嵌入式系统基础知识班

1、嵌入式系统基础知识班第1页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三第一章 嵌入式系统基础知识1-1 嵌入式系统概述1-2 嵌入式系统开发流程内容提要:第2页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三1-1 嵌入式系统概述一般定义嵌入式系统是将计算机直接嵌入至应用系统中，是信息技术IT的最终产品，可以创新出各种新型的应用产品。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视

2、或管理等功能。第3页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统第4页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三嵌入式处理器嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU） 嵌入式微处理器可谓是通用计算机中CPU的微缩版。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 嵌入式微控制器(Microc

3、ontroller Unit, MCU)嵌入式微控制器的最大特点是单片化，常称为单片机。内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。第5页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Proces

4、sor, EDSP)DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 嵌入式片上系统 片上系统（SoC）需要使用硬件描述语言，综合时序设计，直接在器件库中调用各种通用IP内核，通过仿真后进行生产。SoC将在声音、图像、影视、网络等应用领域发挥重要作用。第6页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三一、什么是单片机（嵌入式微控制器：embedded microcontroller）单片机就是单片微型计算机(Single-Chip Microcom

5、puter)。微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成:运算器输入设备输出设备控制器存储器第7页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：多板机 主板显卡声卡存储器接口网卡输入输出接口内存条CPU第8页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三CPUCPU芯片内存条存储器接口存储器芯片输入输出接口输入输出接口芯片定时计数器芯片A/D、D/A芯片单板机 印刷电路板第9页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 单 硅 晶 片 CPU存储器控制电路定时器时钟电路I / O口单片机在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机

6、存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器计数器、中断控制器以及串行和并行IO接口等功能部件，构成一个完整的微型计算机。第10页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 三种应用形态的比较 ：单板机单片机系统机（多板机）第11页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三实际讲述以9S12DG128为主第12页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（1）体积小，重量轻；（2）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强；（3）控制功能强，使用灵活，性价比高；（4）易扩展，易于开发；（5）受集成度限制，片内存储器容量较小。单片机是应工业测控的需要而诞生的,它

7、的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。单片机特点：第13页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三以单片机为核心的应用系统广泛应用于：信息家电类移动终端类通信类汽车电子类工业控制类第14页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三二、单片机系统的组成?第15页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三CPU（中央处理单元） CPU（Central Processing Unit）。它是单片机的核心部件，包括运算器和控制器。运算器既是算术逻辑单元ALU（Arithmetic

8、logic Unit)，其功能是进行算术运算和逻辑运算。主要负责对信息的加工处理。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。 控制器是CPU的神经中枢，一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。所起作用是完成取指令、将指令译码形成各种微操作并执行指令，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。 第16页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第17页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三数据存储器与程序存储器 数据存储器（RAM：Random Acc

9、ess Memory ） 在单片机中，用随机存取的存储器（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。 程序存储器（ROM：Read Only Memory ） 单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。第18页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第19页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三A/D和D/A转换模块将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC, Analog to DigitalConvert

10、er）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC, Digital toAnalog Converter）。第20页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第21页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三定时器/计数器模块计数概念的引入 从选票的统计谈起：画“正”。这就是计数。 生活中计数的例程处处可见。例：录音机上的计数器、家里面用的电度表、汽车上的里程表等等。定时器计数器简称定时器，其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等，是单片机中最常用、最基本的部件之一。 单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外

11、界发生的事情，而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。第22页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第23页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三串行通讯模块串行通信和并行通信 计算机1 GND 计算机2 GND并行通信 计算机1 GND 计算机2 GND发送接收串行通信并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一位顺序传送。第24页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三并 行 数 据 传 送串 行 数 据 传 送原 理各数据位同时传送数据位按位顺序进行优 点传送速度快、效率高最少只需一根传输线即可完成：成本低缺 点数据位数传输

12、线根数：成本高速度慢应 用传送距离30米，用于计算机内部几米几千公里，用于计算机与外设之间第25页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 串行通信是将数据的各位一位一位地依次传送。适合于计算机之间、计算机与外部设备之间的远距离通信。 串行通信从传输方式分为： 单工方式、半双工方式、全双工方式。 从接收方式来说，串行通信有两种方式： 异步通信方式、同步通信方式。第26页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三串行通信制式：单工(a)、半双工(b)和全双工(c) (simplex half duplex full duplex)发送器A站接收器B站单工通信(a)发收A

13、站发收B站发收A站收发B站(b)(c)1、 半双工 每次只能有一个站发送。2、完全双工 两个站都能同时发送称完全双工。第27页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三串行通信的分类：异步(Asynchronous Communication) 同步(Synchronous Communication) 异步通信的双方需要两项约定：1.字符格式：一帧字符位数的规定：数据位，校验位，起始位和停止位。2.波特率(位/秒)和传送速率的规定：例：要求每秒传送120个字符，每帧为10位。解： B=12010=1200波特 每位0.83ms 数据位传送输率=1208=960位/秒(二)同步通信

