嵌入式系統技術

Part1嵌入式系統基本概念李國才四川大學電氣信息學院2012.02art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第1頁!四川大學電氣信息學院2/53內容大綱通過本部分學習，要求掌握嵌入式系統的基本概念-ch1嵌入式系統定義嵌入式系統組成嵌入式系統硬件和軟件特征嵌入式系統應用領域和發展趨勢一些典型應用art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第2頁!四川大學電氣信息學院3/53什么是“嵌入式系統”?近年來“嵌入式系統”一詞開始風靡起來，小到普通的MP3播放器、PDA個人數字助理，大到信息家電，汽車電子、機械加工中心、工業機器人等都被冠以嵌入式系統應用的稱謂。然而嵌入式系統的概念并非新近才出現，早在20世紀70年代，隨著Intel公司的8位微控制器8048的出現（同期的8位微控制器還有：Motorola公司的68HC05，Zilog的Z80系列等），使得過程控制、通信設備、汽車、工業機器人以及成千上萬的消費電子產品可以通過內嵌電子裝置的形式來獲得更佳的性能、更可靠、速度更快、價格更低。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第3頁!四川大學電氣信息學院4/53嵌入式系統定義?嵌入式系統被定義為：以應用為中心,以微電子技術、控制技術、計算機技術和通訊技術為基礎，強調軟硬件的協同性、整合性和可剪裁性，并能滿足目標應用對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴格要求一種專用計算機系統。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第4頁!四川大學電氣信息學院5/53簡單的嵌入式系統組成即最常用的計算機系統的表示art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第5頁!四川大學電氣信息學院6/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點

(一)實時多任務實時?任何一個電子系統都可看成是一個激勵-響應系統。每個特定的電子系統都有一個從激勵輸入到響應輸出的時間，即激勵-響應周期T，它表現為系統的響應能力。如果系統的響應能力T能滿足嵌入對象所規定的響應時間ta要求，即T≤ta，這個系統便是實時的電子系統。經典電子系統:(不含計算機的純電子電路系統)它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時間周期T通用計算機系統:(是一個人機交互的激勵-運行-響應系統。它的激勵-響應時間T表現為電路系統的激勵-響應時間tc與軟件運行時間ts)嵌入式系統(由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會提出不同的響應時間ta要求)在嵌入式應用系統的具體設計中，必須考慮系統中每一個任務運行時，能否滿足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統的實時性問題而嵌入式系統應用中，必須考慮實時性問題，是因為軟件運行的時間耗費ts，會使系統的激勵-響應時間T巨額增加，而不能滿足嵌入對象系統提出的響應時間ta要求，凸現了嵌入式系統的實時性問題。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第6頁!四川大學電氣信息學院7/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點(一)

實時性解決?處理器核心設計上：硬件設計中的Cache技術、DSP協處理器核心、外設進入核心、總線、以及動態分支預測技術等通用系統注重平均表現軟件上：實時軟件(操作系統)所遵循的最重要的設計原則是：采用各種算法和策略,始終保證系統行為的可預測性(predictability)?？深A測性是指在系統運行的任何時刻,在任何情況下,實時操作系統的資源調配策略都能為爭奪資源(包括CPU、內存、網絡帶寬等)的多個實時任務合理地分配資源,使每個實時任務的實時性要求都能得到滿足。在最壞情況下都要滿足其實時性要求,注重的是個體任務表現,是個體最壞情況表現以虛擬存儲管理技術為例討論處理器核心設計上的差別;取消了MMU，直接硬件化，取消重定位等art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第7頁!四川大學電氣信息學院8/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點

(三)可擴展的處理器結構可擴展的處理器結構，以便能迅速地開發出滿足各種應用需求的高性能嵌入式微處理器。系列眾多art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第8頁!四川大學電氣信息學院9/53art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第9頁!四川大學電氣信息學院10/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點

