嵌入式系统的应用基础与开发 Embedded System Application & Development

1. Embedded System 嵌入式系统的应用基础与开发Embedded System Application & Development 湘南学院计算机学系 高守平 2009年3月

2. Embedded System 嵌入式系统的应用基础与开发 Embedded System Application & Development 第一节 嵌入式系统是什么 第二节 嵌入式系统的应用 第三节 嵌入式系统的硬件设计与开发环境 第四节 嵌入式系统的软件设计与开发环境 第五节 嵌入式应用系统的开发 第六节 数字信号处理器 DSP 简介 第七节 嵌入式系统开发设计的工作内容

3. Embedded System 嵌入式系统的应用基础与开发 Embedded System Application & Development 第一节 嵌入式系统是什么？ 1.1 嵌入式系统的定义 1.2 嵌入式系统技术发展的历史 1.3 嵌入式系统的技术特点 1.4 嵌入式系统的组成 1.5 嵌入式系统的组成实例

4. Embedded System An embedded system is a special purpose computer that is used inside of a device. 第一节 嵌入式系统是什么？(1) 1.1嵌入式系统的定义 嵌入到对象体系(设备或产品应用)中的 专用计算机应用系统。 • 嵌入性：完成应用系统或产品功能的智能内核 • 专用性：实现特定的用途 • 计算机系统：简化的、软硬件一体化 • 应用性：面向用户,面向产品,面向应用 N. Negroponte 美国麻省理工学院 媒体实验室 主席 MIT Media Lab * 传统PC机是面向个人的，是一个通用平台 * 嵌入式计算机系统是面向设备的，是一个专用平台

5. Embedded System 第一节 嵌入式系统是什么？(2)IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义: Devices Used to Control, Monitor or Assist the Operation of Equipment, Machinery or Plants.(用于控制,监视或者辅助操作机器和设备的装置) 国内普遍认同的定义: 　以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算系统。

6. Embedded System 1.2嵌入式系统技术发展的历史 20世纪70年代：单片机引入 20世纪80年代：嵌入式RISC CPU与DSP 20世纪90年代：嵌入式实时操作系统居主导地位 21世纪开始：网络化、智能化的嵌入式系统广泛地应 用于：网络、通讯； 多媒体与消费电子； 工控、医疗电子、仪表等领域；

7. Embedded System 1.3嵌入式系统的技术特点 智能内核：嵌入式处理器 - RISC结构 / DSP 软硬一体化: 无冗余;软件固化(firmware);硬件高要求 专用性：主要完成单一功能/用途 实时性：时间相关任务 高可靠性：适用于应用环境的多样性 移动性：低功耗、高性价比 技术融合性：计算机、微电子、通讯、控制 多媒体、传感器、网络技术等

8. Embedded System 1.4嵌入式系统的组成 嵌入式处理器：MCU、MPU、DSP、SoC（PSoC） 硬件：I/O interface、Memory、… 嵌入式应用软件: 基于C、Java、Assembler、 嵌入式实时操作系统：Linux、VxWorks、WinCE、… 或用户自行编制的控制管理程序

9. Embedded System 1.4嵌入式系统的组成 嵌入式处理器： * MCU—Microcontroller Unit （单片机） * MPU—Microprocessor Unit （微处理器） * DSP—Digital Signal Processor （数字信号处理器） * SoC—System on Chip （片上系统）

10. Embedded System 1.4嵌入式系统的组成 硬件相关部分： * Device Drivers （BSP + Driver）：设备驱动程序 * I/Os ：显示、键盘、USB、… * Memory: Flash、RAM、ROM、EEPROM、EPROM mini-HD、MMC/CF/SD/SM/MS card、… * Debug：JTAG、ICE、…（调试工具） * Power management: 功耗、电压管理等

11. Embedded System 1.4嵌入式系统的组成 嵌入式应用软件： * 用户界面（User Interface） * 各种应用程序： API/Applet、 客户端程序、通讯程序、 各种算法、协议的实现 实现产品功能

12. Embedded System 1.4嵌入式系统的组成 嵌入式实时操作系统与实时控制程序： Real Time Operation System (RTOS) * Linux —µcLinux * VxWorks / pSos * WinCE /WinMobile * Nucleus、Palm 、… * MCU 平台：固化的系统RT控制程序

13. Embedded System 1.5 嵌入式系统的组成实例 驱动程序 控制程序 VoiceCodec Encoder/Decoder UI MP3 Player/Recorder

14. 嵌入式系统的应用 第二节 嵌入式系统的应用 2.1 嵌入式系统的应用领域 2.2 嵌入式系统的应用实例

15. 嵌入式系统的应用 第二节 嵌入式系统的应用 2.1 嵌入式系统的应用领域 一些信息： * 嵌入式计算机在数量上远远超过了各种通用计算机 * 嵌入式系统同我们日常生活关系密切 *MCU市场将达125亿美元 * DSP市场将达84亿美元 * 嵌入式系统工业年产值已超过了1万亿美元 * 中国市场：几亿台数字家电、8000万部手机、 500万台汽车、 应用领域： 消费电子、工控、通讯、网络、仪器仪表、汽车、 医疗电子、船舶、航空航天、军事装备、安全、 测试仪器等方面

