《嵌入式系统原理》.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,课程名称：嵌入式系统原理,学时：,32,学时,从现实世界,获取信息,year,同产品交互,Mainframe,Minicomputer,Workstation,PC,Laptop,PDA,log(people per computer),数据存储,Basestation,Gateway,Sensor Patch,Patch,Network,Base-Remote Link,Data Service,Internet,Client Data Browsing,and Processing,Sensor Node,Transit Network,15,13,14,6,5,15,11,8,Mote Layout,12,9,Condition-Based,Maintenance,Intel,Research,环境监测,房屋测量,航空应用,讲授方式：讲与交流,内容来源：,专业基础,业界前言,科研总结,评测方式：作业,/,报告,课程基础：,*,数字电路,*计算机原理,*自动控制原理,*操作系统,*接口电路,*信息论,*算法与语言等课程,适合的听课对象：,*计算机、自动化、,*信息安全、电子,/,通讯类,硕士研究生,教材说明,嵌入式系统原理,以嵌入式系统为对象，对其涉及的,相关方面做了较为全面的讲解，从系统概念到五层结构,和数学模型，然后按照五层结构体系，分别讲解了硬件,体系、引导、属于中间件嵌入式操作系统和数据库、应,用编程和数据处理、系统测试，接着给出了系统的指标,体系和工程方法，最后采用本书给出的概念框架、模型、,体系架构、指标体系和评价方法对几大类嵌入式系统分,别有针对性的进行了分析，从而使读者能够在高层次全,面理解嵌入式系统的原理。

一、主要思想,1,嵌入式系统定义与分类方式,嵌入式系统作为概念并不是新词，大约二十多年前就已经有定义了，被学科和人们开始重视，应该也仅是近十几年的事情，但就“嵌入式系统”定义的角度，却发生了较大的分歧，由此对形成对系统评判和构造的方向性差异，也就是：,应用设备系统（本书中称作对象体系）中含有专用计算机系统,将专用计算机系统嵌入到应用设备系统中,这是方向的不同，本书中强调后者，即“将专用计算机系统嵌入到应用设备系统中”，但也不绝对否认前者，因为前者是很多单片机系统的构造方式，至今依旧是嵌入式系统中的重要组织方式，从这个角度，本书作为教材是兼收并蓄的，而不是学术极化本课程依据嵌入式系统的可靠性、实时、交换和可信四个主轴，为现存的嵌入式系统进行了全面的分类，因此为学生建立前面的嵌入式系统概念，建立了全局的基础，例如按照本书的划分，将,WinCE,系统划分为：可崩溃可交换非可信非实时系统，这样从类别的角度，可让学生清晰的建立全局观，客观的审视和评价周边的嵌入式系统这一点应该是本教材的突破，既屏蔽应用和商业带来的障碍，又提高了学习过程的感知和理解度2,系统结构层次,l,五层结构,按照常规的嵌入式系统层次分法，大都将嵌入式系统分为三层，即硬件,+,操作系统,+,应用，但本书中将系统细分为五层，主要思想来源于,PC,产业的细分，,PC,中的,BIOS(Basic Input Output System,基本输入,/,输出系统,),将,PC,的硬件制造和个人计算机系统分离，同时也将硬件和软件变化分离，由此可以保证系统的整体可靠性，书中强化了最小系统和驱动部分，并将操作系统的,UI(User interface,用户接口,),剥离；,l,裁减控制,关于内核的描述上，书中引入了层次结构下的模块式结构和插件式结构，明晰和强调了嵌入式系统的另一大特征,-,可裁剪性。