(五)功耗很低嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于無線、便攜式移動計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。低功耗MCU-低電壓、低工作頻率、支持睡眠、支持模塊關閉、軟件上的設計。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第10頁!四川大學電氣信息學院11/53嵌入式系統軟件的特征軟件要求固態化存儲固化/重載要求軟件代碼高質量、高可靠性系統軟件(OS)要求高實時性視應用情況而定多任務操作系統是知識集成的平臺和走向工業標準化道路的基礎art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第11頁!四川大學電氣信息學院12/53工業控制工控系統必須具備兩方面的功能:在現場完成復雜的測控任務，因為通常一些任務都具有一定的實時性要求;測控系統實現遠程監控。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第12頁!四川大學電氣信息學院13/53信息家電數字家庭art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第13頁!四川大學電氣信息學院14/53嵌入式系統發展趨勢微型化：微型化是現代各類型產品的基本要求，特別在嵌入式產品中，由于半導體技術的進步，使得原本需要龐大空間的電路設計，濃縮在一片SOC（片上系統）芯片中。微型化，能使嵌入式系統更加價廉物美，具有更強的競爭力。就像現在的智能型手機集成了通信、網絡、PDA種種功能于一身，各種微型化的嵌入式產品，如同項鏈一般可以佩戴在胸前，兼具美觀與實用的功能。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第14頁!四川大學電氣信息學院15/53其他領域-交通管理智能交通art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第15頁!四川大學電氣信息學院16/53其他領域電力廣域測量與管理氣候/資源監測與管理水文art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第16頁!四川大學電氣信息學院17/53嵌入式系統發展趨勢安全性：以生物特征提取技術為例，特征主要分兩大類，一類是生理特征，分別是利用指紋、手型、虹膜及視網膜等特征而進行識別；另一類是行為特征，包括數字簽名和語音識別。由這些方式來辨認個人身份，不但兼具方便性，而且利用生物特征獨一無二的特性，達到安全保密的功能。自身系統的安全，反向工程、知識產權保護…art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第17頁!四川大學電氣信息學院18/53嵌入式系統發展趨勢互聯網應用新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支持TCP/P協議，有的還支持IEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA，同時也提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面，系統內核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。硬件協議棧art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第18頁!四川大學電氣信息學院19/53嵌入式非接觸式智能卡(射頻卡)智能卡技術風靡全球，改變了現代生活中關于錢和票的概念。智能住宅小區管理一卡通設計方案的特點是以當代最先進的非接觸智能卡技術作為住戶的一卡通管理系統，可實現住宅小區物業管理一體化：樓宇出入、登記、查詢、停車管理、區內購物、娛樂消費、記帳、結帳、統計等自動化。物業公司內部管理采用非接觸式智能卡（員工卡），使公司在財務、人事、工資、辦公、行政管理、監控、員工考勤等方面實現無紙化辦公，自動化管理，這樣可以節約綜合管理費用，提高工作效率。非接觸式智能卡將微處理器及大容量存儲器的集成電器芯片（asic）和天線封裝于塑料基片之中。