16. 嵌入式系统的应用 2.1嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统新兴应用领域： * 嵌入式移动数据库 * 汽车电子 * 个人媒体播放器与移动式多媒体数据终端 * 智能家电：家庭媒体中心 * 数字电视、IPTV、机顶盒等

17. 嵌入式系统的应用 2.2 嵌入式系统的应用实例 Military & Aerospace Telecom / Datacom & equipment Consumer electronics Design services Computer & Peripheral Control, Security Test & Medical equipment Automotive electronics 数据来源：EE Times-Asia & Gartner research Feb. 2005

18. 嵌入式系统的应用 消费电子类产品 Consumer electronics

19. 嵌入式系统的应用 通讯/网络类产品与设备 Telecom/Datacom & equipments 可录像手机 VoIP Phone Video IP Phone

20. 嵌入式系统的应用 Voyager公司开发的可录像手机 。 可支持Mpeg4和MP3影音播放。

21. 嵌入式系统的应用 航行家公司研发的基于SIP/H323协议的 IP 电话/IP 网关

22. 嵌入式系统的应用 航行家公司研发的基于H.264 协议的Video IP Phone

23. 嵌入式系统的应用 汽车电子 — 分系统构成示意图 Automotive Electronics

24. 嵌入式系统的应用 汽车电子 — 安全性能的发展路线图

25. 嵌入式系统的应用 控制，安全设施，测试仪表与医疗电子设备 Control, Security Test & Medical equipment 数字存储示波器 CT扫描仪 B超诊断仪 生产过程控制系统

26. 嵌入式系统的应用 军用与航空航天设备 Military & Aerospace 飞行控制系统 导弹及发射控制系统 航天飞机

27. 嵌入式系统的应用 计算机/外设与办公设备 Computers & Peripherals 一台PC机的外部设备中可能就包含了5-10个嵌入式微处理器。 绘图仪 扫描仪 打印机 传真机 多功能机 投影仪 PDA 复印机

28. 嵌入式系统的设计 硬件 第三节 嵌入式系统的硬件设计与开发环境 3.1 嵌入式硬件系统组成 3.2 嵌入式系统的硬件内核 3.3 嵌入式系统的硬件接口 3.4 嵌入式系统的典型硬件结构

29. 嵌入式系统的设计 硬件 第三节 嵌入式系统的硬件设计与开发环境 3.1 嵌入式硬件系统组成： 嵌入式处理器：MPU、DSP等; 存储器系统: Flash + RAM + +MEM card + mini HD 输入: keypad, video/audio in, A/D 输出: 显示(LED / LCD / OLED ), video/audio out, D/A 通讯接口: Ethernet (802.3), WiFi (802.11) 总线接口: RS232/RS485, USB, 1394（Firewire） 电源管理: 待机、休眠、功耗管理等

30. 嵌入式系统的设计 硬件 3.2 嵌入式系统的硬件内核 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器： 通用CPU: Intel x86/xScale, MT 68K、 PowerPC (IBM/Freescale), MCU：单片机 4/8/16/32 bit RISC CPU：ARM、MIPS、Intel xScale、 Dragonball (Freescale)等公司 DSP: TI、Motorola、ADI等公司 SoC: DSP + RISC CPU + I/O +Memory 可定制编程芯片：FPGA、PAL/GAL、PLD/CPLD

31. 嵌入式系统的设计 硬件 嵌入式处理器的选择 CPU/DSP chips 16-bit µP/µC DSP fixed DSP floating Media processors 8-bit µP/µC DSP 16-bit fixed DSP boards Single-board 32-bit µP/µC 2004年 亚洲地区调查 (中国,韩国,中国台湾,新加坡,印度) Feb. 2005

32. 嵌入式系统的设计 硬件 嵌入式处理器的应用趋势 8-bit 16-bit 32-bit 64-bit DSP16bit定点 DSP32bit浮点 DSP20bit24/32bit定点 嵌入式处理器架构

33. 嵌入式系统的设计 硬件 3.3 嵌入式系统的硬件接口 802.11（WiFi） / Bluetooth / IrDA（红外） Ethernet / Internet USB / UART / 1394 / SPP - EPP（并口）/ JTAG I²C / CAN AD/DA；Sensor

34. 嵌入式系统的设计 硬件 主要器件的选择 Flash Memory Programmable Logic EPROM/EEPROM LCDs DRAM Communication ICs SRAM Flash Cards Peripheral ICs Digital ICs Analog ICs Mixedsignal ICs

35. 嵌入式系统的设计 硬件 3.4 嵌入式产品的典型硬件结构 可视网络电话Video IP Phone

36. 嵌入式系统的设计 软件 第四节 嵌入式系统的软件设计与开发环境 4.1 嵌入式软件的范围 4.2 嵌入式实时操作系统的特点 4.3 嵌入式系统的开发工具与环境 4.4 嵌入式软件的关键技术 4.5 嵌入式系统的典型软件架构

