嵌入式系统浙江大学.ppt
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嵌入式系统浙江大学.ppt
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嵌入式系统,什么是嵌入式计算机,从产品的角度看嵌入式,背景:
计算机系统的三大应用领域,服务器目标:
可用性可扩展性有效带宽利润最大的市场包括大型机、超级计算机等桌面办公等用途最广阔的市场包括台式机,笔记本嵌入式非计算机形态潜力最大的市场,以往计算机分类:
大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类:
超级计算机,大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,动力,计算机硬件发展危机VLSI发展到ULSI/GSI主频瓶颈3.8G技术上两条出路提高片内核的数量发展到多核集成外围电路到处理器中发展到SOC(系统芯片,systemonchip)产业上的出路PC市场有没有出路,来源于对多核计算机的需求将成熟的32位计算机技术融合(嵌入)到非PC产品中使用计算机网络技术取代通讯,计算机系统的创新:
多核,2006年突然推出双核,年底到四核2006年Q4英特尔内部已有16核处理器2007年2月英特尔展示了80核计算机2008年10月,英特尔展示32硬核128逻辑核的larlabee市场对多核反应冷淡技术准备不足多处理器技术长期以来针对服务区并行计算技术针对科学计算实际难点多应用软件,事务处理如何使用多核?
系统软件对多核的支持不足软件开发对多核支持不足机会与挑战并存,计算机系统的创新:
桌面计算机,平板计算机个人电脑,ModBook平板电脑,Toshiba平板电脑,ClickStartMyFirstComputer,Viewsonic无线遥控平板,人人电脑计划(OLPC),双屏幕笔记本电脑,计算机系统的创新:
UMPC,Ultra-MobilePC小巧的体积可以使UMPC轻松放到书包里面,随身携带UMPC外形设计新潮,集成各种附加功能,一般有网络、GPS、键盘或屏幕手写等模块。
netbook,HTCAthena,大同UMPC,oQo,Sony,嵌入式系统,移动终端UMPC,PDA,手机,移动电子书以及电子词典信息家电智能冰箱、洗衣机、智能空调、数字电视、微波炉、无线家庭网关、数码相机与数码摄像机、游戏机汽车电子车载、车控智能仪器仪表通讯设备其他,嵌入式系统:
PDA,个人信息助理掌上电脑,PDA手机+GPS导航DopodU1000,且支持SkyPE,Map-Star的GPS定位设备,华硕GPS导航器,SONYGPS导航器,Nokia6110四频HSDPA/GPS导航器,嵌入式系统:
手机,普通手机智能手机与PDA结合网络手机gphone,韩国电信手机/电视遥控器二合一产品,SonyEricsson超小型手机电脑手机放在底座上成为电脑,Nokia手机户外音响,内置DVB-H移动电视手机,嵌入式系统:
PMP,iLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上,与以前技术相反,Sony家用影音综合设备,XtremeMac开发的iPod音箱,IPEVO支持Skype电话,Nike的iPod帽,MeizuM8,Ipodnano,Archos带Wifi的704,PortableMediaPlayer,嵌入式系统:
办公用品,录音笔FLY数字笔能“看懂”在专用纸上所写的内容能“阅读”写作和纠正语法错误完成简单的算术运算将英文互相翻译成西班牙文等Genius数字便笺存储100页便笺2000LPI分辨率32MB板载内存可通过USB连接电脑笔迹识别软件PolymerVision手机书使用可卷电子纸的电子书阅读器,嵌入式系统:
手表,MartinFrey手表日程表和手机联动获取网络连接和GPS定位信息手表手机:
M3001英寸的显示屏USB接口可播放音乐支持蓝牙Nike的Speed+手表结合iPod和运动计测韩国防性罪犯的电子手镯可追踪罪犯的定位和坐标爱国者视频MP4手表,嵌入式系统:
运动玩具游戏,GTX公司定位的运动跑鞋内置的GPS接收器和可充电电池遥控蜻蜓次世代三大主流三款主机Xbox360,WII,PS3,GameCube,XboX360,PS3,Wii,手柄,手套,枪,嵌入式系统:
摄像器材,数码相机DV,智能家电,智能冰箱(有时称为网络冰箱)在冰箱内部装有摄像头、RFID接收器或者条码扫描器可以通过这些设备采集冰箱内部存货的信息,并通过网络进行传输信息对冰箱的温度控制韩国一家公司的“网络冰箱”,门上有一个15英寸液晶显示器,用户可以通过冰箱上网、打可视电话和观看影片网络微波炉、网络电饭煲、网络空调等家电功能现对简单,可以通过网络下载食谱,可以通过网络进行控制,嵌入式系统:
