第1章 單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)1

1、2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻12021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻22021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻3第一章第一章 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介第二章第二章 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)第三章第三章 MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)第四章第四章 MCS-51系列單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)系列單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)第五章第五章 MCS-51單片機(jī)的功能部件單片機(jī)的功能部件第六章第六章 MCS-51系列單片機(jī)接口技術(shù)系列單片機(jī)接口技術(shù)第七章第七章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)第八章第八章 單片機(jī)的單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)第九章第九

2、章 具有具有MCS-51內(nèi)核的單片機(jī)簡(jiǎn)介內(nèi)核的單片機(jī)簡(jiǎn)介2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻82021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻92021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻102021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻112021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻122021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻141 1.1.1.1 .1 嵌入式系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的概念與特點(diǎn) 一、嵌入式系統(tǒng)（一、嵌入式系統(tǒng)（Embedded SystemEmbedded System）定義：定義： 嵌入式系統(tǒng)是指用于實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管嵌入式系統(tǒng)是指用于實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理或輔助其他設(shè)備運(yùn)行

3、的設(shè)備，可以是專(zhuān)用理或輔助其他設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備，可以是專(zhuān)用或多用途（但一般具有可編程的特性）的設(shè)或多用途（但一般具有可編程的特性）的設(shè)備，備，“嵌入嵌入”意味著這些系統(tǒng)本身與所控制意味著這些系統(tǒng)本身與所控制和管理的系統(tǒng)融為一體的，是其中的一個(gè)有和管理的系統(tǒng)融為一體的，是其中的一個(gè)有機(jī)組成部分，是各種控制系統(tǒng)的基本構(gòu)造單機(jī)組成部分，是各種控制系統(tǒng)的基本構(gòu)造單元。元。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻15由上面的定義，可以看出嵌入式系統(tǒng)的一些特征：由上面的定義，可以看出嵌入式系統(tǒng)的一些特征：1.1.嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。統(tǒng)。 電子

4、計(jì)算機(jī)是為解決海量數(shù)值計(jì)算而發(fā)明和發(fā)電子計(jì)算機(jī)是為解決海量數(shù)值計(jì)算而發(fā)明和發(fā)展起來(lái)的。展起來(lái)的。 而微型機(jī)一旦進(jìn)入對(duì)象體系中后，便失去了通而微型機(jī)一旦進(jìn)入對(duì)象體系中后，便失去了通用計(jì)算機(jī)的形態(tài)和功能，變成了形形色色的自動(dòng)用計(jì)算機(jī)的形態(tài)和功能，變成了形形色色的自動(dòng)化系統(tǒng)?；到y(tǒng)。 從而導(dǎo)致了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支：通用從而導(dǎo)致了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支：通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻162.2.單片機(jī)是以嵌入式應(yīng)用為唯一目的的典型的嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)是以嵌入式應(yīng)用為唯一目的的典型的嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式應(yīng)用分微控制器（嵌

5、入式應(yīng)用分微控制器（MicroMicrocontrolcontrolMCUMCU）和嵌入式微處理器（和嵌入式微處理器（Embedded MicroprocessorEmbedded MicroprocessorMPUMPU）應(yīng)用兩種。應(yīng)用兩種。 微控制器即俗稱(chēng)為單片機(jī)（微控制器即俗稱(chēng)為單片機(jī)（Single Chip Single Chip ComputerComputer），），設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是面向控制，面向嵌設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是面向控制，面向嵌入式應(yīng)用的。入式應(yīng)用的。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻173.3.嵌入式系統(tǒng)的組成：嵌入式系統(tǒng)的組成： 一般由：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、一般

6、由：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等四個(gè)部分組嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成。成。 通常，嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序（包括操作通常，嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序（包括操作系統(tǒng)）和應(yīng)用程序是渾然一體的。這些程序被編系統(tǒng)）和應(yīng)用程序是渾然一體的。這些程序被編譯連接成一個(gè)可以執(zhí)行的二進(jìn)制映象文件譯連接成一個(gè)可以執(zhí)行的二進(jìn)制映象文件（imageimage），），并被固化在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)復(fù)位后并被固化在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)復(fù)位后自動(dòng)執(zhí)行。自動(dòng)執(zhí)行。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻184.4.嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)：嵌入式系統(tǒng)的分類(lèi)：按形式上可以分為三大類(lèi)，即按形式上可以分

7、為三大類(lèi)，即（1 1）系統(tǒng)級(jí)：）系統(tǒng)級(jí)： 為各種類(lèi)型的工控機(jī)，如為各種類(lèi)型的工控機(jī)，如STDSTD工控機(jī)、工業(yè)工控機(jī)、工業(yè)PCPC等。等。 例：將工控機(jī)嵌入到艦船上構(gòu)成航行自動(dòng)駕駛例：將工控機(jī)嵌入到艦船上構(gòu)成航行自動(dòng)駕駛儀。儀。（2 2）板級(jí)：）板級(jí)： 各種類(lèi)型的帶各種類(lèi)型的帶CPUCPU的主板。的主板。（3 3）器件級(jí)：）器件級(jí)： 以單片機(jī)最為典型。以單片機(jī)最為典型。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻19二、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：二、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.1.系統(tǒng)的復(fù)雜性系統(tǒng)的復(fù)雜性 據(jù)估計(jì)，大約有據(jù)估計(jì)，大約有100100250250億個(gè)嵌入式系統(tǒng)億個(gè)嵌入式系統(tǒng)正在使用，分布在十分廣泛

