安性要求高本錢要求布不高勇氣號軍事航天工業產品數字化單兵信息配備夜視掃描、全球定位、指揮通訊醫療行業運用特點可關注市場寬廣，進入門檻較高利潤極高 未來三年，中國便攜醫療電子市場年復合增長率將超越30%，其市場規模從2006年的

9、80億元迅速擴展到2021的380億元。 便攜醫療電子產品是切入點便攜醫療產品和醫療信息化配套產品是目前國內嵌入式系統廠家切入醫療電子市場的亮點。國內外鄉的醫療器械消費廠家還很少，國外廠家還遠遠沒有占領市場的多數份額，48%的市場還待開辟，國內醫療電子消費企業的時機很多嵌入式醫療設備網絡應對醫療電子產品設計特殊性要求 普通來講，醫療設備由下面幾個部分組成：電子控制部分、顯示和操作臺、給養供應和數據采集、以及其他設備接口(包括IT等)，每個部分都能夠有獨立的MCU 或者ASIC/FPGA，甚至是高性能的嵌入式計算機組成的多處置器系統。軟件研發的費用在現代醫療設備研發費用中所占的比重曾經超越50%

10、，未來還會添加。醫療設備的特殊性表達在下面幾個方面：第一， 平安性。在醫療設備設計中平安性具有特別重要的位置和級別，數據平安也是平安性的另一個方面，斷電后的數據維護、數據長期運用的維護和保管對于醫療診斷有著重要的意義，國際上一些著名的嵌入式操作系統如VxWorks OS Cert(認證符合IEC61508規范)，BSP Cert(經過綁帶某個CPU的認證)和平安測試認證效力可以為醫療設備的軟件中心提高平安保證。第二， 實時性。醫療設備是個實時系統，在復雜的醫療設備中應該采用實時多義務操作系統，比如VxWorks、實時Linux、uC/OS-II是必要的，在IT接口的設備上可以采用通用的操作系統

11、，如 Windows和Linux，在設備的部件之間應該采器具有實時和容錯才干的CAN總線技術。第三， 可診斷性。醫療設備的可用性要求很高的，不延續的任務要求(醫療設備普通要求是365天和24小時待命)，使得設備應該有一個方便和一致性好的診斷軟件(方式)，完成定期檢測和隨機的診斷，方便的診斷接口，易識別的缺點報告等。第四， 符合人體和醫學習慣。醫療設備的診斷對象是病人，運用者是醫生，設計醫療設備應該充分思索到誤操作能夠給病患帶來的后果和苦楚，因此在工程開發的初期應該和臨床人員協作對操作過程進展評價和測試。嵌入式系統的根本組成與設計 嵌入式系統主要由嵌入式處置器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統及運用

12、軟件系統等組成，它是集軟硬件于一體的可獨立任務的“器件交叉學科先進的計算機技術半導體技術電子技術各個行業面向詳細運用嵌入式系統的產品特征 硬件：嵌入式處置器的功耗、體積、本錢、可靠性、速度、處置才干、電磁兼容性等方面嵌入式軟件生命周期嵌入式產品軟件以只讀存儲器為載體不可以隨意改換嵌入式處置器 嵌入式系統的中心部件 種類總量曾經超越1000多種，流行體系構造有30幾個系列，其中8051體系的占有多半嵌入式計算機內核分類 嵌入式微處置器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式DSP處置器(

13、Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 嵌入式片上系統(System On Chip, SOC) 嵌入式系統硬件主流32,64位微處置器是目前嵌入式系統的中心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每個月都有新產品出現嵌入式微處置器(EMPU) 通用計算機中的CPU專門設計的電路板 只保管和嵌入式運用有關的母板功能 加強任務溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能和工業控制計算機類似嵌入式處置器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又稱單片

14、機 以某一種微處置器內核為中心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和本錢下降、可靠性提高。 嵌入式微控制器(MCU)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。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LC

15、D及眾多公用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70的市場份額。 嵌入式DSP處置器(EDSP) DSP處置器對系統構造和指令進展了特殊設計，使其適宜于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP運用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處置器。嵌入式DSP處置器(EDSP)有代表性的產品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處置器包括用于控制的C2000系列，挪動通訊的C5000系列，以及性能更高的C600

16、0和C8000系列。DSP56000目前曾經開展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處置器。嵌入式片上系統(SOC)在一個硅片上實現一個復雜的系統 整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去運用系統電路板將變得很簡約 SOC可以分為通用和公用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola結合研制的Neuron芯片等。公用SOC普通公用于某個或某類系統中。有代表性的產品是Philips的Smart XA嵌入式系統軟件的特征 (1)

