嵌入式系統(tǒng)概論一.ppt

嵌入式系統(tǒng)概論 一 陳國慶chen0615jp yahoo co jp 對課程的一些考慮 嵌入式系統(tǒng)不是單獨一門學(xué)科 只是一種融合技術(shù)我們將介紹面向各種應(yīng)用的專用計算機系統(tǒng)的 量體裁衣 式配置方法我們也會介紹一些配置 接口 方法技術(shù) 少講實施的過程 不想將本課搞成軟件編程課 嵌入式系統(tǒng)是按需配置的技術(shù) 按需選擇處理器 MCU DSP EMPU ARM MIPS X86 PowerPC 按需配置OS uc os CE Linux按需加載各種應(yīng)用 按需配置 接口技術(shù) 體系系統(tǒng)接口 I O接口處理器與OS接口 硬件抽象層HALOS應(yīng)用接口 嵌入式系統(tǒng)知識體系 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)需求與使用者的愿望 嵌入式技術(shù)人才需求 學(xué)校的困難 現(xiàn)有的計算機人才培養(yǎng)模式 脫離實際工業(yè)應(yīng)用和研發(fā)環(huán)境 產(chǎn)生虛假的畢業(yè)生 供過于求 現(xiàn)象企業(yè)的困難 高素質(zhì)的嵌入式人才難求 現(xiàn)有崗位嵌入式人才缺乏系統(tǒng)全面的嵌入式知識國外也存在同樣的問題 英特爾和摩托羅拉在招聘應(yīng)屆生和未經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)的計算機人才時遭遇同樣問題只限于一種語言的工作經(jīng)驗積累在諸如測試 調(diào)試等方面沒有相關(guān)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)只有一種平臺或API的開發(fā)經(jīng)驗 并且通常是臺式機開發(fā)在各種CPU中只認識X86 而對操作系統(tǒng)的認識更僅限于Windows系列 歐盟IST建意建設(shè)包括嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與驗證在內(nèi) 以嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的源碼開發(fā)為重點的多學(xué)科 多層次的學(xué)習(xí)培養(yǎng)模塊美國亞力桑那州立大學(xué) 與英特爾和摩托羅拉合作建立嵌入式通信聯(lián)合實驗室 吸引該校學(xué)生積極投身于下一代嵌入式通信系統(tǒng)的研發(fā) 課程最重要的組成部分是一項新的項目實習(xí)計劃的設(shè)立 在此計劃中學(xué)生可以與教師一起參與企業(yè)的項目開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計堪薩斯州立大學(xué) 建設(shè)跨學(xué)科的實時嵌入式系統(tǒng)課程 包括計算機信息科學(xué) 電子與計算機工程學(xué) 生物及農(nóng)業(yè)工程學(xué)臺灣地區(qū) 經(jīng)濟部工業(yè)局 與大學(xué)聯(lián)辦嵌入式軟體人才培訓(xùn)班 教育部顧問室 對嵌入式軟體課程開設(shè)及教材編撰給與財務(wù)補助 嵌入式人才的培養(yǎng)成為世界關(guān)注的問題 卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)課程 一批 通用 IT培訓(xùn)公司相繼開設(shè)了嵌入式培訓(xùn)課程 嵌入式 特點不強一些專注于嵌入式的培訓(xùn)公司開設(shè)了針對某一CPU和OS的培訓(xùn)課程 集中于某一CPU和OS 沒有完整的課程體系國外嵌入式開發(fā)平臺代理商或國內(nèi)廠商與其經(jīng)營產(chǎn)品有關(guān)的培 缺少通用性 不適于個體學(xué)員部分國外大企業(yè)推廣大學(xué)項目或舉辦小產(chǎn)品 小發(fā)明競賽 少數(shù)學(xué)校 少數(shù)學(xué)生受益 專注于某一個產(chǎn)品 國內(nèi)人才培養(yǎng)的解決模式及主要問題 嵌入式系統(tǒng)概說 計算機系統(tǒng)的三大應(yīng)用領(lǐng)域 服務(wù)器目標(biāo) 可用性可擴展性有效帶寬利潤最大的市場包括大型機 超級計算機等桌面辦公等用途最廣闊的市場包括臺式機 筆記本嵌入式非計算機形態(tài)潛力最大的市場 嵌入式系統(tǒng)概說 以往計算機分類 大型計算機 中型機 小型機和微計算機目前計算機分類 超級計算機 大型計算機 工作站 微計算機 亞微計算機亞微計算機 嵌入式計算機 是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置 產(chǎn)品和系統(tǒng)中 嵌入式系統(tǒng)概說 嵌入式系統(tǒng)概說 一般定義從技術(shù)角度 以應(yīng)用為中心 以計算機技術(shù)為基礎(chǔ) 軟硬件可裁剪 應(yīng)用系統(tǒng)對功能 可靠性 成本 體積 功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng) 是將應(yīng)用程序 操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)從系統(tǒng)角度 嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件 