物联网与嵌入式系统

嵌入式系统概述
1.什么是嵌入式系统 2. 嵌入式系统的体系结构 3 .嵌入式操作系统 4.嵌入式系统的设计与开发流程
智能机器人
基于Win CE的移动机器人平台
基于RTLinux的仿人机器人
高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通
操作系统的概念和分类 操作系统（Operating System，OS）是管理电脑 硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核 。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5 个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、 存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常见的 操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、 Windows、Netware等。 根据应用领域来划分，可分为桌面操作系统、服务器 操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统；
（3）网络层 网络层是核心承载网络，承担物联网接 入层与应用层之间的数据通信任务。它主要 包括现行的通信网络，如2G、3G/B3G、4G移 动通信网，或者是互联网、WiFi、WiMAX、无 线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、企业专用网等。
（4）应用层 应用层由各种应用服务器组成（包括数据库服务器 ），主要功能包括对采集数据的汇聚、转换、分析，以及 用户层呈现的适配和事件触发等。对于信息采集，由于从 末梢节点获取了大量原始数据，且这些原始数据对于用户 来说只有经过转换、筛选、分析处理后才有实际价值。这 些应用服务器根据用户的呈现设备完成信息呈现的适配， 并根据用户的设置触发相关的通告信息。同时当需要完成 对末梢节点控制时，应用层还能完成控制指令生成和指令 下发控制。 应用层要为用户提供物联网应用UI接口，包括用户设备 （如PC、手机）、客户端浏览器等。 除此之外，应用层还包括物联网管理中心、信息中心等 利用下一代互联网的能力对海量数据进行智能处理的云计 算功能。
Flash 内
SRAM
看门狗及 复位电路
电源管理
GPIO
IIS USB LCD ADC/DAC
处理器/ARM核
Timer/RTC CAN 以太网 DMA
MMU/Cache
DSP/浮点运算协处理器
FPGA/CPLD
UART和IrDA
输 入 输 出 接 口
/
人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标
典型的嵌入式系统组成
嵌入式操作系统介绍
基于VXworks的火星探路者
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种 嵌入式实时操作系统(RTOS)，在当前市场占有率最高的嵌入式实 时操作系统,具有良好的持续发展能力。 强实时操作系统。
几种代表性嵌入式操作系统比较 VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种 嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关 键组成部分。 VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务 间通讯；微秒级的中断处理；支持POSIX 1003．1b实时扩展标准 ；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的， 价格一般都比较高，通常需花费10万元人民币以上才能建起一个 可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外收取版税。一般不 通供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统， 需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维 护成本都非常高。支持的硬件数量有限。
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事件发生时要识别出来
在给定时间约束内必须输出结果
实时操作系统必须有以下特征： –多任务 –有线程优先级 –多种中断级别
硬实时系统： – 系统对系统响应时间有严格的要求如果系统响应时 间不能满足就会引起系统崩溃或致命的错误。
软实时系统：
– 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，它并不会导致系统出现致命的错误或崩 溃。
感知层
信息感知采集:条码识读器、RFID读 写器、传感器、视频摄像头等
物联网体系结构示意图
（1）感知层 感知层主要功能是信息感知与采集，主要包 括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器 、摄像头、各种传感器、视频摄像头等。如 温度感应器、声音感应器、振动感应器、压 力感应器等，完成物联网应用的数据感知和 设施控制。
基于VXworks的火星探路者
2004年“勇气号”再次登陆火星
一些典型的嵌入式系统应用实例
goReader Internet eBook
Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes
Samsung AnyWeb Internet Screen Phone
eRemote Intelligent Home Controller
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。 嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：
(1) 对实时多任务有很强的支持能力。
(2) 具有功能很强的存储区保护功能。
(3) 可扩展的处理器结构。
(4) 嵌入式微处理器必须功耗很低。
与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一 些特点。
(1) 体积小。
–通信设备（如RS-232接口、SPI接口、以太网接口等）
–显示设备（如显示屏等） 与普通计算机硬件不同之处：硬件可裁剪
通用计算机系统与嵌入式系统对比
3.嵌入式操作系统的分类：
非实时 操作系统 嵌入式 操作系统 实时 操作系统 软实时 操作系统 硬实时 操作系统
实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应 的系统。响应时间要有保证。 对外部事件的响应包括：
开源
