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嵌入式系统概述

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Presentation Transcript

  1. 嵌入式系统概述 宋健建 南京大学软件学院 2004/12/21

  2. 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

  3. 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.

  4. 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。

  5. Embedding a computer output analog input CPU analog mem embedded computer

  6. Examples • Personal digital assistant (PDA). • Printer. • Cell phone. • Automobile: engine, brakes, dash, etc. • Television. • Household appliances. • PC keyboard (scans keys).

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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.

  15. 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…

  16. 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

  17. 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)

  18. 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

  19. 1.4 嵌入式系统的基本组成

  20. 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

  21. 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)

  22. 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

  23. 典型的嵌入式系统硬件组成

  24. PXA255 Architecture

  25. 典型的嵌入式系统软件组成

  26. VxWorks Architecture

  27. Embedded Linux • Basic components: • Boot loader • Linux kernel • Further: • Hardware drivers • Application programs • File systems based on ROM or RAM • TCP/IP stack • GUI

  28. 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

  29. 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

  30. Characteristics of embedded systems • Sophisticated functionality. • Real-time operation. • Low manufacturing cost. • Low power. • Designed to tight deadlines by small teams.

  31. Functional complexity • Often have to run sophisticated algorithms or multiple algorithms. • Cell phone, laser printer. • Often provide sophisticated user interfaces.

  32. 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.

  33. 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.

  34. 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.

  35. 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

  36. 开发流程

  37. 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

  38. 嵌入式系统调试的方法 • LED • Simulator • ICE (In-Circuit Emulator) • 基于JTAG的Embedded ICE • Angel

  39. 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

  40. 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…

  41. 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。

  42. 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。

  43. ARM的调试系统

  44. 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.

  45. Levels of abstraction requirements specification architecture component design system integration

  46. Example: GPS moving map • Requirements • Specification • Architecture • Component design • System integration

  47. Review