37. 嵌入式系统的设计 软件 第四节 嵌入式系统的软件设计与开发环境 4.1 嵌入式软件的范围 嵌入式(实时)操作系统 嵌入式应用软件 嵌入式开发工具软件 操作系统的硬件驱动程序 实时控制程序 …

38. 嵌入式系统的设计 软件 4.2 嵌入式实时操作系统的特点 微内核结构、模块化（系统可裁减） 任务调度即线程（Thread）调度 资源占用最小化 内存管理：防止泄露 软/硬实时性 内核初始化加载

39. 嵌入式系统的设计 软件 实时操作系统（RTOS）的选择 Red Hat eCos（Red Hat） pSOS (Wind River) Other Linux VxWorks （风河） 数据来源：EE Times-Asia & Gartner research Feb. 2005

40. 嵌入式系统的设计 软件 4.3 嵌入式系统的开发工具与环境 IDE：Integrated Development Environment （集成开发环境） GUI，Editor(code/text),Compiler/Interpreter,debugger, Visual Studio, JAVA IDE ICE：In-Circuit Emulator: 提供硬件仿真环境，调试嵌入 （ 仿真器 ） 式软件。 JTAG(IEEE 1149.1)Emulator:运行于宿主机，提供边界测试和软件下载/调试的软件包及硬件接口Adaptor. GNU:“GNU's Not UNIX”; Free Software Foundation (FSF) EVB -- Evaluation Board EVM -- Evaluation module Board （评估板）

41. 嵌入式系统的设计 开发环境与工具的选择 GNU compilers IDE ICE Compilers (commercial) Libraries Oscilloscopes Networking protocols JTAG emulators Test software DSP developing tools Debuggers (commercial) Logic analyzers H/S verification 数据来源：EE Times-Asia & Gartner research Feb. 2005

42. 嵌入式系统的设计 软件 仿真器的连接示意图

43. 嵌入式系统的设计 软件 一些 IDE 集成开发环境 TI 集成开发工具： CCS--Code Composer Studio ADI 集成开发工具： Visual DSP++ Motorola 集成开发工具： CodeWarrior Development Studio

44. 嵌入式系统的设计 软件 开发语言的选择 数据来源：EE Times-Asia & Gartner research Feb. 2005

45. 嵌入式系统的设计 软件 4.4 嵌入式软件的关键技术 * 嵌入式软/硬件协同验证技术(co-verification)* 实时操作系统、实时应用软件相关的软件开发技术  * 软件仿真技术(Software simulation) * 嵌入式软件测试技术 *实时UML 语言(Unified Modeling Language) * Efficient Coding Techniques * 嵌入式软/硬件协同设计(co-design)

46. A R M p o r t I n t e r f a c e D r I v e r IPphone Application Voice Processing Keypad Control Handset Voice Sample Transfer Buffers Voice Interface Packetization /Jitter Buffer Voice CODECs G.711 G.729A/B G.723.1 Diaplay Control RTP / RTCP VoIP Signaling User Interface H.323/SIP Speaker DMA DSP Software Load Manager Tone Plant Management and Configuration Acoustic Echo Cancellation Network Protocols System Interface Unit(Configuration, Software Download, Status, Statistics) 802.3MAC/PHY ARM7TDMI on μcLINUX OS DSP Platform DHCP TCP IP / UDP IP 802.3 Driver 嵌入式系统的设计 软件 4.5嵌入式系统的典型软件架构

47. 嵌入式应用系统的开发 第五节 嵌入式应用系统的开发 5.1 嵌入式应用系统的开发内容 5.2 嵌入式系统开发生命周期 5.3 软硬件系统开发流程 5.4嵌入式系统设计－需思考的一些问题 5.5 系统开发文档部分样例

48. 嵌入式应用系统的开发 5.1 嵌入式系统开发生命周期 • 系统规格定义，行为建模，数据与算法； • 软硬件关系划分与协同功能界定；　　　 • 硬件与软件仿真； • 可调度的建模技术；　　　　 • 原型设计和渐进式开发； • 硬件/软件协同测试； • 软件版本控制； • 项目管理与文档管理．

49. 嵌入式应用系统的开发 5.2 嵌入式应用系统的开发内容 硬件开发： 规格制定 (Specification) 电路设计 印刷电路板 (PCB)制作与焊接 电路调试 底层驱动程序(BSP-硬件相关) 测试与QA (Quality Assurance) 软件开发： RTOS: Linux, VxWorks, WinCE, Palm, Nucleus, Symbian Drivers:LCD,KeyPad,Ethernet,RS232,RAM/Flash,SD-card,USB,… Application software： UI (User Interface): Protocol & Algorithms: Ethernet,TCPIP,MP3,Mpeg4,…

50. 嵌入式应用系统的开发 5.3 软硬件系统开发流程