嵌入式系统设计大学教程-ch-嵌入式系统设计基本概念.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式系统设计大学教程,第二章 嵌入式系统设计基本概念,主要内容,嵌入式硬件系统,嵌入式软件系统,嵌入式系统的基本设计过程,本教程选择的软硬件平台,2.1 嵌入式硬件系统,嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。,嵌入式处理器,是核心；,存储器,是重要组成部分；,附属电路,：如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、中断控制电路等；,嵌入式系统通常还包括,人机交互界面,，用于系统与用户的交互。,2.1.1 嵌入式处理器,嵌入式微处理器一般具备四个特点：,对实时和多任务有很强的支持能力；,具有功能很强的存储区保护功能；,可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；,嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为,mW,甚至,W,级。,2.1.1 嵌入式处理器,嵌入式系统中的处理器通常分为四大类：,微处理器（Micro-Processor Unit，MPU）,微控制器（Micro-Controller Unit，MCU）,数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）,嵌入式片上系统（System On Chip，SoC）,2.1.1 嵌入式处理器,1.嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。,嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为,单板计算机,。,2.1.1 嵌入式处理器,2.嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称,单片机,，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成存储器（少量ROM/EPROM、RAM或两者都有）、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。,2.1.1 嵌入式处理器,2.嵌入式微控制器,和嵌入式微处理器相比，微控制器的,最大特点,是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。,2.1.1 嵌入式处理器,3.嵌入式数字信号处理器,嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP。,2.1.1 嵌入式处理器,4.嵌入式片上系统,一般认为SoC具有以下特点：,SoC,应由可设计重用的,IP,核组成，,IP,核是具有复杂系统功能的能够独立出售的,VLSI,块；,IP,核应采用深亚微米以上工艺技术；,SoC,中可以有多个,MPU,、,DSP,、,MCU,或其复合的,IP,核。,2.1.2 存储器,存储器的,物理实质,是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必须的数据和程序。,嵌入式处理器在运行时，大部分总线周期都是用于对存储器的读/写操作，因此，存储器子系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的,整体性能,。,2.1.2 存储器,在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为三类：,随机存取的,RAM;,只读的,ROM;,介于两者之间的混合存储器。,2.1.2 存储器,嵌入式系统中常用的存储器类型,2.1.2 存储器,1.随机存储器(Random Access Memory，RAM),RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。,RAM的,优点,是读/写方便、使用灵活；,RAM的,缺点,是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。,RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。,2.1.2 存储器,RAM主要有两大类存储设备，即静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。两者都是易失性存储器，它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。,SRAM,的存储单元电路是以双稳态电路为基础的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。,DRAM,的存储单元是以电容为基础的，电路简单，集成度高，功耗小，但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新。,2.1.2 存储器,2.只读存储器(Read-Only Memory，ROM),ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。,ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。,ROM存储器按发展顺序可分为：,掩膜ROM,、,可编程ROM（PROM）,和,可擦写可编程ROM（EPROM）,。,2.1.2 存储器,3.混合存储器,混合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种：,EEPROM,NVRAM,FLASH,2.1.2 存储器,（1）EEPROM,EEPROM是电可擦写可编程存储设备，与EPROM不同的是EEPROM是用电来实现数据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。,EEPROM允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。,USB是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术，支持各种PC与外设之间的连接。,Palm OS是一种32位的嵌入式操作系统。,RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。,内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；,根据系统的复杂程度确定是否使用操作系统，以及选择哪种操作系统；,当电源接通的时候，NVRAM就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候，NVRAM从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。