1、嵌入式系統原理與開發嵌入式系統原理與開發第第1講講南京大學計算機系 俞建新主講2008年春季2課程目的課程目的l理論與實踐相結合l以嵌入式系統基礎及嵌入式軟件的核心嵌入式實時操作系統為重點，以應用為目的，全面介紹嵌入式系統l使大家既能對嵌入式系統及開發有一個全景的把握，又能深入理解嵌入式實時操作系統。l配套多種嵌入式平臺的c/os-ii實驗，提供豐富的實驗和手冊3課程特點課程特點l利用pc機就可以自己動手搭建嵌入式系統的開發平臺，熟悉應用開發，更方便地學習和理解嵌入式系統的基礎知識：l從純軟件到硬從純軟件到硬/軟件結合軟件結合l從從“紙紙”上談兵（編程序）到上談兵（編程序）到“板板”上談兵上談

2、兵l從從“懂懂”怎么做到怎么做到“會會”做做l從講從講/聽到講聽到講/聽聽/做做4本課程簡介本課程簡介l本科生選修課l學分：3l總課時：54小時l授課：18次，36小時l實驗：18小時l考試：2小時l授課地點：教學樓c301教室l授課時間：每周一上午 第1、2節課5課程的主要內容課程的主要內容l嵌入式系統基礎，約12節課l嵌入式系統導論（什么是嵌入式系統？嵌入式嵌入式系統導論（什么是嵌入式系統？嵌入式系統分類、發展歷程、特點、應用領域、發展系統分類、發展歷程、特點、應用領域、發展趨勢）趨勢）, 約約3節課節課l嵌入式硬件系統基礎（基本組成，嵌入式微處嵌入式硬件系統基礎（基本組成，嵌入式微處理器

3、：理器：arm、mips、x86、sh等，總線、存等，總線、存儲系統、輸入儲系統、輸入/輸出與典型接口等，輸出與典型接口等， w90p710/sh7709s ），約），約7節課節課l嵌入式軟件系統基礎（分類、特點、體系結構、嵌入式軟件系統基礎（分類、特點、體系結構、運行流程、操作系統、開發工具）運行流程、操作系統、開發工具）,約約2節課節課6課程的主要內容課程的主要內容l嵌入式實時內核，約14節課l任務管理與調度（任務、任務管理、調度算任務管理與調度（任務、任務管理、調度算法）法）, 約約6節課節課l同步、互斥與通信（信號量、信箱、隊列、事同步、互斥與通信（信號量、信箱、隊列、事件、異步信號）

4、件、異步信號） , 約約4節課節課l中斷和時間管理（中斷分類、處理過程、中斷中斷和時間管理（中斷分類、處理過程、中斷管理機制、硬件時鐘設備、與管理機制、硬件時鐘設備、與os的管理關系、的管理關系、時間管理機制）時間管理機制） , 約約2節課節課l內存管理和內存管理和i/o管理（特點和管理機制）管理（特點和管理機制） , 約約2節節課課7課程的主要內容課程的主要內容l嵌入式系統軟件的開發, 約4節課l嵌入式系統開發模式嵌入式系統開發模式l嵌入式軟件開發工具嵌入式軟件開發工具l軟件分析設計方法軟件分析設計方法l復習：2節課l實驗：34節課8實驗系統的內容實驗系統的內容目標平臺目標平臺開發工具開發工

5、具嵌入式操作系統嵌入式操作系統實驗項目實驗項目pcpc虛擬機虛擬機 cygwincygwinarm9boardarm9boardembest edkitiiiembest edkitiii開發實驗箱開發實驗箱ebest ideebest ide集成開發環境集成開發環境linuxlinux（源代碼）（源代碼）9實驗系統的內容實驗系統的內容l配套8個實驗項目，具體是：l開發環境建立實驗：開發環境建立實驗：1個個/平臺平臺l實時內核實驗：實時內核實驗：7個個l任務的基本管理任務的基本管理l優先級反轉優先級反轉l優先級繼承優先級繼承l信號量：哲學家就餐問題的實現信號量：哲學家就餐問題的實現 l消息隊列

6、消息隊列 l時鐘中斷時鐘中斷 lc/os-ii的內存分配的內存分配 10教材及參考資料教材及參考資料l嵌入式系統基礎教程，俞建新等主編，機械工業出版社.l嵌入式實時操作系統及應用開發，羅蕾主編，北京航空航天大學出版社.ljean j.labrosse. 嵌入式實時操作系統uc/os-ii(第2版). 北京航空航天大學出版社.及uc/os-ii ebookl嵌入式計算系統設計原理 （美）wayne wolf computers as components：principles of embedded computing system designljean j.labrosse. 嵌入式實時操作

