嵌入式系统设计课件-2017-14

嵌入式系统设计课件-2017-14第一页，共72页。E辛晓帅嵌入式系统设计Embeddedsystemdesign第二页，共72页。CONTENTS课程总结1实验安排2关于考试3第三页，共72页。1课程总结第四页，共72页。冯·诺依曼机：将数据和指令都存储在存储器中的计算机。计算系统由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读或写。

微处理器体系结构第五页，共72页。冯·诺依曼体系结构代表处理器X86系列处理器MIPS公司的MIPS处理器ARM

7系列处理器。微处理器体系结构第六页，共72页。哈佛机：为数据和程序提供了各自独立的存储器。独立的程序存储器和数据存储器为数字信号处理提供了较高的性能。微处理器体系结构第七页，共72页。微处理器体系结构哈佛体系结构DSP处理器ARM9以后的ARM系列处理器。Microchip公司的PIC系列处理器Motorola的MC68系列处理器Zilog公司的Z8系列处理器Atmel公司的AVR系列处理器。2016年被美国芯片制造商微芯科技（MicrochipTechnology）宣布以36亿美元收购Atmel2015年2月，飞思卡尔与NXP达成合并协议2016年10月高通宣布将以380亿美元收购荷兰半导体厂商恩智浦半导体公司2015年12月英特尔斥资167亿美元收购了Altera公司第八页，共72页。微处理器体系结构第九页，共72页。微处理器体系结构第十页，共72页。ARM处理器概述第十一页，共72页。ARM处理器概述Cortex-A—面向性能密集型系统的应用处理器内核,为利用操作系统（例如Linux或者Android）的设备提供了一系列解决方案,从低成本手持设备到智能手机、平板电脑、机顶盒以及企业网络设备等.第十二页，共72页。ARM处理器概述Cortex-R处理器针对高性能实时应用,例如硬盘控制器（或固态驱动控制器）、企业中的网络设备和打印机、消费电子设备（例如蓝光播放器和媒体播放器）、以及汽车应用（例如安全气囊、制动系统和发动机管理）第十三页，共72页。ARM处理器概述Cortex-M—面向各类嵌入式应用的微控制器内核SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如信用卡、电子钱包、SIM卡、电子护照和身份证。第十四页，共72页。存储器系统概述—存储系统层次架构S0层为CPU内部寄存器S1层为芯片内部的高速缓存（cache）内存S2层为芯片外的高速缓存（SRAM、DRAM、SDRAM）S3层为主存储器（Flash、PROM、EPROM、EEPROM）S4层为外部存储器（磁盘、光盘、CF、SD卡、U盘）S5层为远程二级存储（分布式文件系统、Web服务器）第十五页，共72页。存储器系统概述—分类分类方法名称例子按存储介质分半导体存储器ROM、RAM磁表面存储器硬盘、软盘、磁带光存储器CD-ROM、DVD-ROM按工作方式分随机存储器RAM、硬盘、软盘只读存储器ROM、CD-ROM顺序存储器磁带第十六页，共72页。随机存储器接口设计—SDRAM接口HY57V561620引脚描述第十七页，共72页。随机存储器接口设计—SDRAM存储容量第十八页，共72页。随机存储器接口设计—SDRAM接口设计4M×16b×4块A23A24第十九页，共72页。随机存储器接口设计—SDRAM接口设计利用两片16位SDRAM构建32位SDRAM64MB:4M×16b×4块×2A24A25第二十页，共72页。时钟相关—PLL鉴频鉴相器(PFD)(鉴相器:PD):对输入的参考信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至低通滤波器低通滤波器(LPF):将输入信号中的高频成分滤除，保留直流部分送至压控振荡器。压控振荡器(VCO):输出一个周期信号,其频率由输入电压所控制。反馈回路:将压控振荡器输出的信号送回至鉴频鉴相器。通常压控振荡器的输出信号的频率大于参考信号的频率，因此需在此加入分频器(DIV)以降低频率。第二十一页，共72页。时钟相关—定时器/计数器定时器计数器第二十二页，共72页。时钟相关—看门狗作用：当系统程序出现错乱，引起系统程序死循环时，产生复位信号，迫使系统复位，恢复系统正常运行。原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗（喂狗），那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。第二十三页，共72页。数据通信基础（1）信源：作用是将原始信息转换为相应的信号（通常称为基带信号）。（2）发送设备：对基带信号进行各种变换和处理，使其适合在信道中传输。（3）信道：发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质。（4）接收设备：对接收信号进行必要的处理和变换后，恢复为相应的基带信号。（5）信宿：将恢复的基带信号转换成相应的原始信息。（6）噪声源：信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表现。第二十四页，共72页。01001100011