,数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）,嵌入式系统中的处理器通常分为四大类：,NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息。,因此，规格说明必须小心编写，以便精确地反映客户的需求，并且作为设计时必须明确遵循的要求。,三种触摸屏技术的比较,3 嵌入式系统的基本设计过程,C/OS-是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。,ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。,蓝牙的工作在频段，它采用了跳频扩频FHSS，在79个信道上每秒钟1600次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒3200跳，有效地降低了干扰。,2.1.2 存储器,（2）NVRAM,NVRAM通常就是带有后备电池的SRAM。当电源接通的时候，NVRAM就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候，NVRAM从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。,NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息。,2.1.2 存储器,（3）Flash,Flash（闪速存储器，简称闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除。,Flash比EEPROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。,各种存储器特性的比较,存储器,类型,易失,性,可重复,编程,擦除大小,最大擦除,次数,成本,（/字节）,速 度,SRAM,是,是,字节,无限制,高,快,DRAM,是,是,字节,无限制,适中,适中,只读ROM,否,否,不能擦除,无,低,快,PROM,否,用编程器,可写一次,不能擦除,无,适中,快,EPROM,否,是,整个芯片,有限制*,适中,快,EEPROM,否,是,字节,有限制*,高,读取快，擦除和,写入慢,Flash,否,是,扇区,有限制*,适中,读取快，擦除和,写入慢。重编程,需要SRAM。,NVRAM,否,是,字节,无限制,高(SRAM,+电池),快,2.1.2 存储器,5.嵌入式系统存储子系统的结构,在实际的嵌入式系统中，常常采用分级的方法来设计整个存储器子系统。把全部存储系统分为四级，它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增。,寄存器组,高速缓存,内存,外存,分级存储器系统,分级存储器系统,2.1.2 存储器,6.嵌入式系统中存储器的选择,当软件设计者编写好程序，并且ROM映像已经准备好以后，系统的硬件设计者就需要决定使用哪些类型的存储器设备，每一种设备的大小为多少。,为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本等。,2.1.3 外围设备,除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包含一些相关的硬件设备，称为外围设备。外设可分为两种类型，即内部外设和外部外设。,内部外设,与处理器集成在同一块芯片上；,外部外设,与处理器不在同一块芯片上。,根据外围设备的功能可分为：通信接口、I/O设备、设备扩展接口、电源及辅助设备等。,2.1.3 外围设备,1.通信接口,嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输和无线传输两种。,有线传输接口,包括传统的RS-232接口（串行UART接口）、通用串行总线（USB）接口、快速数据传输接口IEEE 1394、CAN总线、以太网接口等；,无线传输接口,包括红外线（IrDA）、GSM、GPRS与蓝牙接口等。,通信接口,（1）UART,UART提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其他使用RS-232C接口的串行设备进行通信。,在嵌入式系统软件开发调试时，常常通过UART来进行各种输入/输出操作。,通信接口,（2）USB接口,通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的计算机串行通信协议。,USB是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术，支持各种PC与外设之间的连接。,通信接口,（3）以太网接口,嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法：,一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。该方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线实现，速度慢、可靠性不高，并且电路板布线复杂。,另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，如MII。处理器和网络数据交换通过内部总线实现，因此速度快，实现简单。,通信接口,（4）红外线,红外线收发模块主要由三部分组成，包括一个红外线发光二极管、一个硅晶PIN光电二极管和一个控制电路。,其中的,红外线发光二极管,就是发射红外线波的单元，发射的红外线波长在到微米之间，,硅晶PIN光检二极管,用于接收红外线信号，所接收到的信号会传送到,控制电路,中，再传送到嵌入式系统微处理器进行数据处理或数据存储。,通信接口,（5）蓝牙接口（Bluetooth）,蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。,蓝牙的工作在,频段，它采用了跳频扩频FHSS，在79个信道上每秒钟1600次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒3200跳，有效地降低了干扰。,蓝牙模块主要由三部分组成：无线传输收发单元、基频处理单元以及数据传输接口。,通信接口,蓝牙模块架构图,2.1.3 外围设备,2.输入/输出设备,嵌入式系统通常还包括输入/输出设备，用于系统与用户的交互。,嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等，输出设备主要有LCD显示和语音输出。,输入/输出设备,（1）触摸屏,触摸屏按其技术原理可分为5类：矢量压力传感器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。,输入/输出设备,电阻触摸屏,的工作部分由三部分组成：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。