并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng) 術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng) 被稱之為嵌入的系統(tǒng) 的一個完整子系統(tǒng) 嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個嵌入式系統(tǒng) 廣義定義任何一個非計算機的計算系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)概說 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù) 半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物 這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集 資金密集 高度分散 不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng) 嵌入在電子設(shè)備內(nèi)部的計算系統(tǒng)任何包含一個或多個專用的計算機 微處理器或微控制器的電子設(shè)備能執(zhí)行特定功能的計算機硬件和軟件的結(jié)合體軟件巨頭微軟在2002年將嵌入式系統(tǒng)定義為完成某一特定功能 或是使用某一特定嵌入式應(yīng)用軟件的計算機或計算裝置 廣義定義 任何一個非計算機的計算系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)概說 英國電機工程師協(xié)會定義 嵌入式系統(tǒng)為控制 監(jiān)視或輔助操作機器和設(shè)備甚至工廠運作的裝置 原文為devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 第二種 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心 以計算機技術(shù)為基礎(chǔ) 軟件硬件可裁剪 功能 可靠性 成本 體積 功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)用來執(zhí)行特定功能以CPU與存儲器等構(gòu)成核心需要嚴格的時序與穩(wěn)定度全自動操作循環(huán) 廣義上講 凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng) 如各類單片機和DSP系統(tǒng) 這些系統(tǒng)在完成較為單一的專業(yè)功能時具有簡潔高效的特點 但由于他們沒有操作系統(tǒng) 管理系統(tǒng)硬件核軟件的能力有限 在實現(xiàn)復(fù)雜多任務(wù)功能時 往往困難重重 甚至無法實現(xiàn) 從狹義上講 我們更加強調(diào)那些使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨立系統(tǒng) 具有自己操作系統(tǒng) 具有特定功能 用于特定場合的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)概說 設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的目的 在于滿足某種特殊功能 常用在各類實驗儀器 辦公設(shè)備 交通運輸設(shè)備 電信設(shè)備 制造設(shè)備 建筑設(shè)備 醫(yī)療設(shè)備 航天設(shè)備 及個人計算機等設(shè)備之上 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是將計算機直接嵌入至應(yīng)用系統(tǒng)中 是信息技術(shù)IT的最終產(chǎn)品 采用 量體裁衣 方式把所需的功能 IP單元 芯片或模塊等進行配置 嵌入至各種應(yīng)用系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)是嵌入至對象體內(nèi)的專用計算機系統(tǒng) IEEE 嵌入式系統(tǒng) 傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 應(yīng)用于軍事 工業(yè)控制和儀器儀表等新型嵌入式系統(tǒng) 3C Computer Consumer Communication 和信息家電IA InformationAppliance 嵌入式技術(shù)正在改變我們的生活 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 嵌入式系統(tǒng)的興起是在1971年 由Intel公司推出有史以來第一個四位微處理器40048086微處理器是第一個被大家所重視及熟悉的16位微處理器國家半導(dǎo)體公司所推出的32000系列是第一個32位的商用微處理器 第一個四位微處理器Intel4004 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問世之后 1971年11月 Intel公司成功地把算術(shù)運算器和控制器電路集成在一起 推出了世界上第一片微處理器Intel4004 其后各廠家推出了許多8位 16位的微處理器 包括Intel8080 8085 8086 Motorola的6800 68000 Zilog的Z80 Z8000等 由這些微處理器為核心構(gòu)成的微型計算機OEM嵌入式計算機系統(tǒng) 