1.嵌入式系统

nullnull湖南大学嵌入式系统重点实验室1. 嵌入式系统嵌入式软件开发导论目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 　　简而言之，它是完成特定任务的计算机系统。什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？“所有的计算机系统都是通过编程来执行任务的?” 　　嵌入式系统里的程序是被写死的。系统上电后程序开始执行直至系统关闭，程序是不能被改变的，除非开发人员采用特定的方法才能对程序进行改进并重新写入系统。什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？　　嵌入式系统往往做为一个大型系统的组成部分被嵌入到该系统中(这也是它名称的由来) ，嵌套关系可能相当复杂，也可能非常简单，它的表现形式多种多样。嵌入式系统应用嵌入式系统应用 PDA 消费电子 信息家电 移动通信 GPS 智能识别系统 导航系统 汽车电子 嵌入式系统应用嵌入式系统应用 工业控制 火控系统 数字电视 飞行控制系统 测试仪器 医疗设备 游戏机 等等 ……目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件嵌入式系统特点嵌入式系统特点 实时性 小尺寸（资源，代码，规格……） 低功耗 高效率 ……什么是实时性? 什么是实时性? 对于实时系统，它的正确性不仅与系统的逻辑正确性相关，而且与系统的响应时间相关。如果系统的响应不能满足时限要求，即使它能得到正确的输出，我们也只能说它是一个失败的响应。—— Donald Gillies什么是实时性?什么是实时性? 操作系统中的实时性: 操作系统对时限要求的一种响应能力。—— POSIX 标准 1003.1实时系统实时系统 在时限范围内的正确响应 通常是嵌入式系统 通常是分布式系统 对时限要求的不同 硬实时系统 软实时系统硬实时和软实时硬实时和软实时 硬实时 系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限要求会给系统带来灾难性后果。如飞行控制系统。 软实时 系统对时限的要求不是很迫切，如果不能满足时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所影响而已。如数据采集系统。实时系统实时系统 硬实时系统应用 汽车 (沃尔沃S80有19台计算机) 飞机 (JAS) 医疗设备 空间设备 (火星探测器) 军方系统 工业自动化实时系统实时系统 软实时系统应用 游戏 DVD (MPEG 编码) 英特网视频和广播 通讯 对于普通民用行业,随着CPU运算能力的提高,逐渐转换为软实时. 目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件嵌入式系统结构嵌入式系统结构嵌入式系统结构计算机系统结构嵌入式系统应用实例嵌入式系统应用实例数字控制算法数据日志数据获取和显示操作员界面界面工程系统远程监视系统实时时钟数据库操作员控制台显示设备实时计算机目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件CPU Intel x86 PowerPC(Mac) G3,G4,G5 SPARC, Alpha ARM MIPS …… 位宽 8位控制器(仍然存在!) 16位控制器(主流) 32位控制器(开始流行) 64位控制器(高性能)嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件 CPU市场份额PowerPC PowerPC PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的 IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。二十世纪九十年代，IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。 nullPowerPC 处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，具有优异的性能、较低的能量损耗以及散热量。 　　PowerPC 处理器有 32 个（32 位或 64 位）GPR（通用寄存器）以及诸如 PC（程序计数器，也称为 IAR／指令地址寄存器或 NIP／下一指令指针）、LR（链接寄存器）、CR（条件寄存器）等各种其它寄存器。有些 PowerPC CPU 还有 32 个 64 位 FPR（浮点寄存器）。 　　PowerPC 体系结构是 RISC（精简指令集计算）体系结构的一个示例。