,输入/输出设备,电容式触摸屏,是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO，最外层是只有厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。,当用户触摸电容屏时，手指会吸收一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。,输入/输出设备,电感式触摸屏,的工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。,这种触摸屏是安装在液晶显示屏的后面，而普通的电阻式和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面，因此使用电感式触摸屏，输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的磨损，提高输入的灵敏度。,三种触摸屏技术的比较,触摸屏,类型,工作原理,触摸方式,安装方式,透明度,易用性,电阻式,电压测量,笔、手指点压,显示屏前,一般,好,电容式,电容耦合,金属笔尖、手指接触,显示屏前,比电阻,式好,一般,电感式,电磁谐振,笔尖接近感应,显示屏后,好,好,输入/输出设备,（2）LCD接口,嵌入式系统中多数采用液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display），LCD是一种低成本、低功率的器件，既可显示文字，又可显示图像。,LCD显示器根据其工作原理可分为反射式、吸收式（又称透视式）LCD显示器。,输入/输出设备,反射式LCD,的基本原理是：首先入射光线通过一个偏极化板，接着偏极化的光遇到液晶材料，如果激活液晶材料的部分区域，则LCD材料的分子整齐排列，使偏极化光能穿过LCD材料，否则光线无法通过，最后通过液晶材料的光线碰到一面镜子而反射回来，因此，激活的部分区域亮起来。,输入/输出设备,吸收式LCD,的工作原理类似，但使用黑色表面而不使用镜子，该黑色表面在激活区域下面，可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。,2.1.3 外围设备,3.设备扩展接口,扩展设备很多，但所采用的扩展接口却大同小异。,PC机内存卡国际联合会(PCMCIA)建立一个省电、小体积的整合性电子卡片的标准，提高移动计算机的互换性。根据该标准生产的外形如信用卡大小的产品叫做,PCMCIA卡,（也称PC卡）。,其他常用的扩展卡还有各种,CF卡,、,SD卡,、,Memory Stick,等。,它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。,在设计的最初阶段，通过与客户进行交流，了解用户的意图，明确客户到底需要开发什么样的产品，包括产品的功能、性能、价格、开发时间等一系列问题。,一般认为SoC具有以下特点：,其次，需要考虑开发的市场目标。,吸收式LCD的工作原理类似，但使用黑色表面而不使用镜子，该黑色表面在激活区域下面，可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。,ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。,RAM的缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。,电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。,嵌入式软件的开发流程，主要涉及代码编程、交叉编译、交叉连接、下载到目标板和调试等几个步骤，因此软件平台的选择涉及以下3个方面：,第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。,存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必须的数据和程序。,嵌入式系统设计大学教程,2 教学软件平台Linux,C/OS-是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。,集成开发环境IDE应考虑以下因素：,1 嵌入式操作系统的发展阶段,Flash比EEPROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。,2.1.3 外围设备,4.电源及辅助设备,电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源。,嵌入式系统力求外观小型化、质量轻以及电源使用寿命长，因此，目前电源及辅助设备发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等，尤其是在便携式嵌入式系统的应用中。,主要内容,2.1 嵌入式硬件系统,2.2 嵌入式软件系统,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,2.4 本教程选择的软硬件平台,2.2 嵌入式操作系统,2.2.1 嵌入式操作系统的发展,嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。,嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。,2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段,嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经历了四个阶段：,第一阶段：,无操作系统的嵌入算法阶段,，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。,2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段,第二阶段：,以嵌人式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统,。由于CPU种类繁多，因此通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。,2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段,第三阶段：,通用的嵌入式实时操作系统阶段,。以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统，能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API）；嵌入式应用软件丰富。,2.2.1 嵌入式操作系统的发展阶段,第四阶段：,以基于Internet为标志的嵌入式系统,。这是一个正在迅速发展的阶段。随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。