7、系統uc/os-ii(第2版). 北京航空航天大學出版社.lc.m.krishna, kang g.shin. real-time systems. tsinghua university press, mcgraw-hill.la survey of real-time operating systems.lwhat makes a good rtos.11授課主教材介紹授課主教材介紹l嵌入式系統基礎教程l俞建新 王健 宋健建l機械工業出版社l2008年3月第1版l書號： isbn 978-7-111-22944-5l定價：42元l要求修課同學人手一本12綜合實驗教材綜合實驗教材l俞建新等編

8、著l清華大學出版社l本課程上機實驗必備教材。給出了典型的嵌入式應用程序編寫范例，適合本科生使用和自學。l配套的實驗系統為jxarm2410或者cvt-pxa270。 嵌入式應用程序開發綜合實驗9例13主要參考書主要參考書l嵌入式系統開發與應用l田澤編著l北京航空航天大學出版社lisbn: 7-81077-541-3l2005年1月第1版l定價：54.00元l簡評：主要介紹嵌入式基本概念、arm體系結構、arm嵌入式程序設計、ucos-ii操作系統、設備驅動、 uclinux操作系統。借用為宜。14參考資料參考資料lreal-time embedded software systemslosek

9、/vdx operating system. version 2.2.2. july 5th, 2004.lcharting past, present, future research in ubiquitous computing.lpriority inheritance protocols: an approach to real-time synchronizationlcldcspecification1.1lhttp:/15課程成績課程成績l課程成績平時成績實驗成績期末考試成績l平時成績l5分，分，l實驗成績l25分分l期末考試：閉卷考試閉卷考試70分分16理論教學主要內容理論教

10、學主要內容l嵌入式系統概述l可編程邏輯器件與ip核l嵌入式微處理器與調試技術larm體系結構和指令集larm匯編語言程序設計larm開發工具larm中斷、dma和時間管理l嵌入式存儲器和接口技術l嵌入式操作系統概論17前導課程知識前導課程知識l基礎課程l計算機組成原理，微機原理與接口l軟件專業課程l操作系統l匯編語言，ansi c（標準 c），javal硬件專業課程l電子線路，數字電路，集成電路設計18本課程的實驗環節本課程的實驗環節l包含四部分實驗l基于ads集成開發環境的arm匯編語言實驗l基于ads集成開發環境的c語言實驗l17個arm300-s實驗平臺的常規實驗l在arm300-s實驗

11、平臺完成一個綜合實驗l自行創意的綜合實驗l基于9例教材的改進型綜合實驗19第第1章章 緒論緒論l本章介紹以下內容：l什么是嵌入式系統？l嵌入式系統的發展簡史l嵌入式系統的特點l嵌入式系統的分類l嵌入式系統的基本組成l嵌入式處理器l嵌入式系統發展趨勢l嵌入式系統的相關研究領域201.1 什么是嵌入式系統？什么是嵌入式系統？l顧名思義：l包含（安裝）在電子裝置（應用對象）內部的計算機系統稱為嵌入式系統。l基本描述：l專門用途的計算機系統l常常用于控制l廣泛存在l包含硬件和軟件21嵌入式系統的釋義嵌入式系統的釋義l全稱l嵌入式計算機l嵌入式計算機系統l簡稱l嵌入式系統l相關術語l嵌入式設備l嵌入式技

12、術l有時還進一步簡稱為嵌入式22民用嵌入式設備或產品民用嵌入式設備或產品1motoc350彩屏彩屏wap移動電話移動電話彪騏數字機頂盒彪騏數字機頂盒blackberry 7230移動電話移動電話dl7100/dl7200 數字式示波器數字式示波器嵌入式嵌入式gis暢視暢視2000可視電話可視電話palm zire71型型個人數字助理個人數字助理23民用嵌入式設備或產品民用嵌入式設備或產品224蘋果公司的媒體播放器和手機蘋果公司的媒體播放器和手機ipod和和iphone25嵌入式產品嵌入式產品電子書閱讀器電子書閱讀器飛利浦readius 亞馬遜kindle26手機的內部結構手機的內部結構-127