因此：所有 PowerPC（包括 64 位实现）都使用定长的 32 位指令。 powerPC 处理模型要从内存检索数据、在寄存器中对它进行操作，然后将它存储回内存。几乎没有指令（除了装入和存储）是直接操作内存的。 嵌入式硬件实例嵌入式硬件实例问题问题 功耗和能量“电能是嵌入式系统的最大约束” [in: L. Eggermont (ed): Embedded Systems Roadmap 2002, STW]目前的UMTS电话系统几乎不可能在数据一直被传输的情况下被操作多于一小时的时间。 [UMTS:通用移动电话系统 ]目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件嵌入式软件 ——目标嵌入式软件 ——目标设计可靠、稳定、高效的嵌入式软件， 需要考虑 继承性 有限的资源 多样性 可读性 并发性 兼容性 实时性 层次 嵌入式系统软件的特点嵌入式系统软件的特点嵌入式系统 有限的资源 实时性 操作系统与用户软件 没有明显的界线 开发模式 嵌入式系统软件的今天嵌入式系统软件的今天嵌入式系统软件的明天嵌入式系统软件的明天目录目录什么是嵌入式系统? 嵌入式系统特点 嵌入式系统结构 嵌入式硬件 嵌入式软件 嵌入式系统实例 嵌入式系统实例嵌入式系统实例1. 电报机 本质上一个能使传统并口打印机支持网络打印功能的装置。具有两个基本IO接口，一个是网络接口，另一个是并口输出，如图1－1 所示。null电报机软件面临(一般嵌入式软件)的问题： (1)吞吐量--单位时间内完成任务的数量。系统设计的基本原则：综合考虑，不能存在明显的系统性能瓶颈。 (2)响应时间--从接到命令到给出应答消息之间的时间。 与吞吐量存在区别。响应时间短，并不一定吞吐量就高，因为吞吐量可能还受到打印机、并口通信链路等因素的制约。 避免使用“速度” 术语，因为它存在岐义。 (3)易测性–能较为容易地搭建测试装置来验证嵌入式软件是否正常工作 null(4)可调试性 -- 当系统出现错误时，能够方便的收集各种信息，找到故障点。 这与一般桌面计算系统或者服务器计算系统不同。嵌入式系统，如电报机，它们可能没有完整的键盘，没有显示器。这使得开发人员无法再使用桌面系统中所使用的那些方法。 那有什么办法呢？ 模拟技术，仿真技术和交叉开发技术。null (5)可靠性 -- 系统的稳定性（不能崩溃），工作的正确性。嵌入式系统通常肩负这某项专门的工作，一旦崩溃，那么这项工作就无法完成。 (6)内存空间 -- 嵌入式系统通常具有较小的内存空间（只要能满足特定的任务即可）。嵌入式系统的内存空间一般从几十KB到几十MB。与之相比，目前的台式机内存空间已经达到1GB的水平了。null程序安装 -- 嵌入式系统一般没有键盘，鼠标和显示器，更没有台式机那样的图形用户界面（GUI，Graphic User Interface），因此安装程序的方式与一般基于台式机的桌面系统有很大的不同。2.无线手持条码扫描仪2.无线手持条码扫描仪常用于超市出口的收银台，通过扫描条码获取商品价格信息，完成购买过程。 除了具备电报机的那些问题之外，还存在“能耗”问题 能耗，即完成指定操作所需要的能量（电量） 无线 – 无法通过电缆从外部获取电能。只能通过电池获取。 实用性 – 每次更换电池后能够使用多长的时间。需要考虑的问题： 合理的工作模式切换（工作模式和休眠模式） 使用低功耗元器件 3.激光打印机3.激光打印机所引出的新问题 – 处理器过载 什么是处理器过载？外部任务请求的速度超过了处理器所能承受的速度。 根本原因：嵌入式系统中的处理器通常性能比较低（高性能通常以高功耗为代价） 尽管激光打印机中的微处理器能力较强，但是由于在计算什么地方输出黑点的任务非常耗时，将占用处理器的绝大部分处理能力，从而降低了激光打印机的响应速度。 4.地下油罐监视器4.地下油罐监视器功能1：监视加油站的地下油罐的浮标读数，从而给出剩余油量。 功能2：尽早检测到异常情况下的油罐泄漏，并发出警报 所提出的挑战：成本 (1)为了降低总成本而采用极其简单的8位微处理器。 (2)需读取两个浮标的读数，并考虑汽油热胀冷缩效应，正确给出报警信息 (3)完成一次计算任务需大量计算（因为处理器的指令集非常简单），从而可能导致处理器的过载。5.核反应堆监视器5.核反应堆监视器功能：从两个温度传感器中获取温度数据，并比较两个温度值。当两个温度完全一致时，表示正常。当两个温度存在差异时，意味着反应堆出现了故障。 所提出的新问题：代码的可靠性，临界区等。本章小结本章小结嵌入式系统是嵌入在某个产品中而非计算机中的任何计算机系统 嵌入式软件开发面临许多挑战： 吞吐量 响应 可调试性 易测性 可靠性 成本 作业作业你是如何理解嵌入式系统的? 在日常生活中，你接触过哪些嵌入式产品？他们都有些什么功能？嵌入式系统中的软件有哪些特征? 比较嵌入式系统与普通的计算机系统存有哪些相同和不同之处。