8、的范圍，幾乎正在使用，分布在十分廣泛的范圍，幾乎所有的現(xiàn)代電子設(shè)備中都有嵌入式系統(tǒng)，所有的現(xiàn)代電子設(shè)備中都有嵌入式系統(tǒng)，功能各異，復(fù)雜程度可想而知。功能各異，復(fù)雜程度可想而知。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻202.2.系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 嵌入式系統(tǒng)多數(shù)與生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制嵌入式系統(tǒng)多數(shù)與生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制相關(guān)。相關(guān)。 生產(chǎn)過(guò)程本身的特性往往決定了這類(lèi)系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程本身的特性往往決定了這類(lèi)系統(tǒng)不可能隨意中斷正常的生產(chǎn)過(guò)程去進(jìn)行測(cè)試不可能隨意中斷正常的生產(chǎn)過(guò)程去進(jìn)行測(cè)試或維修。或維修。 多數(shù)造價(jià)昂貴的嵌入式系統(tǒng)也往往沒(méi)有備多數(shù)造價(jià)昂貴的嵌入式系統(tǒng)也往往沒(méi)有備份系統(tǒng)，實(shí)時(shí)診斷的難度也

9、相應(yīng)增加。份系統(tǒng)，實(shí)時(shí)診斷的難度也相應(yīng)增加。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻213.3.系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)的可靠性 嵌入式系統(tǒng)在一些關(guān)鍵系統(tǒng)的控制過(guò)程中嵌入式系統(tǒng)在一些關(guān)鍵系統(tǒng)的控制過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用（如：鋼鐵、石化等企業(yè)）。得到廣泛應(yīng)用（如：鋼鐵、石化等企業(yè)）。 控制系統(tǒng)的任何微小的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致整控制系統(tǒng)的任何微小的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的中斷和巨額的經(jīng)濟(jì)損失。個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的中斷和巨額的經(jīng)濟(jì)損失。 嵌入式計(jì)算機(jī)隱藏在系統(tǒng)或設(shè)備中，用戶嵌入式計(jì)算機(jī)隱藏在系統(tǒng)或設(shè)備中，用戶很難直接接觸控制，一旦工作就要求它可靠運(yùn)很難直接接觸控制，一旦工作就要求它可靠運(yùn)行。行。 嵌入式產(chǎn)品的使用人員多

10、為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式產(chǎn)品的使用人員多為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人士，使用環(huán)境不定，往往條件惡劣（高溫、人士，使用環(huán)境不定，往往條件惡劣（高溫、高濕、多塵、強(qiáng)電磁干擾等高濕、多塵、強(qiáng)電磁干擾等) )。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻224 4. .系統(tǒng)的專(zhuān)用性系統(tǒng)的專(zhuān)用性 用途固定，通常執(zhí)行特定功能，用于特定用途固定，通常執(zhí)行特定功能，用于特定設(shè)備，完成特定的任務(wù)。設(shè)備，完成特定的任務(wù)。5.5.技術(shù)密集技術(shù)密集 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)相是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，必然是一個(gè)技術(shù)密集，不斷創(chuàng)新結(jié)合的產(chǎn)物，必然是一個(gè)技術(shù)密集，不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。的知識(shí)集成系統(tǒng)。6.

11、6.開(kāi)發(fā)困難開(kāi)發(fā)困難 嵌入式系統(tǒng)往往本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，嵌入式系統(tǒng)往往本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，必須要一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其必須要一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)并不相同，需要交開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)并不相同，需要交叉編譯系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)試系統(tǒng)。叉編譯系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)試系統(tǒng)。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻231 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于信息家電、移嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于信息家電、移動(dòng)通信、手持信息設(shè)備以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。動(dòng)通信、手持信息設(shè)備以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)宿主設(shè)備的控制、監(jiān)

12、視或管用于實(shí)現(xiàn)對(duì)宿主設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理。理。 應(yīng)用范圍十分廣泛，因此不存在所謂嵌應(yīng)用范圍十分廣泛，因此不存在所謂嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻241 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌嵌入入式式應(yīng)應(yīng)用用信信息息家家電電智智能能玩玩具具工工控控設(shè)設(shè)備備智智能能儀儀表表汽汽車(chē)車(chē)電電子子電電子子商商務(wù)務(wù)移移動(dòng)動(dòng)計(jì)計(jì)算算通通訊訊設(shè)設(shè)備備軍軍事事電電子子常常見(jiàn)見(jiàn)的的幾幾種種嵌嵌入入式式應(yīng)應(yīng)用用領(lǐng)領(lǐng)域域2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻251 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.1.制造與過(guò)程

13、控制制造與過(guò)程控制 自動(dòng)化工廠、柔自動(dòng)化工廠、柔性制造系統(tǒng)（性制造系統(tǒng)（FMSFMS）、）、無(wú)人物流小車(chē)、機(jī)器無(wú)人物流小車(chē)、機(jī)器人、加工中心、核電人、加工中心、核電站、污水處理系統(tǒng)、站、污水處理系統(tǒng)、發(fā)（變）電站、能源發(fā)（變）電站、能源控制系統(tǒng)、石化企業(yè)控制系統(tǒng)、石化企業(yè)的控制設(shè)備、建筑設(shè)的控制設(shè)備、建筑設(shè)備等。備等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻261 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 2. 2.運(yùn)輸運(yùn)輸 交通指揮系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)、售票系統(tǒng)、航空、售票系統(tǒng)、航空、鐵路、公路運(yùn)輸鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)管系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)、雷達(dá)系理系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、檢票

