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嵌入式系统技术 Part 1 嵌入式系统基本概念,李国才 四川大学电气信息学院 2012.02,四川大学电气信息学院,2/53,内容大纲,通过本部分学习，要求掌握嵌入式系统的基本概念-ch1 嵌入式系统定义 嵌入式系统组成 嵌入式系统硬件和软件特征 嵌入式系统应用领域和发展趋势 一些典型应用,四川大学电气信息学院,3/53,什么是“嵌入式系统”?,近年来“嵌入式系统”一词开始风靡起来，小到普通的MP3播放器、PDA个人数字助理，大到信息家电，汽车电子、机械加工中心、工业机器人等都被冠以嵌入式系统应用的称谓。 然而嵌入式系统的概念并非新近才出现， 早在20世纪70年代，随着Intel公司的8位微控制器8048的出现（同期的8位微控制器还有：Motorola公司的68HC05，Zilog的Z80系列等），使得过程控制、通信设备、汽车、工业机器人以及成千上万的消费电子产品可以通过内嵌电子装置的形式来获得更佳的性能、更可靠、速度更快、价格更低。,四川大学电气信息学院,4/53,嵌入式系统定义?,嵌入式系统被定义为： 以应用为中心, 以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础， 强调软硬件的协同性、整合性和可剪裁性， 并能满足目标应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有严格要求 一种专用计算机系统。,四川大学电气信息学院,5/53,嵌入式系统包括那些内容?,嵌入式系统通常由包括二个方面： 微处理器或微控制器MPU/MCU 定时器、 存储器、 外设器件和I/O端口、 传感器、 图形控制器、 执行器等一系列微电子芯片与器件， 嵌入在存储器中的微型操作系统（要求实时和多任务操作）、应用程序组成， 共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种任务。,四川大学电气信息学院,6/53,简单的嵌入式系统组成,即最常用的计算机系统的表示,四川大学电气信息学院,7/53,复杂的嵌入式系统组成,四川大学电气信息学院,8/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (一)实时多任务实时?,任何一个电子系统都可看成是一个激励-响应系统。每个特定的电子系统都有一个从激励输入到响应输出的时间，即激励-响应周期T，它表现为系统的响应能力。如果系统的响应能力T能满足嵌入对象所规定的响应时间ta要求，即Tta，这个系统便是实时的电子系统。 经典电子系统:(不含计算机的纯电子电路系统)它具有极短的、相对固定不变的，从激励到响应的时间周期T 通用计算机系统:(是一个人机交互的激励-运行-响应系统。它的激励-响应时间T表现为电路系统的激励-响应时间tc与软件运行时间ts ) 嵌入式系统(由于嵌入对象体系的多样性、复杂性，不同的对象体系会提出不同的响应时间ta要求 )在嵌入式应用系统的具体设计中，必须考虑系统中每一个任务运行时，能否满足tsta的要求，这就是嵌入式系统的实时性问题 而嵌入式系统应用中，必须考虑实时性问题，是因为软件运行的时间耗费ts，会使系统的激励-响应时间T巨额增加，而不能满足嵌入对象系统提出的响应时间ta要求，凸现了嵌入式系统的实时性问题。,四川大学电气信息学院,9/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (一)实时多任务,对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 以电力系统的稳定观测控制为例。电网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想的作用，造成经济上的损失，甚至可能引起其他的安全问题。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还包括数据处理、分析、决策的实时性。,四川大学电气信息学院,10/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点(一) 实时性解决?,处理器核心设计上：硬件设计中的Cache技术、DSP协处理器核心、外设进入核心、总线、以及动态分支预测技术等 通用系统注重平均表现 软件上：实时软件(操作系统)所遵循的最重要的设计原则是：采用各种算法和策略,始终保证系统行为的可预测性(predictability)。 可预测性是指在系统运行的任何时刻,在任何情况下,实时操作系统的资源调配策略都能为争夺资源(包括CPU、内存、网络带宽等)的多个实时任务合理地分配资源,使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。 在最坏情况下都要满足其实时性要求, 注重的是个体任务表现, 是个体最坏情况表现 以虚拟存储管理技术为例讨论处理器核心设计上的差别; 取消了MMU，直接硬件化，取消重定位等,四川大学电气信息学院,11/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点(二),具有功能很强的临界存储区保护功能。 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。,四川大学电气信息学院,12/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (三)可扩展的处理器结构,可扩展的处理器结构，以便能迅速地开发出满足各种应用需求的高性能嵌入式微处理器。 