时钟差分Manchester差分曼彻斯特编码（Differential～）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1

，有跳变代表0，无跳变代表1。数据编码NRZ第二十五页，共72页。1、同步通信方式

字符同步：如何将一串0和1还原成一个字符数据？位、字符及帧同步第二十六页，共72页。2、异步通信方式

异步通信协议：（1）没有数据发送时，数据线保持“1”状态（2）发送数据时，先发起始位“0”，其后是数据（3）数据后再发一位停止位“1“因此对于8位数据至少要发送10位位、字符及帧同步第二十七页，共72页。位、字符及帧同步1.通过字符间时间间隔区分帧帧同步：如何将一串字符还原成一帧数据？第二十八页，共72页。名称字节数描述标记1标记出帧的头或尾地址1广播地址控制1控制字协议2数据报文中所使用的协议信息不定长(0或更多)数据报文冗余填充不定长(0或更多)可选的冗余填充帧校验串行(FCS)2(或4)错误校验7EFF03协议信息FCS7E字节1112<=150021PPP协议位、字符及帧同步2.通过帧头帧尾区分帧帧同步：如何将一串字符还原成一帧数据？第二十九页，共72页。冗余校验第三十页，共72页。8串－并8并－串发送接收1时钟时钟UART是通用异步收发器（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。异步串行通信口第三十一页，共72页。TxDRxDRxD_PCTxD_PCRS-232电平转换UART微控制器0xAA0x550xAA0x55与PC机进行通信UART调试第三十二页，共72页。UART调试软件第三十三页，共72页。

总线拓扑由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支与总线相连的网络拓扑结构。总线拓扑是工业数据通信中应用最为常见的一种网络拓扑形式。控制网络基础第三十四页，共72页。

树形拓扑树形拓扑是星形拓扑的扩展形式。也有人认为树形拓扑是总线拓扑的扩展形式。树形拓扑可适用于很宽应用范围，对网络设备的数量、传输速率和数据类型等，都没有太多限制，可达到很高的带宽。控制网络基础第三十五页，共72页。网络介质的访问控制方式(总线仲裁技术)公用信道法的关键问题：设法避免不同的用户同时使用公用信道，在任何时刻，信道只允许一个用户使用，否则就会互相干扰，无法通讯。因此，为保证各用户之间的正常通信，必须要有一个彼此都遵循的协议，这就是多点接入协议或多点访问协议，也叫介质的访问控制方式。它分为两大类：随机接入和受控接入。控制网络基础第三十六页，共72页。

