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嵌入式系统概论-1-简介

时间:2022-08-29 05:00:01 嵌入式传感器节点1s10芯连接器

Lec01-嵌入式系统概论

1. 计算机开发阶段

  1. 从长远来看,PC计算机和计算机工作站将衰落,计算机将小型化,并变得无处不在 —— 无处不在的计算机

2. 嵌入式系统

  1. 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的快速发展,人们进入后PC时代,后PC时代是一个嵌入式系统Embedded System在网络时代,嵌入式技术将主宰PC时代。
  2. "嵌入式系统"实际上是"嵌入式计算机系统"的简称。
  3. 以下是对嵌入式系统的不同定义

2.1. IEEE的定义

  1. 用于嵌入式系统机器和设备的装置控制、监控或辅助操作
  2. 嵌入式系统是软件和硬件的综合体,也可以覆盖机电等辅助设备。

2.2. 国内的定义

  1. 嵌入式系统是以应用为中心,基于计算机技术,软硬件可以减少,适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的特殊计算机系统
    1. 嵌入式设备用于特定设备
    2. 以计算机技术为基础,必须有计算机技术
    3. 软硬件可切割:确认特殊设备的特点,切割不必要的设备
  2. 嵌入式系统是隐藏在某些设备中的计算机软硬件集合体,具有特定的功能或用途,没有固定的特征形状。
  3. 嵌入式系统不是设备,而是生产过程,而是生产过程

2.3. 其他的定义

  1. 用户无法编程看不见的计算机, 它有一些特殊的I/O设备, 应用程序专用于用户界面。
  2. 嵌入式系统是一种计算机系统,包含在一些较大的设备或产品中,旨在为设备提供服务监视和控制服务。
  3. 包括可编程计算机,但它本身包括可编程计算机不打算用作通用计算机任何设备。
  4. 计算机应用系统包含计算机,但不是通用计算机。

2.4. 嵌入式系统三要素

  1. 嵌入:嵌入式,嵌入对象系统,对对象环境有要求
  2. 专用:专用型,软硬件按对象要求设计切割
  3. 计算机:实现对象的智能功能

2.5. 嵌入式系统示例

2.5.1. 无线感知网络

  1. 无线感知网络是由许多分布在空间中的自动设备组成的无线通信计算机网络。
  2. 这些装置使用传感器来监测不同位置的物理或环境条件(如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。
  3. 无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。目前,无线传感器网络已应用于环境生态监测、健康监测、家庭自动化、交通控制等许多民用领域。
  4. 特点:低功耗、低成本

绿色是(数据)收集节点,相当于网关,具有一定的计算能力和存储能力。

2.5.2. 传感器

  1. 传感器:将非电信号转换为电信号,用于感知和测量外部世界,并将其转换为计算机可测量的电信号。如温度、湿度、pH值传感器等。
  2. 传感器内部有计算单元,类似于计算机CPU
  3. 一定要有电源管理,包括软硬件,否则设备工作时间会比较短。

2.5.3. 物联网(IOT)

  1. 物联网IoT车辆(又称物理设备)"连接设备"和"智能设备"),建筑物等嵌入式电子设备、软件、传感器、执行器和网络的互联网 连接使这些对象能够收集和交换数据。
  2. RFID,工业标签:用来识别和标识物体

2.6. 网络物理系统

  1. 网络物理系统(CPS,Cyber-physical System)它是一种与互联网及其用户紧密集成的基于计算机算法控制或监控的机制。
  2. 各种信息技术的深度融合:传感、嵌入式计算、云计算、网络通信和软件(3)C:计算-Computer、通信-Communication和控制-Control)实现生产应用系统自主、智能、动态、系统地监控和改变物理世界的特征,具有高度的协调和自主性。

3. 通用计算机:可见计算机

4. 嵌入式系统应用

  1. 工控设备
  2. 军用电子设备
  3. 航天/航空
  4. 汽车电子
  5. 信息家电
  6. 通信
  7. 智能玩具
  8. 可穿戴
  9. 更多场景,见PPT-lecture1

