嵌入式-第1章资料

1、嵌入式系统(xtng)原理与设计主讲(zhjing)：倪秋芬电话五十九页 参考(cnko)教材:ARM嵌入式系统基础教程-周立功 共五十九页 1、电子技术基础（模、数）2、微机原理(yunl)及接口技术3、C程序设计预备(ybi)知识共五十九页 嵌入式系统(xtng)的定义嵌入式系统(xtng)概述 硬件基础 应用领域 嵌入式技术的发展趋势1243共五十九页一、嵌入式系统(xtng)的定义发展历史嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经(y jing)有了近30年的发展历史，它是硬件

2、和软件交替发展的双螺旋式发展。第一款微处理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。 共五十九页1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括(boku)任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存

3、管理等功能。随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PS/OS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux、Lynx、uC/OS、Nucleus，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。 共五十九页IEEE定义(dngy) 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式

4、系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器(j q)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。 共五十九页一般(ybn)定义 “以应用为中心、以计算机技术为基础、软件(run jin)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。”共五十九页通俗(tn s)定义：嵌入到对象体系(tx)内部的专用计算机系统，称为嵌入式系统。共

5、五十九页嵌入式系统(xtng)的几个重要特征（1）系统(xtng)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，所以内核较之传统的操作系统要小得多。共五十九页（）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。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全(wnqun)不同的概念。 共五十九页（）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，

6、这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（）高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，而且(r qi)软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 共五十九页（5）嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须(bx)自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。共五十九页（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，

7、用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合(hnh)信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 共五十九页嵌入式系统(xtng)与PC之间的区别嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障(gzhng)带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具共五十九页典型(di

8、nxng)嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设共五十九页典型嵌入式系统基本组成(z chn)软件处理器存储器输入(shr)输出操作系统应用程序软件结构硬件结构共五十九页嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。 硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。 软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用(yngyng)程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用(yngyng)程序编程与硬件的交互作用。共

9、五十九页 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。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，能完成多任务并且(bngqi)有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m

10、W甚至W级。 共五十九页嵌入式处理器 嵌入式处理器可编程片上系统SOPC嵌入式片上系统SOC嵌入式微处理器MPU嵌入式数字信号处理器DSP嵌入式微控制器MCU共五十九页从单片机、DSP到FPGA，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强，价格越来越低。嵌入式微控制器（MicroController Unit,MCU） 总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。嵌入式微控制器的典型代表就是单片机。嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor,DSP) 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构

11、和指令算法方面进行了特殊设计(shj)，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。 共五十九页嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit,MPU） MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，其中ARM/StrongARM是专为手持设备开发的嵌入式处理器，属于中档的价位。嵌入式片上系统（System on Chip，SOC） 它是IC设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系

12、统成本，极大地提高系统的性能价格比。 SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。嵌入式可编程片上系统（System on Chip，SOPC） 它是一种特殊的嵌入式系统:首先它是片上系统(SOC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减(cijin)、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。共五十九页 SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量(rngling)片内高速RAM资源； 丰富的IP Core资源可

13、供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和FPGA编程接口； 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。共五十九页SOPC的技术内容 SOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的软件设计技术、以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPC还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于SOPC的主要逻辑(lu j)设计是在可编程逻辑(lu j)器件内部进行，而BGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的

14、软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如Xilinx公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILA就是一种价廉物美的片内实时调试工具。共五十九页SOPC的前景(qinjng) SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当(xingdng)昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。SOPC被称为“半导体产业的未来”。共五十九页实时操作系统 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成(wn chng)实

15、时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。共五十九页系统响应时间（System response time）：系统发出处理要求，到系统给出应答信号的时间。任务(rn wu)切换时间（Context-switching time）：任务之间切换而使用的时间。中断延迟（Interrupt latency）：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中断服务程序的时间。共五十九页冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC(Complex Instruction Set Computer)与RISC(Reduced Instruction Set Computer)影

