《嵌入式系统常用I》课件

嵌入式系统常用I本课件将深入探讨嵌入式系统常用I，涵盖基础知识、硬件架构、外围设备、实时操作系统以及开发环境等方面，旨在为学习嵌入式系统技术的同学提供一个完整的学习框架。嵌入式系统概述定义嵌入式系统是指一种专用的计算机系统，它通常被集成到其他设备中，并为特定任务提供控制和功能。这些系统通常以硬件和软件的紧密结合为特点，并具有高可靠性、实时性、低功耗和小型化的特点。应用领域嵌入式系统广泛应用于各种领域，例如工业自动化、消费电子、医疗器械、汽车电子、航空航天等。嵌入式系统分类按功能分类控制类、数据采集类、信息处理类等。按应用领域分类工业自动化、消费电子、医疗器械、汽车电子等。按处理器分类微控制器、微处理器、数字信号处理器等。按操作系统分类实时操作系统、单片机操作系统、嵌入式Linux等。硬件架构处理器嵌入式系统中使用的处理器通常是微控制器或微处理器，它们负责执行程序和控制系统运行。存储器存储器用于存储程序、数据和系统配置信息。常见的存储器类型包括ROM、RAM、EEPROM和Flash。输入输出设备输入输出设备是嵌入式系统与外部世界交互的桥梁，包括键盘、显示器、传感器、执行器等。系统总线系统总线用于连接处理器、存储器和外围设备，提供数据、地址和控制信号的传输通道。处理器类型1微控制器（MCU）是一种集成度很高的芯片，通常包含CPU、存储器、I/O设备和定时器等功能模块，适用于控制和数据采集类的应用。2微处理器（MPU）是一种更通用的芯片，主要负责执行程序，通常需要外部存储器、I/O设备和总线控制器等支持，适用于信息处理类的应用。3数字信号处理器（DSP）是一种专门为处理数字信号而设计的处理器，具有高速数据处理能力，适用于音频、视频、图像处理等应用。微控制器微控制器通常用于控制类应用，例如家用电器、工业设备、汽车电子等。它们具有以下特点：集成度高，体积小，价格低廉低功耗，适合电池供电实时性强，可用于控制和数据采集开发环境相对简单，易于入门常见的微控制器厂商包括Atmel、TI、ST等。微处理器微处理器通常用于信息处理类的应用，例如智能手机、平板电脑、工业控制系统等。它们具有以下特点：通用性强，可运行各种操作系统性能高，可处理复杂的计算任务可扩展性强，可根据需要扩展内存、外设等开发环境较为复杂，需要一定的学习成本常见的微处理器厂商包括Intel、AMD、ARM等。数字信号处理器数字信号处理器是一种专门为处理数字信号而设计的处理器，具有高速数据处理能力，适用于音频、视频、图像处理等应用。它们具有以下特点：高性能，能够快速处理大量数据专用指令集，针对数字信号处理进行优化高能效，能够在低功耗情况下实现高性能开发环境相对复杂，需要专门的工具和知识常见的数字信号处理器厂商包括TI、ADI、Freescale等。存储器存储器是嵌入式系统中的重要组成部分，用于存储程序、数据和系统配置信息。根据存储器的功能和特性，可以将其分为以下几种类型：ROM（只读存储器）：用于存储不可修改的程序和数据，例如引导程序、系统软件。RAM（随机存取存储器）：用于存储可读写的程序和数据，例如正在运行的程序、用户数据等。EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：一种可以反复擦除和写入的存储器，用于存储系统参数、用户配置文件等。Flash：一种非易失性存储器，具有较高的读写速度和较长的寿命，用于存储程序、操作系统和用户数据等。存储器分类存储器按其功能和特性可以分为以下几种类型：ROM（只读存储器）：用于存储不可修改的程序和数据。RAM（随机存取存储器）：用于存储可读写的程序和数据。EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可以反复擦除和写入的存储器。