卡中存儲器分多個分區，支持不同應用，達到一卡多用，而且具有很強的安全保密性。讀寫器采用兆頻段及磁感應技術，通過無線方式對卡中的信息進行讀寫并采用高速率的半雙工通信協議。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第19頁!四川大學電氣信息學院20/53智能卡內部功能框圖art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第20頁!四川大學電氣信息學院21/53安全機制通常系統的讀寫模塊與感應卡之間采用相似的鑒別算法建立通訊，并使用隨機數對通訊數據進行加密。該鑒別算法稱為三次傳遞簽證（ThreePassAuthentication）。感應卡產生并發送隨機數RB給讀卡器。讀卡器將RB與密匙、讀卡器序列號及隨機數RA結合形成TokenAB發送感應卡。感應卡解讀TokenAB，判斷讀卡器的合法性。感應卡將RA、RB、密匙及芯片號相結合產生TokenAB發給讀寫器。讀寫器解讀TokenAB，判別感應卡的合法性。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第21頁!四川大學電氣信息學院22/53智能卡應用電信領域：電話使用CPU卡來存儲信息和唯一識別用戶身份，SIM卡，另外卡中的微處理器大大提高了用戶賬號的安全性。電話儲值卡也是極為廣泛的智能卡應用。金融領域，以智能卡技術開發而成的銀行卡，除了仍保留傳統銀行卡所具有的金融功能之外，還可利用卡上的內存及微處理器來提供更多的增值金融服務。電子支付系統中使用智能卡來做為電子錢包的載具。在交通領域，非接觸式智能卡取得了廣泛的應用。非接觸式智能卡中包含了微型天線，用于在不接觸的情況下讀寫和交換信息，一般而言，現在典型非接觸智能卡的讀寫有效距離為10cm、交易時間小于0.1秒。醫療領域的應用要求存儲大量信息，如病歷、身份、醫療保險號碼、血型、過敏癥、健康檢查結果等，采用智能卡將全面提高醫院診斷的效率、準確性及管理水平。政府部門也開始采用智能卡技術。中國正在啟動的國家第二代身份證卡計劃是迄今為止全球最大的智能卡應用項目，智能卡還可以用于企業、社團機構的內部管理art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第22頁!四川大學電氣信息學院23/53功能結構art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第23頁!四川大學電氣信息學院24/53實例1Atmel內部組成art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第24頁!四川大學電氣信息學院25/53art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第25頁!四川大學電氣信息學院26/53GSM基帶處理器射頻固件存儲電源外部接口art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第26頁!四川大學電氣信息學院27/53art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第27頁!四川大學電氣信息學院28/53總結嵌入式系統定義嵌入式系統組成嵌入式系統硬件和軟件特征嵌入式系統應用領域和發展趨勢一些典型應用art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第28頁!四川大學電氣信息學院29/53嵌入式系統包括那些內容?嵌入式系統通常由包括二個方面：微處理器或微控制器MPU/MCU定時器、存儲器、外設器件和I/O端口、傳感器、圖形控制器、執行器等一系列微電子芯片與器件，嵌入在存儲器中的微型操作系統（要求實時和多任務操作）、應用程序組成，共同實現諸如實時控制、監視、管理、移動計算、數據處理等各種任務。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第29頁!四川大學電氣信息學院30/53復雜的嵌入式系統組成art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第30頁!四川大學電氣信息學院31/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點

