浙江大学计算机学院 陈文智 wzchen@cad.zju.edu.cn 2005年2月 (1)嵌入式系统概论 浙江大学计算机学院 陈文智 wzchen@cad.zju.edu.cn 2005年2月

前言(1) 课程设置的必要性 课程涉及的主要内容 应用需求日趋复杂 微处理器技术长足发展 嵌入式软件技术成为核心 阐述嵌入式系统的要素 介绍嵌入式系统软硬件设计基础 介绍嵌入式系统最新设计理念 项目开发流程与自由实验

前言(2) 课程设置的预期目标 使学员对嵌入式系统设计技术有比较全面的了解，并具备一定的设计实践能力，为深入开展相关研究奠定良好的基础。 理解并掌握实时操作系统和实时软件开发技术

课程大纲 嵌入式系统概述 嵌入式系统应用介绍 嵌入式系统硬件系统概述 嵌入式开发环境和开发工具 嵌入式处理器结构与实现技术 嵌入式操作系统概述 嵌入式项目开发过程 基于Intel Xscal和Motorola开发板的实验

实验平台(1)

实验平台(2)

实验平台(3)

参考文献(1) 嵌入式计算机系统设计原理，computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf, 机械工业出版社，2002 ARM嵌入式处理器结构与应用基础，马忠梅等，北航出版社，2002 嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado，孔祥营等，中国电力出版社，2002

参考文献(2) 嵌入式系统开发圣经，探矽工作室，中国青年出版社，2002 嵌入式Linux系统设计与应用.王学龙. 清华大学出版社，2001年 UC/OS-II－源代码公开的实时嵌入式操作系统.邵贝贝. 中国电力出版社，2001 可编程逻辑器件及设计理念,www.Xilinx.com

计算机系统的三大领域 服务器 利润最大的市场 可用性 可扩展性 有效带宽 桌面 最广阔的市场 嵌入式 潜力最大的市场

1. 嵌入式系统介绍 计算机系统 移动电脑 (PDA) 手机 其它，MP3 播放机，数码相机。。。 PC Laptop Mainframe Server 移动电脑 (PDA) 手机 其它，MP3 播放机，数码相机。。。

嵌入在电子设备内部的计算系统 任何包含一个或多个专用的计算机、微处理器或微控制器的电子设备 能执行特定功能的计算机硬件和软件的结合体 广义定义:任何一个非计算机的计算系统

嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器 实时多任务 存储区保护 可扩展的处理器结构 功耗低

1.1 计算机工业的分类 以往计算机分类： 目前计算机分类： 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 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

1.2 嵌入式系统的定义 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 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

1.3 嵌入式系统工业的特点和要求 1.3.1 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 PC由WINTEL垄断 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。

1.3.2 嵌入式系统具有的产品特征 面向用户、面向产品、面向应用 升级换代也是和具体产品同步 ,具有较长的生命周期 软件和硬件结合紧密 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性 普通处理器18月 嵌入式处理器8~10年

1.3.3 嵌入式系统软件的特征 软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 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

1.3.4 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。

1.3.5 嵌入式系统软件需要RTOS开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一 般不是实时的。 嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。 但为了保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。需要选配RTOS开发平台

构件化 1.3.6 嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士。 嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，其开发人员往往是各个应用领域的专家。 因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。 构件化

1.4 嵌入式系统的组成

2 嵌入式系统的应用

家用市场 机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家庭网关、智能家用电器、嵌入式视频服务器、车载导航器系统等

嵌入式视频服务器的架构 数码多媒体产品

现代化家庭 信息家电

中国数字电视发展规划 2002年完成地面广播传输标准的测试； 2002年底颁布国家数字电视有线传输标准； 2003年底前颁布国家数字电视地面广播标准和相关配套标准，确定数字电视标准体系； 2005年在有条件的城市推广数字电视播出； 2008年的北京奥运会上向全世界传输数字高清晰度电视节目，主要的大城市开始数字电视商业广播； 2015年数字电视成为我国电视播出的主要方式。 信息家电

通信市场 电话交换系统 电缆系统 卫星和全球定位系统（L3D） 数据交换设备 移动电话 PDA 等等

智能网络电话机 宽带网络电话机 目前IP电话发展现状 通过普通电话线与网络相连。 通过宽带接入Internet。 据ＩＤＣ统计，全球ＩＰ电话业务收入综合年增长率将以１０８％的速度增长，到２００３年ＩＰ电话已占国际电话业务量的三分之一。到２００４年，国际长途将占ＩＰ业务市场的７５％。ＩＰ电话已成为当前各国电话运营重点发展的业务之一。

PDA的应用领域及市场潜力 通讯产品

工业市场 制造工厂污水处理系统 发电站和电力传输系统 自动化工厂控制系统开发，维护和测试的工具 石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备 计算机辅助制造系统 能源控制系统，核电站 机器人系统等

商业和金融市场 自动柜员机 信用卡系统 售货端系统 安全系统 等

办公市场 电话系统 传真系统 复印机 计时系统 照相机和摄象机

运输市场 航空、铁路、公路运输系统 航空管理、雷达系统 交通指挥系统 停车系统、售票系统 乘客信息系统 检票系统 行李处理系统 应急设备等

建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等

医疗市场 心脏除颤器 心脏起搏器 患者信息和监视系统 理疗控制系统 电磁成像系统等

医疗影像网络PACS 主要功能： 医学影像的采集和数字化 图像的存储和管理 医学图像的高速传输 图像的数字化处理和重现 图像信息与其他信息

PACS子系统 影像实时采集子系统 影像分析处理子系统 影像的查询、管理和存储子系统 图文编辑及打印子系统 数字图像回写子系统 远程会诊子系统 系统管理子系统

军事领域 军事工业应用特点 市场垄断性强 高利润 可靠性要求高 安全性要求高 成本要求不高

1.尺寸和重量: 2.功率消耗: 3.震动和冲击: 4.温度和湿度: 在军事和航天环境中，空间是非常珍贵的。对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素，但在工业上应用并不重要。 2.功率消耗: 电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题。因为发热与功耗成正比，降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求。 3.震动和冲击: 军事和空间系统要适合在恶劣运动环境中工作和贮存。这些环境包括：大范围或小范围的重复运动；芯片、模块和模板可能部分或全部变位或断线；由于震动而加重的电化学反应引起的腐蚀，使模板互连金手指管脚的导电性能变差；由于使用硬盘驱动器致使数据的完整性成为难题等。 4.温度和湿度: 大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下。用于军事和空间产品的电子产品的可靠工作范围必须在-40℃~+85℃。