14、系統(tǒng)等。統(tǒng)、檢票系統(tǒng)等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻271 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用3.3.建筑設(shè)施建筑設(shè)施 電力供應(yīng)、備用電力供應(yīng)、備用電源、火警報(bào)警與電源、火警報(bào)警與控制系統(tǒng)、供熱與控制系統(tǒng)、供熱與通風(fēng)系統(tǒng)、電梯、通風(fēng)系統(tǒng)、電梯、車(chē)庫(kù)、安防系統(tǒng)、車(chē)庫(kù)、安防系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視、溫閉路電視監(jiān)視、溫濕度控制等。濕度控制等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻281 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用4.4.通信通信 電話交換機(jī)、衛(wèi)星和電話交換機(jī)、衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPSGPS）、）、移動(dòng)電話等。移動(dòng)電話等。

15、5.5.辦公設(shè)備辦公設(shè)備 電話系統(tǒng)、傳真系電話系統(tǒng)、傳真系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)、照相機(jī)和統(tǒng)、復(fù)印機(jī)、照相機(jī)和攝像機(jī)、商用電腦、掌攝像機(jī)、商用電腦、掌上電腦等。上電腦等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻291 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用6.6.銀行和金融銀行和金融 自動(dòng)柜員機(jī)、信用卡自動(dòng)柜員機(jī)、信用卡系統(tǒng)、驗(yàn)鈔機(jī)、點(diǎn)鈔系統(tǒng)、驗(yàn)鈔機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、安全系統(tǒng)等。機(jī)、安全系統(tǒng)等。7.7.醫(yī)療診斷監(jiān)視系統(tǒng)醫(yī)療診斷監(jiān)視系統(tǒng) 心臟起搏器、理療心臟起搏器、理療控制系統(tǒng)、熱療機(jī)、控制系統(tǒng)、熱療機(jī)、X X光設(shè)備、電磁成像系光設(shè)備、電磁成像系統(tǒng)等。統(tǒng)等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李

16、 鴻301 1. .1.2 1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 8. 8.家庭中的應(yīng)用家庭中的應(yīng)用 每個(gè)家庭使用的嵌入式每個(gè)家庭使用的嵌入式處理器約處理器約30304040個(gè)。個(gè)。 一臺(tái)一臺(tái)PCPC機(jī)中就可能使用機(jī)中就可能使用了了1010來(lái)個(gè)嵌入式處理器。來(lái)個(gè)嵌入式處理器。 其他家電中，電冰箱、其他家電中，電冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、電子鐘、洗碗機(jī)、電子鐘、洗碗機(jī)、DVDDVD播放播放機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備、通機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備、通用遙控器、電子玩具、電子用遙控器、電子玩具、電子寵物等。寵物等。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻311 1. .1.2

17、1.2 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用9.9.汽車(chē)中的嵌入式系統(tǒng)汽車(chē)中的嵌入式系統(tǒng) 汽車(chē)內(nèi)部正迅速發(fā)展成為一個(gè)汽車(chē)內(nèi)部正迅速發(fā)展成為一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模的局域網(wǎng)，如具有相當(dāng)規(guī)模的局域網(wǎng)，如CANCAN（控制局域網(wǎng)）總線網(wǎng)絡(luò)。控制局域網(wǎng)）總線網(wǎng)絡(luò)。 汽車(chē)中的汽車(chē)中的GPSGPS系統(tǒng)與電子導(dǎo)航系統(tǒng)與電子導(dǎo)航系統(tǒng)（電子地圖）、防碰撞系統(tǒng)系統(tǒng)（電子地圖）、防碰撞系統(tǒng)（安全氣囊）、油（安全氣囊）、油/ /氣比控制、車(chē)氣比控制、車(chē)用電腦、音響、車(chē)燈、智能化的用電腦、音響、車(chē)燈、智能化的側(cè)視鏡。側(cè)視鏡。 據(jù)資料介紹，據(jù)資料介紹，S S級(jí)的梅塞德斯級(jí)的梅塞德斯轎車(chē)，每輛車(chē)內(nèi)平均裝有轎車(chē)，每輛車(chē)內(nèi)平均裝有6464

18、個(gè)微個(gè)微處理器。處理器。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻321 1. .1.3 1.3 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求一、嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)一、嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷的高度分散的工業(yè) 從某種意義上說(shuō)，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是從某種意義上說(shuō)，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。當(dāng)代的通用計(jì)算機(jī)工業(yè)被認(rèn)為是由壟斷的。當(dāng)代的通用計(jì)算機(jī)工業(yè)被認(rèn)為是由WintelWintel（MicrosoftMicrosoft和和Intel 90Intel 90年代初建立的聯(lián)年代初建立的聯(lián)盟）壟斷的工業(yè)。盟）壟斷的工業(yè)。 嵌入式系統(tǒng)則是一個(gè)分散的工業(yè)，充滿了競(jìng)嵌入式系統(tǒng)則是一個(gè)

19、分散的工業(yè)，充滿了競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒(méi)有哪一個(gè)系列的處理器和操爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒(méi)有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷市場(chǎng)。作系統(tǒng)能夠壟斷市場(chǎng)。 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻33二、嵌入式系統(tǒng)具有的二、嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征產(chǎn)品特征1.1.嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去用的。如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。因此，嵌入式處理器的功能、體積、市場(chǎng)。因此

20、，嵌入式處理器的功能、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約。性等方面均受到應(yīng)用要求的制約。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻342.2.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)計(jì)，量體裁衣，去除冗余。計(jì)，量體裁衣，去除冗余。3.3.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)的結(jié)合在一起，嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)的結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體的產(chǎn)品同步進(jìn)行。因它的升級(jí)換代也是和具體的產(chǎn)品同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。的

21、生命周期。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻354.4.嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性。一個(gè)嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)一般要存在體系結(jié)構(gòu)一般要存在8 81010年的時(shí)間。一個(gè)體年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開(kāi)發(fā)工具、庫(kù)系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開(kāi)發(fā)工具、庫(kù)函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)。因此，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易的統(tǒng)。因此，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易的放棄一種處理器。放棄一種處理器。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻365.5.嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在RO

