嵌入式系统概述
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嵌入式系统概述. 宋健建 南京大学软件学院 2004/12/21. 内容. 什么是嵌入式系统 嵌入式系统的历史和发展 嵌入式系统的组成 嵌入式系统的特点 嵌入式系统软件开发. 1. What are embedded systems?. Definition: Embedded system : any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer.

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嵌入式系统概述

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2004

嵌入式系统概述

宋健建

南京大学软件学院

2004/12/21


2004

内容

  • 什么是嵌入式系统

  • 嵌入式系统的历史和发展

  • 嵌入式系统的组成

  • 嵌入式系统的特点

  • 嵌入式系统软件开发


1 what are embedded systems

1. What are embedded systems?

  • Definition:

    • Embedded system: any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer.

  • Take advantage of application characteristics to optimize the design:

    • don’t need all the general-purpose bells and whistles.


A more detailed definition

A More Detailed Definition

  • 国内一般定义

    • 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。

    • 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。


Embedding a computer

Embedding a computer

output

analog

input

CPU

analog

mem

embedded

computer


Examples

Examples

  • Personal digital assistant (PDA).

  • Printer.

  • Cell phone.

  • Automobile: engine, brakes, dash, etc.

  • Television.

  • Household appliances.

  • PC keyboard (scans keys).


Reference interpretation 1

Reference Interpretation (1)

  • An "embedded system" is any computer system or computing device that performs a dedicated function or is designed for use with a specific embedded software application.

  • Embedded systems may use a ROM-based operating system or they may use a disk-based system, like a PC. But an embedded system is not usable as a commercially viable substitute for general purpose computers or devices.


Reference interpretation 2

Reference Interpretation (2)

  • A specialized computer system that is part of a larger system or machine. Typically, an embedded system is housed on a single microprocessor board with the programs stored in ROM. Virtually all appliances that have a digital interface -- watches, microwaves, VCRs, cars -- utilize embedded systems. Some embedded systems include an operating system, but many are so specialized that the entire logic can be implemented as a single program.


Reference interpretation 3

Reference Interpretation(3)

  • 中国微机学会的定义:

    • 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统,可以分为片级、板级、系统级。

    • 芯片级嵌入- 含程序或算法的处理器

    • 模块级嵌入- 系统中的某个核心模块板

    • 系统级嵌入- 主计算机系统


2004

1.2 嵌入式系统历史和发展

  • 1971年代单片微处理器问世,它标志着嵌入式系统的开端。

  • 从4个方面了解嵌入式系统历史

    • 硬件

    • 软件

    • 代表产品

    • 系统结构


2004

嵌入式硬件的历史

  • 1971年Intel 4004, 4位微处理器

  • TI, TMS1000, 4位微控制器

    • ROM, RAM, CPU + I/O port

  • 1980年Intel MCS-51, 8位微控制器

  • 16位, 32位微处理器…

  • 1990’s, DSP

    • TMS320C30


2004

嵌入式处理器的分类和术语(1)

  • 微控制器(MCU:Micro-Controller Unit)

    • 即单片机。早期比较流行的处理器,将整个计算机系统集成到一个芯片中,内部以某种微处理器为核心,并对ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O、串行口、A/D转换、D/A转换等必要外设加以集成。

    • Intel 8051

  • 微处理器(MPU:Micro-Processor Unit)

    • 必须在电路板上完成嵌入式系统功能。将MPU和其必要外设装配在一起的电路板称为单板机。

    • ARM系列,MIPS


2004

嵌入式处理器的分类和术语(2)

  • 数字信号处理器(DSP: Digital Signal Processor)

    • 对系统结构和指令进行特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也快。

    • TI TMS320C30

  • ->片上系统(System-on-Chip, SoC)

    • 将重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在一起,进一步降低功耗。

    • Intel PCA架构;PXA 255


Microprocessor varieties

Microprocessor varieties

  • Microcontroller: includes I/O devices, on-board memory.

  • Digital signal processor (DSP): microprocessor optimized for digital signal processing.

  • Typical embedded word sizes: 8-bit, 16-bit, 32-bit.


2004

嵌入式软件的历史

  • 监控程序

  • 操作系统

    • 1981, 嵌入式实时内核 VTRX32

    • 1990’s, QNX-4

    • pSOS, VxWorks, Palm OS, WinCE, Embedded Linux, LynxOS, uCOS, Nucleus…


2004

硬件系统

4位单片机

8位单片机/ 16位单片机

32位专用微处理器

32位DSP微处理器

SoC

SoPC

软件系统

实时监控程序

专用系统

通用系统

嵌入式系统结构演变


Ia embedded system

IA & Embedded System

  • Information Appliance

    • An appliance specializing in information : Knowledge, facts, graphics, images, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information among themselves. (Don Norman)


Ia embedded system cont d

IA & Embedded System (cont’d)

  • 信息电器的核心就是嵌入式系统

  • 信息电器的成本取决于嵌入式系统的成本

  • 信息电器的使用性能取决于嵌入式系统的软件

  • 信息电器的发展方向决定着嵌入式系统的发展方向


2004

1.4 嵌入式系统的基本组成


2004

硬件

嵌入式处理器

各种类型存储器

模拟电路及电源

接口控制器及接插件

软件

实时操作系统(RTOS)

板级支持包(BSP)

设备驱动(Device Driver)

协议栈(Protocol Stack)

应用程序(Application)

软件硬件基本要素


2004

嵌入式处理器的分类

  • 微控制器(MPU)

  • 微处理器(MCU)

  • 数字信号处理器(DSP)

  • 片上系统(SoC)