5. 嵌入式系统的发展过程

6. 由嵌入式系统组成

  1. 嵌入式系统式系统组成嵌入式硬件和软件组成
  2. 硬件以微处理?专用于核心集成存储器和系统输入/输出设备
  3. 软件包括:初始式操作系统和应用程序等等,这些软件有机地结合在一起,形成特定的系统集成软件。
  • 中间件:ROS
  • 执行器:电机、电机

7. 嵌入式系统的特点

  1. 嵌入式系统通常是各种形式,面向特定应用
  2. 获得嵌入式系统各种处理器和处理器系统结构的支持
  3. 嵌入式系统通常非常关注成本
  4. 有嵌入式系统实时性和可靠性的要求
  5. 嵌入式系统中使用的操作系统通常是适用于各种处理器,可切割,轻量级,实时可靠,可固化嵌入式操作系统
  6. 需要开发嵌入式系统特殊工具和方法

7.1. 各种形式,面向特定应用

  1. 一般用于特定任务,必须高效设计听力和软件,量身定做,消除冗余,而通用计算机是通用计算平台。
  2. 它通常都有能耗低,体积小,集成度高其他特点可以在芯片内集成通用微处理器中由板卡完成的许多任务。
  3. 嵌入式软件是应用程序和操作系统的集成程序。

7.2. 处理器和处理器的系统结构有多种类型

  1. 通用计算机采用少数处理器类型和系统结构,主要掌握在少数大公司手中。
  2. 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器系统结构,可选择数千种嵌入式微处理器和数十种嵌入式微处理器系统结构。
  3. 嵌入式微处理器产业链,IP特定嵌入式微处理器的设计和芯片的制造形成了巨大的产业。分工协作,形成多赢模式。

7.3. 关注成本

  1. 嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本,特别是数量消费数字产品,其成本是产品竞争的关键因素。
  2. 嵌入式系统的成本包括:
    1. 一次性开发成本:NRE(Non-Recurring Engineering)成本
    2. 产品成本:硬件BOM、外壳包装、软件版税等
    3. 批量产品的总成本 = NRE成本 每个产品的成本 * 产品总量
    4. 每个产品的最后成本 = 总成本/产品总量 = NRE成本/产品总量 每个产品的成本/li>

7.4. 实时性和可靠性的要求

  1. 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统。
  2. 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求,软件一般是固化运⾏或直接加载到内存中运⾏,具有快速启动的功能。
  3. 嵌入式系统⼀般要求具有出错处理和自动复位功能,特别是对于⼀些在极端环境下运⾏的嵌入式系统⽽⾔,其可靠性设计尤其重要。
  4. 在⼤多数嵌入式系统的软件中⼀般都包括⼀些机制,⽐如硬件的看门狗定时器,软件的内存保护和重启动机制。

7.5. 适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统

  1. 由于嵌入式系统应⽤的特点,像嵌入式微处理器⼀样,嵌入式操作系统也是多姿多彩的。
  2. ⼤多数商业嵌入式操作系统可同时⽀持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应⽤的情况进⾏剪裁、配置。
  3. 嵌入式操作系统规模⼩,所需的资源有限如内核规模在⼏⼗KB,能与应⽤软件⼀样固化运⾏。
  4. ⼀般包括⼀个实时内核,其调度算法⼀般采⽤基于优先级的可抢占的调度算法。
  5. ⾼可靠嵌入式操作系统:时、空、数据隔离。

7.6. 开发需要专门工具和特殊方法

  1. 由于嵌入式系统资源有限,⼀般不具备⾃主开发能⼒,产品发布后⽤户通常也不能对其中的软件进⾏修改,必须有⼀套专⻔的开发环境。
  2. 该开发环境包括专⻔的开发⼯具(包括设计、编译、调试、测试等⼯具),采⽤交叉开发的⽅式进⾏。