13、手機的內部結構手機的內部結構-228手機的內部結構手機的內部結構-329手機的內部結構手機的內部結構-4l諾基亞n95手機內部結構30諾基亞諾基亞n95型手機基本技術指標型手機基本技術指標l手機型號：諾基亞n95l通信制式：gsml外形：滑蓋llcd色彩數：1600萬llcd分辨率：240 x 320 l重量：120克l電池：950 毫安時諾基亞電池 bl-5fl數碼相機：500萬像素lgps模塊：sirf科技公司sirfiii芯片，可追蹤20顆星l客戶端手持設備操作系統：symbian os 9.331用于水下勘測的螃蟹機器人用于水下勘測的螃蟹機器人l英國巴斯大學一位研究生設計的，它目前可以

14、在陸地上任意移動，未來的開發設計將計劃將它用于完全的水下勘測任務操作。 32富士數碼相機富士數碼相機finepix f460l富士公司2006年前后推出l500萬像素中檔相機l光學鏡頭：3倍變焦llcd ：2.5英寸l電荷耦合器件(ccd)：l索尼公司500萬像素的icx505l圖像處理芯片：adi公司的ad9948al讀取ccd的輸出信號，圖像數據處理33富士數碼相機富士數碼相機finepix f460（續）（續）l電機控制電路：三洋公司的asic(lb8659)l用于控制鏡頭拉伸、縮放和聚焦l微控制器：nec公司的upd78f0533l處理按鍵，完成主要的系統控制功能l內存儲器：三星公司的

15、sdram (k4m283233)l提供圖像處理所需的工作內存34finepix數碼相機的解剖照片數碼相機的解剖照片35嵌入式系統高端應用的產品嵌入式系統高端應用的產品美國美國agm-86b戰略空射巡航導彈戰略空射巡航導彈美國火星登陸車美國火星登陸車國產戰斗機國產戰斗機f-7mg機器人機器人國產國產88式坦克式坦克2002年型林肯黑木年型林肯黑木(blackwood)汽車汽車36嵌入式系統的定義（嵌入式系統的定義（1 1）l根據ieee（國際電氣和電子工程師協會）的定義：l嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置?！眑英文原文為：devices used to contr

16、ol, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.37嵌入式系統的定義（嵌入式系統的定義（2 2）l本課程使用的定義，也是國內高校流行的定義：嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。38嵌入式系統的定義（嵌入式系統的定義（3 3）l根據中國微機學會的定義：嵌入式系統是以嵌入式應用

17、為目的的計算機嵌入式系統是以嵌入式應用為目的的計算機系統，可以分為系統級，板級，片級。系統，可以分為系統級，板級，片級。q芯片級嵌入v含程序或算法的處理器含程序或算法的處理器q模塊級嵌入v系統中的某個核心模塊板系統中的某個核心模塊板q系統級嵌入v主計算機系統主計算機系統39專家觀點（專家觀點（1）l嵌入式系統只是單板機在某種場合下的應用個體經營的單片機公司經理語l我們的控制裝置產品都用嵌入式系統設計方案中科院自動化研究所工程師語l單片機是嵌入式系統的初級形態，soc是嵌入式系統的高級形態南京市單片機協會理事資深專家語。40專家觀點（專家觀點（2）l要想成功地設計一個嵌入式系統，就必須尋找或開發

18、一個合適的軟件和硬件平臺。電子工程專輯()主編語l嵌入式系統是信息產業走向二十一世紀知識經濟時代的最重要的經濟增長點之一，對中國的信息產業來說充滿了機遇和挑戰。單片機實驗室高級工程師語l國內外嵌入式系統市場是廣闊天地，嵌入式系統是新的經濟增長點。北京計算機高級專家工控學會資深理事語。41參考解釋（參考解釋（1）lunderstand the definition of an embedded systemlan embedded system is any computer system or computing device that performs a dedicated functio

19、n or is designed for use with a specific embedded software application.lembedded systems may use a rom-based operating system or they may use a disk-based system, like a pc. lbut an embedded system is not usable as a commercially viable substitute for general purpose computers or devices. l但是一個嵌入式系統

20、不是通用計算機或裝置的商業可行的替代用品42參考資料參考資料微軟公司的網頁微軟公司的網頁43參考解釋（參考解釋（2）lembedded system definition la 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 hav

21、e 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. 44嵌入式系統的應用領域嵌入式系統的應用領域移動電話信息家電視聽設備飛機人造衛星導彈魚雷車輛機器人掌上電腦醫療設備工業控制計算機外圍設備水面艦船潛艇坦

