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1、1第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术主要内容n6.1 引言n6.2 嵌入式系统牢靠性设计n6.3 嵌入式系统平安性设计n6.4 嵌入式系统低功耗设计n6.5 嵌入式系统分析与优化2第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.1 引言n嵌入式系统设计是一个困难的问题n计算机软硬件学问n电路分析、电子技术、数字逻辑、计算机原理n汇编/C/C+、操作系统、编译原理、软件工程n专业领域学问nMP3/MP4：MP3/MP4解码算法n手机：信号处理、通信工程n工程阅历积累n发觉问题、分析问题、解决问题3第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.
2、2 嵌入式系统牢靠性设计n1 概述n2 元器件的牢靠性n3 电磁兼容性设计n4 软件牢靠性设计n5 系统级的牢靠性设计n6 故障检测技术4第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述n嵌入式系统通常被应用到恶劣的工作环境中n高/低温、高湿、猛烈振动、电磁干扰n是投入好用化的一个必定设计要求n基本思想n构造一个正常的工作环境n容错、补救措施n牢靠性的定义n产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的实力5第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n牢靠性的性能指标n牢靠度n是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为Rn失效率（
3、故障率）n是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，一般记为n平均无故障间隔时间MTBFn平均修复时间MTTR6第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 元器件的牢靠性n常用电子元器件的选择n电阻器的选择与运用n电容器的选择与运用n电感器的选择与运用n半导体分立器件的选择与运用n数字集成电路的选择与运用n模拟集成电路的选择与运用7第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 元器件的牢靠性（续）n系统设计中电子元器件牢靠性措施n元器件的选择n元器件的老化n元器件的筛选n降额运用n容差与漂移设计（鲁棒设计Robust）n人为因素8第六部
4、分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计n电磁兼容性nEMCElectroMagnetic Compatibilityn是指电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI）n抗外界的干扰要求产品对外界的电磁干扰具有确定的承受实力n对外界的干扰要求产品在正常运行过程中，该产品对四周环境产生的电磁干扰不能超过确定的限度9第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）n电源电路的抗干扰措施n电源中的干扰来源n电源中的抗干扰措施n设计抗干扰性能好的电路n数字电路部分n模拟电路部分n克服信号传输过程
5、中的干扰n削减串（差）模干扰n削减共模干扰10第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）n接地n信号地模拟地、数字地、功率地n平安地机壳地n滤波、去耦及屏蔽n滤波、去耦、屏蔽n静电及其防护（ESD）n静电的产生n静电的危害n静电的防护11第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 电磁兼容性设计（续）nPCB牢靠性n高速信号传输引起严峻问题n恶劣的工作环境更加重问题n电源电路中的抗干扰措施n高频信号和器件n布局布线引起的问题n热效应n信号反射、辐射、串扰12第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术4 软件牢靠性设计n软
6、件的牢靠性n软件故障n软件牢靠性指标n软件错误的来源n软件工程与管理n软件工程的开发模式n嵌入式系统的软件开发n软件牢靠性管理13第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术4 软件牢靠性设计（续）n软件的牢靠性设计n依据软件工程规范要求开发软件n接受软件滤波方法n检错及纠错编码n软件容错技术n软件可维护性及软件牢靠性模型n软件可维护性设计n软件牢靠性模型14第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级牢靠性设计n系统的牢靠性模型n串联系统的牢靠性模型n串联系统是组成系统的全部单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统n并联系统的牢靠性模型n并联系统是组
7、成系统的全部单元都失效时才失效的系统n混合系统的牢靠性模型n是由串联和并联混合组成的系统15第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级牢靠性设计（续）n系统的牢靠性模型n冷备份系统的牢靠性模型nn个完全相同部件的冷备份系统（待机备份系统），转换开关为志向开关，只要一个部件正常，则系统正常n表决系统的牢靠性模型n在组成系统的n个单元中，不失效的单元不少于k（k介于1和n之间），系统就不会失效的系统，又称为k/n系统16第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级牢靠性设计（续）n牢靠性的预估n由一批有阅历人员按该产品困难程度与已知牢靠性的产品类比