廣泛用于制造儀器儀表 醫(yī)療設(shè)備 機器人 家用電器等 微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個廣闊的嵌入式應(yīng)用市場 計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品 再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合自己應(yīng)用的CPU板 存儲器板和各式I O插件板構(gòu)成專用的嵌入式計算機系統(tǒng) 并嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中 由此同時 軍方根據(jù)自己的需求 由工業(yè)部門研制生產(chǎn)了包括CPU板 存貯器板 接口板 總線板 電源板 數(shù)模變換板等OEM產(chǎn)品的抗惡劣環(huán)境計算機系統(tǒng) 形成了完整系列的軍用嵌入式計算機系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 為了靈活兼容 形成了系列化 模塊化的單板機 流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列 Zilog公司的MCB等 這時人們開始不必從選擇芯片開始來設(shè)計一臺專用的嵌入式計算機了 只要選擇各功能模塊 就可以組建一臺專用計算機系統(tǒng) 用戶和廠家都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產(chǎn)品 插入外購或自制的機箱中就形成新的系統(tǒng) 即希望插件是互相兼容的 這就導(dǎo)致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生 1976年Intel推出Multibus 1983年擴展為帶寬達40MB S的Multibus 1978年P(guān)rolog設(shè)計簡單的STD總線廣泛用于小型嵌入式系統(tǒng) 1981年Motorola推出了VME總線 與Multibus 瓜分了軍用市場 80年代可以說是各種總線層出不窮 群雄并起的時代 隨著微電子工藝水平的提高 集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用所需要的微處理器 I O接口 A D D A轉(zhuǎn)換 串行接口以及RAM ROM通通集成到一個VLSI中 制造出面向I O設(shè)計的微控制器 就是我們俗稱的單片機 成為嵌入式計算機系統(tǒng)異軍突起的一支新秀 其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則更的提升了嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)水平 并且 迅速地滲入到消費電子 醫(yī)用電子 智能控制 通信電子 儀器儀表 交通運輸?shù)雀鞣N領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 嵌入式系統(tǒng)都是實時系統(tǒng) 而且多是實時多任務(wù)系統(tǒng) 由計算機生產(chǎn)廠家配置實時操作系統(tǒng) RTOS 像IRMX86 VRTX PSOS Vxworks QNX WindowsNT WindowsCE UNIX等 它們采用全搶占調(diào)度方案 響應(yīng)時間很短 采用微內(nèi)核技術(shù) 設(shè)計追求靈活性 可配置 可裁剪 可擴充 可移植 強實時和高可靠性 有適應(yīng)各種主流CPU的版本 非常適合嵌入式應(yīng)用 商用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)把嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作從小范圍內(nèi)解放出來 促使嵌入式應(yīng)用擴展到更廣闊的領(lǐng)域 90年代 在分布控制 柔性制造 數(shù)字化通信和數(shù)字化家電等巨大需求的牽引下 嵌入式應(yīng)用進一步加速發(fā)展 面向?qū)崟r信號處理算法的DSP向高速 高精度 低功耗發(fā)展 Texas推出第三代DSP單片TMS320C30 微控制器向32位高速智能化發(fā)展 如intel公司發(fā)展的P P 以及將推出的MP4 MP5等 嵌入式軟件的發(fā)展歷程 可分為以下幾個階段 早在20世紀60年代后期 通信領(lǐng)域里就出現(xiàn)了 存儲程序控制 系統(tǒng) 這是早期的嵌入式系統(tǒng) 20世紀70年代后期 專用嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)方開始出現(xiàn) 20世紀80年代 嵌入式商業(yè)操作系統(tǒng)開始得到蓬勃發(fā)展 近年來 互聯(lián)網(wǎng)得到了飛速發(fā)展 形態(tài)各異的3C合一產(chǎn)品將成為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的一大主流 也將成為工作和家庭生活的必備品 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 早在20世紀60年代后期 通信領(lǐng)域里就出現(xiàn)了 存儲程序控制 系統(tǒng) 這是早期的嵌入式系統(tǒng) 