17、 軟件要求固態化存儲 (2) 軟件代碼高質量、高可靠性 (3) 系統軟件(OS)的高實時性是根本要求 (4) 多義務操作系統是知識集成的平臺和走向工業規范化道路的根底 嵌入式軟件主流VxWorks 是目前嵌入式系統領域中運用最廣泛、市場占有率最高的系統。Os-9是主要為高科技產品設計的，提高了很好的平安和容錯性，并且有很好的晉級才干和靈敏性。Palm Os，是Palm公司的操作系統，和微軟的Windows CE是PDA操作系統的兩大巨頭。LinuxWinCEXP EmbeddedQNX嵌入式系統軟件 1、嵌入式系統設計言語 2、嵌入式操作系統 3、嵌入式系統開發環境實時在線仿真系統ICE高級言

18、語編譯器源程序模擬器 嵌入式熱點領域日益增長的功能密度更高的可靠性保證靈敏的網絡銜接分布式運用和挪動運用多媒體信息處置更便利的信息共享順應更加猛烈的市場競爭 系統設計方法實例 從整體來看，嵌入式系統分為兩個部分； 1與運用相關的硬件平臺，它擔任和外部環境進展交互； 2在這個硬件平臺上運轉的功能軟件。 在過去的幾年里，微電子技術的迅速開展使得硬件部件的破費降低了很多，軟件和硬件的區分也逐漸變得模糊。然而，嵌入式系統的開發的原那么是在最短的時限內和最低的破費設計出高性能的系統。最重要的步驟是根據詳細需求將整個系統分為硬件部分和軟件部分。 在通用PC平臺上作開發，這種軟硬件的劃分是很輕松的；但是，基

19、于嵌入式平臺，需求思索很多的要素。例如：為了提高運轉速度和減少義務切換的破費，必需將某些功能用硬件來實現。本文重點引見了兩種嵌入式系統設計模型，以及對這兩種嵌入式系統設計模型進展了分析比較。硬件優先設計方法 首先是對整個系統的需求分析，由于嵌入式系統的特殊性，需求仔細思索功能性、能耗、本錢破費等各個方面。在完成了需求分析以后，下一步要進展的就是軟硬件部分的劃分，這一步非常重要，系統將要被分為軟件和硬件兩個部分： (1) 硬件部分包括系統的硬件平臺以及某些用公用硬件(例如:ASIC和Ip-cores)實現的功能模塊；(2) 軟件部分是指經過特殊處置過的操作系統和建立在操作系統之上的一些功能模塊

20、雖然硬件優先的設計模型存在有一些問題，但它依然是一種很流行的方案。在一些小型和中型復雜度的系統中，由于硬件的復雜度不高，而且技術也比較成熟，通常都會選擇這種方法；但是在一些大型的系統中，這種方法就不是很適宜了，需求更先進的設計模型。硬件優先設計方法的模型分析 利用硬件優先這種方法設計的嵌入式系統不斷到最后一步才干驗證系統設計的正確性。因此，在系統開發過程中經過反復修正、反復實驗的方法使產品到達設計要求，這在很大程度上依賴于設計者的閱歷；而且設計周期長、費用開支大，產質量量難以保證；這是由于在反復修正正程中，常會在某些方面背叛原始設計的要求。因此，為了降低設計的風險，設計人員會選擇采用己經成熟的

21、模塊，而不是本人重新設計；與此同時，這種設計方法還有一個很大的缺陷：在硬件部分可用之前是不能實施軟件模塊。由于以上問題，硬件優先設計方法適用于在一些小型和中型復雜度的系統中；在這些系統中，硬件的復雜度不高，而且技術也相對比較成熟；因此通常都會選擇這種方法。 軟硬件協同設計方法 軟硬件協同設計是在系統目的要求的指點下，經過綜合分析系統軟硬件功能及現有資源，最大限制地發掘系統軟硬件之間的并發性，協同設計軟硬件體系構造，以使系統可以任務在最正確任務形狀。它的本質就是讓軟件和硬件體系作為一個整體并行設計、找到軟硬件的最正確結合點，使它們可以以最有效的方式相互作用，相互結合，從而使系統任務在最正確形狀。

22、 在這個過程中，將一切的模塊組合到一同，然后驗證這些模塊的組合能否符合系統的方式化闡明；假設不符合，就要重新進展軟硬件的劃分。當前的研討熱點之一是對驗證算法的實際研討，利用這些實際算法，完全可以將軟硬件的劃分和模塊的驗證開展為自動化的過程。由于軟硬件的劃分是基于實際算法的，這在設計中可以盡早的暴露問題，以減少損失。但是這種設計模型也有其局限性軟硬件協同設計模型分析 在軟硬件協同設計模型中，由于軟硬件的劃分是基于實際算法的，這在設計中可以盡早的暴露問題，以減少損失；但是，這種設計模型也有其局限性，詳細表如今： (1)可有的信息能否足夠。假設要采用方式化的方法描畫整個系統，并且正確的將系統分解為多