22、MROM中，其中，其應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)，應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長(zhǎng)，常強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)常強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。定。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻371 1. .1.3 1.3 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求三、嵌入式系統(tǒng)軟件的特征三、嵌入式系統(tǒng)軟件的特征 嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，其特征主要有：統(tǒng)功能的關(guān)鍵，其特征主要有：1.1.軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。2.2.軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性：以減少程序二軟件代碼高質(zhì)量、高可靠

23、性：以減少程序二進(jìn)制代碼的長(zhǎng)度，提高執(zhí)行速度。進(jìn)制代碼的長(zhǎng)度，提高執(zhí)行速度。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻383.3.系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)軟件（OSOS）的高實(shí)時(shí)性是基本要求的高實(shí)時(shí)性是基本要求 在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵。這種任務(wù)調(diào)度只能由個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵。這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成。優(yōu)化編寫(xiě)的系統(tǒng)軟件來(lái)完成。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻394.4.嵌入式系統(tǒng)軟件一般需要嵌入式系統(tǒng)軟件一般需要RTOSRTOS開(kāi)發(fā)

24、平臺(tái)開(kāi)發(fā)平臺(tái) 雖然嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有雖然嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有OSOS直直接在接在“裸機(jī)裸機(jī)”上運(yùn)行，但是為了合理的調(diào)度多上運(yùn)行，但是為了合理的調(diào)度多任任務(wù)。利用系統(tǒng)資源系統(tǒng)函數(shù)以及和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)務(wù)。利用系統(tǒng)資源系統(tǒng)函數(shù)以及和專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配接口，用戶必須自行選配RTOSRTOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，并減少才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻40四、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境四、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)本身

25、不具備自舉開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)的能力，設(shè)計(jì)完成后，用戶必須有一套開(kāi)能力，設(shè)計(jì)完成后，用戶必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能方便的對(duì)其硬件、軟發(fā)工具和環(huán)境才能方便的對(duì)其硬件、軟件進(jìn)行調(diào)試與修改。件進(jìn)行調(diào)試與修改。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻41五、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員以應(yīng)用專(zhuān)家為主五、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員以應(yīng)用專(zhuān)家為主 嵌入式系統(tǒng)要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)嵌入式系統(tǒng)要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，其開(kāi)合，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，其開(kāi)發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)家。因此對(duì)開(kāi)發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)家。因此對(duì)開(kāi)發(fā)工具的基本要求是易學(xué)、易用、

26、高效、可靠。發(fā)工具的基本要求是易學(xué)、易用、高效、可靠。返回目錄返回目錄下一節(jié)下一節(jié)2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻42嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.1.系統(tǒng)的復(fù)雜性系統(tǒng)的復(fù)雜性2.2.系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性3.3.系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)的可靠性4.4.系統(tǒng)的專(zhuān)用性系統(tǒng)的專(zhuān)用性5.5.技術(shù)密集技術(shù)密集6.6.開(kāi)發(fā)困難開(kāi)發(fā)困難2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻441.2.11.2.1嵌入式系統(tǒng)微處理器的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)微處理器的發(fā)展 一、嵌入式系統(tǒng)微處理器的一、嵌入式系統(tǒng)微處理器的分類(lèi)分類(lèi)與與發(fā)展發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)微處理器在目前的嵌入式系嵌入式系統(tǒng)微處理器在目前的嵌入式系統(tǒng)硬件

27、設(shè)計(jì)上占了很大的影響力，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上占了很大的影響力，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須要從琳瑯滿目的嵌入式系統(tǒng)統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須要從琳瑯滿目的嵌入式系統(tǒng)微處理器中選擇一個(gè)最適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鳟a(chǎn)品微處理器中選擇一個(gè)最適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鳟a(chǎn)品作為嵌入式系統(tǒng)控制核心，才能夠兼具低成作為嵌入式系統(tǒng)控制核心，才能夠兼具低成本、高效率的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。本、高效率的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。 以微處理器在單一指令內(nèi)所能處理的位以微處理器在單一指令內(nèi)所能處理的位數(shù)來(lái)衡量，嵌入式微處理器的發(fā)展可以分為數(shù)來(lái)衡量，嵌入式微處理器的發(fā)展可以分為以下幾個(gè)階段。以下幾個(gè)階段。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻45表表1.2.1 1.2.1 以位數(shù)來(lái)對(duì)

28、嵌入式系統(tǒng)微處理器分類(lèi)以位數(shù)來(lái)對(duì)嵌入式系統(tǒng)微處理器分類(lèi) 4 4位位 8 8位位 1616位位 3232位位 6464位位 嵌入式微處理器嵌入式微處理器（單片機(jī)型）（單片機(jī)型） TMS1000TMS1000COPSCOPS 8048/49/508048/49/508051/52,8051/52,Z8Z86801/04/056801/04/05 8096/8096/97976820068200 ARM RISC ARM RISC corecoreMIPS 32Bits MIPS 32Bits RISC coreRISC core MIPS 64 MIPS 64 Bits Bits RISC RIS

29、C core core 嵌入式微處理器嵌入式微處理器（一般用途型）（一般用途型） 40044004，4040 4040 80858085，Z80Z806802 68096802 68096502 6502 8086 8086 80186801868028680286Z8000Z8000 80386 8048680386 8048668000/10/2068000/10/20/30/40/30/40 Pentium Pentium / 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻46二、二、CISCCISC和和RISCRISC 兩種不同結(jié)構(gòu)的微處理器：兩種不同結(jié)構(gòu)的微處理器：CISCCISCCom