這時的計算機是被定做的 或面向應(yīng)用的 它們是一些專用指令的引擎以及與之集成在一起的I O設(shè)備 軟件是由存儲在內(nèi)存的程序和路由信息組成 隨著微處理器的出現(xiàn) 硬件體系結(jié)構(gòu)引入了總線概念 不同外設(shè)可掛接在一起 與此同時 軟件也得到了發(fā)展 這時軟件幾乎是用匯編語言或宏語言來寫 直到70年代中期才開始采用軟件模塊和標(biāo)準(zhǔn)庫的編程思想 20世紀70年代后期 專用嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)方開始出現(xiàn) 當(dāng)時許多是用匯編語言寫的 僅能用于特定的微處理器 當(dāng)新的處理器出現(xiàn) 它們必須為之重新寫一遍 直到C語言出現(xiàn)后 嵌入式操作系統(tǒng)才可以用一種高效 穩(wěn)定和可移植的方式來寫 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 20世紀80年代 嵌入式商業(yè)操作系統(tǒng)開始得到蓬勃發(fā)展 如今已有幾十種商業(yè)操作系統(tǒng)可供選擇 出現(xiàn)了許多相互競爭的產(chǎn)品 如Vxworks Psos Neculeus WindowsCE 女媧Hopen和各種嵌入式Linux等 近年來 互聯(lián)網(wǎng)得到了飛速發(fā)展 形態(tài)各異的3C合一產(chǎn)品將成為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的一大主流 也將成為工作和家庭生活的必備品 這大大擴展了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域 相應(yīng)地 嵌入式軟件涉及的面也愈發(fā)擴大 它不僅包括嵌入式操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件 還包括一系列支撐軟件 如數(shù)據(jù)庫 調(diào)試軟件 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議 用戶界面系統(tǒng)等 當(dāng)然也包括各種應(yīng)用軟件 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng) 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ) 以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng) 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史 嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義 一個手持的MP3和一個PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認為是嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史 它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展 最早的單片機是Intel公司的8048 它出現(xiàn)在1976年Motorola同時推出了68HC05 Zilog公司推出了Z80系列 這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM 4K的ROM 4個8位并口 1個全雙工串行口 兩個16位定時器 之后在80年代初 Intel又進一步完善了8048 在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史 1981年ReadySystem開發(fā)了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核 VTRX32 包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征 包括任務(wù)管理 任務(wù)間通訊同步與相互排斥 中斷支持 內(nèi)存管理等功能隨后 出現(xiàn)了如IntegratedSystemIncorporation ISI 的PSOS IMG的VxWorks QNX公司的QNX等 PalmOS WinCE 嵌入式Linux Lynx uCOS Nucleux 以及國內(nèi)的Hopen DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)也相繼出現(xiàn) 嵌入式處理器 嵌入式處理器市場 VDC2006報告 嵌入式處理器市場 據(jù)不完全統(tǒng)計 全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過1000多種 流行體系結(jié)構(gòu)有30多個 其中8051體系占大多數(shù) 生產(chǎn)8051單片機的半導(dǎo)體廠家有20多個 共350多種衍生產(chǎn)品 僅Philips就有近100種 目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到256MB 處理速度從0 1MIPS MillionInstructionsPerSecond 到2000MIPS 嵌入式處理器市場 ARM以標(biāo)準(zhǔn)化 