02二月2023生物醫學工程學院電子技術系1嵌入式系統設計原理主講：林霖單位：生物醫學工程學院電子技術系：62789308郵址：南方醫科大學第一頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系2第一講第1章嵌入式系統概述第二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系3第一章嵌入式系統概述本講主要內容:嵌入式系統的定義嵌入式系統的根本組成嵌入式系統的特點嵌入式系統的主要應用領域嵌入式系統的開展趨勢課程的學習方法第三頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系4第1節嵌入式系統的定義第四頁，共64頁。計算機開展史1947年，晶體管誕生1957年，集成電路的概念被提出1958年，TI制作出第一片集成了電阻電容等分立元件的半導體1959年，FairChild使用平面工藝制作出第一片集成電路新技術的出現導致了新冒險家的誕生，Intel等公司在這種背景下開場出現02二月2023生物醫學工程學院電子技術系5第五頁，共64頁。第一顆微處理器的誕生1971年，IntelTedHoff，400402二月2023生物醫學工程學院電子技術系6第六頁，共64頁。個人PC的誕生處理器的開展從4004，到4040,8008,80801974年，在8080的根底上，出現了為人們熟悉的PC機02二月2023生物醫學工程學院電子技術系7第七頁，共64頁。嵌入式系統的起源微機時代的到來——70年代微處理器的出現4004嵌入式系統的出現——70年代微機在控制方面的應用外形上，失去了原有的微機系統外觀特征用處上，失去了原有的微機系統的通用性特征構造上，附加了很多外設接口電路02二月2023生物醫學工程學院電子技術系8第八頁，共64頁。計算機系統的兩個開展分支通用計算機系統開展分支目的：高速海量的數字處理才能道路：總線速度的無限提升；存儲量的無限擴大其他：功耗增加，體積增大嵌入式系統開展分支目的：與對象系統親密相關的嵌入式性能，控制才能和控制的可靠性道路：單芯片實現，多樣化其他：低功耗，小體積，接口豐富02二月2023生物醫學工程學院電子技術系9第九頁，共64頁。通用微處理器的開展道路從1978年8086的誕生開場飛速開展，經歷80186,286,386,486，奔騰I，奔騰II，奔騰III，奔騰IV……02二月2023生物醫學工程學院電子技術系10第十頁，共64頁。嵌入式處理器開展道路嵌入式處理器的獨立開展的標志為IntelMCS51處理器的誕生。在此之后，Intel逐漸退出嵌入式處理器市場，開場百家爭鳴02二月2023生物醫學工程學院電子技術系11第十一頁，共64頁。嵌入式處理器的開展道路單片機標志嵌入式系統開場獨立開展嵌入式處理器的開展階段SCM(SingleChipMicrocomputer)MCU/MPU(MicroController/ProcessorUnit)Soc(SystemonChip)不同字長的嵌入式微處理器8位機 MCS-51，M68HC0816位機 M68HC1632位機 ARM系列02二月2023生物醫學工程學院電子技術系12第十二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系13第1章嵌入式系統概述嵌入式系統的定義嵌入式系統定義：嵌入式系統是以應用為中心、計算機技術為根底，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。計算機的擴展定義：把基于處理器〔通用處理器和嵌入式處理器〕的設備稱為計算機，把計算機分成兩大部分，即通用計算機和嵌入式計算機。嵌入式系統----嵌入式計算機，即非通用計算機系統。第十三頁，共64頁。第1章嵌入式系統概述英國電機工程師協會的定義： 嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置。它具備了以下特性：通常執行特定功能；以微電腦與周邊構成核心；嚴格的時序與穩定度要求；全自動操作循環。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系14第十四頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系15嵌入式系統的定義嵌入式系統可應用于所有電子產品：個人數字助理〔PDA〕手機機頂盒汽車控制系統微波爐控制器電梯控制器平安系統自動售貨機控制器醫療儀器立體音響自動取款機……第十五頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系16第2節嵌入式系統的根本組成第十六頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系17嵌入式系統的根本組成嵌入式系統由硬件、軟件和開發系統組成硬件構造圖電源晶振電路復位電路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232NetLCDKeyboardCPU和外圍電路外部電路第十七頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系18嵌入式系統的根本組成第十八頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系19嵌入式系統的根本組成1.