嵌入式系统毕业论文讲课教案.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。嵌入式系统毕业论文-摘要随着电子技术飞速发展和我国传统产业结构升级的加速人们对设备越来越高用需求已无法满足当前和未来高性能的应用与发展需求。同时激烈的市场竞争和技术竞争要求产品的开发周期越来越短显然嵌入式系统的软、硬件技术和开发手段正日益受到重视成为各领域技术创新的重要基础。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。嵌入式是以应用为中心以计算机技术为基础软硬件可裁剪适应应用系统对
2、功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点因此随着消费家电的智能化和廉价微处理器的出现嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。嵌入式就业广泛嵌入式人才社会需求量大。论文内容条理清楚本着嵌入式控制系统的概况开发应用的撰写思路分三章逐步展开。第一章概况详细地介绍了嵌入式控制系统的定义、框架、特点、发展历程、现状、前景第二章嵌入式控制系统的开发主要论述了开发的步骤与方法第三章嵌入式控制系统的应用,结合实例论述了嵌入式控制系统的实际应用服务大众生活。作为这些研究成果的应用本文在最后总结系统的各方面能力和分析存在的问题为进一步的研究
3、提供了方向和宝贵的经验。关键词电子技术嵌入式系统控制计算机集成系统目录第1章嵌入式控制系统的概况11.1嵌入式系统的定义11.2嵌入式系统的框架11.3嵌入式系统的特点31.3.1非实时系统特性41.3.2实时性系统的特性41.3.3嵌入式的特点41.4嵌入式系统的发展历程61.4.1始于微型机时代的嵌入式应用61.4.2现代计算机技术的两大分支61.4.3两大分支发展的里程碑事件71.5嵌入式系统的现状71.5.1嵌入式系统的含义及分类71.5.2嵌入式系统工业的特点81.6嵌入式系统的前景10第2章嵌入式控制系统的开发122.1嵌入式系统的开发步骤122.1.1嵌入式两种开发122.1.2
4、嵌入式系统开发生命周期122.1.3嵌入式系统的一般开发步骤122.2嵌入式系统的开发方法132.2.1嵌入式的组成132.2.2嵌入式的软件结构142.2.3嵌入式的开发方法152.2.4嵌入式软件开发的优点152.2.5嵌入式软件开发的缺点16第3章嵌入式控制系统的应用173.1嵌入式的市场介绍173.2嵌入式的应用183.2.1嵌入式系统的两种应用模式183.2.2嵌入式开发的实例19参考文献21致谢22第1章嵌入式控制系统的概况1.1嵌入式系统的定义嵌入式系统的英文叫做EmbeddedSystem是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统的定义是“嵌入式
5、系统是以应用为中心以计算机技术为基础并且软硬件可剪裁适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器但是功能比通用计算机专门化具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。嵌入式系统一般指非PC系统有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心软硬件可裁减的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点特别适合于要求实时
6、和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成它是可独立工作的“器件”。一、根据IEEE国际电子电气工程师协会的定义Devicesusedtocontrolmonitor、orassisttheoperationofequipment、machineryorplants.中文如下嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体还可以涵盖机械等附属装置。二、目前国内一个普遍被认同的定义是以应用为中心、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
7、计算机系统。三、软件巨头微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能、或是使用某特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。嵌入式系统是区别与第一类常见的计算机的第二类计算设备它是嵌入式到其他系统中的。嵌入式系统以其占用资源少、专用性强、功耗低的特点使其广泛应用在移动通信、工业生产、安全监控等领域。以其在性能、体积及功耗等方面的优势在智能家居领域得到越来越广泛的应用。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪
8、器等1.2嵌入式系统的框架嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分在MCU微控制器产品上像瑞萨Renesas、飞思卡尔Freescale、NEC都拥有自己的专有IP核而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。目前采用ARM技术智能财产IP核心的处理器即我们通常所说的ARM处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场。BSP可以实现硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从高到低的过程。尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用而是在系统
9、初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是BSP设计与开发中另一个非常关键的环节。在多嵌入式系统中每个嵌入式系统都与现实世界保持紧密接触其计算状态密切跟踪外部环境状态。系统根据环境变化遵循协作机制进行自主调整对外部环境和内部结构的变化能够做出灵活的反应。借鉴嵌入式Internet和分布式系统进程交图一互的实现思想提出了面向普适计算的多嵌入式系统构架在这个系统构架中通过中间件技术屏蔽多嵌入式系统的异构性和网络协议的差异性。依据任务的复杂性和各嵌入式系统的当前状态进行嵌入式系统动态的加入和退出
10、操作形成动态和开放的构架模型。嵌入式系统的构架如图图1-1嵌入式系统的硬件结构图1-2嵌入式系统的软件结构所示图二图1-2嵌入式系统的软件架构1.3 嵌入式系统的特点由于嵌入系统由硬件和软件两大部分组所以可以从硬件和软件进行介绍。从硬件方面来讲各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种流行体系结构包括MCUMPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势其中从单片机、DSP到FPGA有若各式各样的品种上速度越来越快性能越来越强价
11、格也越来越低。目前嵌入式处理的寻址空间可以从64KB到16MB处理速度最快可以达到2000MIPS,封装从个引脚到144个引脚个不等。从软件方面划分主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类硬实时系统和软实时系统。实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的可以来严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务会导致系统的全面失败则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中虽然响应时间同样重要但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的