豐富軟件支持和低功耗占據(jù)主流市場X86借助于PC產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢依然閃閃發(fā)光多核是未來CPU發(fā)展的趨勢嵌入式的多核CPU和MPU INTEL AMDIA多核嵌入式應(yīng)用專業(yè)芯片廠家進入嵌入式處理器市場借助SOC技術(shù)結(jié)合專業(yè)應(yīng)用背景DSP將和多核CPU融合在消費電子發(fā)揮作用但是通用DSP的市場的發(fā)展?jié)u緩 8 16位CPU繼續(xù)在汽車 消費 控制等電子設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)主要的市場份額 嵌入式處理器市場 32位CPU MPU MCU未來是主流32位CPU MPU MCU將超過50 市場分額8位CPU MPU MCU將逐漸落在10 市場分額64位CPU MPU MCU逐漸崛起在18 市場分額基于FPGA的可編程SOC系統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展降低了FPGA的成本FGPA受到除巨大產(chǎn)量消費電子外得制造業(yè)注意市場上有Xilinx集成軟核得MicroBlaze和硬核PowerPCVirtexAlteraNIOSII和Excaliburs ARM 半導(dǎo)體公司和嵌入式軟件 ARMReal ViewC C 編譯器和Debugger www Arm linux orgMIPSSDElite Yamon FSF org cygwin org linux mips orgIBM Power orgLinuxtrainingcourse RISCwatchdebugger TriscentFastChipIDE GNUtools 半導(dǎo)體公司和嵌入式軟件 XilinxEDK GDB XMD XilinxMicroPdebugger MVlinux uc os II vxworkAlteraNiosIIIDE uc os II LWIP uc Linux IntelIntelCompiler VTUNE 半導(dǎo)體公司還在不斷地進入著嵌入式軟件行業(yè) 評估嵌入式系統(tǒng)處理器的主要指標(biāo) 要先明確預(yù)期最終應(yīng)用程序在待選平臺上的運行情況和測試目的 然后再挑選符合要求的特定測試向量 MIPS測試基準(zhǔn) 測試方法是計算在單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù) 單位 MIPS Dhrystone 測試基準(zhǔn)是一個簡單的C語言程序 EEMBC驗證實驗室研究指出 Dhrystone不適于作為嵌入式系統(tǒng)的測試向量 雖然它是市面上最普遍適用的測試向量 但它有許多漏洞 EEMBC 基于每秒鐘算法執(zhí)行的次數(shù)和編譯代碼大小的統(tǒng)計結(jié)果 一次詳盡的分析需要仔細衡量的因素包括 性能分析 功耗和效率分析 開發(fā)工具支持以及價格 嵌入式處理器分類 微處理器分類 微處理器內(nèi)部僅包含單純的中央處理器單元 稱為一般用途型微處理器將中央處理器 ROM RAM及I O等等裝置做在同一片芯片上 則稱之為單片機 SingleChipMicrocontroller 目前最廣受市場歡迎的嵌入式處理器就是由ARM公司出品的ARM系列處理器數(shù)字處理器 DigitalSignalProcessorDSP 最著名的是美國德州儀器公司CX家族系列 嵌入式系統(tǒng)的核心 嵌入式處理器EMPU EmbeddedMicro ProcessorUnit 要求 對實時多任務(wù)有很強的支持能力 能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間 從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度 嵌入式處理器 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能 這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化 而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用 需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能 同時也有利于軟件診斷 可擴展的處理器結(jié)構(gòu) 以能最迅速地擴展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器 嵌入式處理器 嵌入式微處理器必須功耗很低 尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此 如需要功耗只有mW甚至 W級 嵌入式處理器 嵌入式微處理器vs 通用CPU 通用計算機中的CPU是嵌入式微處理器的基礎(chǔ) 功能基本一樣 在工作溫度 抗電磁干擾 可靠性等方面 EMPU一般都做了各種增強任何微處理器MPU或微控制器MCU 即常稱的單片機 都可以作為嵌入式系統(tǒng)的核 嵌入式軟件 嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵 對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計算機有所不同 軟件要求固態(tài)化存儲為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中 