14、： 以一串字符为一个传送单位，字符间不加标识位，在一串字符开始 用同步字符标识，硬件要求高，通讯双方须严格同步。(一)异步通信： 以字符为传送单位用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束字 符，间隔不固定，只需字符传送时同步即可。 异步通讯常用格式：一个字符帧同步字符CRC字符开始终止数据块第28页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三1、因通信时（有干扰）信号要衰减，所以常采用RS232电平负逻辑，拉开“0”和“1”的电压档次，以免信息出错：TTL正逻辑：“0”： 0 2.4V；“1”： 3.6V+5V；高阻：2.4V3.6V。TTL电平直接传输距离一般不超过1.5米。RS2

15、32负逻辑：“0”：+5V+15V；“1”： -5V -15V。最大传输信息的长度为15米。异步串行通信的信号形式：第29页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三2、远距离直接传输数字信号，信号会发生畸变，因此要把数字信号转变为模拟信号再进行传送。可利用光缆、专用通信电缆或电话线。 方法：通常使用频率调制法（频带传送方）。通常： “1”：1270Hz或2225Hz； “0”：1070Hz或2025Hz。第30页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第31页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三总线 CPU通过总线来实现与存储器、I/O接口的数据

16、交换。数据总线 DBCPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线 CB地址总线 AB第32页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三数据总线（Data BusDB）双向、三态用来在微处理器、存储器以及输入/输出接口之间传送数据。数据总线的根数决定了一次可以传递二进制数的位数。CPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线 CB数据总线 DB地址总线 AB第33页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三地址总线（Address BusAB） 单向、三态地址总线用来传送CPU发出的地址信息，以访问被选择的存储单元或I/O接口电路。 地址总线的位数决定了可以

17、直接访问的存储单元(或I/O口)的最大可能数量（即容量）。数据总线 DBCPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线 CB地址总线 AB第34页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三控制总线（Control BusCB）数据总线 DBCPU微处理器辅助电路ROMRAMI/O外设控制总线 CB地址总线 AB控制总线用来传输控制信号，包括CPU送往存储器和I/O接口电路的控制信号，如、INTA等；还包括其他部件送到CPU的信号，如、RESET等。不同的CPU控制总线根数及含义不尽相同。RDWRINT 数据总线和每个元件的数据线相连，为了使CPU能够和其中一个元件正确通信，必

18、须使用三态逻辑元件（特别针对输入元件）。 第35页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第36页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三其它I/O模块单片机上一般集成了多个I/O接口，其中有通用并行I/O口（一般每口8个外部引脚）以及SCI、PWM、I2C、CAN等专用子系统。复位后一般所有I/O引脚默认设置为通用I/O输入，当专用子系统激活后，自动变更为专用功能。 第37页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三(1) 一般I/O口 准双向口，作通用输入/输出口使用。 位电路结构：一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存； 两个三态输入缓冲器，BU

19、F1用于读锁存器，BUF2用于读引脚；数据输出驱动电路，由场效应管VT和片内上拉电阻R组成。第38页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（2）可用作地址总线的I/O口 一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存；两个三态输入缓冲器，BUF1用于读锁存器，BUF2用于读引脚；一个多路开关MUX，它的一个输入来自锁存器的Q端，另一个输入来自内部地址的高8位；数据输出驱动电路由非门M，场效应管VT和片内上拉电阻R组成。第39页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三(3) 地址数据分时复用的总线I/O接口 1个输出锁存器，输出数据的锁存；2个三态输入缓冲器，分别用于锁存器

20、和引脚数据的输入缓冲；1个多路开关MUX，它的一个输入来自锁存器，另一个输入是地址/数据信号的反相输出。在控制信号的的控制下能实现对锁存器输出端和地址/数据线之间的切换；由两只场效应管组成的输出驱动电路。第40页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（4） 可用作第二功能的I/O口一个数据输出锁存器，用于输出数据的锁存；3个三态输入缓冲器，BUF1用于读锁存器，BUF2、BUF3用于读引脚和第二功能数据的缓冲输入；数据输出驱动电路，由与非门M，场效应管VT和片内上拉电阻R组成。第41页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三?第42页，共59页，2022年，5月2

21、0日，3点11分，星期三单片机工作支撑模块包括电压调整器、时钟和复位发生模块、看门狗、时钟监视器等。 其它模块如PWM（脉宽调制模块） 脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 占空比不同的3种PWM信号第43页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 1. 机器语言用机器能够直接识别的二进制指令代码（即机器码或可执行的目标代码）编写的程序称为机器语言。 执行速度快不易记忆，十分繁琐。用机器语言编写程序是极其困难的。 特点：程序设计第44页，共59页，2022年，5月20日，3点11分