(一)實時多任務對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度。以電力系統的穩定觀測控制為例。電網的安全穩定性通常在事故后幾十到幾百毫秒內就有可能受到嚴重威脅，并且過遲的穩定控制措施不僅起不到預想的作用，造成經濟上的損失，甚至可能引起其他的安全問題。這里的實時性不僅指獲得數據的實時性，而且還包括數據處理、分析、決策的實時性。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第31頁!四川大學電氣信息學院32/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點(二)具有功能很強的臨界存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第32頁!四川大學電氣信息學院33/53可擴展的處理器結構例8051結構Atmel系列art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第33頁!四川大學電氣信息學院34/53“嵌入式系統”的微處理器核心特點

(四)專用調試電路嵌入式微處理器內部通常包含專用調試電路，外部有JTAG邊界掃描接。JTAG最初是用來對芯片進行測試的，JTAG的基本原理是在器件內部定義一個TAP（Test

Access

Port;測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對進行內部節點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現對各個器件分別測試?，F在，JTAG接口還常用于實現ISP（In-System

Programmable;在線編程），對FLASH等器件進行編程。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第34頁!四川大學電氣信息學院35/53嵌入式系統硬件的特征以應用為中心從IC卡到登月車軟硬件專用性強嵌入式系統產品通常具有較長的生命周期嵌入式系統開發需要專門的交叉開發工具和環境art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第35頁!四川大學電氣信息學院36/53嵌入式系統應用領域工業控制信息家電國防裝備機器人其他..圖片來自互聯網art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第36頁!四川大學電氣信息學院37/53信息家電智能型手持裝置：如PDA、電子書等；電器數字家庭art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第37頁!四川大學電氣信息學院38/53國防武器裝備智能武器智能武器指的是具有人工智能的武器，通常由信息采集與處理系統、知識庫系統、輔助決策系統和任務執行系統等組成。能夠自行完成偵察、搜索、瞄準、攻擊目標和收集、整理、分析、綜合情報等軍事任務。精確制導武器、無人駕駛飛機、無人駕駛坦克、無人操縱火炮、智能魚雷和自主多用途智能作戰機器人等art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第38頁!四川大學電氣信息學院39/53嵌入式系統發展趨勢智能化：機器人技術將對嵌入式系統智能化產生重大的影響。機器人巳從工業機器人階段步入到具有視覺、觸覺、力覺、滑覺等智能傳感器的智能機器人階段。新傳感器的使用：陀螺，重力、加速度、方向….微機電系統(MEMS):art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第39頁!四川大學電氣信息學院40/53其他領域-電子商務支付物流POSart01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第40頁!四川大學電氣信息學院41/53嵌入式系統發展趨勢人性化：嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面、圖像界面和靈活的控制方式，這方面的要求嵌入式系統設計者一方面要在圖形界面、多媒體技術上多下功夫。另一方面要在人性化的操作方面下功夫，特別是在人工智能與生物信息科技領域方面，通過語音操作或是自然語言的方式來達到人性化操作的要求，是目前熱門的方向之一。界面設計art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第41頁!四川大學電氣信息學院42/53嵌入式系統發展趨勢功能強大：采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力，同時增加功能接口(如USB)，擴展總線類型(如CAN)，加強對多媒體、圖形圖像等的處理。軟件方面，采用實時多任務編程技術和交叉開發工具來控制功能復雜性，簡化應用程序設計，保障軟件質量和縮短開發周期。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第42頁!四川大學電氣信息學院43/53一些典型嵌入式方案實例嵌入式非接觸式智能卡(射頻卡)音樂播放器MP3MC35GPRS無線調制解調器art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第43頁!四川大學電氣信息學院44/53雙界面（DualInterface）的芯片卡射頻卡的頻率art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第44頁!四川大學電氣信息學院45/53德國英菲凌（Infineon）art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第45頁!四川大學電氣信息學院46/53智能卡軟件個智能卡操作系統的主要任務如下：從智能卡傳出或傳入數據；控制命令的執行；管理文件；管理和執行加密算法。JavaCard技術主要是讓智能卡或與智能卡相近的裝置上，以具有安全防護性的方式來執行小型的Java應用程式（也稱為JavaApplet），此技術也被廣泛運用在SIM卡（用于GSM手機內）、ATM卡（也稱：金融卡、提款卡）上。保護智能卡內的私密、敏感性資料JavaCard能支援絕大多數的常用加密算法art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第46頁!四川大學電氣信息學院47/53音樂播放器MP3音樂播放移動存儲盤錄音功能FM調頻收音歌詞同步顯示功能固件更新art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第47頁!四川大學電氣信息學院48/53art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第48頁!四川大學電氣信息學院49/53實例1典型電路art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第49頁!四川大學電氣信息學院50/53MC35GPRS無線調制解調器無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務(ShortMessageService)和傳真。模塊的工作電壓為3.3～4.8V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900M)和1W(1800M)。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。art01-嵌入式系統基本概念共53頁，您現在瀏覽的是第50頁!四川大學電氣信息學院51/53基帶處理部分

包含GSM處理的MCU和DSPC166MCUprocessorcoreDigitalSignalProcessingcoreOn-chipMCUProgr