30、plex Instruction Set Computer Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)RISCRISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻47RISCRISC與與CISCCISC相比具有如下相比具有如下特點(diǎn)特點(diǎn)：1)1) 使用相當(dāng)少的指令類(lèi)別及尋址方式使用相當(dāng)少的指令類(lèi)別及尋址方式2)2)在單一執(zhí)行的周期內(nèi)完成指令在單一執(zhí)行的周期內(nèi)完成指令3)3) CPU

31、CPU中擁有更多的寄存器中擁有更多的寄存器4)4) 使用最優(yōu)的程序代碼編譯使用最優(yōu)的程序代碼編譯 由于由于RISCRISC架構(gòu)的架構(gòu)的CPUCPU的硬件設(shè)計(jì)單純，成的硬件設(shè)計(jì)單純，成本低廉、省電效益佳等特點(diǎn)，深受嵌入式系本低廉、省電效益佳等特點(diǎn)，深受嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的歡迎。統(tǒng)產(chǎn)品的歡迎。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻48三、數(shù)字信號(hào)處理器（三、數(shù)字信號(hào)處理器（DSPDSP） 即即Digital Signal ProcessDigital Signal Process是專(zhuān)門(mén)處理是專(zhuān)門(mén)處理數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的微處理器，基本上數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的微處理器，基本上DSPDSP是是針對(duì)特定的任務(wù)而發(fā)展的

32、一種微處理器。針對(duì)特定的任務(wù)而發(fā)展的一種微處理器。 DSPDSP最重要的是大量的即時(shí)運(yùn)算功能；最重要的是大量的即時(shí)運(yùn)算功能；最基本的運(yùn)算功能是乘法與加法運(yùn)算如：最基本的運(yùn)算功能是乘法與加法運(yùn)算如：a ai ib bi i 。DSPDSP的內(nèi)置硬件構(gòu)架可以在很短的內(nèi)置硬件構(gòu)架可以在很短的時(shí)間內(nèi)處理如離散傅立葉轉(zhuǎn)換之類(lèi)的復(fù)的時(shí)間內(nèi)處理如離散傅立葉轉(zhuǎn)換之類(lèi)的復(fù)雜的加法和乘法問(wèn)題。雜的加法和乘法問(wèn)題。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻491.2.21.2.2嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù) 一、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特征特征 1.1.嵌入式應(yīng)用常將性能要

33、求放在第一位嵌入式應(yīng)用常將性能要求放在第一位 與通用計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)的軟、與通用計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件更關(guān)注時(shí)間限制、性能約束和對(duì)外硬件更關(guān)注時(shí)間限制、性能約束和對(duì)外交互等問(wèn)題。交互等問(wèn)題。 即它不但要求滿足功能要求，還要求即它不但要求滿足功能要求，還要求滿足性能需求，甚至將性能需求放在第滿足性能需求，甚至將性能需求放在第一位。一位。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻502.2.性能要求體現(xiàn)在限定時(shí)間的約束或代碼性能要求體現(xiàn)在限定時(shí)間的約束或代碼大小的約束上，如：大小的約束上，如： 一個(gè)處理算法能否滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束，是否需一個(gè)處理算法能否滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束，是否需要

34、建造特殊的硬件來(lái)完成其任務(wù)？要建造特殊的硬件來(lái)完成其任務(wù)？ OSOS能否滿足高效的中斷處理、多任務(wù)和通信的要能否滿足高效的中斷處理、多任務(wù)和通信的要求？求？ 編程語(yǔ)言能否支持并發(fā)程序的設(shè)計(jì)，等等編程語(yǔ)言能否支持并發(fā)程序的設(shè)計(jì)，等等 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻513.3.結(jié)論：結(jié)論： 嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不僅要考慮軟件的設(shè)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不僅要考慮軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮硬件的設(shè)計(jì)，不但要考計(jì)，同時(shí)還要考慮硬件的設(shè)計(jì)，不但要考慮功能的設(shè)計(jì)，還要考慮性能的設(shè)計(jì)。慮功能的設(shè)計(jì)，還要考慮性能的設(shè)計(jì)。 事實(shí)上，嵌入式系統(tǒng)的最大問(wèn)題是設(shè)事實(shí)上，嵌入式系統(tǒng)的最大問(wèn)題是設(shè)計(jì)問(wèn)題，而不是實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。計(jì)

35、問(wèn)題，而不是實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻52二二. . 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3 3個(gè)層次個(gè)層次 1.1.第一層次：第一層次：以以PCB CADPCB CAD軟件和軟件和ICE ICE 為主為主要工具的設(shè)計(jì)方法。要工具的設(shè)計(jì)方法。 PCB CADPCB CAD印制板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和印制板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和PROTEL 99PROTEL 99ICEICE在線（聯(lián)機(jī)）仿真器。在線（聯(lián)機(jī)）仿真器。 這是至今國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員一這是至今國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員一直沿用的方法：直沿用的方法： 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻53選購(gòu)?fù)ㄓ迷骷?/p>

36、功能檢驗(yàn)設(shè)計(jì)電氣原理圖設(shè)計(jì)PCB板圖PCB板加工、焊接硬件調(diào)試模塊劃分流程(算法)設(shè)計(jì)編碼軟件聯(lián)調(diào)硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻542.2.第二層次：第二層次：以以EDAEDA工具軟件和工具軟件和EOSEOS為開(kāi)發(fā)平為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。 EDAEDA電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 EOSEOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 這是一種利用各種通用的可編程半定制邏這是一種利用各種通用的可編程半定制邏輯器件來(lái)設(shè)計(jì)和制作部分專(zhuān)用的大規(guī)模集成輯器件來(lái)設(shè)計(jì)和制作部分專(zhuān)用的大規(guī)模集成電路（電路（ASICASIC），），然后將然后將ASICASIC、可編程外圍器