22、，星期三2. 汇编语言用机器指令系统的助记符（能反映指令特征和操作性质的英文单词或英文缩写），用符号代替操作数来编写的程序称为汇编语言程序。 用汇编语言编写的程序不仅执行速度快，又可以有效地利用机器本身的专有特性，从而提高机器的工作效率。 用汇编语言编写的程序由于面向机器，在一种机型上不能运行另一种机型的汇编程序，通用性差 。特点：第45页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 3. 高级语言用户不必了解具体机器结构，而是面向问题，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C 等各种高级语言。 高级语言容易理解、学习和掌握，用户用高级语言编写程序就方便多了，可大大减少工作量。

23、 但计算机执行时，必须将高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目标代码方能执行。这个“翻译”就是各种编译程序(Compiler) 或解释程序 (Interpreter)。 第46页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三1-2 单片机应用系 统开发流程第47页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（1）可行性调研 可行性调研的目的是分析完成项目的可能性。首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所要求的客观条件是否具备（如环境、测试手段、仪器设计、资金等），然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。（2）系统方案设计 在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是

24、系统方案的设计。提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书 （3）设计方案细化，确定软硬件功能 系统方案决定下来后，下一步可以将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。第48页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（4）硬件原理图设计 进行应用系统的硬件设计时，首要的问题是确定硬件电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。所谓硬件电路的总体设计，就是为实现该项目全部基本功能所需要的硬件电气连线原理图。 （5）印刷电路板设计 设计完了硬件原理图，就可以进行印刷电路板（PCB）的设计了。确认所设计的印刷电路板没有错误后，将设计的PCB文件交给电路板制作厂家进行

25、印刷电路板的制作。 （6）程序设计与模拟调试 在印刷电路板制作期间，可以进行某些程序模块的编写和模拟调试。特别是对那些与硬件关系不大的程序模块进行模拟调试，如数据运算、逻辑关系测试等。这样可以加快项目的开发。第49页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三（7）印刷电路板的测试 印刷电路制作完成后，需要对其进行必要的测试，如检查是否存在短路等。若没有问题，则可以上电进行仿真调试了。 （8）系统在线仿真调试 将所设计的印刷电路板连接到开发调试环境中，进行程序的仿真调试工作。 （9）系统试运行 系统所有的功能模块都设计完毕并进行了仿真调试后，就可以将程序写入到单片机中，进行系统试运行

26、。若试运行中出现问题，则对出现的现象进行分析，然后修改程序，并转到（8），直到系统试运行不出现问题为止。系统试运行成功后，可以进行项目的验收。 第50页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三单片机应用系统举例 单片机在控制系统中的应用 单片机的一个广泛应用领域就是控制系统。 1设计思想 通过传感电路不断循环检测室内温度、湿度、有害气体（如煤气）浓度等环境参数，然后与由控制键盘预置的参数临界值相比较，从而作出开/关窗、启/停换气扇、升/降温（湿）等判断，再结合窗状态检测电路所检测到的窗状态，发出一系列的控制命令，完成下雨则自动关窗、室内有害气体超标则自动开窗、开/启换气扇、恒温（

27、湿）等自动控制功能。用户还可通过控制键盘，直接控制窗户的开/关、换气扇的启/停、温（湿）度的升/降，选择所显示参数的种类等。 2系统组成和部分电路设计 系统主要由控制器、数据检测传感电路、A/D转换器、窗驱动控制接口电路、窗驱动电路等组成。其系统原理图如下页图所示。 第51页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三第52页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 控制器采用美国Atmel公司的AT89C51单片机。利用89C51的P0口采集数据，完成控制信息的采集和控制功能。利用P1.0P1.3作为窗状态检测端口，完成对窗状态（即窗是否移到边框）的检测。 数据检测传感电路由温度传感电路、湿度传感电路、有害气体传感电路、红外防盗传感器四个部分组成。在此只以温度传感电路为例进行设计。 根据温度检测的要求，温度的检测选用集成温度传感器AD590（测温范围为55+150）。测量电路如图右所示。 第53页，共59页，2022年，5月20日，3点11分，星期三 传感器的采集信号经过数据处理电路，必须通过A/D转换器才能与单片机连接，本系统中有4路模拟输入， A/D转换器选用了ADC0809，89C51通过中断方式读取A/D转换的数据。通过A/D转换实现的数据采集电路如下图所示。 A/D转换器的口地址为7FFFH。第54页，共59页，2022年，5月20日，3点