,2.2 嵌入式操作系统,2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类,嵌入式实时操作系统最主要的特征是性能上的实时性，也就是说，系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，也依赖于结果产生的时间。,常用的嵌入式RTOS分三大类：,商用系统,、,专用系统,和,开放系统,。,2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类,1.商用系统,商品化的嵌入式实时操作系统，主要有WindRiver的Vxworks和pSOS+，3Com的Palm OS以及Microsoft的Windows CE等。,它们的优点是功能可靠、稳定，技术支持和售后服务比较完善，辅助工具比较齐全，而且提供了高端嵌入式系统要求的许多功能。,缺点是价格昂贵，而且源代码封闭，影响了开发者学习和使用的积极性。,2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类,2.专用系统,一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入式操作系统，仅供应用开发者使用。,这些操作系统功能相对较弱，但针对性强，其安全可靠性大都超过普通商用系统。,例如，由摩托罗拉、西门子和诺基亚等几家大型移动通讯设备商合作研制的应用于 的嵌入式操作系统SymbianOS。,2.2.2 嵌入式实时操作系统的分类,3.开放系统,这是近年来发展迅速的一类操作系统，其典型代表是嵌入式Linux和,C/OS-。,由于应用系统开发者可以免费获得这些系统的源代码，因而降低了开发难度。,但其缺点也非常明显，功能简单，技术支持差，系统稳定性也相对较差。因此，它们对开发者的要求较高。,2.2 嵌入式操作系统,2.2.3 嵌入式实时操作系统的可裁剪性及其实现,所谓操作系统的可裁剪性（可配置性），就是一个规模大且功能齐全的操作系统，在结构上保证了用户可在其中有选择地保留某些模块，而删减掉一些模块的性能。,所谓的配置方法有两种：一种是在系统进行编译连接时进行配置；另一种是在系统运行时进行配置。,2.2 嵌入式操作系统,2.2.4 常用的实时操作系统,1.VxWorks,VxWorks操作系统是 WindRiver公司为分布式环境设计的具备网络功能的实时操作系统。,VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。,2.2.4 常用的实时操作系统,2.QNX,QNX是一个实时的、可扩充的操作系统；它部分遵循POSIX相关标准，如实时扩展；它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。,其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。所有其他操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧（QNX4x大约为12KB），而且运行速度极快。,2.2.4 常用的实时操作系统,3.Palm OS,Palm OS是一种32位的嵌入式操作系统。Palm提供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的OS应用程序接口，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。,Palm OS具有以下特点：,操作系统的节能功能,;,合理的内存管理,Palm OS,的数据是以数据库（,database,）的格式来存储的,2.2.4 常用的实时操作系统,4.Windows CE,Windows CE是微软开发的一个从整体上为有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的32位嵌入式操作系统。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侣（Companion）；E代表电子产品（Electronics）。,Windows CE的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持多种CPU。,2.2.4 常用的实时操作系统,4.Windows CE,Windows CE的特点有：,灵活的电源管理功能，包括休眠,/,唤醒模式,;,使用了对象存储（,object store,）技术，包括文件系统、注册表及数据库,;,拥有良好的通信能力,;,支持嵌套中断,;,更好的线程响应能力,;,256,个优先级别,;,Windows CE,的,API,是,Win32 API,的一个子集，支持近,1500,个,Win32 API,。,2.2.4 常用的实时操作系统,5.,C/OS-,C/OS-是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。,C/OS-最多可支持64个任务，分别对应优先级063，其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。,C/OS-最大程度地使用ANSI C语言开发，现已成功移植到近40多种处理器体系上。,2.2.4 常用的实时操作系统,6.嵌入式Linux,Linux类似于UNIX，是一种免费的、源代码完全开放的、符合POSIX标准规范的操作系统。,随着Linux的迅速发展，嵌入式Linux现在已经有许多的版本，包括强实时的嵌入式Linux（如新墨西哥工学院的RT-Linux和堪萨斯大学的KURT-Linux）和一般的嵌入式Linux 版本（如uClinux和Pocket Linux等）。,主要内容,2.1 嵌入式硬件系统,2.2 嵌入式软件系统,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,2.4 本教程选择的软硬件平台,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,良好的设计方法在嵌入式系统的开发过程中是必不可少的。,首先，好的方法有助于规划一个清晰的工作进度，避免遗漏重要的工作，例如性能的优化和可靠性测试对于一个合格的嵌入式产品而言是不可或缺的。,其次，采用有效的方法可以将整个复杂的开发过程分解成若干可以控制的步骤，通过一些先进的计算机辅助设计工具，按部就班、有条不紊地完成整个项目。,最后，通过定义全面的设计过程，可以使整个团队的各个成员更好地理解自身的工作，方便成员之间相互交流与协作。,嵌入式系统设计主要步骤,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,2.3.1 需求分析,显然，在设计一个系统之前，必须清楚要设计什么。,在设计的最初阶段，通过与客户进行交流，了解用户的意图，明确客户到底需要开发什么样的产品，包括产品的功能、性能、价格、开发时间等一系列问题。,2.3.1,需求分析,1.需求与规格说明,通常，描述产品需求的文档是由嵌入式系统的总体设计者从用户的视角来写的，由一系列的用户需求组成。