系列众多,四川大学电气信息学院,13/53,可扩展的处理器结构例,8051结构 Atmel系列,四川大学电气信息学院,14/53,四川大学电气信息学院,15/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (四)专用调试电路,嵌入式微处理器内部通常包含专用调试电路，外部有JTAG边界扫描接。 JTAG最初是用来对芯片进行测试的，JTAG的基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port;测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-System Programmable;在线编程），对FLASH等器件进行编程。,四川大学电气信息学院,16/53,“嵌入式系统”的微处理器核心特点 (五)功耗很低,嵌入式微处理器必须功耗很低， 尤其是用于无线、便携式移动计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。 低功耗MCU-低电压、低工作频率、支持睡眠、支持模块关闭、软件上的设计。,四川大学电气信息学院,17/53,嵌入式系统硬件的特征,以应用为中心 从IC卡 到 登月车 软硬件专用性强 嵌入式系统产品通常具有较长的生命周期 嵌入式系统开发需要专门的交叉开发工具和环境,四川大学电气信息学院,18/53,嵌入式系统软件的特征,软件要求固态化存储 固化/重载要求 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)要求高实时性 视应用情况而定 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础,四川大学电气信息学院,19/53,嵌入式系统应用领域,工业控制 信息家电 国防装备 机器人 其他,图片来自互联网,四川大学电气信息学院,20/53,工业控制,工控系统必须具备两方面的功能: 在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求; 测控系统实现远程监控。,四川大学电气信息学院,21/53,信息家电,智能型手持装置：如PDA、电子书等； 电器 数字家庭,四川大学电气信息学院,22/53,信息家电,数字家庭,四川大学电气信息学院,23/53,国防武器装备,智能武器 智能武器指的是具有人工智能的武器，通常由信息采集与处理系统、知识库系统、辅助决策系统和任务执行系统等组成。能够自行完成侦察、搜索、瞄准、攻击目标和收集、整理、分析、综合情报等军事任务。 精确制导武器、无人驾驶飞机、无人驾驶坦克、无人操纵火炮、智能鱼雷和自主多用途智能作战机器人等,四川大学电气信息学院,24/53,嵌入式系统发展趋势,微型化 ： 微型化是现代各类型产品的基本要求，特别在嵌入式产品中，由于半导体技术的进步，使得原本需要庞大空间的电路设计，浓缩在一片SOC（片上系统）芯片中。 微型化，能使嵌入式系统更加价廉物美，具有更强的竞争力。就像现在的智能型手机集成了通信、网络、PDA种种功能于一身，各种微型化的嵌入式产品，如同项链一般可以佩戴在胸前，兼具美观与实用的功能。,四川大学电气信息学院,25/53,嵌入式系统发展趋势,智能化 ： 机器人技术将对嵌入式系统智能化产生重大的影响。机器人巳从工业机器人阶段步入到具有视觉、触觉、力觉、滑觉等智能传感器的智能机器人阶段。 新传感器的使用：陀螺，重力、加速度、方向. 微机电系统(MEMS) :,四川大学电气信息学院,26/53,其他领域-交通管理,智能交通,四川大学电气信息学院,27/53,其他领域-电子商务,支付 物流 POS,四川大学电气信息学院,28/53,其他领域,电力广域测量与管理 气候/资源监测与管理 水文,四川大学电气信息学院,29/53,嵌入式系统发展趋势,人性化 ： 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，这方面的要求嵌入式系统设计者一方面要在图形界面、多媒体技术上多下功夫。 另一方面要在人性化的操作方面下功夫，特别是在人工智能与生物信息科技领域方面，通过语音操作或是自然语言的方式来达到人性化操作的要求，是目前热门的方向之一。 界面设计,四川大学电气信息学院,30/53,嵌入式系统发展趋势,安全性： 以生物特征提取技术为例，特征主要分两大类，一类是生理特征，分别是利用指纹、手型、虹膜及视网膜等特征而进行识别；另一类是行为特征，包括数字签名和语音识别。由这些方式来辨认个人身份，不但兼具方便性，而且利用生物特征独一无二的特性，达到安全保密的功能。 自身系统的安全，反向工程、知识产权保护,四川大学电气信息学院,31/53,嵌入式系统发展趋势,功能强大： 采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口(如USB)，扩展总线类型(如CAN)，加强对多媒体、图形图像等的处理。 软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。,四川大学电气信息学院,32/53,嵌入式系统发展趋势,互联网应用 新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/P协议，有的还支持IEEEl394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA，同时也提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 硬件协议栈,四川大学电气信息学院,33/53,一些典型嵌入式方案实例,嵌入式非接触式智能卡(射频卡) 音乐播放器MP3 MC35 GPRS无线调制解调器,四川大学电气信息学院,34/53,嵌入式非接触式智能卡(射频卡),智能卡技术风靡全球，改变了现代生活中关于钱和票的概念。 