12、控制芯片而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如WindowsCE就是一个多任备置分时系统而Ucos-II则是典型的实时操作系统。当然除了上述分类之外还有许多其他分类方法比如从应用方面分为工业应用和消费电子等在这里就不一一累述了。1.3.1非实时系统特性微控制嵌入式系统的设计挑战是使嵌入式系统的独特性能与设备的特殊约束条件相一致。以下是一些嵌入式系统的重要特性一、特殊应用系统嵌入式系统不同于通用处理器它针对特殊应用进行了优化。二、反应性系统反应性计算的意思是系统(主要是软件部分)根据传感器信息对环境作出响应并利用激励器控制环境同时系统速度能与环境速度同步。三、分布式嵌入式系统的
13、一般特征是多个通信进程在多个通过通信链路链接的CPU或ASIC上运行。四、异类性不同的嵌入式系统一般具有不同的结构以便在处理严格设计约束的嵌入式系统时能够提供更好的设计便利性。五、苛刻环境许多嵌入式系统并不工作在受控的环境中因此它们必须能够经受过热、振动、冲击、电源波动和其它恶劣的物理环境条件的考验。六、系统安全性和可靠性由于嵌入式系统复杂度和运算量的不断增长需要更多地考虑系统安全因素。七、小型化、重量轻为了达到便携目的许多嵌入式系统的重量必须设计得很轻。八、成本敏感性不同的嵌入式系统对成本的敏感性有很大的不同。1.3.2实时性系统的特性实时系统要求在外部环境指定的时间间隔内对来自环境的激励信
14、号作出响应(包括物理时间的过渡)。从输入时间到输出时间的延迟必须足够小以满足可以接受的时间值。通常实时系统需要对环境作出连续及时的响应。一般有反应式和嵌入式两种类型。反应式实时系统会与环境发生连续的互作用而嵌入式实时系统主要用于控制大型系统中安装的特殊硬件1.3.3嵌入式的特点嵌入式系统被定义为: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。嵌入式系统的核
15、心是嵌入式微处理器嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯.诺依曼体系或哈佛体系结构指令系统可以选用精简指令系统RedycedInstryctionSetComputer,RISC和复杂指令系统CISC(ComplexinstructionSetComputer,CISC)。RSIC计算机在通道中只包含最有用的指令。确保数据通道快速执行每一条指令从而提高了执行效率并使用CPU硬件结构设计变得更
16、为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系统即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总宽度或集成了不同的外设和接口。据不完全统计目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种体系结构有30多个系列其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是没有一种嵌入式微处理器可以主导市场仅以32位的产品而言就有100种以的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点一、对实时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心的执行时间减少到最低限度。具有功能很强的存储区保护功能
17、。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存储区保护功能同时也有利于软件诊断。二、可扩展的处理器结构以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器必须功耗很低尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池的嵌入式系统更是如此如需要功耗只有nW甚至uW级。而嵌入式系统的重要特征则是如下一、系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的系统资源相对有限所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统内核只有5K而Windows的内核简直没有可比性。二、专用性强。嵌入式系统的个性化很强其中的软件
18、系统和硬件的结合非常紧密一般要针对硬件进行系统的移植即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务往往需要对系统进行较大更改程序的编译下载要和系统相结合这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。三、系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应软件的明显区分不要求其功能设计及实现上过于复杂这样一方面利于控制系统成本同时也利于实现系统安全。高实时性的系统软件OS是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存领教以提高速度软件代码要求高质量和高可靠性。四、嵌入软件开发要想走向标准化就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运
19、行但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口用户必须自行选配RTOS(Real-TimeOperationSystem)开发平台这样才能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。五、嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力即使调设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的必须有一套开发工具和环境才能进行开发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。开发时往往有主机和目标机的概念主机用于程序的开发目标机作为最后的执行机开发时需要交替结合进行。目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外,
20、大量存在的是8位和16位的嵌入式微控制器(MCU),嵌入式系统是计算机应用的另一种形态,正如前所述它与通用计算机应用不同:嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。常见的嵌入式系统有16种:Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX、Rtems、QNX、INTEGRITY、OSE、CExecutive。1.4嵌入式系统的发展历程目前在嵌入式系统应用领域中但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的
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