新编§1-嵌入式系统概述课件

嵌入式系统原理、设计与应用1课程介绍课时分配：理论：20学时实验：20学时理论：学习了解嵌入式系统的基本概念、方法和知识实验：ARM嵌入式系统开发设计实践实验室地址：第六教学楼2楼东头学习的基础：C语言、微机原理或单片机实验+期末70%，平时30%2课程内容内容学时第一章嵌入式系统概述2第二章嵌入式系统开发过程1第三章嵌入式处理器2第四章嵌入式系统的存储器1第五章嵌入式系统的I/O模块4第六章嵌入式软件系统4第七章嵌入式操作系统2第八章嵌入式软件组件43IEEE定义根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）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。1.1嵌入式系统概念4一般定义“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。”把基于处理器（通用处理器和嵌入式处理器）的设备称为计算机，把计算机分成两大部分：通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统也称为嵌入式计算机，因此嵌入式系统被定义为非通用计算机系统。这个定义是从计算机的分类方面进行的。1.1嵌入式系统概念5嵌入式系统定义要素专用计算机系统(非PC智能电子设备)以应用为中心以计算机技术为基础软件硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求知识集成应用系统（CSEA）技术密集资金密集高度分散不可垄断面向应用不断创新1.1嵌入式系统概念6嵌入式系统的发展计算机技术的发展微处理器的问世之后普通的微处理器构成嵌入式系统Motorola,intel,zilog80年代：处理器内核集成了外设接口A/D，定时器，I/O，存储器等1.2嵌入式系统的发展7嵌入式系统的发展（续）第一代，4位1971年，intel4004嵌入式处理器70年代末，8位，intel8048,motorola6800内核第二代，8位CMOS工艺80年代，intel51系列，motorola68HC05系列第三代，产品线丰富集成度提高，丰富的外设集成纯单片式，可扩展式两种产品并行发展第四代低功耗技术(3.3v,2.7v,1.8v)，flash技术，高性能(32位）应用：信用卡、玩具、航天、机器人、家用电器等，无处不在1.2嵌入式系统的发展8嵌入式系统的几个重要特征（1）系统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。1.3嵌入式系统的特点9（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。1.3嵌入式系统的特点10（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。1.3嵌入式系统的特点11（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，用户必须自行选配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）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。1.3嵌入式系统的特点12（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，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。1.3嵌入式系统的特点13嵌入式系统的共性嵌入式处理器具有的共性嵌入式处理器由通用处理器内核加上外部设备、存储器组成嵌入式软件开发人员需要关心硬件的细节软件开发在内核层编程/外层编程嵌入式系统的开发人员，特别是系统/产品的设计师，必须掌握硬件和软件的综合知识，进行硬件系统的软件系统的综合设计。嵌入式系统的软件开发人员需要掌握多种嵌入式操作系统的用法操作系统、编程语言和开发工具的多样性根据应用选软件平台和硬件平台嵌入式系统的开发往往需要行业人员和计算机专业人员协作完成1.3嵌入式系统的特点14嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件嵌入式软件系统实时操作系统（RTOS）板级支持包（BSP）设备驱动（DeviceDriver）协议栈（ProtocolStack）应用程序（Application）嵌入式系统的开发工具硬件开发工具：仿真器、示波器等软件开发工具：编译、连接、定位软件，通常使用C语言； 调试软件嵌入式系统的组成1.4嵌入式系统的组成15嵌入式处理器对实时多任务有很强的支持能力。具有功能很强的存储区保护功能。可扩展、系列化的处理器结构。能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器，例如ARM7TDMI内核的处理器通过扩充外部接口，形成网络控制器、多媒体应用、移动电话应用等通常，嵌入式微处理器功耗很低。高集成度，具有丰富的I/O功能和种类。1.4嵌入式系统的组成16嵌入式处理器嵌入式处理器的发展趋势经济性（成本）微型化（封装、功耗）智能化（功能、速度）嵌入式处理器的分类和现状微控制器（MCU）微处理器（MPU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）可编程片上系统（SOPC）1.4嵌入式系统的组成17嵌入式处理器分类数据处理能力8位8051M68HC05PIC12CxxAT90xx16位AT91xx32位AMD186S3C45xxPowerPCColdFire1.4嵌入式系统的组成18性能、功能、应用领域1.4嵌入式系统的组成19（1）、嵌入式微控制器（MCU）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、EPROM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。1.4嵌入式系统的组成20由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。具有多种衍生产品处理器内核相同，存储器和外设的配置及封装不同，最大限度匹配应用需求。品种和数量最多占嵌入式系统约70的市场份额。1.4嵌入式系统的组成21（2）、嵌入式数字信号处理器（DSP）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。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AD、Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。1.4嵌入式系统的组成22（3）、嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，80386－80387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。1.4嵌入式系统的组成23（4）、嵌入式片上系统(SystemOnChip)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。1.4嵌入式系统的组成24嵌入式操作系统EOS更好的硬件适应性，也就是良好的移植性，支持尽量多的硬件平台。占有更少的硬件资源，例如占用存储器十几K到几K字节。高可靠性。提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其他协议，协议栈可裁剪。友好高效的GUI。有些应用要求EOS具有实时性能。可裁剪性，例如设计成微内核结构和模块化结构。1.4嵌入式系统的组成25操作系统的分类（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。1.4嵌入式系统的组成26嵌入式操作系统分类按实时性分类具有强实时特点的嵌入式操作系统如VxWorks具有弱实特点的嵌入式操作系统嵌入式LinuxlWinCE没有实时特点的嵌入式操作系统1.4嵌入式系统的组成27嵌入式系统的种类/形式单个嵌入式控制器构成的系统-无需扩展嵌入式处理器可扩展的系统复杂的嵌入式系统性能复杂程序可靠性基于通用计算机的嵌入式系统1.5嵌入式系统的种类28嵌入式系统与专用集成电路ASIC半定制器件(FPGA,CPLD等）如何设计用户的定制系统使用ASIC（需要大批量）使用可编程器件（FPGA,CPLD)使用嵌入式微控制器/微处理器做一个需要的器件，使用OTP型/FLASH型嵌入式微控制器SOC1.6嵌入式处理器与专用集成电路29嵌入式系统的开发调试方法Monitor方式JTAG,BDM方式基于主机的调试ROM仿真器在线仿真器软件仿真器1.7嵌入式系统的开发调试方法301.7嵌入式系统的开发调试方法311.7嵌入式系统的开发调试方法321.7嵌入式系统的开发调试方法331.7嵌入式系统的开发调试方法341.7嵌入式系统的开发调试方法351.7嵌入式系统的开发调试方法361.7嵌入式系统的开发调试方法378嵌入式系统的应用消费类电子产品控制系统和工业自动化生物医学系统现场仪器手持式电脑数据通信网络信息设备电信无线通信1.8嵌入式系统的应