嵌入式系统设计与实例开发课件

嵌入式系统设计与实例开发——ARM与C/OS-Ⅱ1、掌握一种学习方法2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法和知识3、获得嵌入式开发设计实践经验希望大家有所收获课程目的本课程围绕基于ARM的微处理器和实时操作系统C/OS，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。课程采用讲课与实验相结合的方式。着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外还增加了网络接口设计、嵌入式游戏开发等开放式实验，供基础较好的学生深入学习。学生基础：学过C语言、微机原理或单片机等您预期的收获通过本门课程的学习，你将获得以下知识：提高C语言编程能力（期望值：★★★）学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：★★）了解嵌入式软件开发流程（期望值：★）掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：★★）独立或合作开发出嵌入式游戏（期望值：★★）掌握嵌入式软件编程（期望值：★★）掌握硬件设计知识（期望值：★★★）学会操作系统移植（期望值：★★★）成为嵌入式系统设计高手（期望值：★★）本节提要13254为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域一、为什么要学习嵌入式技术市场需求－中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，……，嵌入式技术无处不在。企业人才需求－软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，……技术发展趋势要求－8位、16位、32位，实时操作系统，……它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。 PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、AutoPC、智能电话和机项盒（STB）等。嵌入式技术正在形成一种产业在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。北京数字电视，凤凰数字卫视，高清晰、互动点播、机顶盒。在中国有8000万有线电视网用户，1亿以上的有线电话网用户，为其发展提供了巨大市场。针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。嵌入式技术正在形成一种产业据国外某研究机构的统计，1999年，嵌入式操作系统全球产值3.62亿美元，比1998年的3.05亿美元增长了18.7%。而另一研究机构则预计，从1997年到2001年，嵌入式系统市场将以年均240％的速度增长，2001年的市场规模将达到317亿美元再从手持设备市场来看，2000年的全球产销量为1290万部，而到2004年时预计将为6340万部。据预测，2001年中国信息家电市场将达到500亿-700亿元，2004年有望达到3500亿-5000亿元。目前，嵌入式操作系统的品种较多，一年前的统计显示，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有40种左右。嵌入式系统市场分析通讯行业：华为、中兴、大唐、……国内IT业：联想、同方、方正、……外资企业：微软、IBM、GE、……工业领域：Siemens、ABB、研华、……国内中小型高新技术企业社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专业知识和实际设计能力。知识的积累是与精力和时间的付出成正比的，要成为高手和专家，就需要不断的努力。学无止境。对提高专业知识和实践能力大有帮助本节提要13254为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域IEEE定义根据IEEE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devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。 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。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。”嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级系统级：各种类型的工控器、PC104模块板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品微机学会的定义（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。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”是完全不同的概念。（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。（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。（6）嵌入式系统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，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。嵌入式系统的架构处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构嵌入式微处理器分类（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。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，因此称为微控制器。（2）嵌入式DSP处理器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，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。DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。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。（3）、嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等SoC就是SystemonChip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。（4）嵌入式片上系统(SystemOnChip)

SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如Philips的SmartXA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点：利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。新的发展方向：SOCASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterfaceMoore’s定律RTOS是32位嵌入式CPU的软件基础RTOS内核提供CPU的管理硬件初时化，MMU，定时器，中断RTOS内核提供任务，内存管理RTOS提供设备管理，文件和网络的支持RTOS提供C/C++，JAVA，图形模块等编程接口常见的嵌入式操作系统实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和免费型。商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和μC/OS，稳定性与服务性存在挑战。VxWorksVxWorks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），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是：

－可靠性、实时性和可裁减性。 －它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多数的VxWorksAPI是专有的，火星机器人。WindowsEmbeddedWindowsCE3.0：一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，WindowsCE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，由于其Windows背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。PalmOSPalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品。3COM、CISCO竞争PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额，PalmOS的市场份额占到将近90%，最近下降70％，目前主要与WINCE进行激烈竞争。QNX加拿大QNX公司的产品。QNX是在X86体系上面开发出来的，这和别的RTOS不一样，别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟，然后再移植到X86体系上面来的。QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。嵌入式Linux嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的API，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。Linux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。

嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和CLinuxLinux在嵌入式领域异军突起不过是近两年的事情，过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型。嵌入式Linux及应用本节提要13254为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域三、嵌入式系统与单片机、PC机的区别嵌入式系统单片机系统目前嵌入式系统的主流是以32位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操作系统（RTOS）的软件设计单片机系统多为4位、8位、16位机，不适合运行操作系统，难以进行复杂的运算及处理功能嵌入式系统强调基于平台的设计、软硬件协同设计，单片机大多采用软硬件流水设计嵌入式系统设计的核心是软件设计（占70%左右的工作量），单片机系统软硬件设计所占比例基本相同嵌入式系统与单片机在学习方法上不同单片机学习一般从硬件入手，从硬件体系结构、汇编语言到硬件设计、软件设计嵌入式系统学习可以从软件入手，从应用层编程到操作系统移植、硬件平台设计较好，按单片机设计的学习流程较难掌握嵌入式系统PC机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本节提要13254为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域四、嵌入式系统的应用领域电子通讯信息家电网络安全、设备工业自动化精密仪器嵌入式系统在信息家电中的应用信息家电（InformationAppliance，IA）。一般可认为，那些低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割或替代PC的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或讯息的产品可统称为信息家电。信息家电的分类及特点信息家电的分类(1)网络电视（NetTV）(2)网上游戏机（Internetgamingdevice）(3)智能掌上型设备(Internetsmarthandhelddevice)(4)网络电话（InternetscreenPhone）(5)ConsumerNCclient等。信息家电技术特点：(1)处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。(2)整合数字与模拟处理的技术。(3)较PC更强调通讯能力。(4)利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键)信息家电的应用信息家电提供的服务一、安全防范：智能安防可以实时监控着非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。二、消费电子产品的智能控制：例如可以自动控制加热时间、加热温度的微波炉，可以自动调节温度、湿度的智能空调，可以根据指令自动搜索电视节目并摄录的电视机/录像机等等。三、交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能信息家电的主动性动作响应。用户还可以自己定义不同场景智能信息家电的响应。四、家庭信息服务：智能家庭服务器可以提供最新的股市情报、新闻、天气预报、电视节目预报、甚至当前公路上的交通流量状况，还可以自动管理用户的水电账单、银行和信用卡账户等财务信息。五、自动维护：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。六、家庭医疗保健：通过网络化的智能传感器，医院可以通过网络对用户进行身体检查。目前信息家电平台的标准1.HAVI（HomeAudio/Videointeroperability）体系。是关于家庭网络中音频/视频电子产品的互联和控制方面的标准。它建立在IEEE-1394的底层协议基础上，主要实现HAVI设备之间的数字音频/视频内容的传送以及对该内容的操作，如播放、录像、回放等。典型的AV内容有由信息家电平台接受的数字电视和由数字录像机、CD等所产生的内容。互操作性是HAVI标准的主要特点，一个HAVI设备上的应用软件可以探测并直接使用联入HAVI网络上其他设备所提供的功能。2.Jini技术。是Sun公司提出的基于Java的一项技术。它可以使各种设备方便地连到网络上。即：任何计算设施不需预先配置和安装，便可在任何时间地点加入网络，并能和网络中已有的各种软硬件一起协调工作完成分布式计算。Jini体系结构的目的是将成组的设备和软件构件联合成一个单一、动态的分布式系统。联合后的联邦系统向用户提供如下能力：(a)简单的网络访问；(b)网络的易于管理；(c)在保持单机或工作站的灵活性、统一响应和控制的情况下，支持由邦联系统提供的共享能力。3.OSGi(OpenServiceGatewayInitiative)开发服务网关。是由Ericsson、ABB、Alcatel、Cisco、IBM、Nortel、Siemens、HP、Oracle、Philips、Sun、Motorola、Lucent等电信、计算机、电器巨人发起建立的一个工作组和开放式的论坛。其主要的功能是，为连接Internet上的商业服务和下一代智能电器定义一个开放的标准。因此OSGi将成为智能信息家电平台服务标准。OSGi规范将为Internet服务提供商(ISP)、网络控制员、设备制造商提供通过运行在家中或远程地点的网关服务器传递各种电子商务服务的公共平台。OSGi在2000年刚刚发布了它的服务网关规范1.0。信息家电平台软件的总体结构

嵌入式应用网络浏览E-mail游戏传真VODIP中间件和运行环境统一的应用程序编程界面资源管理器HAVi管理器JINIUPnPJavaTVOPENTVHomeAPIJavaVM逻辑资源基本OSTCP/IP文件系统图形界面中文环境Linux，Psos，OSOpen等嵌入式操作系统驱动程序驱动程序管理器HomePNA驱动器USBBLUETOOTHCEBUSIEEE1394IEEE802.2IEEE802.11POWERLineSWAP其它驱动基本OSLinux，Psos，OSOpen等嵌入式操作系统驱动程序驱动程序管理器HomePNA驱动器BLUETOOTHIEEE1394IEEE802.2Ieee802.11USBCEBUSPOWERLineSWAP其它驱动典型的信息家电产品信息家电定义代表性产品网络电视具有机顶盒或内建网络连接的电视MicrosoftWebTV网络可视电话具有集成网络接入的屏幕电话InfoGeariPhone网络游戏机具有集成网络接入的游戏操纵台SegaDreamcast网络智能手持器件蜂窝电话、个人数据助理（PDA）和其它集成网络接入的便携式器件3ComPalmAT&TPocketNetPhoneNokia9000,9000I,9110,7110NC委托（clients）提供网络接入以及能下载应用软件的器件IBMNetStationPC-中间器件通过PC接入网络以下载内容的器件DIAMONMultimediaRioPlayerNuvomediaRockete-BookAudibleMobilePlayerSource:IDC,Hambrecht&Quist嵌入式技术在交通管理、环境监测中的应用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进入了普通百姓的家庭，只需要几千元水文资料实