22、克戰車自行火炮環境監測其它交通管理嵌入式系統45主要的嵌入式系統產品主要的嵌入式系統產品l手機l媒體播放器l機器人lpdal機頂盒l醫療器械l通信設備l網關、路由器lic卡l工業控制裝置l電子書l計算機外部設備l打印機l數碼相機l信息家電l汽車電子46嵌入式系統在汽車產業的應用嵌入式系統在汽車產業的應用l單芯片微電腦控制系統l雨刷、車燈系統、儀表盤、電動門窗等lmcu系統labs系統、智慧安全氣囊、主動式懸吊系統、發動機管理系統等lsoc系統l混合動力總成、底盤綜合控制、汽車定位導航、車輛狀態記錄與監控等47汽車上嵌入式系統的裝備情況汽車上嵌入式系統的裝備情況l據統計，從1989年至2000年

23、，平均每輛車上電子裝置在整個汽車制造成本中所占的比例由16增至23以上。l一些豪華轎車上，使用單片微型計算機的數量已經達到48個，電子產品占到整車成本的50以上。l目前電子技術的應用幾乎已經深入到汽車所有的系統。48兩種汽車使用的嵌入式系統兩種汽車使用的嵌入式系統l一類是汽車電子控制裝置l它和車上機械系統進行配合使用，即所謂“機電結合”的汽車電子裝置；它們包括發動機、底盤、車身電子控制。例如電子燃油噴射系統、制動防抱死控制、防滑控制、牽引力控制、電子控制懸架、電子控制自動變速器、電子動力轉向等。49兩種汽車使用的嵌入式系統（續）兩種汽車使用的嵌入式系統（續）l另一類是車載汽車電子裝置l車載汽車

24、電子裝置是在汽車環境下能夠獨立使用的電子裝置，它和汽車本身的性能并無直接關系。它們包括汽車信息系統（行車電腦）、導航系統、汽車音響及電視娛樂系統、車載通信系統、上網設備等。50汽車嵌入式控制的發展方向汽車嵌入式控制的發展方向l向集中綜合控制發展：l將發動機管理系統和自動變速器控制系統，集成為動力傳動系統的綜合控制（pcm）；l將制動防抱死控制系統（abs）、牽引力控制系統（tcs）和驅動防滑控制系統（asr）綜合在一起進行制動控制；l通過中央底盤控制器，將制動、懸架、轉向、動力傳動等控制系統通過總線進行連接?？刂破魍ㄟ^復雜的控制運算，對各子系統進行協調，將車輛行駛性能控制到最佳水平，形成一體化

25、底盤控制系統（ucc）。51汽車電子系統模塊的布局52汽車電子應用：主被動集成方案汽車電子應用：主被動集成方案active passive integration approach apialapia可利用網絡覆蓋汽車的所有主動及被動安全系統，并集成了環境傳感器。lapia系統復雜，包括自適應巡航控制、組合傳感器、側面傳感器、數據網關、相應的控制單元等等。系統核心是危險控制模塊，它能意識到潛在的碰撞，并引入預先設定的措施。531.2 嵌入式系統的發展簡史嵌入式系統的發展簡史l第一階段l以4到8位單片機為核心的可編程控制器系統l第二階段l以8到16位嵌入式處理器（cpu）為基礎l第三階段l32位

26、risc嵌入式中央處理器l嵌入式操作系統l第四階段l基于internt接入為標志的嵌入式系統54從從4個方面考察嵌入式系統歷史個方面考察嵌入式系統歷史l可從4個方面考察嵌入式系統的歷史l硬件l軟件l代表產品l系統結構l近6年以來嵌入式系統成為計算機業界的熱點技術，全球大型it企業無一不在進軍嵌入式技術。55嵌入式硬件歷史大事嵌入式硬件歷史大事l1971年11月微處理器誕生，代表產品intel 4004微處理器l1980年美國intel公司推出mcs-51單片機l1985年美國xilinx公司推出fpgalfpgal現場可編程門陣列lfield programmable gate arrayl1

27、994年英國arm公司推出arm610l1988年 dsp微處理器問世l代表產品是美國德州公司tms320c3056軍用嵌入式計算機系統發展軍用嵌入式計算機系統發展l第一階段 1970年代到1980年代l軍用標準階段l美國陸軍的nebula架構l美國海軍的uyk-43架構和ayk架構等l使用的編程語言不統一l陸軍使用nebula、空軍使用pascal、海軍使用cms2l第二階段 1980年代中期到1980年代末l美軍在通用化標準化系列化上作了重大改進l軍內統一使用ada語言l實時操作系統趨于完善57軍用嵌入式計算機系統發展（續）軍用嵌入式計算機系統發展（續）l第三階段 1990年代初開始l32