8、评分给定n牢靠性的安排n原则：技术水平、困难程度、重要程度、任务状况 n方法：等安排法、再安排法、比例安排法、综合评分安排法、动态规划安排法 n牢靠性设计的具体措施n冗余设计n抗环境影响设计17第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术5 系统级牢靠性设计（续）n典型双工系统n双工系统n冗余技术实现整个系统的牢靠性n两个独立子系统n同源输入、独立处理、比较结果n两个独立子系统同时失效的概率较小18第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术19第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6 故障检测技术n嵌入式系统的脱机自检n指令系统自检nRAM、R
9、OM、外设及接口的自检n嵌入式系统的在线故障检测n程序监视器、状态反馈n检错及纠错编码n超时故障检测n直流电机接口的在线检测n瞬时掉电爱护20第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.3 嵌入式系统平安性设计n1、嵌入式系统面临严峻的平安挑战n2、硬件平安n3、软件平安n4、平安与可信21第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1、嵌入式系统面临严峻的平安挑战n端设备性能逐步强大，削减信息交换，提高效率n平安、私有信息逐步转移到端设备中n端设备不具有可控性，简洁遗失、被盗、n设计者很难考虑到全部的平安隐患n端设备在设计时，应当充分考虑到恶劣的攻击环境n硬件
10、被攻击、软件被攻击、通信被攻击、服务器端被攻击22第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2、硬件平安n硬件可能被剖析、仿制、破坏n潜在的硬件缺陷一旦被发觉，很难通过“打补丁”方式修正n硬件攻击更简洁实现n一台数字示波器n一个读卡器n硬件在设计时应尽可能考虑平安问题，有补救措施n宁可报废，也不泄露23第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3、软件平安n软件由于困难度问题，难以解除全部漏洞n建立确定的制度，定期发布补丁n运用协助工具完成漏洞排查n难以修补的底层问题，应借助硬件完成24第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术4、平安与可信n如
11、何建立一个可以信任的计算环境？n硬件可以信任？不被Hack？n软件可以信任？n通信可以信任？n服务可以信任？n如何保证信任的传递？n从理论上保证信任可以传递：从硬件-软件-应用-服务n加密技术、完整性验证nTPC25第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.4 嵌入式系统低功耗设计n1 概述n2 硬件低功耗设计n3 软件低功耗设计26第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述n低功耗设计成为热点n电池供电延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销n手机、MP3、MP4、数码相机、数码摄像机n降低电磁干扰系统的功耗越低，电磁辐射
12、的能量越小，对其它设备造成的干扰越小n平安须要例如工业现场总线设备的本安（本质平安）要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗27第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n低功耗设计构成n系统设计、硬件设计、软件设计、器件的工艺设计n器件的工艺设计n主要由半导体器件厂家来完成n嵌入式系统的应用设计人员只须要关切器件的功耗指标n嵌入式系统低功耗设计的核心n集中于系统的硬件、软件以及它们之间的协作方面28第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术1 概述（续）n功耗产生的缘由n集成电路的功耗包括静态功耗和动态功耗两部分n静态功耗电路状态没有翻转
13、时产生的功耗n静态功耗：Ps=V*In动态功耗电路状态发生翻转时产生的功耗n动态功耗：Pd=V2*f*CnV为工作电压，f为时钟频率，C为负载电容n目前大多数电路接受CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽视，起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗主要从降低动态功耗入手 29第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计n低功耗器件n尽量选用CMOS系列电路n选用低功耗的嵌入式处理器n处理器是嵌入式系统的硬件核心，功耗比较大n选择低功耗的外围电路n未用输入端不要悬空n悬空的输入端可能存在的感应信号造成凹凸电平的转换，转换器件的功耗很大n尽量接受输出为高的原则n输出电流小，
14、输入电流大30第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n低功耗电路形式n完成同样的功能，电路的实现形式有多种n例如，可以利用分立元件、小规模集成电路、大规模集成电路甚至单片实现n擅长利用CPLD、FPGA构成数字电路n运用的元器件的数量越少，系统的功耗越低n尽量运用集成度高的器件，削减电路中运用的元件的个数，削减整机的功耗31第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n单电源、低电压供电n一些模拟电路如运算放大器等，供电方式有正负电源和单电源两种n双电源供电可以供应对地输出的信号，但电源设计困难，功耗大n高电源电
15、压可以供应大的动态范围，缺点是功耗大n例如低功耗运放LM324，单电源电压n当电源电压为15V时，功耗约为220mWn当电源电压为10V时，功耗约为90mWn当电源电压为5V时，功耗约为15mW32第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n电源管理单元设计n处理器全速工作时功耗最大，待机状态时功耗比较小n常见的待机方式有两种n空闲方式（idle）nCPU停止工作，I/O接口电路工作n通过中断的发生退出，中断可以由外部事务供应n掉电方式（shutdown）nCPU、I/O接口电路停止工作，中断也不响应n须要进入复位才能退出掉电方式33第六部分第六部分 嵌
