Pengju 嵌入式系统设计与应用第一章绪论西安交通大学电信学院任鹏举

Size: px

Start display at page:

Download "Pengju 嵌入式系统设计与应用第一章绪论西安交通大学电信学院任鹏举"

晏元
4 years ago
Views:

1 嵌入式系统设计与应用第一章绪论西安交通大学电信学院任鹏举

2 自我介绍任鹏举副教授博导主要研究领域 : 认知计算架构 + 机器学习联系方式 :pengjuren@xjtu.edu.cn

3 课程要求面向自动化专业的高年级本科生自动化和信息专业的学生为什么要学嵌入式系统? 前期课程要求数字逻辑 ( 数字电子技术 ) 微机原理 ( 计算机组成 ) C 程序语言 3

4 教学用书 Wayne Wolf, 嵌入式计算系统设计原理机械工业出版社, 第三版,2014 年 4

什么是嵌入式计算系统? An embedded system is a computer system with a dedicated function within a larger mechanical or electrical system, often with real-time computing constraints.

5 什么是嵌入式计算系统? An embedded system is a computer system with a dedicated function within a larger mechanical or electrical system, often with real-time computing constraints. It is embedded as part of a complete device often including hardware and mechanical parts. Embedded systems control many devices in common use today. Ninety-eight percent of all microprocessors are manufactured as components of embedded systems.

6 什么是嵌入式计算系统? 国内普遍认同的嵌入式系统定义为 : 以应用为中心, 以计算机技术为基础, 软硬件可裁剪, 适应应用系统对功能可靠性成本体积功耗等严格要求的专用计算机系统 PC 本身不是嵌入式系统嵌入式系统的典型范例智能手机数字电视汽车打印机电冰箱可穿戴设备 6

7 什么是嵌入式计算系统?

8 什么是嵌入式计算系统?

10 什么是嵌入式计算系统?

11 什么是嵌入式计算系统?

12 什么是嵌入式计算系统?

13 什么是嵌入式计算系统?

14 国家战略 2015 年, 国务院印发中国制造 2025, 其中强调深化互联网在制造领域的应用发展基于互联网的个性化定制加快开展物联网技术研发和应用示范日前, 国务院颁布的十三五国家战略性新兴产业发展规划中也明确实施网络强国战略, 加快建设数字中国, 推动物联网云计算和人工智能等技术向各行业全面融合渗透, 构建万物互联融合创新智能协同安全可控的新一代信息技术产业体系

第一台计算机 Difference engine Charles Babbage 于 1822-1832 年之间研究设计计算到印刷全自动化, 使用

15 第一台计算机 Difference engine Charles Babbage 于年之间研究设计计算到印刷全自动化, 使用 25,000 个零件, 组合成为一部重 4 吨的计算机英国政府出资, 共支出了 17,500 差分机 (Difference engine) 15

16 第一台电子计算机 ENIAC 二次世界大战末, 美国陆军委托宾州大学, 以电子计算机来计算弹道资料,1946 年完成人类第一台电子计算机包含了个真空管, 重量达 27 吨, 耗资 50 万美元 16

17 第一台嵌入式系统 Apollo Guidance Computer 第一台被公认的现代嵌入式计算机是 :1960s 年代由 MIT 开发的 AGC(16bits) 用于阿波罗登月计划的引导系统, 用于太空飞船的引导导航和控制 17

18 第一颗晶体管 18

19 第一块集成电路 19

20 第一颗商用微处理器 Intel 4004 嵌入式处理器 : 计算器, 可编程, 单芯片集成计算机所有逻辑 20

21 单核微处理器的顶峰 21

22 四核处理器 Itanium 22

23 八核处理器 Xeon 23

24 The Future: Processor becomes a Transistor? Intel 48 cores single chip cloud computing 24

25 半导体技术推动计算机飞速发展 Prehistory: Generations 1 st Tubes 2 nd Transistors 3 rd Integrated Circuits 4 th VLSI. 5 th Nanotubes? Optical? Quantum? Discrete advances in each generation Faster, smaller, more reliable, easier to utilize Modern computing: Moore s Law Continuous advance, fairly homogeneous technology 25

26 The Moore s Law 摩尔定律 Cramming More Components onto Integrated Circuits Gordon Moore, Electronics, 1965 # on transistors on cost-effective integrated circuit double every 18 months 26

27 存储器成本下降 27

28 存储器成本下降 28

29 当代计算机系统的分类桌面计算机 Desktop computer 服务器 Server 嵌入式计算机 Embedded computer 仓库规模计算机 Warehouse-scale computer 29