智能家居,智能家具智能家电,Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身,高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子,DangerBomb闹钟不起床就爆炸啰,配备电子食谱的锅铲coo.boo,智能型垃圾桶i.Master,浙江大学显示营养智能果汁机,浙江大学产品创新中心的智能割草机,主要特点通过显示屏显示榨出的果汁的主要营养成分根据水果的软硬程度自动调整转速,最大程度保存营养成分联网实时更新程序,享受科技的进步,不会贬值的果汁机根据不断变化的个人特点给与实时的营养建议,智能营养果汁机,嵌入式系统:
多媒体终端,IP电话视频会议可视电话,基于视频电话的小型视频会议系统(MCU),语音识别电话,基于H.323协议族的网络视频电话,嵌入式系统:
家庭音响,引入计算机技术的音响,配备B&O与Core2Duo的P.Guerra家庭影院,SonosZP80无线音响,LGHDDVD/蓝光播放器,Motorola支持M卡的HDDVR录像机,iPhone,嵌入式系统:
电视,高清电视数字电视立体显示技术,LG内置数字录像机的LCDTV,AppleTV:
IntelPentiumM1.0GHz2MBofL2高速缓存nVidiaG72M显示卡64MBDDR2内存内置的40GB硬盘播放iTunes,能输出1080p高画质影像的iPodDock,数字电视机顶盒,家庭相册远程宠物喂养器远程观看到宠物的行动跟它对话远程喂养宠物,嵌入式系统:
通讯设备,有计算机能力的各种通讯设备路由器/交换机/防火墙等,Buffalo路由器/USB网卡套装,VPN产品,千兆网关防火墙,嵌入式系统:
仪器仪表,DCG(动态心电图仪)便携式多参数监护仪中医指套传感器脉象虚拟仪器推拿手法测试仪电动机故障状态监测保护系统,监控仪,手持仪,嵌入式系统:
交通相关,汽车电子处理器个数可达三位数车载娱乐,定位等车控ABS、EBD等其他,中国版月球车,汽车立体声音响HDRadio扩展包,改装遮阳板DVD/TV/MP3,嵌入式系统:
军工,武器控制系统数字化单兵系统有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震动和冲击温度和湿度,21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统夜视扫描、全球定位、指挥通信,嵌入式系统:
新兴硬件,GPS/蓝牙双拼模块芯片,龙芯2号增强型处理器芯片,Intel八十核心处理器2007年2月,服用的RFID芯片,IntelTolapai计划要把南北桥做在芯片中,AMDSwift已经集成了北桥、CPU、显卡,嵌入式系统案例分析:
嵌入式视频服务器,无需使用完整的计算机需要的功能分析音视频采集,压缩网络功能存储硬件系统处理器存储器外存采集设备网卡软件系统视频采集、压缩、传输网络交互,嵌入式系统应用案例分析:
智能家电集成,数字化家庭,嵌入式系统应用案例分析:
网络产品集成,信息化社会,CCID数据,2000年嵌入式软件市场规模为70.33亿元2001年为95.43亿元2002年118.56亿元2002年中国软件市场为345.0亿元,嵌入式软件约占软件总市场的34.37。
2003年嵌入式软件市场中国市场规模达到188亿元2004年,673.62亿元软件统计数据为:
套装软件共计478亿元,为具有独立产品形态的软件。
其中包括系统软件89亿元(操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元)、中间件软件6.98亿元、应用软件304.53亿元(包括通用应用软件(安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等)与行业应用软件(金融、电信、政府等)、嵌入式软件(673.62亿元)另外软件服务(937.48亿元):
除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动,包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等2005年,1061.4亿元2005年,中国嵌入式软件产业在整个软件产业中的比重已经接近40%,占全球嵌入式软件产业的比重已经提升到4.8%,嵌入式系统是一种技术,应用技术,以实现产业产品为目的嵌入式产品任何包含一个或多个专用或者通用计算机部件的电子设备不以计算机形态出现将计算机”嵌入“在电子设备内能执行特定功能的计算机硬件和软件的结合体广义:
任何一个非计算机的计算系统,嵌入式系统必要条件,有处理器计算机五大部件运算器,控制器合称处理器存储器输入输出如果只有存储器、输入输出,不能认为是嵌入式系统不能执行计算机最基础的功能常用32位处理器价格与单片机接近性能高网络支持能力强,嵌入式产品硬件特征,通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备组成高集成度逐步形成单芯片解决方案系统芯片(SOC)定制性面向用户面向产品面向应用解决方案不唯一不可垄断的高度分散的工业,候选器件太多而PC由WINTEL(window,intel)垄断,嵌入式系统硬件,嵌入式产品软件特征,包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件、开发工具软件要求固态化存储稳定性要求高软件代码高质量、高可靠性可能无系统软件软硬件紧密结合,协同开发,其他可能有的要求,实时性强功耗低支持升级软件和硬件结合紧密由于定制,可能无硬盘,无通用操作系统产品升级换代困难和硬件同步升级具有较长的生命周期,定义,微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。
英国电机工程师学会的定义:
“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”通常执行特定功能以微电脑和外围构成核心严格的时序和稳定性要求全自动操作循环精确定义:
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统,互联网企业蚕食嵌入式,Google手机发布,T-MobileG1硬件高通MSM7201处理器,GPS卫星导航、300万像素摄像头,3.17英寸触摸屏480x320分辨率,18GBMicroSD卡支持WCDMA/HSPA网络,理论下载速率7.2Mbps;支持Wi-Fi软件Android操作系统各种谷歌的服务Gmail、GoogleMaps、YouTube、Google日历、GoogleTalkChrome精简版一键搜索AndroidMarket下载,全免费基于图片的导航软件“BreadCrumbz”用手机唱卡拉OK的软件“TuneWiki”179美元,几个问题,1、互联网企业进入手机领域2、手机未来是否就是计算机3、手机技术走势如何,处理器作为发动机,让手机飞起来,处理器发展趋势制造工艺发展到32nm,实现小尺寸、微功耗和低成本需要计算能力,提供精巧的多媒体人机界面联网成为必然的趋势,芯片上集成Wifi、WiMax最新处理器ARM(16/32-bit),XScale(32-bit)VIANano(64-bit,5-25w)IntelAtom(32-bit,0.6-2.5w)本地+远程本地提供相对充足的计算能力远程提供超级计算能力ScottMcNealy:
Thenetworkisthecomputer.多核双核-多核-千核,能耗是风阻,让手机飞行时间变短,能耗是手机等移动终端所面临的一个重要问题解决方法硬件节能:
低功耗设计、工艺软件节能:
解决内存墙,动态调频,节能编译,节能调度提高电池容量燃料电池可能从根本上解决能耗问题其能量密度,理论上可为锂离子电池的五至十倍以上补充供电燃料仅需数秒;最适合可携式微小型系统质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池在室温下运作、体积小、重量轻、方便电池堆设计挑战:
小型化;安全性,联网方式是飞行通道,移动通信2G、2.5G3GWCDMACDMA2000TD-SCDMA中国造WiMAX挑战巨大4G:
无线接入技术802.15(无线个域网,WPAN)802.11(无线局域网,WLAN)802.16a/d(无线固定接入,FWA)802.20(宽带移动接入,WBMA)发展方向带宽更大,至少保证流畅视频安全性更高多模手机,存储扩容,资料丰富,器件速度、容量增长内存基本可以运行桌面上的软件外存可以插拔网络存储依托互联网本地存储基本的程序、数据;其他数据保存在网络存储中,终端硬件,手机终端计算能力强支持多种互联网和移动通讯网络接入待机时间长便携小尺寸分类界限逐步模糊手机PDAMID/PMPUMPC笔记本电脑手机硬件与台式机无差别X86,大存储,大屏幕,人机设备,手机嵌入式软件的需求变化,1、实时性需求到底哪些嵌入式设备需要实时?
手机实时性要求不高2、内核小小内存vs大内存3、处理器架构不一样ARM(RISC架构)vsatom(X86架构)4、软件定制化定制化的软件vs可以随意安装卸载软件5、基带芯片协议栈已经非常完备手机软件需要研究什么?