16、响CPU性能的因素存储器系统(xtng)I/O接口二、硬件(yn jin)基础共五十九页冯诺依曼体系结构模型(mxng)指令寄存器控制器数据通道输入(shr)输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2共五十九页指令(zhlng)的执行周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令(zhlng)译码（Instruction Decode）：TD3）执行指令（Instruction Execute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS共五十九页冯诺依曼体系(tx)的特点1）数据与指令都存储在存

17、储器中2）被大多数计算机所采用(ciyng)3）ARM7冯诺依曼体系共五十九页哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入(shr)输出(shch)中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据共五十九页哈佛体系结构的特点(tdin)1）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字(shz)信号处理4）大多数DSP都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构共五十九页CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式大多数程序(chngx)只使用少量的指令就能够运行8

18、/2原则：80%的程序只使用20%的指令RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用(yu yn)的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单 共五十九页CISC与RISC的数据通道IFIDREGALUMEM开始(kish)退出(tuch)IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道取指指令译码取指指令译码CISC：RISC：共五十九页输入输出接口(ji ku)1）I/O2）A/D、D/A3）键盘(jinpn)4）LED、LCD5）存储器接口6）设备接口共五十九页三、应用领域社会经济的发展产生了

19、一些新的需求，同时促进了嵌入式技术的广泛应用中国正在成为(chngwi)世界制造大国，在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都有嵌入式系统的应用共五十九页嵌入式技术(jsh)刺激了许多新的应用需求嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生 信息家电、医疗(ylio)电子病历、微小型智能武器消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络共五十九页工业控制(kngzh) 工业设备是机电产品中最大一类过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测(jin c)、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片

20、机。 随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。共五十九页嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页信息家电 只有按钮、开关的电器显然(xinrn)已经不能满足人们的日常需求。 具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。信息家电将成为(chngwi)嵌入式系统最大的应用领域。共五十九页嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页消费类电子(dinz)智能玩具、手持通讯的核心嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页交通管理、环境监测(hun jn jin

21、 c)交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品(chnpn)进入了普通百姓的家庭水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。加油站、停车场管理嵌入式系统的应用领域共五十九页嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页智能(zh nn)玩具与机器人嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页嵌入式Internet应用(yngyng)嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页军事国防(gufng)领域嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九页航天(hngtin)领域嵌入式系统(xtng)的应用领域共五十九

22、页宏观方面发展趋势： 经济性（几十万、几万、5千、5百）计算机要很便宜，让更多的人能买得起； 小型化（笔记本、PDA）人们携带方便； 可靠性（汽车VCD，挑动问题）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行； 高速度（飞机刹车(sh ch)系统）能够迅速地完成数据计算或数据传输； 智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）使人们用起来更习惯，对人们更有价值。四、嵌入式技术(jsh)的发展趋势共五十九页芯片方面SOC芯片技术能降低电子产品成本的速度，就连当代电子学革命之父，2000年诺贝尔物理奖得者杰克基尔比也没有想到，他在1959年发明的芯片技术，会将电子产品的成本降低到了百分之一的地步

23、。难怪尽管发展芯片技术的耗资是惊人的巨大，发达国家还是(hi shi)力争在芯片技术的竞争中要永远保持领先的地位，以便能主宰世界信息技术的发展。嵌入式系统(xtng)技术发展趋势共五十九页嵌入式系统(xtng)技术发展趋势嵌入式软件行业的标准目前，嵌入式操作系统没有国际标准，有些行业已经开始定义其相关的行业标准，如汽车电子OSEK等。向微内核方向发展（PS/2 微通道，PCI、ISA）八十年代后期，国外提供了微内核（Microkernel）的思想，即将传统操作系统中的许多共性的东西抽象出来，构成操作系统的公共基础，真正具体的操作系统功能(gngnng)则由构造在微内核之外的服务器实现。实时多任务操作系统与开发工具微小型个人数据库高可靠性的无线信息传输多