30 1981 年最高性能的便携计算机 30

31 1983 年的移动电话 31

32 我们的手机 32

33 Warehouse-scale computer Facebook 每天处理来自全球的 3.5 亿张照片 45 亿个赞和 100 亿条消息, 这意味着 Facebook 需要为此配备难以置信的巨大的技术基础设施 33

34 应用驱动计算 Google s Goggles The nature of applications also changed! 34

35 互连驱动计算 Internet of Things Cloud Computing Big Data 35

36 智能车 & 车联网 36

37 智能家居 37

38 微处理器按字长分类 8 位微处理器 :8051 单片机 16 位微处理器 :MSP430 单片机 32 位微处理器高性能微处理器, 用于构建复杂电子系统, 一般运行嵌入式操作系统 ARM MIPS TI DSP 一辆宝马车中有超过 100 颗微处理器! 38

39 嵌入式计算系统的特点功能复杂复杂的算法丰富的用户接口截止时限问题 (deadline) 实时性多速率成本控制制造成本功耗与能耗嵌入式系统一般由小规模团队在有限的时间开发, 便于软硬件的调试和修改 39

40 嵌入式微处理器 PK ASIC&FPGA ASIC: 专用集成电路, 为特定用户或特定电子系统开发的集成电路特点 : 专用性, 成本低, 性能高, 功耗低, 可编程能力差 FPGA: 现场可编程门阵列, 是一种半定制集成电路特点 : 一定的通用性, 具备一定的可编程能力, 功耗和成本适中, 性能较高微处理器 : 依靠指令级编程的通用处理器特点 : 通用性, 可编程能力强, 性能一般, 功耗和成本较高 40

41 为何不使用 PC? 物理空间限制实时性能的需求低功耗和低成本移动终端 41

42 网络物理系统信息 ( 网络 ) 物理系统 :Cyber-physical systems, 是一个结合了物理设备, 并用计算机来控制这些设备的系统计算是一个物理行为 : 计算需要时间, 需要消耗能源 42

43 软件物理 (Physics of Software) 嵌入式系统硬件提供计算和控制的基础平台, 软件的性能和能耗也是非常重要的特性软件的优化和效率决定系统的性能软件的优化和效率决定系统的成本软件的优化和效率决定系统的能耗即使是软件工程师, 也需要了解嵌入式硬件, 这样才能编写高效的嵌入式软件软件的重要性! 43

44 嵌入式计算系统设计的挑战需要多少硬件? 如何满足截止时限? 如何将系统的功耗减至最小? 如何设计以保证系统可升级? 它们是否能工作? 测试复杂可视性和可控制性有限开发环境受限 44

45 电池容量挑战在过去, 电池供电量每年以约 10% 或 11% 的幅度增长 ; 遗憾的是, 它与摩尔定律很不匹配在未来, 我们只能寄希望于新的硅合金或碳纳米管材料来保持 11% 的增长速度 <35 倍!!! 45

46 嵌入式计算的性能通用计算对性能的概念比较模糊嵌入式计算必须满足截止时限 (Deadline), 实时性是嵌入式计算的核心需要工具需要遵循代码风格, 利于分析 Multiproc essor Task Program Platform CPU 46

47 嵌入式系统的设计过程设计方法学使我们对所做的工作进度有清楚的了解允许我们开发计算机辅助设计工具方便设计团队中的成员之间相互交流成本性能功耗自顶向下设计需求规格说明体系结构组件系统集成自底向上设计 47

48 嵌入式系统的设计过程需求 1. 需求功能需求 functional requirement 非功能需求 nonfunctional requirement 性能成本生产成本不可再生的工程成本 (NRE,Non-Recurring Engineering) 物理尺寸和重量功耗 48

49 需求表格名称目的输入输出功能性能生产成本功耗物理尺寸和重量 49

50 GPS 移动地图系统的需求分析功能性 : 用户接口 : 性能 : 成本 : 物理尺寸和重量 : 功耗 : 用户当前位置用户所在的经纬度位置 50

51 GPS 移动地图的需求表格名称 GPS 移动地图目的输入输出为驾驶员提供的用户级移动地图一个电源按钮, 两个控制按钮背光 LCD 显示器 400x600 功能使用 5 种接收器的 GPS 系统 ; 三种用户可选分辨率 ; 总是显示当前的经纬度性能移动时,0.25 秒即可更新一次屏幕生产成本 30 美元 ( 销售价四五倍于商品的成本 ) 功耗物理尺寸和重量 100mW 不大于 2 英寸 x16 英寸,12 盎司 51