28、位嵌入式處理器廣泛使用l多種實時操作系統出現lpsos+ mlirmk iii58嵌入式軟件歷史回顧嵌入式軟件歷史回顧l早期的單片機執行由專用的監控程序控制，不含操作系統。l目前許多簡單的單片機應用仍然使用監控程序作為控制軟件。l1980年代，開始在單片機上使用基于操作系統的控制程序。l現在高端嵌入式系統軟件都在操作系統的支持下運行59嵌入式操作系統簡況嵌入式操作系統簡況l1981年ready system開發了世界上第1個商業嵌入式實時內核（vtrx32），它包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理等功能。l后來，出現了如wrs公司的vxwo

29、rks、qnx公司的qnx、symbian公司的symbian、integrated system incorporation (isi)的psos。l此外，還有palm os、wince、嵌入式linux、lynxos、ucos、nucleus、以及國內的hopen、delta os等嵌入式操作系統。601.3 嵌入式系統的特點l專門用于特定任務嵌入式系統一般是專用系統，而pc是通用計算平臺。l技術融合集計算機，通信及其它高新技術于一體。l有實時約束一般采用實時操作系統l有功耗約束l軟件沒有系統和應用的區別，軟件固化。l系統內核小l軟硬件可裁剪l高可靠性l資源比pc少得多l嵌入式系統需要專用

30、的開發工具l非壟斷市場61軟件硬件基本要素軟件硬件基本要素硬件硬件l嵌入式處理器l各種類型存儲器l模擬電路及電源l接口控制器及接插件軟件軟件l實時操作系統（rtos）l板級支持包（bsp）l設備驅動（device driver）l協議棧（protocol stack）l應用程序（application）621.4 嵌入式系統的分類 l有多種對嵌入式系統的分類方法，以下是部分分類方法：按用途分類：軍用/民用按載體分類：宇航/車載 按通信性質分類：無線/有線按網絡性質分類：聯網/單機按環境分類：普通/惡劣按功耗分類：低功耗/普通功耗主要分類方法按硬件軟件性質631.4.1 按照技術復雜度分類按照技

31、術復雜度分類l根據控制技術的復雜度可以把嵌入式系統分為三類：l無操作系統控制的嵌入式系統lnoses，non-os control embedded system；l小型操作系統控制的嵌入式系統lsoses，small os control embedded system；l大型操作系統控制的嵌入式系統lloses，large os control embedded system。641.4.2 按照用途分類按照用途分類l按照用途可以把嵌入式系統分成以下三類：l工業用l軍用l民用651.5 嵌入式系統基本組成l嵌入式系統的硬件由嵌入式處理器、外圍電路和外部設備三大部分所組成。l嵌入式處理器包括

32、：嵌入式微處理器（mpu）、微控制器（mcu）、數字信號處理器（dsp）。l外圍電路包括：各式存儲器（ram、rom、flash），時鐘電路，各種i/o接口電路，調試接口（jtag、bdm等）。l外部設備包括：存儲卡（cf、sd卡）、lcd屏、觸摸屏、手寫筆、鍵盤等。66嵌入式系統常用硬件器件嵌入式系統常用硬件器件l嵌入式處理器lmcu, dsp, mpul可編程邏輯器件lfpga, cpldl存儲器芯片l電源模塊l周邊元件和接插件67典型嵌入式系統硬件組成（典型嵌入式系統硬件組成（1）68典型嵌入式系統硬件組成（典型嵌入式系統硬件組成（2）chip board circuitcpu core

33、external devicesusblcdpenkeyboardirdaothersconnection for debuggingportsresetcircuitoscillationcircuitpowersupplydmatimerprescalera/di/o portinterruptcontrolerconnectingdramconnectingsramconnectingflashconnectingromcpubcu69嵌入式系統的軟件基本構成嵌入式系統的軟件基本構成70基于基于vxworks操作系統的操作系統的嵌入式軟件層次結構嵌入式軟件層次結構71嵌入式系統結構演變嵌

34、入式系統結構演變l硬件系統l4位單片機l8位單片機/ 16位單片機l32位專用微處理器l32位dsp微處理器lsoclsopcl軟件系統l實時監控程序l專用系統l通用系統721.5.1 實時性能分類實時性能分類l依據操作系統的實時性能類型劃分，有以下幾種依據操作系統的實時性能類型劃分，有以下幾種類型。參看下圖：類型。參看下圖：嵌入式系統嵌入式系統分時系統分時系統實時系統實時系統軟實時系統硬實時系統731.5.2 按照電路板分類按照電路板分類l中國計算機協會微機專業委員會對嵌入式系統給出以下分類：l單硅片嵌入式系統lsingle-silicon embedded systeml單板嵌入式系統ls