嵌入式系統的硬件嵌入式核心芯片：EMPU-----嵌入式微處理器EMCU-----嵌入式微控制器EDSP-----嵌入式數字信號處理器ESoC-----嵌入式片上系統EPSoC----嵌入式可編程片上系統存儲器系統程序存儲器〔ROM,EPROM,Flash〕數據存儲器〔隨機存儲器〕參數存儲器〔EEPROM〕NVRAM外部接口一般嵌入式處理器上已集成了接口，但是外設需要外接。例如大多數的嵌入式通信控制器集成了以太網接口，但是收發器需要外部電路。第十九頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系20嵌入式系統的根本組成2.嵌入式系統的軟件分為兩大部分。嵌入式操作系統：VRTX、pSOS、VxWorks、WindowsCE、EPOC、Linux、PALM、OS9、JavaCHORUSOS、QNX、NAVIO、 uCOS IOS、 Android、 Windows8應用軟件:為不同應用而編寫的軟件。第二十頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系21嵌入式系統的根本組成第二十一頁，共64頁。2.嵌入式系統的軟件4個層次：設備驅動接口〔DDI，DeviceDriverInterface〕--負責嵌入式系統與外部設備的信息交互；實時操作系統〔RTOS，RealTimeOperationsystem〕根本模塊：是操作系統的核心，負責整個系統的任務高度，存儲分配、時鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面〔GUI，GraphicsUserInterface〕等根本效勞。擴展模塊：提供操作的擴展功能，包括網絡、數據庫等。可編程應用接口〔API，ApplicationProgrammableInterface〕也稱為編程中間件、應用中間軟件，是為編制應用程序提供的各種編程接口庫。應用軟件-----針對不同就用而由開發者自己編寫的軟件。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系22第二十二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系23嵌入式系統的根本組成3.嵌入式系統的開發工具和開發系統開發工具：獨立于嵌入式系統產品之外，用于開發主機，包括語言編譯、連接定位器、調試器-------構成開發系統和開發工具。開發語言：C語言，嵌入式C++，Java，匯編語言。匯編語言使用場合：開發小系統時，可有效地減少代碼存儲空間；用于系統的初始化和與硬件有關的代碼；對于時間要求苛刻的應用，例如基于DSP數據處理的嵌入式系統。第二十三頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系24第3節嵌入式系統的特點第二十四頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系251.3嵌入式系統的特點嵌入式系統的主要特點1、通常含有面向特定應用的嵌入式CPU。2、是計算機技術、半導體技術和電子技術與各行業的詳細應用相結合的產物。3、其硬件和軟件的設計效率要高。4、與詳細應用嚴密結合，其晉級換代也與詳細產品同步進展，因此生命周期較長。5、其軟件均固化在存儲芯片或單片機中，因此，速度和可靠性較高。6、不具備獨立開發才能，必須借助外部開發工具或系統進展設計，因此用戶不能對其中的程序功能進展修改。第二十五頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系261.3嵌入式系統的特點嵌入式處理器嵌入式處理器分為三類：微處理器MPU。與通用計算機的CPU相對應的微處理器。微控制器MCU。它將CPU、存儲器和其他外設封裝在同一集成電路里，也稱為單片機。數據信號處理器DSP。專門用于對離散時間信號進展極快的處理計算，進步編譯效率和執行速度。第二十六頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系27微內核構造大多數嵌入式操作系統采用了微內核構造內核只提供根本功能，如：任務調度、任務間的通信與同步、內存管理、時鐘管理等。其他應用組件，如：網絡功能、文件管理、GUI系統等均工作在用戶態，以系統進程或函數調用的方式工作。應用組件是可剪裁的。第二十七頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系281.3嵌入式系統的特點任務調度在嵌入式系統中，任務即進程或線程。大多數嵌入式操作系統支持多任務。任務調度有三種方式：可搶占式不可搶占式時間片輪轉第二十八頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系29硬實時系統和軟實時系統軟實時系統并不要求限定某一任務必須在一定的時間內完成，只要求各任務運行得越快越好。硬實時系統對響應時間有嚴格的要求，一旦系統響應不能滿足，可能引起系統崩潰或致命的錯誤。