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  1. 嵌入式系统概论 北京建筑工程学院.计算机系 2014/9/4

  2. 课 程 介绍 • 本课程是为大学四年级学生开设的专业课。嵌入式系统融合了计算机软/硬件技术和半导体微电子技术,是对以前所学相关课程的综合和提高,本课程主要讲述嵌入式系统的概念、RAM体系结构、指令系统、嵌入式操作系统、嵌入式系统的开发过程以及嵌入式应用程序和驱动程序的设计开发方法。 • 先修课程:计算机组成原理、计算机系统结构、汇编语言、微机接口技术

  3. 教学目的与任务 • 了解有关嵌入式系统的基本原理、设计方法以及嵌入式系统的最新发展;使学生初步掌握嵌入式系统开发的过程和常用方法,掌握嵌入式操作系统的基本功能;使学生了解和熟悉一些常用的嵌入式操作系统。

  4. 主要教学内容 • 嵌入式系统基础 • ARM体系结构 • ARM指令系统 • 嵌入式操作系统 • 嵌入式硬件、软件设计 • 嵌入式Linux 驱动程序开发

  5. 教材和参考书 • 教材 马忠梅,李善平等,ARM&Linux嵌入式系统教程(第一版)北京航空航天大学出版社,2004 • 参考书目 [1]田泽,嵌入式系统开发与应用教程,北京航空航天大学出版社(第一版),2005年 [2]李善平等 Linu与嵌入式系统,清华大学出版社(第二版),2005年 [3]Steve Furber,田泽等译,ARM SoC体系结构(第一版)北京航空航天大学出版社,2003

  6. 学时分配、考核方式 • 学时分配:24+8 • 考核方式:作业、出勤、实验30%+期末考试70% • 考试形式:开卷

  7. 第一章 嵌入式系统简介 提纲 1 何谓嵌入式系统 2 嵌入式系统的应用领域 3 未来嵌入式系统的发展趋势

  8. 何谓嵌入式系统 嵌入式技术无处不在 • 处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机 • 各种使用嵌入式技术的电子产品,如:MP3、PDA(Personal Digital Assistant )、手机、智能玩具,网络家电、智能家电、车载电子设备 • 在工业和服务领域中,大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业,正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式

  9. 何谓嵌入式系统 国际芯片市场来看 • 据统计每年只有10-20%的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的。 • 嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10-20亿片。 • 每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生,而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。 • 如:2006年底,全国手机用户数超过4.6亿户。到2007年,全国手机用户总数预计将超过5.2亿户。而2006年全球手机发货量首次突破10亿部大关 。2007年GPS手机用户达到120万。

  10. 何谓嵌入式系统 中国信息家电市场 • 2001年达到500亿~ 700亿元,05年达到5172亿元。 • 国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和7000多万台VCD/DVD机。 • 业内分析,未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期,10年总量可望达到1~1.5亿台,总产值在600~1500亿元人民币之间。 • 仅此一项,嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到10~15亿元。

  11. 何谓嵌入式系统 嵌入式技术将成为后PC时代的主宰 • 嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。 • 使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。 • 嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域,以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。

  12. 何谓嵌入式系统 后PC时代产品的蓬勃发展

  13. 何谓嵌入式系统 什么是嵌入式系统 • 所谓嵌入式系统(Embedded System),实际上是“嵌入式计算机系统”的简称,是相对于通用计算机系统而言。 • 根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义: 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。

  14. 何谓嵌入式系统 简单地讲 • 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统 • 三要素:嵌入、专用、计算机 • 嵌入式系统的特点:由三要素引出 • 嵌入性:嵌入到对象体系中,有对象环境要求 • 专用性:软、硬件按对象要求裁减 • 计算机:实现对象的智能化功能

  15. 何谓嵌入式系统 广义地说 • 一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。 • 即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 。 • 嵌入式系统发展的最高形式——片上系统(SOC) (System On Chip)

  16. 何谓嵌入式系统 嵌入式系统组成 • 通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几部分组成。 • 嵌入式处理器:具有高效率、高可靠性、低功耗等特点。 广泛应用的有 ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。 • 外围设备: 存储器(SRAM、DRAM、Flash) 接口(并口、RS232串口、USB接口、Ethernet网口等) 人机交互:LCD、键盘、触摸屏等。 • 嵌入式操作系统 • 应用软件