35、ingle-board embedded systeml多板嵌入式系統lmulti-board embedded system74高端嵌入式產品中高端嵌入式產品中各種各種cpu所占市場份額所占市場份額75嵌入式系統開發工具嵌入式系統開發工具l高級語言編譯器lcompiler toolsl源程序模擬器lsource simulatorl目標監控器lobject monitorl實時在線仿真系統icelin-circuit emulator76嵌入式系統與單片機區別嵌入式系統與單片機區別l從歷史的角度來看，這兩個名詞術語沒有本質的區別。但是，它們都是專用的計算機系統，與通用型的微機系統有著本質的區

36、別。現在的一般說法：嵌入式系統在含有操作系統的軟件的控制下運行，而單片機系統不含操作系統，只在控制程序下運行。l低端嵌入式系統：單片機+印刷線路板l高端嵌入式系統： soc771.6 嵌入式處理器分類嵌入式處理器分類嵌入式處理器是嵌入式系統硬件中的最核心的部分，嵌入式處理器有多種功能。按照處理器功能分類，主要如下五種：l通用型嵌入式微處理器（簡稱：通用型嵌入式微處理器（簡稱：mpu）l微控制器（微控制器（mcu）l數字信號處理器（數字信號處理器（dsp）l混合處理器和片上系統（混合處理器和片上系統（soc）l嵌入式雙核或者多核處理器嵌入式雙核或者多核處理器78通用型嵌入式微處理器通用型嵌入式微

37、處理器l英文全稱英文全稱lgeneral purpose embedded micro processorl也稱為嵌入式微處理單元也稱為嵌入式微處理單元lembedded micro processor unitl縮略語：縮略語：empu，或者，或者mpu79通用型嵌入式微處理器有兩種類型通用型嵌入式微處理器有兩種類型l一類是嵌入式系統中使用的通用處理器lx86處理器（從80186、80386到pentium m）就是這一類處理器的典型代表。l另一類是專門為嵌入式系統設計的處理器l屬于這一類的通用型嵌入式微處理器目前主要有am186/88、386ex、sc-400、power pc、coldf

38、ire、68000、mips、arm系列等。l使用通用型嵌入式微處理器時都要在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面采取各種措施。80微控制器微控制器l又稱單片機（又稱單片機（scm，single chip microcomputer）l它將整個計算機系統集成到一塊芯片中，體積減小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，電磁輻射更少。它通常以某種微處理器內核為核心，芯片內部集成rom、ram、總線、總線邏輯、定時/計數器、watchdog、i/o、串行口、脈寬調制輸出、a/d、d/a、flash ram、eeprom等各種必要功能部件和外設。有代表性的通用微控制器系列包括8051、p51

39、xa、mcs-251、mcs-96/196/296、c166/167、mc68hc05/11/12/16、68300等。81數字信號處理器數字信號處理器l本教材中討論的嵌入式dsp處理器（簡稱為dsp處理器或者dsp）是專門用于嵌入式系統的數字信號處理器。它是系統結構和指令集做了特殊設計的處理器，使其適合執行dsp算法程序。嵌入式dsp處理器有兩個發展來源，一是dsp處理器經過單片化、emc（電磁兼容）改造、增加片上外設成為嵌入式dsp處理器；二是在通用單片機或soc中增加dsp協處理器。ldsp處理器可分為兩大類：定點dsp和浮點dsp。l嵌入式dsp處理器中比較有代表性的產品是德州儀器公司

40、的tms320系列和motorola公司的dsp56000系列。 82片上系統片上系統l把一個或多個cpu單元以及功能部件集成在單個芯片上。這種芯片就是所謂的片上系統soc。l為了解決soc設計中遇到的難題，設計方法必須進一步優化。因此，人們提出了基于fpga的soc設計方案可編程片上系統（system on a programmable chip，稱為sopc）。隨著百萬門級的fpga芯片、功能復雜的ip 核（知識產權核）和可重構的嵌入式處理器軟核的出現，作為未來電子系統設計新領域的sopc技術已經成為了國際上電子系統設計新技術的熱點，具有廣闊的應用前景。altera公司、xilinx公司、

