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嵌入式系统硬件环境
1.嵌入式系统定义
2.嵌入式系统体系结构
3.嵌入式系统开发概述
4.嵌入式系统的发展趋势
1.1嵌入式系统的定义
定义
特点
产品
发展
问题的引入
什么是嵌入式系统?嵌入式系统有哪些具体的产品?为什么学习嵌入式系统?如何学习嵌入式系统的系统设计?
计算机工业的分类
分类标准体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，
类别大型计算机
中型机
小型机
微计算机(PC)
计算机工业的分类
分类标准
应用
类别
嵌入式计算机嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中
通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC
什么是嵌入式系统?常用的定义
非通用计算机的计算机系统IEEE对嵌入式系统的定义：
Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant.“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”
嵌入式系统是在硬件和软件功能比PC受到限制的系统硬件受限:性能、功耗、存储器、其他硬件功能软件受限：应用程序、没有OS、层次少
嵌入式系统是专用的计算机系统PDA？Cell Phone? Digital TV? MP4?
嵌入式系统相比其他计算机系统，具有高稳定度、高可靠性的特点航天、医疗、汽车TV、Game、Cellphone?
具有嵌入式操作系统的单板计算机系统?单片机应用系统，？32位嵌入式系统
嵌入式系统的特点
一种计算机系统
微处理器系统
软件系统
应用为中心
专用系统
国内对嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。
嵌入式=把微处理器嵌入各种电子设备内
部，实现设备的智能化。
“嵌入”?
Embedded植入的, 深入的, 内含的
计算机系统 vs 应用
计算机系统
应用
应用
计算机系统
通用计算机系统 嵌入式系统
“系统”?
嵌入式系统
先进的计算机技术
半导体技术
电子技术
各个行业的具体应用
一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
嵌入式系统的定义
定义嵌入到应用（产品设备）中的专用计算机系统
要点嵌入性
满足应用体系的要求：物理，电气，成本等
专用性软硬件剪裁性，满足应用的需求
可扩展性?
计算机系统最小系统 + 外围接口电路
典型产品-PDA
典型产品
goReaderInternet eBook
Samsung AnyWebInternet Screen Phone
eRemoteIntelligent Home Controller
Tektronix TDS7000 Digital
Oscilloscopes
嵌入式系统的分类
按表现形式分： （硬件范畴）
芯片级：单硅片嵌入式系统（系统级芯片SoC）板级：单板级嵌入式系统，模块
设备级：工控机，多板级嵌入式系统
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）
嵌入式系统的产品类别Embedded Market Segments
Automotivei.e. : Ignition Systems, Engine Control, Antilock Braking System, …
Consumer Electronicsi.e. : TVs, (Set-Top-Box) STBs, appliances, toys, automobiles, cell phones …
Industrial Automationi.e. : robotics, control systems, HAVC, building Automation…
Medical Devicesi.e. : Infusion Pumps, Dialysis Machines, Cardiac Monitors, …
Military and Aerospacei.e.: commercial aircraft, combat aircraft, satellite system
Networkingi.e. : routers, hubs, gateways, …
Office/Business Automationi.e. : fax machines, photocopiers, printers, monitors, …
Retail automationi.e.: Point of Sale (POS) Terminal and peripherals, …
Telecom/Data comi.e.: Switch , infrastructure, datacom devices
嵌入式产品的应用
1.2嵌入式系统架构
系统架构的定义
系统组成结构
嵌入式系统的架构
关键结构
嵌入式处理器
嵌入式操作系统
嵌入式系统架构(Architecture)
An abstraction of the embedded device that represents the embedded system as some combination of interacting elements.- physically represented as structures- many types of structures