  17. 嵌入式系统的分类 何谓嵌入式系统 • 按表现形式分(硬件范畴) : ▲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) ▲系统级嵌入 • 按实时性要求分(软件范畴) : • ▲非实时系统(PDA) • ▲软实时系统(消费类产品) • ▲硬实时系统(工业和军工系统)

  18. 嵌入式处理器的分类和现状 何谓嵌入式系统 • 微控制器( MicroController Unit, MCU ) • 数字信号处理器(Digital Signal Processor ,DSP) • 片上系统(System on Chip,SOC) • 可编程片上系统( Programable of System on Chip,SPOC)

  19. MCU 何谓嵌入式系统 • 嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种8位的电子器件,目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 • 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。

  20. MCU处理能力非常有限 何谓嵌入式系统 • MCU微控制器,总线宽度一般为4位、8位或16位,处理速度有限,一般在几个MIPS,进行一些复杂的应用很困难,运行操作系统就更难。

  21. MPU 何谓嵌入式系统 • 嵌入式微处理器(Micro Processor Unit) • MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的,80386-80387 • 与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

  22. DSP 何谓嵌入式系统 • DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 • DSP是运算密集处理器,一般用在快速执行算法,做控制比较困难。为了追求高执行效率,不适合运行操作系统,核心代码使用汇编。

  23. SOC 何谓嵌入式系统 • SOC(片上系统)是IC(integrate circuit)设计的发展趋势。采用SOC设计技术,可以大幅度地提高系统的可靠性,减少系统的面积和功耗,降低系统成本,极大地提高系统的性能价格比。 • SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。

  24. SPOC 何谓嵌入式系统 • 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,称作SOPC。可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统: • 首先它是片上系统(SOC),即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能; • 其次,它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。

  25. 嵌入式系统的应用领域 应用领域 • 社会经济的发展产生了一些新的需求,同时促进了嵌入式技术的广泛应用 • 中国正在成为世界制造大国,在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用

  26. 军事国防 消费电子 军事电子 工业 信息家电 工控设备 智能玩具 嵌入式应用 智能仪表 通信设备 汽车电子 移动存贮 网络设备 电子商务 网络 嵌入式系统的应用领域 嵌入式技术刺激了许多新的应用需求 • 嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生- 信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器

  27. 嵌入式系统的应用领域 工业控制 工业设备是机电产品中最大一类 • 过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面,大部分低端型设备主要采用是8位单片机。 • 随着技术发展,目前许多设备除了进行实时控制,还须将设备状态,传感器的信息等在显示屏上实时显示。

  28. 嵌入式系统的应用领域

  29. 嵌入式系统的应用领域 信息家电 • 信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。 • 只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。 • 具有用户界面,能远程控制,智能管理的电器是未来的发展趋势,如冰箱、空调等的网络化、智能化等。

  30. 嵌入式系统的应用领域

  31. 嵌入式系统的应用领域

  32. 嵌入式系统的应用领域 消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心

  33. 嵌入式系统的应用领域 交通管理、环境监测 • 交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭 • 水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。 • 加油站、停车场管理

  34. 嵌入式系统的应用领域

  35. 嵌入式系统的应用领域 智能玩具与机器人

  36. 嵌入式系统的应用领域 嵌入式Internet应用

  37. 嵌入式系统的应用领域 军事国防领域

  38. 嵌入式系统的应用领域 航天领域

  39. 未来嵌入式系统的发展趋势 未来嵌入式系统的发展趋势 • 互联网的普及 • 半导体技术的改善 • 3C(Compute,Communication,Consumer)技术的快速融合 • 使用者的需求 • 信息服务应用生活化

  40. 未来嵌入式系统的发展趋势 技术的渗透性和融合性

  41. 未来嵌入式系统的发展趋势 设备的关联性

  42. 未来嵌入式系统的发展趋势 个性化服务

  43. 未来嵌入式系统的发展趋势 Any Time,Any Where, Any Medium, Any Content

  44. 作业 • 简述什么是嵌入式系统及其特点。 • 简述嵌入式系统的组成及分类。 • 什么是3C? • 未来嵌入式系统的发展方向是什么?