智能住宅小区管理一卡通设计方案的特点是以当代最先进的非接触智能卡技术作为住户的一卡通管理系统，可实现住宅小区物业管理一体化：楼宇出入、登记、查询、停车管理、区内购物、娱乐消费、记帐、结帐、统计等自动化。 物业公司内部管理采用非接触式智能卡（员工卡），使公司在财务、人事、工资、办公、行政管理、监控、员工考勤等方面实现无纸化办公，自动化管理，这样可以节约综合管理费用，提高工作效率。 非接触式智能卡将微处理器及大容量存储器的集成电器芯片（asic）和天线封装于塑料基片之中。 卡中存储器分多个分区，支持不同应用，达到一卡多用，而且具有很强的安全保密性。读写器采用兆频段及磁感应技术，通过无线方式对卡中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议。,四川大学电气信息学院,35/53,双界面（Dual Interface）的芯片卡 射频卡的频率,四川大学电气信息学院,36/53,智能卡内部功能框图,四川大学电气信息学院,37/53,德国英菲凌（Infineon）,四川大学电气信息学院,38/53,安全机制,通常系统的读写模块与感应卡之间采用相似的鉴别算法建立通讯，并使用随机数对通讯数据进行加密。该鉴别算法称为三次传递签证（Three Pass Authentication）。 感应卡产生并发送随机数RB给读卡器。 读卡器将RB与密匙、读卡器序列号及随机数RA结合形成TokenAB发送感应卡。 感应卡解读TokenAB，判断读卡器的合法性。 感应卡将RA、RB、密匙及芯片号相结合产生TokenAB发给读写器。 读写器解读TokenAB，判别感应卡的合法性。,四川大学电气信息学院,39/53,智能卡软件,个智能卡操作系统的主要任务如下： 从智能卡传出或传入数据； 控制命令的执行； 管理文件； 管理和执行加密算法。 Java Card技术主要是让智能卡或与智能卡相近的装置上，以具有安全防护性的方式来执行小型的Java应用程式（也称为Java Applet），此技术也被广泛运用在SIM卡（用于GSM手机内）、ATM卡（也称：金融卡、提款卡）上。 保护智能卡内的私密、敏感性资料 Java Card能支援绝大多数的常用加密算法,四川大学电气信息学院,40/53,智能卡应用,电信领域：电话使用CPU卡来存储信息和唯一识别用户身份，SIM卡，另外卡中的微处理器大大提高了用户账号的安全性。电话储值卡也是极为广泛的智能卡应用。 金融领域，以智能卡技术开发而成的银行卡，除了仍保留传统银行卡所具有的金融功能之外，还可利用卡上的内存及微处理器来提供更多的增值金融服务。电子支付系统中使用智能卡来做为电子钱包的载具。 在交通领域，非接触式智能卡取得了广泛的应用。非接触式智能卡中包含了微型天线，用于在不接触的情况下读写和交换信息，一般而言，现在典型非接触智能卡的读写有效距离为10cm、交易时间小于0.1秒。 医疗领域的应用要求存储大量信息，如病历、身份、医疗保险号码、血型、过敏症、健康检查结果等，采用智能卡将全面提高医院诊断的效率、准确性及管理水平。 政府部门也开始采用智能卡技术。中国正在启动的国家第二代身份证卡计划是迄今为止全球最大的智能卡应用项目， 智能卡还可以用于企业、社团机构的内部管理,四川大学电气信息学院,41/53,音乐播放器MP3,音乐播放 移动存储盘 录音功能 FM调频收音 歌词同步显示功能 固件更新,四川大学电气信息学院,42/53,功能结构,四川大学电气信息学院,43/53,四川大学电气信息学院,44/53,实例1 Atmel内部组成,四川大学电气信息学院,45/53,实例1典型电路,四川大学电气信息学院,46/53,四川大学电气信息学院,47/53,MC35 GPRS无线调制解调器,无线通信GPRS模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。 模块的工作电压为3.34.8 V，可以工作在900 MHz和1800 MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900 M)和1W(1800 M)。 模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。 此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。 通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。 通过ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。,四川大学电气信息学院,48/53,GSM基带处理器 射频 固件 存储 电源 外部接口,四川大学电气信息学院,49/53,基带处理部分 包含GSM处理的MCU和DSP,C166 MCU processor core Digital Signal Processing core On-chip MCU Program ROM / SRAM flexibly configurable as program or data RAM DSP Program ROM / RAM DSP Data ROM / RAM Programmable PLL for system clock generation GSM Timer Module that off-loads the MCU fro