而不是存儲于磁盤等載體中 軟件代碼高質(zhì)量 高可靠性盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高 片上存儲器容量不斷增加 但在大多數(shù)應(yīng)用中 存儲空間仍然是寶貴的 還存在實時性的要求 為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高 以減少程序二進制代碼長度 提高執(zhí)行速度 嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 系統(tǒng)軟件 OS 的高實時性是基本要求在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中 對重要性各不相同的任務(wù)進行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個任務(wù)及時執(zhí)行的關(guān)鍵 單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的 這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成 因此系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求 多任務(wù)操作系統(tǒng)是知識集成的平臺和走向工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力 即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的 必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā) 這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀 混合信號示波器等 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺 通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口 API 是計算機基本組成不可分離的一部分 應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在操作系統(tǒng) OS 平臺上面運行 但一般不是實時的 嵌入式系統(tǒng)則不同 應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行 但是為了合理地調(diào)度多任務(wù) 利用系統(tǒng)資源 系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口 用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺 這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性 可靠性 并減少開發(fā)時間 保障軟件質(zhì)量 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主 通用計算機的開發(fā)人員一般是計算機科學(xué)或計算機工程方面的專業(yè)人士 而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的 要求更多的計算機以外的專業(yè)知識 其開發(fā)人員往往是各個應(yīng)用領(lǐng)域的專家 因此開發(fā)工具的易學(xué) 易用 可靠 高效是基本要求 嵌入式軟件的歷史 監(jiān)控程序操作系統(tǒng)1981 嵌入式實時內(nèi)核VTRX321990 s QNX 4pSOS VxWorks PalmOS WinCE EmbeddedLinux LynxOS uCOS Nucleus 嵌入式操作系統(tǒng) 需要操作系統(tǒng)的場合多任務(wù)方便的用戶界面網(wǎng)絡(luò)功能升級和二次開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的基本功能多任務(wù)調(diào)度內(nèi)存管理硬件資源管理 嵌入式系統(tǒng)的特點 專門用于特定任務(wù)嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng) 而PC是通用計算平臺 技術(shù)集成軟硬件集成 計算機和網(wǎng)絡(luò)通信集成有實時約束一般采用實時操作系統(tǒng)有功耗約束 軟件通常沒有系統(tǒng)和應(yīng)用的區(qū)別 軟件固化 系統(tǒng)內(nèi)核小高可靠性資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具非壟斷市場 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)是由下面三部分組成 包括嵌入式處理器及其周邊接口在內(nèi)的硬件部分 嵌入式系統(tǒng)軟件嵌入式應(yīng)用軟件 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā) 編程語言匯編 C Java 交叉編譯器 crosscompiler 在一種機器 host 上為另一種機器 target 生成代碼的編譯程序 開發(fā)流程 代碼的下載與調(diào)試 在PC機主機上生成的可執(zhí)行二進制映象文件需下載至目標(biāo)機才能運行 