23、個功能模塊的組合體；設計者需求知道整個系統中的功能描畫；但是，有些第三方開發的模塊，設計者是無法知道其內部功能實現的；這種情況能夠會導致系統劃分過程的不準確。 (2)軟硬件模塊相互交換的自在度。在這種設計模型中，將系統分為軟硬件模塊后，可以為各個模塊都是可以相互轉換的：即原先被劃分為用硬件實現的模塊也可以用軟件來實現，反之亦然。從實際上來看這是沒有問題的，但在實踐的運用中是不能到達這么靈敏的實際高度的。 兩種方法的比較-系統描畫階段 嵌入式系統設計可以分為系統描畫、系統設計、系統評價與綜合實現四個階段。上述的兩種設計模型在這四個階段中各有異同： 雖然兩種設計方法都是將系統功能全面表述出來，但軟

24、硬件協同設計的方法除了全面描畫系統功能外、還深化發掘軟硬件之間的協同性，從而使系統可以穩定、高效地任務。 兩種方法的比較-系統設計階段 兩種設計方法都將完成軟硬件功能的分配，即確定哪些功能由硬件模塊來實現，哪些系統功能由軟件模塊來實現，以及系統映射，即根據系統描畫和功能分配選擇確定系統的體系構造。在軟硬件功能分配階段，由于硬件模塊的可編程性和嵌入式系統的變異性，軟硬件的界限曾經不非常清楚；因此，軟硬件的功能劃分是一個復雜而艱苦的過程；這一方面是由于軟硬件劃分的研討任務還處在初級階段；另一方面那么是由于這一問題內在的復雜性。在進展軟硬件功能分配時，既要思索市場可以提供的資源情況，又要思索系統造價

25、、開發周期等要素。 其中：硬件優先的設計方法普通根據設計者的閱歷來確定軟硬件的劃分，而軟硬件協同的設計方法那么利用方式化的方法，經過各方面的評價，例如：時間復雜度、破費估計等得到一組最正確的選擇。在系統映射階段，就是要確定系統將采用哪些硬件模塊如微處置器、微控制器、存儲器、FPGA、DSP等部件、軟件模塊操作系統、驅動程序等以及軟硬件模塊之間的聯絡媒體如共享存儲器、總線等，在這一階段：采用硬件優先設計方法的設計者為了降低設計的風險，通常會選擇采用己經成熟的硬件模塊，而不是本人重新設計；而采用軟硬件協同設計方法的設計者那么需求將軟件和硬件體系作為一個整體并行設計、找到軟硬件的最正確結合點；這一過

26、程顯然是一個復雜而艱苦的過程，但用這種方法可以使軟硬件可以以最有效的方式相互作用，相互結合，從而使系統任務在最正確形狀。 兩種方法的比較-系統評價階段 檢查確認系統設計的正確性的過程。采用硬件優先方法的設計者在系統開發過程中經過反復修正、反復實驗的方法來對設計結果進展驗證評價，這在很大程度上依賴于設計者的閱歷；而采用軟硬件協同的設計者那么經過方式化評價技術，經過建立準確的數學模型、利用數學手段檢測系統的正確性。因此，對系統中的不確定要素及隱性目的的檢查有特殊效果。 兩種方法的比較-系統綜合實現階段 軟件系統、硬件系統的詳細制造的過程。硬件優先的設計方法是先進展硬件部分的實現，在硬件部分完成后再

27、進展軟件部分的實現；而軟硬件協同的設計方法那么是將軟件和硬件體系作為一個整體并行設計、經過協同設計，深化發掘軟硬件之間的協同性，從而使設計出來的系統可以穩定、高效地任務。 兩種方法的比較-總結 硬件優先的設計方法適用于一些小型和中型復雜度的系統中，在這些系統中由于硬件的復雜度不高，而且技術也比較成熟，選擇這種方法比較簡單易行；但是在一些大型的系統中，這種方法就不是很適宜了，需求更先進的設計模型。 軟硬件協同的設計模型比較適宜在一些大型的系統中運用，在一些大型的系統設計中，設計者的主要義務就是要在系統描畫的根底上確定功能模塊、分配系統功能、建立模塊間的聯絡、規定模塊之間的作用方式。軟硬件協同設計

28、模型與硬件優先設計模型相比，更能有效地處理好這些問題。Which RISC Chip to be selectedIndustry Market ShareAtmel-AT91SAM(ARM9)NXP-LPC3000(ARM9)Cirrus- EP9315Freescale-MPC8313(PowerPC)CAVIUM MIPS R64MIPS-MIPS32M4KARM處置器的分類構造體系版本ArchitectureARM v4TARM v5TE ARM v6ARM Cortex (v7)Processor FamilyARM7 ARM9ARM10ARM11ARM Cortex按運用特征分類運用途置器 Application Processor實時控制處置器 Real-time Controller微控制器 Micro-controller特征：MMU, Cache 最快頻率、最高性能、合理功耗 特征：MPU, Cache 實時呼應、合理性能、較低功耗 特征：no sub-memory system 普通性能、最低本錢、極低功耗 Embedded MPU Roadmap Intelligent User Int