第二十九頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系301.3嵌入式系統的特點內存管理有MMU處理器而設計的操作系統，能與硬件配合采用虛擬存儲器的概念。虛擬內存地址被送到MMU，MMU將它映射為物理地址。物理地址是分頁的，采用分頁加載進程，操作系統將當前要運行的部分頁裝入內存運行。大多數操作系統沒有MMU的處理器設計，是采用實存儲器管理策略。 對內存的訪問是直接的，直接送到地址線上輸出，即使用的地址是實際的物理地址。操作系統對內存空間沒有保護，程序運行前需要分配好內存空間。第三十頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系31內核加載方式嵌入式操作系統內核可在Flash直接運行，也可加載到內存運行。嵌入式操作系統對用戶程序一般采用靜態鏈接的形式。第三十一頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系321.3嵌入式系統的特點嵌入式系統的核心是微處理器，而嵌入式微處理器具備以下四個特點：具備實時多任務處理才能；具有存儲區保護功能；可擴展的處理器構造；功耗很低。第三十二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系33第4節嵌入式系統的主要應用領域第三十三頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系341.4嵌入式系統的主要應用領域家庭信息化網絡網絡閱讀、視頻點播、文字處理、電子郵件、個人事務管理。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、嵌入式視頻效勞器、車載導航器系統等挪動計算設備手機、PDA、掌上電腦。網絡設備路由器、交換機、網絡效勞器、網絡接入點。工業控制、仿真、醫療儀器這些領域對嵌入式系統的需求在不斷增長，同時也對嵌入式微處理器的運算速度、可擴大才能、系統可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。同時，Java技術的開展，對開發相關無線通信軟件起到推動作用。第三十四頁，共64頁。1.4嵌入式系統的主要應用領域02二月2023生物醫學工程學院電子技術系35第三十五頁，共64頁。1.4嵌入式系統的主要應用領域02二月2023生物醫學工程學院電子技術系36第三十六頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系371.4嵌入式系統的主要應用領域第三十七頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系381.4嵌入式系統的主要應用領域嵌入式視頻效勞器的架構第三十八頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系391.4嵌入式系統的主要應用領域現代化家庭第三十九頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系401.4嵌入式系統的主要應用領域中國數字電視開展規劃2002年完成地面播送傳輸標準的測試；2002年底公布國家數字電視有線傳輸標準；2003年底前公布國家數字電視地面播送標準和相關配套標準，確定數字電視標準體系；2005年在有條件的城市推廣數字電視播出；年的北京奧運會上向全世界傳輸數字高明晰度電視節目，主要的大城市開場數字電視商業播送；年數字電視成為我國電視播出的主要方式。第四十頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系411.4嵌入式系統的主要應用領域通信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PDA第四十一頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系421.4嵌入式系統的主要應用領域通信市場智能網絡機通過普通線與網絡相連。寬帶網絡機通過寬帶接入Internet。目前IP開展現狀據ＩＤＣ統計，全球ＩＰ業務收入綜合年增長率將以１０８％的速度增長，到２００３年ＩＰ已占國際業務量的三分之一。到２００４年，國際長途將占ＩＰ業務市場的７５％。ＩＰ已成為當前各國運營重點開展的業務之一。第四十二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系431.4嵌入式系統的主要應用領域工業市場制造工廠污水處理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施，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第四十三頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系441.4嵌入式系統的主要應用領域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、公路運輸系統航空管理、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理