16、入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n降低或动态变更处理器的时钟频率n处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功耗越高n例如：时钟频率32.768kHz、3V工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作电流只有15An在很多低功耗的场合，接受低速晶振实现低功耗特别有效n可以动态变更处理器的时钟以降低系统的总功耗nCPU空闲时降低时钟频率nCPU处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行34第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术2 硬件低功耗设计（续）n降低持续工作电流n在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工
17、作时期不消耗电流n例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗35第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计 n编译低功耗优化技术n编译技术降低系统功耗是基于这样的事实n对于实现同样的功能，不同的软件算法消耗的时间不同、运用的指令不同，因而消耗的功率不同n目前的软件编译优化方式有多种n基于代码长度优化，基于执行时间优化等n基于功耗的优化方法目前很少，仍处于探讨中n假如利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系统开发），可以有意识地选择消
18、耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗36第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n硬件软化与软件硬化n硬件电路确定消耗功率n可以削减系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如很多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等n软件处理须要时间n处理器须要消耗功率，特殊是处理大量数据的时候，须要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率n系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，须要综合计算设计37第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n削减处理器的工作时间n软件设计降低系统
19、功耗的关键n尽量削减CPU的全速运行时间，使CPU较长地处于空闲方式或掉电方式n事务驱动的程序设计方法n在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成信息或数据的处理，然后进入空闲或掉电方式n在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒38第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n接受快速算法n数字信号处理中的运算，接受如FFT和快速卷积等，可以大量节约运算时间，从而削减功耗n在精度允许的状况下，运用简洁函数代替困难函数作近似，也是削减功耗的一种方法n通信中尽量提高通信速率n在多机通信中，尽量提高传送的波特率n发送、接收均
20、应接受中断处理方式，而不接受查询方式39第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n数据采集系统中降低采集速率n在测量和限制系统中，数据采集部分的设计需依据实际状况，不要只顾提高采样率n模数转换时功耗较大，过高的采样速率会导致功耗大n为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗CPU的时间和功耗40第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术3 软件低功耗设计（续）n显示器静态/动态显示n嵌入式系统的显示方式有两种：静态显示和动态显示n动态显示n电路简洁，须要CPU限制显示的刷新，会消耗确定的功耗n静态显示n电路困难，虽然电路消耗确定的功率，假
21、如接受低功耗电路和高亮度显示器可以得到很低的功耗n进行系统设计时，接受静态显示还是动态显示，须要依据运用的电路进行计算以选择合适的方案 41第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术6.5 嵌入式系统分析与优化n一、程序执行功耗的分析与优化n二、程序代码大小的分析与优化n三、程序执行时间的分析与优化42第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术一、程序执行功耗的分析与优化n须要精密的测量仪器、测量方法n通过模拟获知的功耗信息一般具有较大的误差n功耗还与负载状况有关系43第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术二、程序代码大小的分析与优化n运用压缩技术完成对程序代码大小的压缩nCISC的优势n运用困难指令，功能强的指令n密集指令集n动态指令压缩技术nVLIW的尴尬44第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术三、程序执行时间的分析与优化n关键语句执行时间的分析与优化n函数执行时间的分析与优化n实时性分析45第六部分第六部分 嵌入式系统的高级嵌入式系统的高级技术技术n全课程到此结束！