可移植是类UNIX操作系统。最初是由Linus Torvalds于 1991年在基于Intel80386处理器的IBM兼容机上开发的 操作系统。出现在二十世纪九十年代，在短短的十几年 的时间里发展成为功能强大，设计完善的操作系统。源 程序可以在/下载。 Linux有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流的 硬件设备与技术。嵌入式Linux能够固化在容量只有几 KB或者几MB的存储芯片或者微控制器中，Linux包含了 现代的UNIX操作系统的所有功能特性，这些功能包括多 任务、虚拟内存、虚拟文件系统、SVR4进程间通信、对 称多处理器（SMP）、多用户支持等功能。
几种代表性嵌入式操作系统比较 μ C/OS-Ⅱ
μ C/OS-Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式 应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处 理器（DSP）。它是在原版本μ C/OS的基础上做了重大改进 与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时 内核的实例。它的主要特点如下：
基于Win CE的机器人装配平台
几种代表性嵌入式操作系统比较
Windows CE Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是Windows CE推广的一大优势。其中，WinCE是一种针对小容量、移动式 、智能化、32位、了解设备的模块化实时嵌人式操作系统。 它是从整体上为有限资源平台设计的多线程、完整优先权、 多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到 专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基 本内核需要至少200KB的ROM。 从技术角度上讲，Windows CE作为嵌入式操作系统有很多的 缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定 制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和Windows一样 占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不 得不考虑的因素。
嵌入式Internet应用
嵌入式应用——汽车电子
汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络
VOLVO(沃尔沃) S80汽车的CAN总线网络
嵌入式系统的定义
根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机 器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是 软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。
嵌入式Linux操作系统的应用领域：
手机、PDA 数字相机、数字电视机 、数码相机 VCD/DVD音响设备、可 视电话 家庭网络设备 洗衣机、电冰箱 智能玩具
（4）高实时性OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存 储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 （5）嵌入式系统开发需要开发工具和环境（交叉开发环境）
嵌入式系统的组成
嵌入式系统硬件组成 嵌入式处理器（CPU）
–是嵌入式系统的核心部分
外围设备 –存储设备（如RAM、SRAM、Flash等）
(2)实时性。
(3)特殊的开发调试环境。
2.嵌入式系统的组成
应用软件
嵌入式操作系统
硬件设备 嵌入式处理器 外围设备
嵌入式系统结构简图
应用层
应用程序 文件系统/图形用户应用程序接口 实时操作系统（RTOS） 设备驱动程序、HAL、BSP SOC/SOPC
OS层
驱动层
软件
硬件
EEPROM SDRAM 存
物联网与嵌入式系统
物联网体系概述
一种实用的层次性物联网体系结构
应用及控制:浏览器、各类用户移动 终端（如手机）、信息管理中心（编 码、认证、授权、计费）、数据库、 应用层 计算能力集等
网络层
核心承载网络：3G/B3G、4G网 络、WiFi、WiMAX、互联网等
接入层
接入网：汇聚节点、接入网关、 M2M终端、末梢网络，以及分布 式数据融合与处理等
一般定义
“以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。”
定义上可从几方面来理解嵌入式系统： ◆ 嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的 专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减 利用。 ◆ 嵌入式系统具有高实时性和高可靠性。 ◆ 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪 ，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等 要求。
（2）接入层 接入层由基站节点或汇聚节点（Sink）和接入网关 （Access Gateway）等组成，完成末梢各节点的组网 控制和数据融合、汇聚，或完成向末梢节点下发信息 的转发等功能。也就是在末梢节点之间完成组网后， 如果末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节 点，基站节点收到数据后，通过接入网关完成和承载 网络的连接；当应用层需要下传数据时，接入网关收 到承载网络的数据后，由基站节点将数据发送给末梢 节点，从而完成末梢节点与承载网络之间的信息转发 和交互。 接入层的功能主要由传感网(指由大量各类传感器节 点组成的自治网络)来承担。
公开源代码，容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件 平台上； 可移植性，大部分源代码是用C语言写的，便于移植到其他 微处理器； 可固化； 可裁剪性，有选择的使用系统服务，以减少斗所需的存储 空间；
基于Linux的仿人机器人 Linux由UNIX 操作系统发展而来，它的内核由网络上 组织松散的黑客队伍一起从零开始编写而成。
嵌入式系统的几个重要特征：
（1）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，所以操作系统内核较之传统的操作系统要小得多。 （２）专用性强
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和 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。 （３）系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明 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。