2004

存储设备

  • ROM

    • PROM,EPROM,EEPROM

    • Flash ROM

      • Flash在嵌入式系统中的两种作用(boot ROM、hard disk)

  • RAM

    • SRAM

    • DRAM


2004

典型的嵌入式系统硬件组成


Pxa255 architecture

PXA255 Architecture


2004

典型的嵌入式系统软件组成


Vxworks architecture

VxWorks Architecture


Embedded linux

Embedded Linux

  • Basic components:

    • Boot loader

    • Linux kernel

  • Further:

    • Hardware drivers

    • Application programs

    • File systems based on ROM or RAM

    • TCP/IP stack

    • GUI


2004

嵌入式操作系统

  • 需要操作系统的场合

    • 多任务

    • 方便的用户界面

    • 网络功能

    • 升级和二次开发

  • 嵌入式操作系统的基本功能

    • 多任务调度

    • 内存管理

    • 硬件资源管理


2004

专门用于特定任务

嵌入式系统一般是专用系统,而PC是通用计算平台。

技术集成

软硬件集成,计算机和网络通信集成

有实时约束

一般采用实时操作系统

有功耗约束

软件通常没有系统和应用的区别,软件固化。

系统内核小

高可靠性

资源比PC少得多

嵌入式系统需要专用的开发工具

非垄断市场

1.5 嵌入式系统的特点


Characteristics of embedded systems

Characteristics of embedded systems

  • Sophisticated functionality.

  • Real-time operation.

  • Low manufacturing cost.

  • Low power.

  • Designed to tight deadlines by small teams.


Functional complexity

Functional complexity

  • Often have to run sophisticated algorithms or multiple algorithms.

    • Cell phone, laser printer.

  • Often provide sophisticated user interfaces.


Real time operation

Real-time operation

  • Must finish operations by deadlines.

    • Hard real time: missing deadline causes failure.

    • Soft real time: missing deadline results in degraded performance.

  • Many systems are multi-rate: must handle operations at widely varying rates.


Non functional requirements

Non-functional requirements

  • Many embedded systems are mass-market items that must have low manufacturing costs.

    • Limited memory, microprocessor power, etc.

  • Power consumption is critical in battery-powered devices.

    • Excessive power consumption increases system cost even in wall-powered devices.


Design teams

Design teams

  • Often designed by a small team of designers.

  • Often must meet tight deadlines.

    • 6 month market window is common.

    • Can’t miss back-to-school window for calculator.


2004

1.6 嵌入式系统软件开发

  • 编程语言

    • 汇编、C、Java…

    • 交叉编译器(cross compiler)

      • 在一种机器(host)上为另一种机器(target)生成代码的编译程序


2004

开发流程


2004

代码的下载与调试

开发平台

下载代码

返回调试信息

目标平台


2004

嵌入式系统调试的方法

  • LED

  • Simulator

  • ICE (In-Circuit Emulator)

  • 基于JTAG的Embedded ICE

  • Angel


Simulator

Simulator

  • Simulator (模拟器)

    • 完全基于主机的软件。在主机上模拟了目标机中处理器的功能和指令,

  • 特点

    • 简单可行

    • 缺乏在线调试功能和实时仿真功能

    • 仅能模拟目标处理器,无法模拟处理器有关I/O的功能

    • 常作为初步基本调试工具


2004

ICE

  • ICE: In-Circuit Emulator

    • 传统用于测试印刷电路板的方法。

    • ICE是一种专用的设备,配有专用于特定CPU芯片的接头。将ICE的接头骑在CPU芯片上并加以固定,使它的每一条引线与CPU芯片上的对应引线接触,就可以监测CPU芯片各条引线上的逻辑电平。

    • 由于集成电路的集成度不断提高,芯片的引脚不断增加;此外,为了缩小体积常常采用表面贴装技术。因此,无法用常规的在线仿真的方式…


Embedded ice

Embedded ICE

  • Embedded ICE: 一组调试寄存器

    • IBCR (Instruction Break Control Register)

    • DBAR (Data Break Address Register)

  • JTAG接口

    • JTAG(Joint Test Action Group) 制定了边界扫描标准,只需5根引脚就可以实现在线仿真的功能。

  • ARM架构处理器内含嵌入式在线仿真宏单元,为JTAG调试提供相应的接口。同时,为了能达到实时跟踪调试的功能,ARM架构处理器还内含嵌入式跟踪宏单元,通过逻辑分析仪来实现实时跟踪调试的功能。


Angel

Angel

  • Angel是一组运行在目标机上的程序,可以接受主机上调试器发送的命令。

  • 功能

    • Debug。接收和解释PC主机的调试命令,显示处理器、存储器和寄存器的状态,也可以通过未定义指令来设置断点。

    • 支持Angel调试协议ADP(Angel Debug Protocol),从而实现PC主机与目标机的串行或并行通信,也支持与目标板的网卡通信。

    • 支持目标机中应用程序可使用主机PC上的标准C函数库。通过软中断SWI指令来实现。

    • 具有多任务调度和处理器模式管理功能。能分配任务优先级并对任务进行管理,也可根据操作需要在不同处理器模式中运行。

    • 具有中断功能。从而能实现调试、通信和管理等操作的要求。


2004

ARM的调试系统


Embedded system design

Embedded System Design

  • Top-down design:

    • start from most abstract description;

    • work to most detailed.

  • Bottom-up design:

    • work from small components to big system.

  • Real design uses both techniques.


Levels of abstraction

Levels of abstraction

requirements

specification

architecture

component

design

system

integration


Example gps moving map

Example: GPS moving map

  • Requirements

  • Specification

  • Architecture

  • Component design

  • System integration


Review

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