• Layered, Kernel, Decomposition, Client/Server, Process, …
Sum of Structures = Embedded Architecture
嵌入式系统的组成结构
嵌入式硬件系统
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
嵌入式系统的组成-硬件工程师
嵌入式系统的组成-硬件工程师
嵌入式处理器
可编程逻辑器件
大容量存储器
电源模块解决方案
嵌入式系统周边元器件
嵌入式系统必备接插件
PowerPC 微处理器ARM微处理器TMS320C6000系列DSPTMS320C5000系列DSPTMS320C2000系列DSPTI公司其它DSP系列
XilinxVirtex系列 FPGASpartan系列FPGAXC95(XL)系列 CPLDCoolRunner系列 CPLDAlteraCycloneFlex1KMax3000
嵌入式系统构成
TI & Intel & Motorola
TI Power Trend嵌入式电源方案美国ERICSSON电源模块日本COSEL电源模块美国VICOR电源模块
IDT公司FIFO及双口RAMCypress公司高速SRAM系列现代电子公司SDRAM系列Intel公司 大容量Flash系列AMD FLASH
AMP公司接插件系列AI公司PCB插座系列
AMP & AI
嵌入式系统的组成-软件工程师
嵌入式系统的组成-软件工程师
软件系统实时操作系统（RTOS）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）
Hardware Independent SoftwareHardware Independent Software
ApplicationsApplications
TCP/IP TCP/IP StackStack
I/O SystemI/O System RTOS librariesRTOS libraries
RTOS KernelRTOS KernelFile SystemFile System
嵌入式系统的组成-软件工程师
嵌入式软件系统设备驱动（Device Driver）板级支持包（BSP）实时操作系统（RTOS）协议栈（Protocol Stack）应用程序（Application）
嵌入式系统的组成—嵌入式系统软件工程师
Hardware Independent SoftwareHardware Independent Software
ApplicationsApplications
TCP/IP TCP/IP StackStack
I/O SystemI/O System RTOS librariesRTOS libraries
RTOS KernelRTOS KernelFile SystemFile System
Hardware Abstraction Layer Hardware Abstraction Layer ：：BSP&Device DriverBSP&Device Driver
SCSISCSIDriverDriver
FlashFlashDriverDriver
MMUMMUDriverDriver
CacheCacheDriverDriver
SerialSerialDriverDriver
EthernetEthernetDriverDriver
DeviceDeviceDriversDrivers
HardwareHardware
嵌入式系统的架构—嵌入式系统工程师
Hardware Independent SoftwareHardware Independent Software
ApplicationsApplications
TCP/IP TCP/IP StackStack
I/O SystemI/O System RTOS librariesRTOS libraries
RTOS KernelRTOS KernelFile SystemFile System
Hardware Abstraction Layer Hardware Abstraction Layer ：：BSP&Device DriverBSP&Device DriverSCSISCSI
DriverDriverFlashFlashDriverDriver
MMUMMUDriverDriver
CacheCacheDriverDriver
SerialSerialDriverDriver
EthernetEthernetDriverDriver
DeviceDeviceDriversDrivers
HardwareHardwareCPUCPU MemoryMemory PeripheralsPeripherals PowerPower
嵌入式系统的架构
Hardware Layer
System Software LayerSystem Software Layer
Application Layer Application Layer
Embedded System
嵌入式系统的架构举例
System LayerSystem Layer
Application LayerApplication Layer
Memory Memory Management Management DriversDrivers
HardwareHardware
Cypress EZCypress EZ--USB FXUSB FX--22 Xilinix FPGAXilinix FPGA 16 MB DRAM16 MB DRAM ........