国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)七层通信协议开放系统互联参考模型第三十七页，共72页。网络体系统结构为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。实际邮政系统信件发送、接收过程示意图发信者收信者通信人活动邮局转送业务通信人活动运输部门的邮件运输业务邮局服务业务邮局服务业务邮局转送业务书写信件贴邮票送入邮箱收集信件盖邮戳信件分拣邮件打包邮件运输路邮选择运输阅读信件信件投递信件分拣分发邮件邮件拆包转送邮局接收邮包第三十八页，共72页。CAN总线基础数据帧第三十九页，共72页。终端电阻CAN-bus节点1CANHCANL节点2CANHCANL节点3CANHCANL节点4CANHCANL如何实现多节点数据通信CAN总线软件开发第四十页，共72页。自定义协议ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3源节点ID目的节点IDID2ID1ID0RTRDLC帧标识数据区0-7：数据CAN总线软件开发第四十一页，共72页。优先级CAN总线软件开发第四十二页，共72页。TCP/IP参考模型分为四层：应用层、传输层、互联层、网络接口层。TCP/IP的结构与OSI结构的对应关系如图所示。TCP/IP模型与OSI模型对照网络互连层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。应用层面向不同的网络应用引入不同的应用层协议。主机到网络层网络互连层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层应用层表示层这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。TCP/IP—结构模型第四十三页，共72页。应用层FTP、TELNET、HTTPSNMP、TFTP、NTP传输层TCPUDP网络互连层IP主机到网络层以太网令牌环网802.2HDLC、PPP、FRAME-RELAY802.3EIA/TIA-232、499、V.35、V.21TCP/IP—结构模型第四十四页，共72页。TCP/IP协议也采用对等层通信的模式，封装和解除封装也在各层进行。发送方在发送数据时，应用程序将要发送的数据加上应用层头部交给传输层，TCP或UDP再将数据分成大小一定的数据段，然后加上本层的报文头。数据传输如下图所示。应用层数据TCP11001110001110IPETH应用层数据应用层数据TCP应用层数据TCPIP应用层数据TCP11001110001110IPETH应用层数据应用层数据TCP应用层数据TCPIP数据交换TCP/IP—结构模型第四十五页，共72页。固定部分可变部分04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报首部发送在前IP数据报第四十六页，共72页。在Internet网上，每台主机、终端、服务器、以及路由器都有自己的IP地址，这个IP地址是全球唯一的，用于标识该机在Internet网中的位置。IP地址与IP地址的分类如下图所示。类别网络号主机号IP地址字节1（8位）字节4（8位）字节3（8位）字节2（8位）0网络号主机号10网络号主机号110网络号主机号1110组播地址1111保留地址A：0-127B:128-191C:192-223D:224-239E:240-255IP地址类TCP/IP—IP地址第四十七页，共72页。HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从协议栈的层次上看数据的流动第四十八页，共72页。HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从虚拟的IP层上看IP数据报的流动第四十九页，共72页。HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在链路上看MAC帧的流动第五十页，共72页。TCP—报文目的端口源端口序号确认号窗口紧急指针校验和任选项填充数据偏移保留编码位TCP首部TCP数据部分IP数据部分IP首部TCP数据报TCP首部比特0481619243120字节的固定首部TCP报文段的首部第五十一页，共72页。TCP各层都有该层协议使用的地址第五十二页，共72页。TCP—连接主机A主机BSYN=1，seq=X连接请求确认SYN=1，ACK=1，seq=Y，ACK=X+1ACK=1，seq=X+1，ACK=Y+1确认三次握手建立TCP连接第一次握手：源端机发送一个带有本次连接序号的请求。第二次握手：目的主机收到请求后，如果同意连接，则发回一个带有本次连接序号和源端机连接序号的确认。第三次握手：源端机收到含有两次初始序号的应答后，再向目的主机发送一个带有两次连接序号的确认。三次握手协议是连接的两端正确同步的充要条件第五十三页，共72页。TCP—连接TCP连接的释放主机A主机BFIN=1，seq=X应用进程释放连接确认

ACK=1，seq=Y，ACK=X+1A不再发送报文通知主机应用进程ACK=1，seq=X+1，ACK=Y+1确认B不再发送报文应用进程释放连接FIN=1，ACK=1，seq=Y，ACK=X+1第五十四页，共72页。UDP目的端口源端口校验和UDP报文长度首部UDP数据部分数据(UDP报文)IP报头首部比特0481692431封装传送UDP报文IP数据报第五十五页，共72页。Socket编程

socket（）bind（）listen（）accept（）send（）recv（）close（）send（）

socket（）recv（）close（）

connect（）recv（）建立连接数据请求数据响应断连指示ClientServer第五十六页，共72页。嵌入式Linux开发环境—交叉开发环境第五十七页，共72页。嵌入式Linux开发环境—开发工具Bootloader第五十八页，共72页。嵌入式Linux开发环境—开发工具系统引导程序BIOSBSPBootloader商业OS第五十九页，共72页。嵌入式Linux移植—内核第六十页，共72页。嵌入式Linux移植—内核makemenuconfig第六十一页，共72页。嵌入式Linux移植—文件系统Linux文件系统第六十二页，共72页。busybox是构造文件系统最常用的软件工具包，