8. 嵌入式系统的分类

  1. 按嵌入式处理器的位数来分类
  2. 按应用来分类
  3. 按速度分类
  4. 按确定性来分类
  5. 按嵌入式系统软件复杂程度来分类

8.1. 按嵌入式处理器的位数来分类

  1. 4位嵌入式系统:大量应用
  2. 8位嵌入式系统:大量应用
  3. 16位嵌入式系统:大量应用
  4. 32位嵌入式系统:正成为主流发展趋势
  5. 64位嵌入式系统:高度复杂的、高速的嵌入式系统已经开始采用

8.2. 按应用来分类

8.3. 按速度分类

  1. 强实时系统, 其系统响应时间在毫秒或微秒级。
  2. ⼀般实时系统, 其系统响应时间在⼏秒的数量级上,其实时性的要求⽐强实时系统要差⼀些。
  3. 弱实时系统, 其系统响应时间约为数⼗秒或更⻓。这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重⽽变化。

8.4. 按确定性来分类

  1. 根据确定性的强弱,可将嵌入式系统分为硬实时、软实时系统:
    1. 硬实时:系统对系统响应时间有严格的要求,如果系统响应时间不能满⾜,就要引起系统崩溃或致命的错误。
    2. 软实时:系统对系统响应时间有要求,但是如果系统响应时间不能满⾜,不会导致系统出现致命的错误或崩溃。
  2. 这个是很重要的

8.5. 按嵌入式系统软件复杂程度来分类

  1. 循环轮询系统
  2. 有限状态机系统
  3. 前后台系统
  4. 单处理器多任务系统
  5. 多处理器多任务系统

8.6. 最近的发展趋势

  1. 嵌入式人工智能
  2. 安全
  3. 持续提高的计算需求和复杂度要求:机顶盒中的多媒体处理,HDTV,多核,深度学习
  4. 持续的网络
  5. 对于灵活性需求的不断提高:不断变化的标准下的上市时间
  6. HW-SW共同设计
  7. 更高的集成度:同一芯片上有更多块
  8. IP重用,基于平台的设计,NoC与 总线
    1. ⽤于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块
  9. 设计方法的多样性,依赖平台,缺乏标准
  10. cloud, edge computing
  11. TTM:跳票

8.7. 嵌入式人工智能

  1. 嵌入式人工智能于各⾏业垂直领域应⽤具有巨⼤的潜⼒
  2. 嵌入式人工智能取代屏幕成为新UI / UX接⼝
  3. 嵌入式人工智能芯⽚
  4. 嵌入式人工智能⾃主学习是终极⽬标

8.8. 嵌入式系统安全

  1. 数据存储不安全
  2. 服务端控制措施部署不当
  3. 传输过程中没有加密
  4. 身份认证措施不当
  5. 密钥保护措施不当
  6. 会话处理不当
  7. 敏感数据泄漏

8.9. System-on-Chip (SoC) 片上系统

  1. SoC指将电子系统的所有组件集成到单个芯片中(促使这种集成的动机是什么):
    1. 微处理器,微控制器,DSP
    2. ASIC’s, FPGA’s
    3. 内存,IO涉笔,A / D和D / C转换器
    4. 模拟,混合信号,RF模块,稳压器
  2. 通信基础设施:基于总线的片上网络(NoC)。
  3. 系统级设计(自动化)以及同时优化众多设计指标是关键挑战。
  4. SoC是一个复杂的嵌入式系统。

8.10. 集成度不断提高:复杂的嵌入式系统-> SoC

9. 互联的价值

  1. 嵌入式设备的互联性可提⾼对各种服务、内容和信息的访问能力
  2. 为动态修改嵌入式软件提供了可能,如:
    1. 修改系统代码或"固件"
    2. 增添新的应⽤软件模块
  3. 增强了系统和设备的可管理性
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