Flash：一种非易失性存储器，具有较高的读写速度和较长的寿命。ROMROM（只读存储器）是一种非易失性存储器，其内容在出厂后无法修改。它通常用于存储引导程序、系统软件和不可修改的数据。ROM中的数据在断电后也不会丢失。ROM的写入速度较慢，但读速度较快。ROM的容量通常较小。常见的ROM类型包括MASKROM、PROM、EPROM和UVEPROM。RAMRAM（随机存取存储器）是一种易失性存储器，其内容在断电后会丢失。它通常用于存储正在运行的程序、用户数据和系统变量。RAM的读写速度很快，是系统中最常用的存储器。RAM的容量通常比较大。RAM是一种易失性存储器，需要持续供电才能保持数据。常见的RAM类型包括DRAM、SRAM和SDRAM。EEPROMEEPROM（电可擦除可编程只读存储器）是一种非易失性存储器，可以反复擦除和写入。它通常用于存储系统参数、用户配置文件和校准数据等。EEPROM的读写速度比ROM快，但比RAM慢。EEPROM的容量通常比较小。EEPROM的寿命有限，可以擦写一定的次数。EEPROM是一种常用的存储器类型，广泛应用于各种嵌入式系统。FlashFlash是一种非易失性存储器，具有较高的读写速度和较长的寿命。它通常用于存储程序、操作系统和用户数据等。Flash的读写速度比EEPROM快，但比RAM慢。Flash的容量通常比较大。Flash的寿命比EEPROM长，可以擦写更多的次数。常见的Flash类型包括NORFlash和NANDFlash。输入输出设备输入输出设备是嵌入式系统与外部世界交互的桥梁，包括键盘、显示器、传感器、执行器等。它们负责接收来自外部世界的输入信息并向外部世界输出信息。输入设备：用于接收来自外部世界的输入信息，例如键盘、鼠标、传感器等。输出设备：用于向外部世界输出信息，例如显示器、扬声器、执行器等。并行端口并行端口是一种一次传输多个数据位的接口，用于高速数据传输，例如打印机、扫描仪等。并行端口的传输速度较快，适合传输大量数据。并行端口的连接线比较复杂，传输距离较短。并行端口在现代计算机中已经逐渐被淘汰，被更高速的接口，例如USB和FireWire所取代。串行端口串行端口是一种一次传输一个数据位的接口，用于低速数据传输，例如鼠标、键盘、调制解调器等。串行端口的传输速度较慢，但连接线比较简单，传输距离较长。串行端口广泛应用于嵌入式系统中，用于与各种外围设备进行通信。串行端口的标准协议包括RS-232、RS-485和TTL等。AD/DA转换器AD转换器（Analog-to-DigitalConverter）用于将模拟信号转换为数字信号，DA转换器（Digital-to-AnalogConverter）用于将数字信号转换为模拟信号。AD转换器广泛应用于传感器接口、数据采集系统等。DA转换器广泛应用于电机控制、音频系统、显示器等。AD/DA转换器是嵌入式系统中常用的信号处理模块。计时器/计数器计时器/计数器是一种用于测量时间间隔或计数事件的电路。计时器可以用于定时任务、延时操作和实时控制等。计数器可以用于计数事件发生次数、测量频率和速度等。计时器/计数器是嵌入式系统中常用的模块，用于实现各种定时和计数功能。中断中断是一种异步事件，它可以打断当前执行的程序，转而执行中断服务程序。中断可以用于处理各种外部事件，例如按钮按下、传感器检测到信号、网络数据包到达等。中断可以提高系统的实时性和效率，因为系统可以立即响应外部事件。中断处理过程通常包括：中断请求、中断响应、中断处理程序执行和中断返回。中断分类1硬件中断：由外部硬件设备触发的中断，例如按钮按下、传感器检测到信号等。2软件中断：由程序主动触发的中断，例如系统调用、程序错误等。中断优先级中断优先级用于解决多个中断同时发生时的处理顺序问题。优先级高的中断会优先处理，而优先级低的中断则需要等待高优先级中断处理完毕后才能处理。