......USB DriversUSB Drivers Interrupt DriversInterrupt Drivers
User InterfaceUser Interface ......CameraCameraApplicationApplication
嵌入式系统的关键结构
嵌入式处理器
操作系统
关键结构[1]嵌入式处理器的一般要求
嵌入式处理器的分类
微控制器MCU: Microcontroller Unit
微处理器MPU: Microprocessor Unit
数字信号处理器DSP: Digital Signal Processor
片上系统System On Chip
可编程片上系统System On Programmable Chip
多核嵌入式处理器MultiCore SOC
嵌入式微控制器(I)单片机/微控制器
芯片内部集成ROM/EPROM 、RAM 、总线、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 RAM 、EEPROM 等各种必要功能和外设
特点最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
适合于控制，因此称为微控制器
8位/16位
目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用（70%）。
嵌入式微控制器（II）
通用8051、MCS-251 、MCS-96/196/296
专用P51XA 、C166/167 、68K 系列
TI MSP430， AVR， PIC
新特性
支持I 2 C 、CAN-Bus 、LCD。
基于高速IP---25MIP/100MIP
模拟/数字资源丰富
可编程数字IO
FLASH
JTAG
嵌入式DSP处理器(I)
DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器
系统结构和指令算法方面进行了特殊设计
应用在数字滤波、FFT 、谱分析。
目前最为广泛应用的嵌入式DSP 处理器
TI
ADI
MOTOROLA
嵌入式DSP处理器(II)
TMS320C5000™
Lowest Power/MIPS
DSPs in the World
Most Control-Optimized
DSPs in the World
TMS320C2000™
Highest-Performance
DSPs in the World
TMS320C6000™
嵌入式MPU微处理器(I)
MPU 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU 演变而来的。
与计算机处理器不同的是，
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
以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88 、386EX 、SC-400
嵌入式MPU微处理器(II)
起源于Intel架构的8080，发展出286、386、486，直至现在的P4、Athlon和AMD的64位处理器。今天的Pentium和当初的8080使用相
同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。
例：486DX；Geode SP1SC10；STPC。386EX和80188/186系列
目前国内在工业控制、通信领域的应用很广
片上系统(SOC)嵌入式处理器
SoC =System on Chip
板级集成 芯片级集成
微处理器核心(core)
ARM RISC 、MIPS RISC 、DSP 或是其他的core
外围功能模块
通信的接口单元，（USB ）、TCP/IP 通信单元、GPRS通信接口、GSM 通信接口、IEEE1394 、蓝牙模块接口等
等
SOC嵌入式处理器(2）SOC
实现复杂功能的VLSI
采用深亚微米工艺技术
使用一个以上嵌入式CUP/DSP
外部可以编程
基于第三方IP核（软核/固核/硬核）设计。
SOC嵌入式片上系统（3）
SoC 嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以
分为下列几点：
利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。
减少芯片对外管脚数，简化制造过程。
减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。
内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。
SOC嵌入式微处理器-ARMARM （Advanced RISC Machines ）公司是全球领先的16/32 位RISC 微处理器知识产权设计供应商。
ARM 公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISC 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。
ARM 公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC 标准。
ARM 处理器有三大特点：
小体积、低功耗、低成本而高性能；
16/32 位双指令集；
全球众多的合作伙伴。
SOC嵌入式微处理器-ARMARM7 、ARM9 、ARM9E 、ARM10 和SecurCore 。
ARM7 是低功耗的32 位核，最适合应用于对价位和功耗
敏感的产品，
应用于实时环境的ARM7TDMI 、ARM7TDMI-SARM7RTDMI 处理器是32 位高性能嵌入式RISC 处理器。
ARM7RTDMI 使用3 级流水线，取指、译码和执行。
嵌入式ICE— RT 逻辑为ARM7TDMI 核提供了集成的在片调试支持。JTAG （JOINT TEST ACTION GROUP ）。
适用于开放平台的ARM720T
适用于DSP 运算及支持Java 的ARM7EJ 等。