目標(biāo)機的調(diào)試 則需PC機通過在線仿真器ICE InCircuitEmulator 或常駐在目標(biāo)上的調(diào)試監(jiān)控器 debugmonitor 來實現(xiàn)對目標(biāo)機進行調(diào)試 對于基于ARM處理器已嵌入了ICE功能 可以通過JTAG接口直接進行調(diào)試 省去了昂貴的在線仿真器 ICE 也可以下載Angel來實現(xiàn)對目標(biāo)機的調(diào)試 嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的方法 LEDSimulatorICE In CircuitEmulator 基于JTAG的EmbeddedICEAngel Simulator Simulator 模擬器 完全基于主機的軟件 在主機上模擬了目標(biāo)機中處理器的功能和指令 特點簡單可行缺乏在線調(diào)試功能和實時仿真功能僅能模擬目標(biāo)處理器 無法模擬處理器有關(guān)I O的功能常作為初步基本調(diào)試工具 ICE ICE In CircuitEmulator傳統(tǒng)用于測試印刷電路板的方法 ICE是一種專用的設(shè)備 配有專用于特定CPU芯片的接頭 將ICE的接頭騎在CPU芯片上并加以固定 使它的每一條引線與CPU芯片上的對應(yīng)引線接觸 就可以監(jiān)測CPU芯片各條引線上的邏輯電平 由于集成電路的集成度不斷提高 芯片的引腳不斷增加 此外 為了縮小體積常常采用表面貼裝技術(shù) 因此 無法用常規(guī)的在線仿真的方式 EmbeddedICE EmbeddedICE 一組調(diào)試寄存器IBCR InstructionBreakControlRegister DBAR DataBreakAddressRegister JTAG接口JTAG JointTestActionGroup 制定了邊界掃描標(biāo)準(zhǔn) 只需5根引腳就可以實現(xiàn)在線仿真的功能 ARM架構(gòu)處理器內(nèi)含嵌入式在線仿真宏單元 為JTAG調(diào)試提供相應(yīng)的接口 同時 為了能達到實時跟蹤調(diào)試的功能 ARM架構(gòu)處理器還內(nèi)含嵌入式跟蹤宏單元 通過邏輯分析儀來實現(xiàn)實時跟蹤調(diào)試的功能 Angel Angel是一組運行在目標(biāo)機上的程序 可以接受主機上調(diào)試器發(fā)送的命令 功能Debug 接收和解釋PC主機的調(diào)試命令 顯示處理器 存儲器和寄存器的狀態(tài) 也可以通過未定義指令來設(shè)置斷點 支持Angel調(diào)試協(xié)議ADP AngelDebugProtocol 從而實現(xiàn)PC主機與目標(biāo)機的串行或并行通信 也支持與目標(biāo)板的網(wǎng)卡通信 支持目標(biāo)機中應(yīng)用程序可使用主機PC上的標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫 通過軟中斷SWI指令來實現(xiàn) 具有多任務(wù)調(diào)度和處理器模式管理功能 能分配任務(wù)優(yōu)先級并對任務(wù)進行管理 也可根據(jù)操作需要在不同處理器模式中運行 具有中斷功能 從而能實現(xiàn)調(diào)試 通信和管理等操作的要求 ARM的調(diào)試系統(tǒng) 嵌入式軟件市場規(guī)模 VDC 2006 JUNE單位百萬USD包含嵌入式操作系統(tǒng) 軟件工具和服務(wù) 覆蓋常規(guī)應(yīng)用和移動電話應(yīng)用 嵌入式軟件市場規(guī)模 2005 2008年移動電話操作系統(tǒng)軟件的增長達35 2005 2008年包含移動電話 消費電子 通訊 工業(yè)控制和航空航天的整個嵌入式應(yīng)用將超過10 伴隨無線 移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 電話和消費電子應(yīng)用在未來將大大領(lǐng)先其他行業(yè)占主導(dǎo)的地位汽車電子信息系統(tǒng)是消費電子在汽車上的延伸航空航天將更多的依賴開放的軟硬件系統(tǒng)和關(guān)鍵應(yīng)用的安全軟件 這個領(lǐng)域依然是嵌入式操作系統(tǒng)的重要收入之一 嵌入式軟件發(fā)展的趨勢 嵌入式軟件日趨成熟 市場持續(xù)平衡增長借助智能手機的發(fā)展 移動應(yīng)用操作系統(tǒng)和軟件增長迅猛嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為日用品 用戶需求在變化高集成化 特定芯片支持和應(yīng)用相關(guān)的軟件平臺顯示出高附加價值的嵌入式操作系統(tǒng)和軟件針對市場變化的各種靈活商業(yè)模式和全球的技術(shù)支持 嵌入式軟件發(fā)展的趨勢 開源軟件在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用繼續(xù)得到推崇開源軟件已經(jīng)被證實是嵌入式設(shè)備軟件的重要部件嵌入式系統(tǒng)是開源技術(shù) LINUX ECLIPES等 的重要舞臺商業(yè)公司在積極調(diào)整開源軟件研發(fā)和市場策略半導(dǎo)體公司已經(jīng)進入嵌入式軟件市場Freescale回購Metrowork提供包括LINUXBSP在內(nèi)的所有嵌入式軟件Broadcom SigmaTel SigmaDesign提供完整的軟件方案 