手机嵌入式操作系统:
No.有足够多的解决方案了手机支撑软件与应用软件:
从桌面移植,手机终端软件架构,传统手机软件:
层次化架构BSP专业操作系统GUI定制应用软件手机软件革命:
平台结构平台软件封装手机操作系统、驱动、网络浏览器、GUI以API形式提供应用开发者应用软件基于开放API开发的软件通过网络获取定制应用,人机友好,用户下载革了谁的命?
网络化手机软件,计算机的网络化以前:
单机为主现在:
必须在网,大部分工作依赖于网络手机的网络化开机即在网连接移动通讯网启动计算机网络手机=移动网络终端在网的终端与非在网终端,软件上的差异性在哪里计算机单机操作系统网络操作系统手机支持移动网的操作系统普通手机支持协议栈的操作系统智能手机网络化操作系统网络手机,WebOS应运而生,WebOS基于网络(Web)的操作系统Weboperatingsystem或者Web-basedOperatingSystem内涵运行在浏览器中的虚拟OS,是基于Web的服务的开放式集合提供了WebOSAPI,能够根据WebOSAPI进行编程能够在WebOS中打开应用程序外延用户通过浏览器运行基于Web的在线应用能实现PC操作系统上的各种操作程序语言以PHP,XML,JS等Web语言为主,尽可能消灭高级语言Android是典型的WebOS,WebOS是下一代手机软件平台吗?
优点基于Web的标准化程度很高,不同的程序和服务能够方便的对接无需下载,维护方便,软件升级扩展性好免受病毒木马的骚扰,容易解决盗版问题,解决了收费困难的问题可在不同浏览器、不同的OS上运行程序,甚至可以在其他的终端缺点执行效率低机器码运行osos运行浏览器浏览器运行weboswebos运行webservice传统:
机器码运行osos运行software网络依赖性过强,对网络要求高WebOS本身开发难度大,js调试困难,浏览器的兼容性差隐私性:
操作在网上,数据在服务器上个人观点WebOS使得一切工作都在线WebOS是一种趋势、一种方向,Android/chrome都是一种WebOS,Android:
googlephoneChrome:
googlebrowser屏蔽底层OS/驱动/GUIOS可以是linux或其他驱动程序支持各种BSPGUI可以是各类提供上层应用以API非OS的API技术路线Linux内核+apache,运行机制完全开放开源遵循Apachev2License免费的商业性使用软件服务提供商提供专业的Android平台应用服务手机开发厂商可以方便的基于Android平台添加个性化的应用和服务收费广告引擎,终端软件,单点技术的研究热情逐步消退与台式机逐步融合平台化趋势明显在网要求越来越强,嵌入式热点领域,日益增长的功能密度更高的可靠性保障灵活的网络连接分布式应用和移动应用多媒体信息处理更便捷的信息共享适应更加激烈的市场竞争,嵌入式系统中的处理器,1嵌入式系统中的处理器,嵌入式系统的核心部件品种总量已经超过1000多种每个月都有新产品出现流行体系结构有三十几个系列8051体系的占有多半32,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心主要硬件厂商包括Intel,Motorola,Philip,AMD等2001年嵌入式系统国际会议年会JimTurley的报告中,统计得到PC的数量只占CPU总耗量的0.1%。
数字化产品,上游,嵌入式系统软件平台,下游,芯片、硬件,嵌入式操作系统,嵌入式应用组件,嵌入式开发环境,2嵌入式计算机内核分类与综述,嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)嵌入式片上系统(SystemOnChip),嵌入式微处理器(EMPU),通用计算机中的CPU专门设计的电路板只保留和嵌入式应用有关的母板功能增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能与和工业控制计算机相似嵌入式处理器主要类型Am186/88386EXSC-400PowerPC68000MIPSARM系列,嵌入式微控制器(MCU),又称单片机以某一种微处理器内核为核心芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设特点单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高代表性的通用系列8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。
半通用系列支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541;支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列占嵌入式系统约70的市场份额,嵌入式DSP处理器(EDSP),DSP应用数字信号处理限时完成DSP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处理器。
代表性的产品TexasInstruments的TMS320系列TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列,移动通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。