SOC嵌入式微处理器-ARM基于ARM 处理器核的典型产品如下：
Intel 公司的StrongARM 的系列：SA-110 、SA-1100 、SA-1101、SA-1110 、SA-1111 ；
Intel 公司的XScale系列:PXA210/220,PXA250/PXA255，PXA27x
Cirrus Logic 公司的ARM 系列：EP7209 、EP7211 、EP7212、EP7312 、EP9312 、PS7500FE ；
SamSung 公司的ARM 系列：S3C44B0 、S3C2400 、3C4510
Aplio 公司的ARM 系列：Aplio/TRIO
LinkUp Systems 公司的ARM 系列: L7200 、L7205
NETsilicon 公司的ARM 系列：NET+ARM
Triscend Corporation ARM 的产品：A7
Philips LPC2104: ARM7TDMI-S核
SOC嵌入式微处理器-MIPSMIPS 是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64 位处理器的厂商。在RISC 处理器方面占有重要地位
MIPS 公司设计RISC 处理器始于80 年代初，MIPS 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。
1999 年，MIPS 公司发布MIPS 32 和MIPS 64 架构标准，为未来MIPS 处理器的开发奠定了基础。
MIPS 公司陆续开发了高性能、低功耗的32 位处理器内核（core ）MIPS 32 4Kc 与高性能64 位处理器内核MIPS 64 5Kc
应用范围:机顶盒设备/视频游戏机/Cisco 路由器/激光打印机
SOC嵌入式微处理器-PowerPCPowerPC 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。
既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。
基于PowerPC 架构的处理器有：
IBM 公司开发的PowerPC 405 GP 是一个集成10/100 Mbps 以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其
它外设的高性能嵌入式处理器。
MPC823e 微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC ）设备。
SOC嵌入式微处理器-x86intel 架构
例：NS Geode GX1 300MHZ
可编程片上系统（SOPC）SOPC：基于可编程逻辑器件的嵌入式系统SOPC的技术基础
超大规模可编程逻辑器件开发工具的成熟FPGA密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA设计、综合、仿真、测试工具性能飞速提高
微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IP Core开发理念的发展与深入人心
信号处理算法、软件算法模块、控制逻辑
目前已经成熟的SOPC开发平台：Xilinx SpartanII FPGA和MicroBlaze软处理器IP CoreXilinx VirtexII Pro FPGA和PowerPC硬处理器IP CoreAltera XA1/XA10/NoisII FPGA和处理器IP CoreActel CoreMP7( ARM7 Core)
SOPC—Altera EPXA10
SOPC-Nois IIStratix & Cyclone Edition
Development Kits, Stratix & Cyclone Edition
多核嵌入式处理器
TI OMAPARM9 + C55x
Intel酷睿™双核处理器
AMDAMD皓龙处理器
BroadComBCM1250
MIPS 64 X2
MotorolaMPC8260 PowerQUICC II
PowerPC+CPMInfineon
TC10GP和增强型TC1130三核(TriCore)结构的微处理器
HitachiSH7410、SH7612
MCU+DSP
TI DM270
TI OMAP
关键结构[2]嵌入式操作系统
嵌入式操作系统分类
商用型VxWorks：
火星车；支持多种处理器，使用最广泛。
Windows CE 4.2：掌上设备、无线设备。基于Windows背景，界面美观。
Palm OS：3COM，Palm Computing掌上电脑公司；PDA。
pSOS：WindRiver公司。
OS-9：Microwave公司；灵活性和可升级性突出。
嵌入式操作系统分类
免费型Linux：
开放源码；内核小，效率高；易裁减；支持多种CPU和硬件平
台；众多的开发工具；强大的技术支持；强大的网络功能；图像处理、文件管理、多任务支持。
μC/OS：源码公开；可移植，C+汇编；可固化，成为产品的一部分；
可剪裁；占先式，总是运行就绪条件下优先级最高的任务；多任务，8+56；可确定性，执行时间可知；任务栈；系统服务；中断管理，255层嵌套；稳定性与可靠性。
操作系统相关的概念
实时操作系统（RTOS）：物理进程的真实时间。先实时性，次效率。系统具有可确定性。
分时操作系统：多任务的管理。
多任务操作系统：多任务管理，任务间的同步与通信。
RTOS的工作状态：任时刻系统只有一个任务在运行态，各任务按级别分别获得对CPU的访问权。
运行：获得CPU权。
就绪：进入等待队列，通过调度转为运行。
挂起：移出任务等待队列，等待实时事件的唤醒。
休眠：被清除的任务。
1.3嵌入式系统的开发
嵌入式系统开发的特点
嵌入式系统开发的模型
嵌入式系统开发的流程
嵌入式系统工程师的要求
硬件相关能力硬件架构/硬件原理微处理器原理外设原理
软件相关能力操作系统特殊协议软件工具
应用相关知识应用算法应用标准
综合能力交流学习能力系统的观点系统的方法实践的经验
嵌入式系统开发的特点(2)综合性
软件子系统，硬件子系统协同开发
具体应用精密相关
先进性高性能的SOC CPU，ARM核
嵌入式操作系统：Linux, WinCE,...