嵌入式軟件發(fā)展的趨勢 平臺化 集成化趨勢有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 提高產(chǎn)品開發(fā)效率 加快上市進程 標(biāo)準(zhǔn)化趨勢行業(yè)性開放系統(tǒng)日趨流行 統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是增強行業(yè)性產(chǎn)品競爭力的有效手段 ARINC653 OSEK VDX GJB5357 2005等等 嵌入式軟件發(fā)展的趨勢 構(gòu)件化 可重用趨勢軟件在嵌入式系統(tǒng)中的比重越來越高 越來越復(fù)雜 軟件占整個系統(tǒng)的成本也越來越高 對系統(tǒng)的影響也越來越大 提高軟件質(zhì)量 降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險 提高開發(fā)效率 縮短開發(fā)周期 嵌入式軟件發(fā)展的趨勢 設(shè)備軟件優(yōu)化 DSO 在整個產(chǎn)品開發(fā)生命周期中實現(xiàn)工具和流程的標(biāo)準(zhǔn)化 采用集成化的開發(fā)和運行環(huán)境 包括商業(yè)化的硬件 驅(qū)動程序 操作系統(tǒng) 中間件和開發(fā)框架 吸收和利用由開放源代碼社區(qū)產(chǎn)生的代碼 工具和協(xié)議 減少對私有技術(shù)的依賴 盡量采用符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的參考解決方案 消費電子推動嵌入式軟件的改革 消費電子協(xié)會測算2006年CE產(chǎn)品的銷售額將達到1350億美元 近50 是可能的嵌入軟硬件產(chǎn)品的產(chǎn)值產(chǎn)量巨大的消費電子產(chǎn)品和手機為嵌入式軟件帶來了可觀的版稅收入消費電子面臨更強的市場競爭和壓力半導(dǎo)體公司 嵌入軟件 ODM OEM EMS和品牌公司分工明確要求嵌入式軟件公司提供端到端的解決方案要求更加靈活的商業(yè)模式 滿足ODM OEM的不同需求要求現(xiàn)場的技術(shù)服務(wù)和工程服務(wù)亞洲市場的重要性 嵌入式軟件面臨的挑戰(zhàn) 開源的沖擊和競爭與開源社區(qū)的關(guān)系不容易影響開源社區(qū)的技術(shù)走向和重視嵌入式的特性利用開源的成果開發(fā)商業(yè)嵌入式的開源產(chǎn)品和服務(wù) 嵌入式軟件面臨的挑戰(zhàn) 缺乏有市場規(guī)模的專業(yè)應(yīng)用除了手機外各個市場的應(yīng)用大多是雷聲大雨點小嵌入式軟件習(xí)慣了獨立于應(yīng)用的產(chǎn)品平臺或者是可以再用的軟件平臺 比如RTOS TCP IP USB GUI JTAG調(diào)試器等商業(yè)得HA L2 L3傳統(tǒng)得網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和EmbeddedDB等嵌入式應(yīng)用軟件缺少市場需求傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)流程難以適應(yīng)MPU MCU發(fā)展SOC和半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展使得嵌入式軟件應(yīng)該在3 6月內(nèi)更新更多的設(shè)備驅(qū)動和工具是由半導(dǎo)體公司開發(fā)或者直接外包的 商業(yè)嵌入式軟件公司和產(chǎn)品 Windriver WRS 依然是嵌入式軟件的巨頭放棄以VXWORK為核心 倡導(dǎo)DSO的概念 全面支持LINUXMicrosoft正在全面進入嵌入式系統(tǒng)WinCE 控制設(shè)備 汽車GPS 嵌入式XP 通用的嵌入式系統(tǒng)WindowsMobile 智能手機和移動終端Montaviasta依然是商業(yè)的嵌入式LINUX標(biāo)準(zhǔn)平臺面臨LINUX商業(yè)模式和快速發(fā)展的挑戰(zhàn) 商業(yè)嵌入式軟件公司和產(chǎn)品 Greehills繼續(xù)在從工具向全面的RTOS和中間件轉(zhuǎn)移近一步加強在安全和關(guān)鍵應(yīng)用軟件的地位 DO178B ARINC6532ENEA在向新的方向發(fā)展發(fā)表了一個針對分布系統(tǒng)的高性能互連和通訊軟件 LINXATI MentorGraphic放棄單一的無版稅的RTOS策略提供從設(shè)計工具開始的完整嵌入式軟件產(chǎn)品Micrium UC OS II無版稅的小型RTOS市場的新秀 產(chǎn)品線日漸豐富 適應(yīng)發(fā)展和變化的嵌入式軟件 未來市場的產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新測試 驗證和嵌入式軟件生命周期管理軟件多核操作系統(tǒng)核開發(fā)工具幫助現(xiàn)有軟件從單核向多核轉(zhuǎn)換利用開源軟件的社區(qū)的技術(shù)和人力資源在開源軟件基層上發(fā)展的私有軟件 雙授權(quán)方式 比如挪威TrolltechQT和QTOPIA SQL OpenClovis的HA中間件 適應(yīng)發(fā)展和變化的嵌入式軟件 幫助智能電話和企業(yè)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的完整軟件方案intoto sigatewa