Motorola的DSP56000系列DSP56000目前已经发展成为DSP56000,DSP56100,DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器,嵌入式片上系统(SOC),在一个硅片上实现一个复杂的系统整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去应用系统电路板将变得很简洁SOC可以分为通用和专用两类。
通用系列Infineon(Siemens)的TriCore,Motorola的M-Core,某些ARM系列器件,Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。
专用SOC一般专用于某个或某类系统中代表性的产品:
Philips的SmartXA,处理器位数,嵌入式CPU特点,处理速度快或者相当I/O功能强功率损耗低实时响应快,3维处理器发展前沿,微处理器成为处理器的主流研究热点进一步提高单个微处理器的性能全面提高计算机的系统性能:
可用性,可维护性,可缩放性。
基于微处理器的多处理器体系结构。
多核三维器件背包SOC三维VLSI光速极限问题IC电路有极限:
线宽不能无限缩小;性能价格+低功耗新型器件光计算机分子计算机DNA计算机,Multicore,3DChip,主流处理器迅速在嵌入式领域得到使用,CISCEIA:
EmbeddedIA,工业控制Multicore:
ViiV欢跃双核,用于数字电视RISCARMMIPSPPCPA-RISC等嵌入式中的主流数字信号处理器(DSP)乘法与加法运算离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换(DCT)FiniteImpluseResponesFilter,RISC主流的理由指令使用频度较均衡控制逻辑规整,适于VLSI工艺软硬功能分配合理利于指令级并行技术芯片代码公开可定制性强桌面市场被CISC积压,需要寻找出路性能强IA架构的挑战EIA通用性太强开放环境成熟度高,嵌入式处理器五大类体系结构,ARMMIPSPOWERPCX86SH系列,4主流嵌入式处理器ARM,属于RISC体系工业标准ARM:
AdvancedRISCMachines只设计内核的英国公司85年英国剑桥ARM原型90年成立ARMltd.不制造VLSI设备,只提供授权2001年,市场占有率75ARM内核被授权给数百家厂商ARM主要应用于无线局域网、3G、手机、手持设备、有线网络通讯应用形式:
集成到专用芯片中作控制器集成ARM内核的芯片英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon,Parthus,ARM体系结构,ARM7采用冯.诺依曼体系ARM9采用哈佛体系对汇编程序员透明ARM架构V1版架构V2版架构V3版架构V4版架构V5版架构ARM流水线ARM7的三级流水线ARM9的五级流水线,ARM系列产品表示,ARM系列产品很多,以ARM7系列为例,其内核ARM7TDMI表示为:
ARM7:
ARM系列具有32位整数运算核T:
内含16位压缩指令集ThumbD:
支持片内Debug调试,M:
采用增强型乘法器(Multiplier),I:
内含嵌入式ICE宏单元另外,各产品的后缀提供了各种形式与功能的选择:
-S:
可综合的软核Softcore-E:
具有DSP的功能-J:
Jazeller,允许直接执行Java字节码,系列,ARM7系列产品ARM7TDMI/ARM7TDMI/ARM720TARM7EJ最低功耗具有:
嵌入式ICE-RT逻辑硬件上提供片上断点与调试点支持非常低的功耗提供0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯.诺依曼体系ARM9系列产品ARM920T与ARM922TARM940T具有:
5级流水线1.1MIPS/MHz的哈佛结构ARM9E系列产品ARM966E-SARM946E-SARM926EJ-S,提供DSP扩充嵌入式ICE-RT调试逻辑1.1MIPS/MHz的5级流水线和哈佛结构紧耦合存储器(TCM)接口,可使存储器以最高处理器速度运转,可直接连到内核上ARM10E产品系列ARM1022Erev0/ARM1020Erev1提供DSP扩展嵌入式ICE-RT全性能MMUCache对于指令与数据,64位AHB接口6级流水线内部64位数据通道1.25MIPS/MHz比同等ARM9器件,同样时钟下,性能提高50Securcore专为安全设计抗窜改(resisttampering)逆向工程(reverseengineering)保护机构确保操作系统与数据安全,采用ARM7内核最多最典型为ARM7TDMI、ARM720T,ARM特定功能的变种,T变种(Thumb指令集):
Thumb指令集严格控制产品成本比采用ARM指令更多的指令,不适合对时间要求苛刻的场合M变种(长乘法指令):
增加了两条
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