系統應急設備等第四十四頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系451.4嵌入式系統的主要應用領域建筑市場電力供給，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理療控制系統電磁成像系統便攜式生理參數記錄儀第四十五頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系461.4嵌入式系統的主要應用領域醫療影像網絡PACS主要功能：醫學影像的采集和數字化圖像的存儲和管理醫學圖像的高速傳輸圖像的數字化處理和重現圖像信息與其他信息PACS子系統影像實時采集子系統影像分析處理子系統影像的查詢、管理和存儲子系統圖文編輯及打印子系統數字圖像回寫子系統遠程會診子系統系統管理子系統第四十六頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系471.4嵌入式系統的主要應用領域醫療影像網絡PACS第四十七頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系481.4嵌入式系統的主要應用領域軍事領域軍事工業應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不高軍事工業產品數字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統〔FBCB2〕C4ISR系統(指揮、控制、通訊、電腦、情報、監視、偵察)第四十八頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系491.4嵌入式系統的主要應用領域軍事領域的特殊要求尺寸和重量:在軍事和航天環境中，空間是非常珍貴的。對用于航天器或航空器上的計算機系統的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飛機上采用的另一個重要因素，但在工業上應用并不重要。功率消耗:電池壽命自然是設計運動或可攜帶軍事系統和空間設備的關鍵問題。因為發熱與功耗成正比，降低功耗就成了對工作在較高溫度環境中的系統的重要要求。震動和沖擊:軍事和空間系統要合適在惡劣運動環境中工作和貯存。這些環境包括：大范圍或小范圍的重復運動；芯片、模塊和模板可能部分或全部變位或斷線；由于震動而加重的電化學反響引起的腐蝕，使模板互連金手指管腳的導電性能變差；由于使用硬盤驅動器致使數據的完好性成為難題等。溫度和濕度:大多數軍事和空間系統是工作在溫度和濕度環境相對不可控的條件下。用于軍事和空間產品的電子產品的可靠工作范圍必須在-40℃~+85℃。第四十九頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系501.4嵌入式系統的主要應用領域軍事領域第五十頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系511.4嵌入式系統的主要應用領域軍事領域21世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統〔FBCB2〕作為美國陸軍戰斗指揮系統的一部分，FBCB2應用軟件將在Applique+V4型計算機上運行，構成旅及旅以下級別陸軍的數字化戰斗指揮信息系統。FBCB2系統將向作戰的士兵和指揮官、戰斗支援部隊以及戰斗效勞支援部隊提供在行進中、近實時的事態感知以及指揮和控制信息，使他們在屏幕上就能分辨出友方部隊和敵方部隊。第五十一頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系521.4嵌入式系統的主要應用領域軍事領域關于中國C4ISR系統的消息消息來源聲稱這一系統的研制已經進展多年，有關的分系統目前已經部分進入中國軍隊服役。戰區級別的C3I系統預計假設干年之內全面建成。規劃之中的國家級C4ISR系統包括2個以上的海岸指揮作戰中心下設假設干海岸雷達,海岸火炮,聲納分系統并使用數據鏈同國家宇宙作戰中心相連接。國家宇宙指揮作戰中心又通過衛星同結合作戰指揮中心,防空作戰中心、陸軍作戰指揮中心等分系統銜接.整個大系統還包括兩個以上的電子作戰指揮中心。每個下設電子對抗,電子作戰飛機,電子偵察,電子支援分中心。它又透過國家宇宙作戰中心同防空指揮中心等銜接.在電子作戰指揮中心之外,還設有一個雷達信息處理系統。下設電子偵察,防空雷達等分系統,并與戰術防空系統聯網。戰術防空系統包括地對空導彈部隊,防空雷達,國土防空戰斗機等分系統。戰術防空系統又通過宇宙作戰中心同防空作戰中心聯網。第五十二頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系53第5節嵌入式系統的開展趨勢第五十三頁，共64頁。02二月2023生物醫學工程學院電子技術系54嵌入式系統的開展趨勢嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持面對嵌入式系統應用領域的不斷擴大，功能要求更加多樣化和強大，將推動開發工具和操作系統的進一步支持。連網成為必然趨勢為適應嵌入式分布處理構造和上網應用需求，要求嵌入式系統裝備有網絡通信接口。支持