37、可編程外圍器件、件、cc或或pp在在PCBPCB板上布局、布線以構(gòu)成板上布局、布線以構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻55 其中關(guān)鍵是其中關(guān)鍵是ASICASIC的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，即硬件設(shè)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，即硬件設(shè)計(jì)人員從過(guò)去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用計(jì)人員從過(guò)去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用ICIC，逐步逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專(zhuān)用的轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專(zhuān)用的ICIC器件。器件。 作為作為ASICASIC基礎(chǔ)的半定制邏輯器件經(jīng)歷了如基礎(chǔ)的半定制邏輯器件經(jīng)歷了如下下發(fā)展過(guò)程：發(fā)展過(guò)程： 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻56PLAPLA可編程邏輯陣列；可編程邏輯陣列

38、；PALPAL可編程陣列邏輯；可編程陣列邏輯；GALGAL通用陣列邏輯；通用陣列邏輯；CPLDCPLD復(fù)雜可編程邏輯器件；復(fù)雜可編程邏輯器件；FPGAFPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。 發(fā)展的趨勢(shì)是：集成度、速度不斷提高；發(fā)展的趨勢(shì)是：集成度、速度不斷提高；功能不斷增強(qiáng)；結(jié)構(gòu)更合理；使用更方便、功能不斷增強(qiáng)；結(jié)構(gòu)更合理；使用更方便、靈活。靈活。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻573.3.第三層次：第三層次：以以IPIP內(nèi)核庫(kù)為基礎(chǔ)，用軟、硬內(nèi)核庫(kù)為基礎(chǔ)，用軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法。件協(xié)同設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法。 * *. . IPIP（Intellectual Property

39、 Intellectual Property 知識(shí)產(chǎn)權(quán)）知識(shí)產(chǎn)權(quán)）內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有某種確內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。定功能的集成電路、器件或部件。 * *. . IPIP有三種不同的形式：有三種不同的形式： 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻58 (1)(1)軟軟IPIP內(nèi)核（內(nèi)核（soft IP coresoft IP core）: :主要描述功能行為（主要描述功能行為（behaviorbehavior）提交提交給用戶的是經(jīng)過(guò)行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功給用戶的是經(jīng)過(guò)行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證的能驗(yàn)證的HDLHDL（硬件描述語(yǔ)言）文本。硬件描述

40、語(yǔ)言）文本。亦稱(chēng)為虛擬器件。亦稱(chēng)為虛擬器件。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻59(2)(2)硬硬IPIP內(nèi)核（內(nèi)核（firm IP corefirm IP core）：）：基于物理（基于物理（physicalphysical）描述并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)描述并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證，是基于某種半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì)，證，是基于某種半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì)，提供給用戶的是電路物理結(jié)構(gòu)掩膜版圖和提供給用戶的是電路物理結(jié)構(gòu)掩膜版圖和全套工藝文件，即可以拿了就用的全套技全套工藝文件，即可以拿了就用的全套技術(shù)。術(shù)。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻60(3)(3)固固IPIP內(nèi)核（內(nèi)核（firm IP cor

41、efirm IP core）：）：完成結(jié)構(gòu)（完成結(jié)構(gòu)（structurestructure）描述，設(shè)計(jì)的描述，設(shè)計(jì)的深度介于軟深度介于軟IPIP內(nèi)核和硬內(nèi)核和硬IPIP內(nèi)核之間。提內(nèi)核之間。提供給用戶的一般是門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表。供給用戶的一般是門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表。 軟軟IPIP內(nèi)核、固內(nèi)核、固IPIP內(nèi)核、硬內(nèi)核、硬IPIP內(nèi)核相內(nèi)核相當(dāng)于集成電路（器件或部件）的毛坯、當(dāng)于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。半成品、成品。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻61常用的常用的IPIP內(nèi)核模塊內(nèi)核模塊有：有： 各種各種CPUCPU（如：如：32/6432/64位位CISC/RISCCISC/R

42、ISC結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的CPUCPU）；）； 各種微控制器各種微控制器/ /單片機(jī)（單片機(jī)（8/168/16）；）； 32/6432/64位位DSPDSP、DRAMDRAM、SRAMSRAM、EEPROMEEPROM、FlashmemoryFlashmemory、A/DA/D、D/AD/A、USBUSB、PCIPCI、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)單元、編譯器、編碼單元、編譯器、編碼/ /解碼器、模擬器件模解碼器、模擬器件模塊等。塊等。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻62 豐富的豐富的IPIP內(nèi)核模塊庫(kù)為快速地設(shè)計(jì)專(zhuān)用集內(nèi)核模塊庫(kù)為快速地設(shè)計(jì)專(zhuān)用集成電路和單片系統(tǒng)成電路和單片系統(tǒng)SOCSOC（System O

43、n ChipSystem On Chip）以盡快占領(lǐng)市場(chǎng)提供了基本保證。以盡快占領(lǐng)市場(chǎng)提供了基本保證。 從從2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代開(kāi)始的，由年代開(kāi)始的，由“集成電路集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)，目前級(jí)設(shè)計(jì)，目前已進(jìn)入已進(jìn)入SOCSOC設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)階段。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻63 SOC SOC的設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要的所有的的設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要的所有的集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到1 1個(gè)芯片上，這樣個(gè)芯片上，這樣實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是不可能達(dá)到實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是不可能達(dá)到SOCSOC所要求的高密度、所要求的高密度、高