52 规格说明规格说明必须小心编写, 以便精确地反映客户的需求并且作为设计时必须明确遵循的要求规格说明应该易于理解且清晰, 以便别人可以验证它是否符合系统需求并且完全满足客户的期望 GPS 系统的规格说明 : 从 GPS 卫星接收到的数据地图数据用户接口满足客户需求的必须操作保持系统运行所需的后备动作, 如操作 GPS 接收器 52

53 体系结构设计 GPS 接收器搜索引擎绘图器显示器数据库用户接口 53

54 体系结构设计硬件与软件硬件组件 CPU GPS 接收器存储器显示屏电路板设计软件组件地形数据库嵌入式软件编程 54

55 导航系统 SoC 芯片发展 55

56 导航 SoC 系统框图 56

57 系统集成系统集成过程中通常可以发现错误按阶段组装系统和相对独立地测试系统功能嵌入式系统使用的调试工具比在桌面系统中用到的工具有限得多确定系统为何不能正确的工作以及如何进行修复是一种挑战! 57

58 系统集成 - 复杂设计

59 高端汽车导航系统 HITACHI 59

60 高端汽车导航系统需求分析 60

61 图像识别处理的需求 61

62 Self-driving Car Still has a long way to go e.g. Traffic Infrastructure, Legal issue, Computing capability

63 图像识别计算的功耗增长 63

64 图像识别处理的流程与框图 64

65 IoT 典型系统示例新京张高铁项目实际工程需求, 由于地下水位较高 ( 近官厅水库 ), 为了保障施工建设的顺利进行, 拟实施水位控制及远程监控的信息自动化解决方案

66 IoT 典型系统 - 需求表格名称目的输入输出功能性能生产成本功耗物理尺寸和重量

67 IoT 典型系统需求分析 1 隧道长度约 5 公里, 隧道开挖宽度约米, 基坑两侧设置间隔 6 米的双排降水井, 每个降水井配置电箱一台, 水泵一台, 自动控制系统一套水泵的工作启停状态根据降水井内水位的相对位置进行自动控制 : 2 除水泵工作状态根据水位进行自动化启停外, 还应当对于水泵的工作状态进行实时监测, 并将水位与警戒线和安全线的相对信息水泵启停工作状态水泵故障等信息传送到监控室, 维护人员可根据实时监控信息及时的精确维护 3 除实时监测外, 主机端服务器还具备数据库管理功能, 可以生成降水井工作情况周报月报和季报的数据统计信息, 方便系统维护 4 降水系统具备可复用性, 当单降水面实施结束后, 可以通过控制结点的重新布置, 子网重组, 网络拓扑结构调整等方式, 快速的部署在新的降水工作面达到系统可复用的目标

68 IoT 典型系统 - 方案设计 380AC-32A 三相五线制电机 (380AC-32A) Zigbee for Local Wireless Network A B C N( 零线 ) PE( 地线 ) 接触器 NC1(50Z)-AC3 2G/3G/4G 移动网络 DTU 100 个降水井构成一个局域网络 2G/3G/4G 移动网络 DTU 100 个降水井构成一个局域网络 2G/3G/4G 移动网络 DTU 100 个降水井构成一个局域网络降水井开关电源 NYK1-D AC- 5V(2.2A) -24V(1A) 24.0V(1A) 5.0V LM V 继电器 JZX-22F STM32F103 (ARM) 系统网络上液位传感器 ( 开关 ) PCB board Zigbee 下液位传感器 ( 开关 ) 水泵单降水井节点手机终端终端监控室

69 IoT 典型系统 -ARM 控制电路

70 IoT 典型系统 -ARM+Zigbee+GRPS

71 IoT 典型系统 - 单点解决方案部署

72 IoT 典型系统 - 基于数据库的 Web 开发

73 嵌入式系统设计方法从知识结构的要求 : 计算机组成 / 微机原理操作系统数字电路编程语言数据结构和算法 ; 软件工程 / 软件测试 ; 开发平台等 ; 从应用角度讲 : 内核驱动中间件 ; 通讯协议 ; 音视频技术 ; 信息安全 ; 行业知识等 ; 73

F4

DOI:10.3969/j.issn.1009-6868.2016.01.002 网络出版地址 :http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1228.tn.20151117.1506.006.html Challenges and Countermeasures of Network Space Security 周延森 /ZHOU Yansen 周琳娜

Pengju 嵌入式系统设计与应用 第一章绪论 西安交通大学电信学院 任鹏举

Pengju 嵌入式系统设计与应用第一章绪论西安交通大学电信学院任鹏举