l,控制数学模型,在结构性分析的同时，课程中强调了工程控制论思想，明确了在嵌入式系统土壤中如何构造以精确控制为目标的控制数学模型3,评价体系,l,系统与平衡,对于嵌入式系统的评价，很难用绝对的方式进行衡量，就像人的健康状态，极化任何一个方面，都可能造成误导，因此建立嵌入式系统评价体系，从系统和平衡的着眼点进行考量；,l,过程与生存环境,评价应该包括嵌入式系统全过程，从系统的创建、设计、制造，到运行,/,维护和消亡，也因此形成了设计空间、制造空间、运维空间和用户空间的嵌入式系统环境概念，这是大多数教材和论著忽略的，但在本书中相对强化了该点，这些在本书封面上都有所体现；,l,系统制约与干扰,嵌入式系统不是孤立的，它与对象体系既息息相关，又有制约和干扰表达方式上，书中采用了蜘蛛图的方式进行，比较形象整体的评价体系充分的吸收了我国传统阴阳系统二元逻辑，多级对称的精髓，注重在很多方面强调了两极互补、互动的关系，比如硬件与软件、处理器和存储、程序与数据等，客观地定位了大多数人强化嵌入式操作系统和数据库的观点，将其定位为课程定义体系下的中间件，即在设计中，工程师希望他们越庞大越好，但在用户使用时，则希望其越瘦、越薄为好，否则在性能、可靠性、成本等方面都会受到影响。

4,工程方法,嵌入式系统的工程方法主要强调设计空间环节，以及与之密切相关的制造和维护空间l,时间指标量化,传统的控制和仪表系统，大都在时序控制和时间精细安排方面有着众多的原则和理论支撑，但在计算机系统中，软件编程人员往往淡化这一概念，真对于这一方面本书也安排了相关融合内容，来强调时间量化和时序的重要性,l,系统可裁减,系统配置和条件编译，无疑是裁减过程重要环节，但嵌入式系统的可裁减性应该体现在所有的环节、模块，为此本书从软件封装到硬件支撑等许多部分都安排了相关内容的讲解，来使读者了解相关的设计考虑l,系统整合,嵌入式系统整合是从事嵌入式系统设计人员必须具备的意识和能力，如,Motorola,发布的,A780,，基于嵌入式,linux,操作系统，整体就整合了十几家嵌入式软件产品，才形成了最终的用户产品，这意味了整合本身就需要很强的评判、界定和融合能力作为于裁减相对应的部分，这一概念也是本课程中强调的重点之一l,透明可测性设计,复杂系统性能和可靠性的保障，不完全靠认真，或者负责任，必须依靠合理有效的方法去保障，其中每个环节加入透明可测设计，是非常有效的，此类方法是故障隔离的前提，尽管在设计的初期会产生性能或用户体验的下降，但在系统成熟的过程中，优势会充分体现出来。

5,发展与变化,电子和,IT,领域中有一个重要的特点，就是变化快，思想和感悟难于沉淀，嵌入式系统同样难以逃离这样的规律，本书中试图将抽象的模型、体系判据和工程方法与具体的商业产品分开，减少变化引起的冲击；由于课程中主要采用了系统辩证的方法，去解释和阐述，使得该书作为教材具有较强的适应力，尽管如此也很难以书面的方式应对所有的问题，因此本书在出版的同时，也在南开大学嵌入式系统与信息安全实验室的网站上专门开辟了,嵌入式系统原理,论坛,（,http:/:8080/cgi-bin/leobbs.cgi,）,第一章 嵌入式系统历史与现代特征,本章从嵌入式系统的定义作为起点，以辩证与发展的观,点，在回顾嵌入式系统发展历史的基础上，指出嵌入式,系统发展中的特征和危机以帮助读者探究嵌入式系统,的全貌1.1,、嵌入式产品世界,1.2,、嵌入式系统与相关领域的历史,1.3,、危机与发展特征,1.4,、嵌入式系统定义,第二章 系统结构与模型,从系统论的角度出发，借助数学模型的工具，针对嵌入式,系统的宏观及微观问题进行讨论，在明确系统的五层结构,的基础上，给出了系统的物理和逻辑体系架构，并以此为,基础展开系统数学模型的讨论，在合理假设前提下，给出,了几种数学模型的建立方法 以及模型的使用，从而为后续,章节做好了系统分析的基础。