,然后，对这些需求进行提炼，从中获取一组一致性的需求，整理成正式的规格说明，这些规格说明里包含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。,2.3.1,需求分析,2.确认需求,确认需求不仅要理解什么是用户需要的，而且需要理解他们如何表达这些需求。,精炼系统需求的方法是建立一个模型，这个模型可以使用已存数据来模拟功能，并且可以在个人电脑或工作站上运行。它应该让用户了解系统是如何使用的，以及用户如何和它进行交互。通常，设备的非功能模型可以让用户了解系统的特性，比如系统的尺寸和重量。,2.3.1,需求分析,3.简单的需求表格,对一个大系统进行需求分析是一项复杂而费时的工作，但是，取得相对少量的格式清晰、简单的信息是理解系统需求的一个好的开始。,项 目,说 明,名称,目的,输入,输出,功能,性能,生产成本,功耗,物理尺寸和重量,2.3.1,需求分析,4.需求的内部一致性,在写完需求分析以后，你应该对它们的内部一致性进行检查：是否忘记了给某个功能指定输入或输出，是否考虑了系统运行的所有方式，是否把一些不切实际的要求放到了一个电池供电、低成本的机器中了等。,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,2.3.2 规格说明,规格说明起到客户和生产者之间的合同的作用。因此，规格说明必须小心编写，以便精确地反映客户的需求，并且作为设计时必须明确遵循的要求。,规格说明应该足够明晰，以便别人可以验证它是否符合系统需求，且是否完全满足客户的期望。,描述规格说明的工具可采用统一建模语言（UML）。,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,体系结构设计,规格说明中通常只描述系统应做什么，而不描述系统该怎么做。描述系统如何实现那些功能是体系结构的任务。,体系结构,是系统整体结构的一个计划。它给出嵌入式系统的总体架构，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上，选定处理器和基本接口器件；根据系统的复杂程度确定是否使用操作系统，以及选择哪种操作系统；此外，还需要选择系统的开发环境。,体系结构设计,1.硬件平台的选择,（1）处理器的选择,设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有：,处理性能,技术指标,功耗,软件支持工具,是否内置调试工具,供应商是否提供评估板,1.硬件平台的选择,（2）硬件选择的其它因素,首先，需要考虑生产规模。,其次，需要考虑开发的市场目标。,另外，软件对硬件的依赖性,。,最后，只要可能，尽量选择使用普通的硬件。,体系结构设计,2.软件平台的选择,嵌入式软件的开发流程，主要涉及代码编程、交叉编译、交叉连接、下载到目标板和调试等几个步骤，因此软件平台的选择涉及以下3个方面：,操作系统,编程语言,集成开发环境,2.软件平台的选择,（1）操作系统的选择,操作系统的选择至关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则：,市场进入时间,可移植性,可利用资源,系统定制能力,成本,中文内核支持,2.软件平台的选择,（2）集成开发环境,集成开发环境IDE应考虑以下因素：,系统调试器的功能,支持库函数,编译器开发商是否持续升级编译器,连接程序是否支持所有的文件格式和符号格式,2.软件平台的选择,（3）硬件调试工具的选择,常用的硬件调试工具有以下几种：,实时在线仿真器,（,ICE,，,In-Circuit Emulator,）,逻辑分析仪,ROM,仿真器,在线调试,OCD,或在线仿真,OCE,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,设计硬件构件和软件构件,构件通常包括硬件和软件两部分。构件设计使得构件与体系结构和规格说明相一致。,一些构件是现成的，可以直接使用。在大多数情况下，我们必须自己设计一些构件，即使使用标准集成电路，也必须设计连接它们的印刷线路板。,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,系统调试与集成,只有建立构件后，才能将它们合并得到一个可以运行的系统。当然在系统集成阶段并不是仅仅把所有的构件连接在一起就行，在系统集成中通常都会发现以前设计上的错误。,在系统集成时按阶段构架系统，并每次只对一部分模块进行排错，能够更容易地发现并定位错误。,主要内容,2.1 嵌入式硬件系统,2.2 嵌入式软件系统,2.3 嵌入式系统的基本设计过程,2.4 本教程选择的软硬件平台,2.4 本教程选择的软硬件平台,教学硬件平台ARM,作为一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器，ARM微处理器目前已经成为应用最为广泛的嵌入式微处理器。,另外，国内外多家厂商推出了基于ARM系列的多功能嵌入式系统学习平台，而与ARM7内核芯片相比，ARM9芯片的功耗更低，速度更快，处理能力更强，架构更合理。,因此，我们选择ARM9微处理器做为教学硬件平台。,2.4 本教程选择的软硬件平台,2.4.2 教学软件平台Linux,目前，适于学习的嵌入式操作系统主要是开放源代码的操作系统：Linux和,C/OS。,结合国内实情，当前国家对自主操作系统的大力支持，也为源码开放的Linux提供了广阔的发展前景。因此，本教程的教学软件平台选择Linux操作系统。,本章小结,嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。,硬件系统的核心是嵌入式处理器，嵌入式系统的处理器通常分为三大类，即微处理器（Micro-Processor Unit，MPU）、微控制器（Micro-Controller Unit，MCU）和数字信号处理器（DSP）。片上系统（System on a Chip，SoC）则是将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗芯片上。,本章小结,存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必须的数据和程序。在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为三类：随机存取的RAM、只读的ROM以及介于两者之间的混合存储器。,嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展，大致经历了无操作系统的嵌入算法阶段、以嵌入式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统阶段、通用的嵌入式实时操作系统阶段和以基于Internet为标志的嵌入式系统阶段。,本章小结,多数真正的嵌入式系统的设计实际上是很复杂的，其功能要求非常详细，且必须遵循许多其他要求，如成本、性能、功耗、质量、开发周期等。因此，良好的设计方法在嵌入式系统的开发过程中是必不可少的。从自顶向下的角度来看，系统设计包括系统需求分析、规格说明、系统结构设计、构件设计、系统集成等若干步骤。,本教材硬件平台选用ARM处理器，软件平台选用嵌入式Linux操作系统。,