41、lattice公司、quicklogic公司等全球最重要的fpga及eda公司都分別推出了sopc系統解決方案。 83嵌入式雙核處理器嵌入式雙核處理器l雙核（dual core）處理器就是基于單個半導體的一個處理器芯片上擁有兩顆一樣功能的處理器核心，即將兩顆物理處理器核心整合入一個內核中通過協同運算來提升性能。其優勢在于克服了傳統處理器通過提升工作頻率來提升處理器性能而導致耗電量和發熱量越來越大的缺點。84嵌入式多核處理器嵌入式多核處理器l嵌入式多核處理器往往用于音頻或者視頻處理。這些dsp處理器的主要結構是一個或多個的微控制器（mcu）核外加一個dsp核。l例如，美國ad公司生產的black

42、fin系列產品是適用于多格式音頻、視頻、語音和圖像處理的嵌入式dsp處理器系列。采用blackfin芯片的最終產品可以是便攜式媒體播放器(pmp)、voip（通過ip傳輸話音）電話機、網絡攝像機（ip network.camera）以及移動電視設備等。85blackfin系列多核處理器系列多核處理器lblackfin系列中的adsp-bf561處理器是一款雙內核的具有對稱多處理（smp）架構的dsp處理器，時鐘頻率為750mhz，它能夠以兩種工作方式執行。l下圖是第1種工作模式。在該模式下，可以讓core a運行操作系統、網絡協議棧和控制任務，讓core b運行信號處理的risc/dsp任務。

43、86bf561處理器的第處理器的第1種工作模式種工作模式87bf561處理器的第處理器的第2種工作模式種工作模式881.7 嵌入式系統發展趨勢嵌入式系統發展趨勢196019701980199020002010年代11/100100每人使用計算機數量時代特點時代特點2020mfpcce89如何描述當前的如何描述當前的it時代？時代？l后pc時代？lpost pc eral信息電器（信息家電）時代？linformation appliancel3c時代?lconsumer electronics、computer、communicationl普適計算時代？lpervasive computingl

44、無所不在的計算時代？lubiquitous computing90后后pc時代時代ia時代時代l若干年前未來學家的語言正在變成現實，現在已經進入了后pc時代 。l美國著名未來學家尼葛洛龐帝(nicholas negroponte) 1999年初來華訪問時說過：l嵌入式智能工具將是繼pc和internet之后最偉大的發明。lmit的david clark于1999年首次提出“后pc時代（post-pc era）”的概念，他認為：l在后pc時代，具有聯網功能的信息電器（ia）和手持設備（handheld device）將逐步取代pc。91計算機產品發展路線圖計算機產品發展路線圖l摩爾定律仍然適用大

45、型機大型機: 60年代年代 小型機小型機: 70年代年代 pc: 80-90年代年代 后后pc: 2000年年vlsilsimsisoc92嵌入式產品和臺式計算機嵌入式產品和臺式計算機處理器芯片使用量比較處理器芯片使用量比較93后后pcpc時代的新秀時代的新秀- -信息電器信息電器l信息電器 (information appliance，ia)l1998年hp公司的一名資深專家don norman給出了ia的定義：lan appliance specializing in information : knowledge, facts, graphics, images, video, or s

46、ound. 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.94后后pc時代時代當前業界特征當前業界特征l后pc時代特征表現在以下幾個方面：l產品發展趨勢l國民產值l研究和開發方向l社會物質和精神需要l人才需求95it產業界涉及時代特點的若干大事

47、產業界涉及時代特點的若干大事l近幾年來大事記l2002年11月高性能嵌入式32位微處理器神威i號在上海復旦微電子公司研制成功，并一次流片成功。l2004年底聯想公司收購ibm公司的pc事業部l2005年微軟公司大力推廣windows ce操作系統l2007年mips公司宣布該公司不再研發桌面處理器l2007年蘋果公司總裁喬布斯宣布蘋果公司不再是計算機公司，它是一個消費電子公司l2007年it巨頭公司google宣布了手機開發平臺andriodlmotorola公司因為業績原因，進行了公司內部改組，并裁員幾千人。96信息電器與嵌入式系統信息電器與嵌入式系統l信息電器的核心就是嵌入式系統l信息電器

