嵌入式系统及其原理复习重点笔记

计算机的发展

第一代——电子管计算机（1946—1954年）

内存延迟线或磁芯
外存纸带、卡片或磁带
工作速度几千～一万次／秒
软件机器语言或汇编语言
应用科学计算
代表机型 ENIAC
特点体积庞大，运算速度低，成本高

第二代——晶体管计算机（1954—1964年）

物理元件晶体管
内存磁芯
外存磁带或磁盘
工作速度几十万次／秒
软件高级算法语言
应用事务管理及工业控制
代表机型 IBM 7000 系列
优点体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高

第三代——集成电路计算机（1964—1970年）

物理元件中小规模集成电路（硅）
内存半导体存储器
外存磁带或磁盘
工作速度几十万～几百万次/秒
软件高级算法语言、操作系统
应用计算、管理及控制
代表机型 IBM System /360
优点体积更小、速度更快、能耗更小、寿命更长
发展特点计算机设计出现了标准化、通用化、系列化的局面

第四代——大规模集成电路计算机（1970年至今）

物理元件（超）大规模集成电路
内存半导体存储器
外存磁盘和光盘
工作速度几百万以上／秒
软件操作系统和应用软件
应用以计算机网络为特征

1 嵌入式系统概述

提纲：
在这里插入图片描述

嵌入式系统定义

IEEE定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置
（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

（将通用计算机上使用的技术和观念用到嵌入式系统中，如计算机体系结构、操作系统、数据库、计算机网络等）

嵌入式系统与桌面通用系统的区别

嵌入式系统中运行的任务是专用而确定的
心脏监视器只需运行信号输入、信号处理、心电图显示任务
如要更改任务，需要对整个系统进行重新设计或在线维护
桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序
对系统中运行的程序不作假设
程序升级、更新等方便
嵌入式系统往往对实时性提出较高的要求。
实时系统：指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务。（POSIX 1003.b）

嵌入式实时系统可分为：

强实时型：响应时间μs～ms级；
一般实时：响应时间ms～s级；
弱实时型：响应时间s级以上。

嵌入式系统中使用的操作系统一般是实时操作系统。
嵌入式系统运行需要高可靠性保障，比桌面系统的故障容忍能力弱很多
嵌入式系统需要忍受长时间、无人值守条件下的运行
嵌入式系统运行的环境恶劣
嵌入式系统大都有功耗约束
如：珍贵文物微气象环境监测，要求1分钟采样一次，每个采样节点采用电池供电，1年更新一次。采用常规的方法，能量只能持续工作5天！
引入间歇工作方式，从而降低功耗，节省能量。
WSN（无线传感网）节点一般能工作1-2年。
嵌入式系统比桌面通用系统可用资源少得多
为降低系统成本，降低功耗，嵌入式系统的资源配置遵循够用就行！
因此早年的嵌入式系统的主题是“裁剪”，随着集成化模块化趋势，目前某些领域的嵌入式系统，如刀片式路由器，其可用资源接近甚至超过桌面通用系统
嵌入式系统的开发需要专用工具和特殊方法
- 开发：交叉编译、交叉链接
- 调试：仿真器、虚拟机
- 更新：在线升级等
嵌入式系统开发是一项综合的计算机应用技术
- 系统结构：状态控制器、中断控制器处理
- 汇编语言：操纵外围设备、端口
- 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥
- 编译原理：交叉编译、bootloader加载

嵌入式系统的发展历程

嵌入式系统出现于20世纪70年代，40多年来随着计算机技术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。

嵌入式系统的出现和兴起

第一代电子管计算机(1946～1957年)，无法满足嵌入式计算所要求的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。
60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用：
第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研制的多功能数字分析器(Verdan)。
1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。
1965～1970年，第三代集成电路化计算机系统应用：
第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号
第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号。

嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善

嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：
- 1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel 4004。
  人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运算器了，只需以微处理器为基础进行设计。
  1976年，第一个单片机Intel 8048出现。
  1982年，第一个DSP出现，比同期的CPU快10～50倍。
  80年代后期，第三代DSP芯片出现。
软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善：
- 早期嵌入式系统：采用汇编语言，基本不采用操作系统
- 硬件的提升
- 软件技术发展

嵌入式系统应用走向纵深化发展

应用充分普及：工业控制、数字化通讯、数字化家电
汽车：50个以上嵌入式微处理器
飞机：70个以上嵌入式系统
嵌入式微处理器32位、64位、128位
嵌入式实时操作系统使用比率越来越高
早期：10％；90年代初：30％；目前：80～90％
嵌入式系统开发工具越来越丰富
嵌入式系统产业链形成

嵌入式系统的发展历程

嵌入式系统发展的四个阶段
- 无操作系统阶段（1970－1979）
- 简单操作系统阶段（1980－1989）
- 实时操作系统阶段（1990－1999）
- 面向Internet阶段（2000－至今）

无操作系统阶段

最初的应用是基于单片机的，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。
主要特点是：
系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。
由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。

这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上“系统”的概念。

简单操作系统阶段

20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，IC制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI(超大规模集成电路)中，制造面向I/O设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。
主要特点是：
出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU(如PowerPC等)
各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。

实时操作系统阶段

20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统(RTOS)，并开始成为嵌入式系统的主流。
主要特点是：
操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化特点和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面(GUI)等功能，并提供了大量的应用程序接口(API)，从而使得应用软件的开发变得更加简单。

面向Internet阶段

21世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Intenet之外，随着Intenet的进一步发展，以及Intenet技术与信息家电、工业控制技术等日益紧密的结合，嵌入式设备与Intenet的结合才是嵌入式技术的真正未来。
机遇和挑战
在更多的生产和生活中要应用信息技术，其中就会需要越来越多的嵌入式系统，当然，也为嵌入式系统的实现提出了新的挑战。