中断优先级通常由硬件或软件配置，可以通过设置中断控制寄存器来改变中断优先级。合理配置中断优先级可以提高系统的实时性和效率。中断处理过程1中断请求外部设备或程序发送中断请求信号。2中断响应CPU接收到中断请求信号后，停止当前程序的执行，并开始处理中断。3中断处理程序执行CPU跳转到中断处理程序，执行相应的中断处理逻辑。4中断返回中断处理程序执行完毕后，CPU返回到之前被中断的程序继续执行。系统总线系统总线用于连接处理器、存储器和外围设备，提供数据、地址和控制信号的传输通道。数据总线：用于传输数据，数据总线的宽度决定了系统一次传输的数据量。地址总线：用于指定访问的存储器地址或外设地址，地址总线的宽度决定了系统可访问的存储器空间和外设数量。控制总线：用于传输控制信号，例如读写控制信号、中断请求信号、总线仲裁信号等。总线分类按传输方式分类并行总线、串行总线。按用途分类系统总线、外设总线、内部总线。按数据传输方向分类单向总线、双向总线。按同步/异步分类同步总线、异步总线。总线仲裁总线仲裁是指多个设备共享总线时的访问控制机制。当多个设备同时请求访问总线时，总线仲裁器会根据一定的规则选择其中一个设备，并允许该设备访问总线。常见的总线仲裁方式包括优先级仲裁、轮询仲裁、定时仲裁等。总线仲裁可以防止多个设备同时访问总线，确保数据的正确性和安全性。总线时序总线时序是指数据在总线上传输的时间关系。总线时序决定了数据传输的速率和效率。常见的总线时序包括同步时序和异步时序。同步时序使用一个公共时钟信号来同步数据传输，异步时序则使用握手信号来控制数据传输。外围设备接口外围设备接口是嵌入式系统连接外围设备的接口，例如UART、SPI、I2C、CAN等。UART（通用异步收发器）：一种串行通信接口，用于低速数据传输，例如与传感器、键盘、显示器等通信。SPI（串行外设接口）：一种同步串行通信接口，用于高速数据传输，例如与Flash存储器、传感器等通信。I2C（互联集成电路）：一种同步串行通信接口，用于低速数据传输，例如与EEPROM、RTC等通信。CAN（控制器局域网络）：一种高速串行通信接口，用于工业自动化、汽车电子等领域。UART通信UART（通用异步收发器）是一种串行通信接口，用于低速数据传输，例如与传感器、键盘、显示器等通信。UART使用异步通信方式，不需要公共时钟信号，发送方和接收方可以各自使用不同的时钟频率。UART的通信协议简单，易于实现。UART广泛应用于嵌入式系统中，用于与各种外围设备进行通信。SPI通信SPI（串行外设接口）是一种同步串行通信接口，用于高速数据传输，例如与Flash存储器、传感器等通信。SPI使用同步通信方式，需要一个公共时钟信号来同步发送方和接收方的时序。SPI的通信协议简单，易于实现，并且传输速度快。SPI广泛应用于嵌入式系统中，用于与各种高速外围设备进行通信。I2C通信I2C（互联集成电路）是一种同步串行通信接口，用于低速数据传输，例如与EEPROM、RTC等通信。I2C使用同步通信方式，需要一个公共时钟信号来同步发送方和接收方的时序。I2C的通信协议简单，易于实现，并且传输速度快。I2C广泛应用于嵌入式系统中，用于与各种低速外围设备进行通信。CAN总线CAN（控制器局域网络）是一种高速串行通信接口，用于工业自动化、汽车电子等领域。CAN使用同步通信方式，具有较高的传输速度和可靠性。CAN的通信协议复杂，需要专门的硬件和软件支持。CAN广泛应用于需要高速、可靠通信的应用场景，例如汽车发动机控制、工业机器人控制等。实时操作系统实时操作系统（RTOS）是一种专为实时应用而设计的操作系统，它能够在严格的时间限制内完成任务。实时操作系统通常用于需要快速响应、高可靠性和高确定性的应用场景，例如工业自动化、航空航天、医疗器械等。常见的实时操作系统包括FreeRTOS、VxWorks、μC/OS-II等。