团队性团队合作，分工协作
主动性应用系统的复杂性
更新较快的技术
嵌入式系统开发的特点(2)开发模式
嵌入式系统开发的特点(3)软件开发环境
C or C++Source File
C or C++Compiler
IncludeFiles
SourceListing
AssemblySource File Assembler
SourceListing
RelocatableObjectModule
Create UserLibrary
(optional)Librarian
User Library
LibraryDirectoryListing
Linker
LinkerCommand
File
RelocatableObjectModule
Link Map
Absolute ObjectModule
DeviceProgrammer
TargetDevelopment
System
嵌入式系统的设计要求
嵌入式系统的一般设计流程
嵌入式系统的系统工程开发流程
系统工程:一种利用一定的程序,让系统开发可以在稳定的环境中进行的方法论举例：
WaterFall ModelSpiral Model
优点明确的步骤进程、人力资源和成本的均衡知识管理（KM：Knowledge Management)
Know how
嵌入式系统的系统工程开发流程
客户需求：待解决的问题风险评估：可行性研究制定规格：数字化的需求系统规划：评估规格系统设计：Architecture系统实现：软硬件开发系统测试：发现错误售后服务：产品维护项目讨论：经验总结
开发团队开发团队
客户需客户需求求
项目讨项目讨论论
售后服售后服务务
风险评风险评估估
制定规制定规格格
系统规系统规划划
系统设系统设计计
系统实系统实现现
系统测系统测试试
产品产品
嵌入式系统设计的生命周期
嵌入式系统设计的分层模型
嵌入式系统的软硬件平行设计
嵌入式系统体系结构的开发
系统设计：Architecture总体框架
软硬件划分
处理器的选择
操作系统的选择
开发环境的选定
系统开发与系统调试的层次
产品规格产品规格
模块设计模块设计
单元设计单元设计 功能实现功能实现
系统设计系统设计 系统实现系统实现 系统测试系统测试
产品产品 出厂测试出厂测试
模块实现模块实现 集成测试集成测试
功能测试功能测试
1.4 嵌入式系统的发展趋势
嵌入式产品的市场
巨大的市场: 数量巨大
应用发展
每年全球嵌入式系统带来的相关工业产值已超过1万亿美元。
随着多功能手机、便携式多媒体播放机、数码相机、HDTV和机顶盒等新兴产品逐渐获得市场的认可，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增(IDC预测)。
中国(2004)嵌入式处理器13亿片
嵌入式软件销售748.8亿元，同比增长149%，
中国嵌入式发展趋势
举例:2005年手机向多模、3G、百万像素照相和TV方向发展
HDTV和机顶盒解决方案强调可编程性
工控嵌入式设备强调可靠性
嵌入式应用的最新电源管理技术
嵌入式软件
嵌入式系统
创新的机遇
通用计算机行业的技术是垄断的：Wintel80% 采用Intel的8x86体系结构，芯片基本上出自Intel，AMD，Cyrix等几家公司操作系统和文字处理器方面:Microsoft的Windows及 Word 占80-90%
嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。各个应用领域是在不断向前发展的嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，
创新的机遇以应用为中心的“芯片”设计面向应用的软硬件产品开发。
2006 CES创新奖最佳获奖产品International Consumer Electronics Show
Review:嵌入式系统体系结构
Hardware Independent SoftwareHardware Independent Software
ApplicationsApplications
TCP/IP TCP/IP StackStack
I/O SystemI/O System RTOS librariesRTOS libraries
RTOS KernelRTOS KernelFile SystemFile System
Hardware Abstraction Layer Hardware Abstraction Layer ：：BSP&Device DriverBSP&Device DriverSCSISCSI
DriverDriverFlashFlashDriverDriver
MMUMMUDriverDriver
CacheCacheDriverDriver
SerialSerialDriverDriver
EthernetEthernetDriverDriver
DeviceDeviceDriversDrivers
HardwareHardwareCPUCPU MemoryMemory PeripheralsPeripherals PowerPower
关键结构
嵌入式微处理器
Embedded OS
Hardware Layer
System Software LayerSystem Software Layer
Application Layer Application Layer
HomeWorkLab1：嵌入式产品调研
实验内容：开发小组在某一类的嵌入式产品中挑选出4种产品，采用文献调研的手段，通过网络搜寻、查阅专业刊物和书籍，提出一份有关嵌入式产品调研调研报告，在报告的基础上完成一份ppt，调研报告应包括以下内容：
每种产品的开发商简介每种产品的主要性能和指标，他们之间相同的特性和不同的特性。每种产品的体系结构，包括硬软件组成，硬件框图和软件框图每种产品中硬软件关键技术点对该类产品的特点、目前状况、发展趋势和前景作一个综述附录中列出文献的来源，要求相关文献不少于10篇
要求：使用ppt在课堂发言，进行交流讨论提交ppt和调研报告电子版，文件名为文档的标题