军事工业产品 数字化单兵信息装备 夜视扫描、全球定位、指挥通信 21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2） C4ISR系统(指挥、控制、通讯、电脑、情报、监视、侦察) 　　

21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统（FBCB2） 作为美国陆军战斗指挥系统的一部分，FBCB2应用软件将在Applique+ V4型计算机上运行，构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统。FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官、战斗支援部队以及战斗服务支援部队提供在行进中、近实时的事态感知以及指挥和控制信息，使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队。

关于中国C4ISR系统的消息 消息来源声称这一系统的研制已经进行多年,有关的分系统目前已经部分进入中国军队服役.战区级别的C3I系统预计若干年之内全面建成. 规划之中的国家级C4ISR系统包括2个以上的海岸指挥作战中心下设若干海岸雷达,海岸火炮,声纳分系统并使用数据链同国家宇宙作战中心相连接。国家宇宙指挥作战中心又通过卫星同联合作战指挥中心,防空作战中心、陆军作战指挥中心等分系统衔接.整个大系统还包括两个以上的电子作战指挥中心.每个下设电子对抗,电子作战飞机,电子侦察,电子支援分中心.它又透过国家宇宙作战中心同防空指挥中心等衔接.在电子作战指挥中心之外,还设有一个雷达信息处理系统.下设电子侦察,防空雷达等分系统,并与战术防空系统联网.战术防空系统包括地对空导弹部队,防空雷达,国土防空战斗机等分系统.战术防空系统又通过宇宙作战中心同防空作战中心联网.

嵌入式系统热点应用 信息家电 车载系统 军事工业 医疗器械

信息家电应用特点 市场巨大 低成本要求 利润空间小 竞争激烈 人机界面友好 网络化

车载系统应用特点 与汽车工业相配套 利润空间较大 可靠性要求较高 无线通讯要求

军事工业应用特点 市场垄断性强 高利润 可靠性要求高 安全性要求高 成本要求不高

医疗行业应用特点 市场广阔，进入门槛较高 利润极高

3 嵌入式系统的发展趋势 高集成度 微处理器 微控制器 系统芯片 (SOC) 软硬件协同设计 成熟的设计流程

3.1 高集成度(1)

高集成度(2)

高集成度(3)

硬件潜力

设计能力

基于集成电路核的SOC设计

3.2 软硬件协同设计

3.3 设计流程

4 嵌入式软件技术发展现状与趋势 4.1近十年来，嵌入式操作系统发展飞速， 支持处理器不断丰富，功能不断增强。 嵌入式操作系统支持微处理器：芯片从8位到16位、32位甚至64位。从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的。支持强大的核外功能，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。未来五年，嵌入式操作系统内核向微型化、高可靠可信、强实时、构件组件化发展；支撑开发环境向集成化、可调试化、支持模型驱动设计发展；支持无线通信和能源管理功能将日益重要

4.2 行业性开放系统日趋流行；面向领域特制的嵌入式操作系统走向开放、标准规范化、平台化 行业嵌入式软件形成了不同行业的标准，例如中国手机软件联盟制定了手机API标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段，例如，欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准。

4.3自由开源的软件技术在嵌入式应用上尤其备受青睐，Linux渐成主流之一；以J2ME/JINI为代表的嵌入式技术将对嵌入式软件的发展产生深远影响。

4.4嵌入式软件的技术领域不断扩大并逐成体系 相关技术包括，实时系统，仿真工具，编译技术等，形成包括嵌入式操作系统、数据库、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。

4.5嵌入式软件与互联网、普适计算、SOC的结合趋势加剧 迅猛发展的SOC再次推进了嵌入式软件与硬件系统进一步融合嵌入，嵌入式软件是其的灵魂与核心。嵌入式IP构件库技术，正在造就一个新兴的软件行业。互联网的“深度”联网，“动态自组”的传感器网络，推动嵌入式技术与互联网技术的“深层次”结合。对具有无所不在、自适应、游牧的、永恒的普适计算的嵌入式软件研究，将成为极为重要领域

目前的中国嵌入式软件竞争格局尚不稳定，产业链亟待完善，主要表现为产品市场化低、分工体系不尽明确、产业链较为松散、以及产业分布的失衡

1.嵌入式操作系统 SOC将成趋势 组件化和可配置程度进一步提高 无线应用将得到更充分的支持 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展 开发可信实时的系统内核 Linux将成为开发嵌入式操作系统的重要支撑 面向应用、专用特制

2 嵌入式开发环境 开发工具的高度集成，功能完备，丰富的工具包和构件库。 可视化的界面友好的IDE环境 针对特定硬件、特定应用的优化方法 针对系统正确性、实时性和可靠性的评估和测定方法 提供面向行业应用的完整解决方案

3 嵌入式基础软件平台 嵌入式数据管理系统 中间件技术

4 嵌入式软件市场发展现状与趋势 全球嵌入式软件市场规模 中国嵌入式软件市场规模

市场趋势