实时操作系统通常具有以下特点：高实时性：能够在严格的时间限制内完成任务。高可靠性：能够在恶劣环境下稳定运行。高确定性：能够预测系统响应时间。资源管理：能够有效管理系统资源，例如内存、处理器、外设等。设备驱动：能够支持各种外围设备。实时性概念实时性是指系统对事件响应的时间限制。硬实时性：系统必须在规定的时间内完成任务，否则将导致严重后果，例如飞机控制系统、医疗仪器等。软实时性：系统允许一定的误差，但需要尽快完成任务，例如多媒体播放器、网络游戏等。实时操作系统必须满足实时性要求，才能保证系统的正常运行。实时任务调度实时任务调度是指实时操作系统如何管理和分配系统资源，例如处理器时间、内存等。常见的实时任务调度算法包括：先到先服务（FIFO）：按照任务到达时间的先后顺序进行调度。优先级调度：根据任务的优先级进行调度，优先级高的任务优先执行。轮询调度：按照固定的时间间隔轮流执行各个任务。时间片轮转调度：为每个任务分配一个时间片，每个任务轮流执行一个时间片。实时任务调度算法的选择取决于应用场景的实时性要求和资源限制。资源管理资源管理是指实时操作系统如何管理系统资源，例如内存、处理器、外设等。内存管理：负责分配和回收内存空间，保证内存的有效使用。处理器管理：负责分配和调度处理器时间，保证实时任务的及时执行。外设管理：负责管理和控制系统中的外围设备，例如传感器、执行器等。有效的资源管理可以提高系统的性能、可靠性和效率。设备驱动设备驱动是连接操作系统和外围设备的软件模块，它负责处理外围设备的硬件操作，并提供给应用程序访问外围设备的接口。每个外围设备都需要一个相应的设备驱动程序。设备驱动程序可以屏蔽外围设备的硬件细节，使应用程序可以更方便地使用外围设备。设备驱动程序是嵌入式系统中不可或缺的一部分，它保证了系统能够正常运行。开发环境嵌入式系统开发环境是指用于开发嵌入式系统软件和硬件的工具集合。常见的嵌入式系统开发环境包括：交叉编译工具链：用于将应用程序代码编译为目标平台可执行的代码。调试工具：用于调试和测试嵌入式系统代码。硬件平台：用于运行嵌入式系统软件和硬件的平台。仿真工具：用于模拟嵌入式系统的运行环境，帮助开发人员调试和测试代码。选择合适的嵌入式系统开发环境是开发嵌入式系统的重要环节。嵌入式系统开发流程需求分析明确嵌入式系统的功能和性能要求。系统设计设计嵌入式系统的硬件架构、软件结构和通信协议等。软件开发使用合适的开发工具和编程语言开发嵌入式系统软件，并进行调试和测试。硬件设计设计嵌入式系统的硬件电路，并进行焊接和测试。系统集成将硬件和软件集成在一起，并进行系统测试和调试。测试与验证对嵌入式系统进行全面测试和验证，确保系统能够满足需求。部署与维护将嵌入式系统部署到目标平台，并进行维护和更新。硬件平台选择硬件平台的选择是嵌入式系统开发的第一步，选择合适的硬件平台能够有效地提高开发效率和降低开发成本。常见的硬件平台包括：微控制器开发板：例如Arduino、STM32开发板等。微处理器开发板：例如RaspberryPi、BeagleBoneBlack等。嵌入式系统模块：例如各种功能模块、传感器、执行器等。选择硬件平台时，需要考虑以下因素：处理器性能：需要根据应用场景选择合适的处理器类型和性能。存储器容量：需要根据程序和数据的大小选择合适的存储器容量。接口类型：需要选择与所需外围设备兼容的接口类型。功耗：需要根据应用场景选择合适的功耗。开发成本：需要考虑硬件平台的成本和开发成本。交叉编译工具链交叉编译工具链是指用于在不同的平台上编译目标平台可执行代码的工具集合。交叉编译工具链通常包括：编译器：将高级语言代码转换为汇编代码。汇编器：将汇编代码转换为机器码。链接器：将多个目标文件链接在一起，生成可执行文件。选择合适的交叉编译工具链是嵌入式系统开发的重要环节。调试工具调试工具是指用于调试