48、的成本取決于嵌入式系統的成本l信息電器使用性能取決于嵌入式系統的軟件l信息電器的發展方向決定著嵌入式系統的發展方向l討論題：哪些是信息電器？97普適計算基本特征普適計算基本特征l普適計算是指無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式。它使計算機融入人的生活空間。l普適計算主要通過移動設備，如信息家電或各種嵌入式設備實現。l包括：如掌上電腦、車載智能設備、筆記本計算機、手表、智能卡、智能手機、機頂盒、pos銷售機、屏幕電話（除了普通話機的功能還可以瀏覽因特網）等。l普適計算設備可以一直或間斷地連接著網絡。與internet、intranet及extranet連接，使用戶能夠隨時隨地獲取各種信息，

49、并做出回應。98普適計算模式將對計算和信息的方普適計算模式將對計算和信息的方式帶來一場變革。式帶來一場變革。l普適計算形成一個“無時不在、無處不在而又不可見”(anytime, anywhere, invisible)的計算環境。在這樣的環境中，計算不再局限于桌面，用戶可以通過手持設備、可穿戴設備或其他常規、非常規計算設備無障礙地享用計算能力和信息資源。 l普適計算可包括移動計算，但普適計算不是移動計算，前者更強調環境驅動性。99無所不在計算無所不在計算l無所不在計算(ubiquitous computing)l強調人與計算環境的緊密聯系，使計算機和網絡更有效地融入人們的生活，讓人們在任何時間

50、、任何地點都能方便快捷地獲得網絡計算提供的各種服務。l無所不在計算研究的兩個關鍵技術：l自然人機交互自然人機交互l網絡計算網絡計算100普適計算大事記普適計算大事記l1988年，mark weiser提出了普適計算的思想，并預測計算模式會發展為普適計算。l1990年代末，普適計算這一概念得到廣泛關注，逐漸升溫。 l1999年，ibm正式提出普適計算的概念。 l同年，召開第一屆ubicomp國際會議。 l/l2000年，第一屆pervasive computing國際會議。 l2002年，ieee pervasive computing期刊創刊。101普

51、適計算知識領域普適計算知識領域l包括以下計算機科學與技術知識領域l分布式計算l多媒體技術l移動計算l人工智能l人機交互l嵌入式系統嵌入式系統l信息融合l感知網絡102普適計算的科研動向普適計算的科研動向l現在和未來的計算機科學技術研究熱點l美國排名前10位的大學無一例外地投巨資設立了以“普及計算”為主要方向的研究計劃。主要有以下4個：l卡耐基梅隆大學的aura計劃l麻省理工大學的qxygen計劃l加州大學伯克利分校的endeavour計劃l華盛頓大學的portolano計劃103普適計算相關網站地址普適計算相關網站地址l/lhttp:/www-2

52、./aura/l/l/lhttp:/ mellon universitysproject aura（1） lthe most precious resource in a computer system is no longer its processor, memory, disk or network. rather, it is a resource not subject to moores law: user attention. tod

53、ays systems distract a user in many explicit and implicit ways, thereby reducing his effectiveness.lproject aura will fundamentally rethink system design to address this problem. auras goal is to provide each user with an invisible halo of computing and information services that persists regardless

54、of location. 105carnegie mellon universitysproject aura（2）lmeeting this goal will require effort at every level: from the hardware and network layers, through the operating system and middleware, to the user interface and applications. lproject aura will design, implement, deploy, and evaluate a lar

55、ge-scale system demonstrating the concept of a “personal information aura” that spans wearable, handheld, desktop and infrastructure computers.106當前研究熱點當前研究熱點l硬件方面l國外的主流嵌入式微處理器進入中國larm公司的arm核大學計劃lti公司的dsp大學計劃l積極地研發自主知識產權的嵌入式微處理器l龍芯l博芯107當前研究熱點（續當前研究熱點（續1）l軟件方面l嵌入式軟件向平臺化方向發展l中國廠商因應linux轉型l發展趨勢l平臺化l標準

56、化llinux勢不可擋108手機開發平臺技術競爭激烈手機開發平臺技術競爭激烈l以手機操作系統為例l2003年以前，三分天下lsymbian、palm os、windows cel現在，新三分天下lsymbian、windows ce、linuxl手機開發平臺ls60、s90、moap、uiqlandroid、motomagxlj2me 、.net、brew109當前研究熱點（續當前研究熱點（續2）l國外的主流嵌入式操作系統進入中國l科銀京成公司研發出嵌入式軟件開發平臺道系統（delta system）l中科院軟件所研發出女媧（hopen）嵌入式操作系統l無線多媒體技術l華東計算所研究與vxworks兼容的嵌入式操作系統110嵌入式系統近期發展預測嵌入式系統近期發展預測l