2.1,系统与系统思想,系统思想,系统结构的一些概念,2.2,系统五层结构模型,物理结构与逻辑结构,五层结构模型,各层的功能及指标,五层模型的应用与评价,2.3,模型建立,嵌入式系统模型定义,建模原则,建模方法与步骤,面向对象的建模过程,2.4,模型使用,结构化综合控制模型,对象化环模型,建模示例,第三章 系统硬件体系,硬件是嵌入式系统的基石，是五层结构的第一层，本章,以嵌入式系统的硬件为背景，对主要部件给予了客观的,分类和评判，尤其针对嵌入式处理器、存储器做了详述；,同时对于系统设计的基本问题，比如：时钟、总线、能,耗控制机理做了系统的讲解，最后给出了硬件体系的评,价方法，作为硬件整体裁剪的标准3,1,硬件体系框架,3,2,硬件系统元素,微处理器和指令系统,存储器,输入输出设备,通信与扩展接口,3,3,系统设计要素,时钟与总线,内存管理,看门狗技术,供电与能耗,3,4,硬件系统评价,常规指标,资源分配,电气功耗,可靠性和稳定性,第四章,最小系统：引导与驱动,引导是系统启动和运转的第一步，是系统从硬件走向系统软,件的开始，本章开始对计算机系统启动机理和主要类型做了,必要的讨论，在讲解系统中断、,I/O,、存储管理初始化的基,础上，给出了建立硬件与操作系统之间桥梁的引导层（,BIOS,）,式五层结构的第二层，并对该层存在的必要性给予了足够的,讲解，章中对引导层的内涵以,PC BIOS,为例进行了详述，同时,也以,UC-OS,和,Linux,为例进行了验证性说明。

4.1,引导层建立,引导部分,驱动部分,4.1.3BIOS,4.2,引导模式,非片内引导,片内引导,4.3,中断、,I/O,、,MMU,初始化,中断初始化,4.3.2 I/O,初始化,4.3.3 MMU,初始化,4.4,驱动部分（,BSP,）的设计,4.4.1 BSP,的设计开发,4.4.2 BSP,与,BIOS,4.5,运行举例,最小系统,4.5.2WinCE,4.5.4 PC DOS,第五章 中间件：嵌入式操作系统与数据库,中间件从使用对象的角度，希望此环节越薄，越小越好，但是从系统设,计和延续的角度它是非常重要或者说是致命的环节，这是嵌入式系统的,第三层和第四层，目前研究和产业界有着众多的开源和商业化操作系统,和数据库，如何裂解这些对象抽象出基本的框架用以识别、分析判断以,及在嵌入式系统设计中，正确的使用它们，将是本章讲解和讨论的重点，,裂解的第一步是将操作系统的内核和,SUI,分开，,OS,内核是系统的第三层，,从其结构的角度，层次和微内和是两种主流结构，但从使用的角度实时,系统又是不可缺少的主题，因此将这三种内核机理都以例证的角度进行,了讲解，,SUI,是嵌入式系统结构的第四层，从机理的角度可分解为文本,式和图形式，在图形中由分为,X-windows,和？；实时操作系统完全是从,整体系统时域指标为第一指标的角度设计的系统，软实时和硬实时是重,要的两种类别；,嵌入式数据库可以认为是,SUI,并架的第四层结构，本章从现代嵌入式系,统特征的角度分析和讲解了，在嵌入式系统环境下数据快速处理和交换,问题。

本章的最后给出了嵌入式操作系统的三维评判原则5.1,嵌入式操作系统,操作系统体系结构,实时特性,操作系统裁剪,嵌入式操作系统评测,5.2,用户接口（,UI,）,的定义,的发展历程,嵌入式,UI,的结构特点,嵌入式,UI,设计原则,5.3,嵌入式数据库,定 义,作用与应用特性,设计要求,嵌入式移动数据库,嵌入式本地数据库,第六章 应用编程与数据处理,应用编程是嵌入式系统结构的第五层，与使用对象的接触,最近，如何保证应用程序、数据的开放和兼容性是目前整,个行业和学科面临的基础问题，本章以嵌入式系统设计涉,及的三种基本语言（汇编、,C,和,JAVA,）为例，讲解了应用,编程和数据处理的主要问题；本章的另外一个主题是工程,测试，测试是从设计开始的，测试贯穿着始终，与第七章,的指标域评价体系有明显的区别6.1,程序与数据评价,程序与数据,信息的表现,开放性,兼容性,6.2,汇编与,C,汇编语言,语言,汇编与,C,嵌入式编程举例,6.3 Java,体系结构,6.3.2JVM,标准与规范,与,C,混合编程,嵌入式编程举例,与,XML,6.4.1.NET,战略,6。