44、速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標(biāo)的。等指標(biāo)的。 一個(gè)最有效的途徑（高速、高可靠性）便一個(gè)最有效的途徑（高速、高可靠性）便是通過(guò)授權(quán)使用成熟優(yōu)化的是通過(guò)授權(quán)使用成熟優(yōu)化的IPIP內(nèi)核模塊來(lái)進(jìn)內(nèi)核模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開(kāi)發(fā)。行設(shè)計(jì)集成和二次開(kāi)發(fā)。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻644.4.三個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法并行存在，各有應(yīng)用三個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法并行存在，各有應(yīng)用范圍，不會(huì)簡(jiǎn)單地用后者取代前者。范圍，不會(huì)簡(jiǎn)單地用后者取代前者。 初級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)以第一種方法為主，初級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)以第一種方法為主，富有經(jīng)驗(yàn)和一定條件的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第二種富有

45、經(jīng)驗(yàn)和一定條件的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第二種方法為主；很專(zhuān)業(yè)且具有相當(dāng)條件的設(shè)計(jì)人方法為主；很專(zhuān)業(yè)且具有相當(dāng)條件的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第三種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的員會(huì)以第三種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的SOCSOC的設(shè)計(jì)和的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用大廠商應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用大廠商推出的用第三種方法設(shè)計(jì)的專(zhuān)用推出的用第三種方法設(shè)計(jì)的專(zhuān)用SOCSOC。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻65 復(fù)雜的復(fù)雜的SOCSOC只有那些有相當(dāng)?shù)哪芰蛯?shí)力只有那些有相當(dāng)?shù)哪芰蛯?shí)力的半導(dǎo)體大廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。的半導(dǎo)體大廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 如：如：TITI、philipsphilips、WINBONDWINBOND

46、和和AtmelAtmel等廠等廠商就是通過(guò)商就是通過(guò)IntelIntel授權(quán)，用其授權(quán)，用其MCS-51MCS-51的的IPIP內(nèi)內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的與核模塊結(jié)合自己的特長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的與Intel MCS-51Intel MCS-51兼容的單片機(jī)，如：兼容的單片機(jī)，如：P80CL51P80CL51、AT89C51AT89C51、AT89C2051AT89C2051、 9058515 9058515 、W78E516W78E516等。等。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻661.2.3 SOC1.2.3 SOC嵌入式微處理器嵌入式微處理器 一一. . 定義定義 S

47、OCSOC（System On ChipSystem On Chip）嵌入式微處嵌入式微處理器，顧名思義，是單個(gè)芯片上構(gòu)理器，顧名思義，是單個(gè)芯片上構(gòu)成的系統(tǒng)，它結(jié)合了許多功能模塊成的系統(tǒng)，它結(jié)合了許多功能模塊，做在一個(gè)芯片上。例如：，做在一個(gè)芯片上。例如：DSPDSP微處微處理器加通信接口單元（含有：理器加通信接口單元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。通信接口等）。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻67二二. . SOCSOC嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： * *. . 高密度高密度高集成度；高集成度；* *. . 低電壓、低功耗低電壓、低功耗利用改變內(nèi)部工作利用

48、改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗；電壓，降低芯片功耗；* *. . 高速度高速度減少了各單元電路及電路板減少了各單元電路及電路板上的信號(hào)傳遞，整體上提高了上的信號(hào)傳遞，整體上提高了pp的運(yùn)行的運(yùn)行速度；速度；* *. . 高抗干擾性能高抗干擾性能內(nèi)嵌的線路，大大避內(nèi)嵌的線路，大大避免了外部電路板在信號(hào)傳遞時(shí)造成的損耗免了外部電路板在信號(hào)傳遞時(shí)造成的損耗和干擾。和干擾。2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻68注注1 1： SOCSOC并不是簡(jiǎn)單的將所要的集成電并不是簡(jiǎn)單的將所要的集成電路二次集成到一個(gè)芯片上，而是在全路二次集成到一個(gè)芯片上，而是在全新理念上通過(guò)系統(tǒng)硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，新理念上通

49、過(guò)系統(tǒng)硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻69注注2 2：SOCSOC與單片機(jī)的與單片機(jī)的區(qū)別區(qū)別：(1)(1)SOCSOC使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化：從選擇廠家提供的定制性的變化：從選擇廠家提供的定制產(chǎn)品時(shí)代進(jìn)入了由用戶自行開(kāi)發(fā)設(shè)產(chǎn)品時(shí)代進(jìn)入了由用戶自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)器件的時(shí)代。計(jì)器件的時(shí)代。(2)(2)SOCSOC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者面對(duì)的不再是設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者面對(duì)的不再是電路芯片，而是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的電路芯片，而是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的IPIP模塊庫(kù)，即模塊庫(kù)，即SOCSOC設(shè)計(jì)的觀念

50、是：設(shè)計(jì)的觀念是：“設(shè)計(jì)自己的專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)自己的專(zhuān)用集成電路”。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻70三三. .RISCRISC結(jié)合結(jié)合DSPDSP的的SOCSOC嵌入式系統(tǒng)微處理器嵌入式系統(tǒng)微處理器 DSPDSPDigital Signal ProcessDigital Signal ProcessRISCRISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer DSPDSP的龍頭老大德州儀器公司倚仗的龍頭老大德州儀器公司倚仗性能優(yōu)越的性能優(yōu)越的DSPDSP處理器稱(chēng)霸世界處理器稱(chēng)霸世界DSPDSP

51、市場(chǎng)。市場(chǎng)。最近推出的一項(xiàng)非常先進(jìn)的最近推出的一項(xiàng)非常先進(jìn)的SOCSOC嵌嵌入式系統(tǒng)微處理器技術(shù)，稱(chēng)為入式系統(tǒng)微處理器技術(shù)，稱(chēng)為OMAPOMAP。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻71OMAPOMAPOpen Multimedia Application Open Multimedia Application Platform Platform 開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)，其構(gòu)成開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)，其構(gòu)成為：為：DSP + RISC(ARM) + DSP + RISC(ARM) + 若干外圍電路模塊若干外圍電路模塊代表芯片為代表芯片為OMAP1510OMAP1510，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖

52、: : 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻72OMAP1510OMAP1510硬件結(jié)構(gòu)框圖硬件結(jié)構(gòu)框圖 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻73 主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的多媒體影音數(shù)據(jù)處主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的多媒體影音數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、因特網(wǎng)通信、無(wú)線理、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、因特網(wǎng)通信、無(wú)線通信與電子商務(wù)等。通信與電子商務(wù)等。 上圖中，上圖中，DSPDSP或或ARMARM微處理器分別完成微處理器分別完成各 自 的 操 作 或 運(yùn) 算 ， 兩 者 之 間 通 過(guò)各 自 的 操 作 或 運(yùn) 算 ， 兩 者 之 間 通 過(guò)DSP/BIOS BridgeDSP/BIOS Bridge接口交換數(shù)據(jù)。接口

53、交換數(shù)據(jù)。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻74四四. . 整合型嵌入式系統(tǒng)微處理器整合型嵌入式系統(tǒng)微處理器 1.1.ARMARM公司公司ARM RISCARM RISC架構(gòu)微處理器架構(gòu)微處理器 ARMARM公司是一家提供公司是一家提供RISCRISC架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)微處理器的公司，位于英國(guó)，成立于微處理器的公司，位于英國(guó)，成立于19901990年年1111月。月。ARMARM公司既不生產(chǎn)芯片，也不銷(xiāo)售芯片，公司既不生產(chǎn)芯片，也不銷(xiāo)售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。采用它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。采用ARMARM技術(shù)技術(shù)IPIP核的微處理器遍及汽車(chē)、消費(fèi)電子、成像核的微處理器遍及汽

54、車(chē)、消費(fèi)電子、成像、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無(wú)、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無(wú)線等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。線等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻75 ARM ARM嵌入式處理器是一種嵌入式處理器是一種16/3216/32位的高位的高性能、低功耗的性能、低功耗的RISCRISC芯片。世界上幾乎芯片。世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于ARMARM體體系結(jié)構(gòu)的通用芯片，或在其專(zhuān)用芯片中系結(jié)構(gòu)的通用芯片，或在其專(zhuān)用芯片中嵌入嵌入ARMARM的相關(guān)技術(shù)。的相關(guān)技術(shù)。 如：如：TITI、IntelIntel、MotorolaMotorola、A

55、tmelAtmel、 PhilipsPhilips、NecNec、SharpSharp、NSNS、HynixHynix 2001 2001年基于年基于ARMARM內(nèi)核的處理器已占據(jù)內(nèi)核的處理器已占據(jù)了了3232位位RISCRISC芯片芯片7575的市場(chǎng)份額，可以的市場(chǎng)份額，可以說(shuō)說(shuō)ARMARM技術(shù)幾乎無(wú)處不在。技術(shù)幾乎無(wú)處不在。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻76 ARM RISC ARM RISC架構(gòu)微處理器系列目前主要分架構(gòu)微處理器系列目前主要分為幾個(gè)家族產(chǎn)品，分別為為幾個(gè)家族產(chǎn)品，分別為ARM 7 ThumbARM 7 Thumb、ARM 9 ThumbARM 9 Thumb

56、、ARM 10 ThumbARM 10 Thumb以及以及Strong Strong ARMARM等家族。其中等家族。其中Strong ARMStrong ARM已有已有IntelIntel公公司取得專(zhuān)用授權(quán)，只能由司取得專(zhuān)用授權(quán)，只能由IntelIntel公司從事公司從事Strong ARMStrong ARM架構(gòu)微處理器的改進(jìn)與生產(chǎn)。架構(gòu)微處理器的改進(jìn)與生產(chǎn)。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻77(1)(1)ARM 7 ThumbARM 7 Thumb系列系列 含含ARM 710TARM 710T、ARM 720TARM 720T、ARM740TARM740T是一種以是一種以AR

57、M ARM 7 TDMI7 TDMI微處理器為運(yùn)算核心的微處理器為運(yùn)算核心的RISCRISC架構(gòu)的架構(gòu)的3232位位嵌入式系統(tǒng)微處理器。嵌入式系統(tǒng)微處理器。 它面向中初級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)價(jià)格與傳統(tǒng)的它面向中初級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)價(jià)格與傳統(tǒng)的8 8位位或或1616位的嵌入式系統(tǒng)微處理器相差不大，卻擁有位的嵌入式系統(tǒng)微處理器相差不大，卻擁有3232位位CPUCPU的執(zhí)行效率，很受市場(chǎng)的歡迎。的執(zhí)行效率，很受市場(chǎng)的歡迎。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻78ARM7 ThumbARM7 Thumb家族的家族的特性特性： * *. . 擁有擁有3232位的位的ALUALU、寄存器、移位寄存器；寄存

58、器、移位寄存器；* *. . 擁有擁有3232位的尋址模式；位的尋址模式；* *. . 擁有擁有32328 8DSPDSP乘法器，可以做數(shù)字信號(hào)處理；乘法器，可以做數(shù)字信號(hào)處理；* *. . 擁有擁有1616位的位的ThumbThumb指令集。指令集。 ThumbThumb是將是將ARMARM指令集的一個(gè)子集重新編碼指令集的一個(gè)子集重新編碼而形成的一個(gè)指令集，即將部分而形成的一個(gè)指令集，即將部分3232位的位的ARMARM指指令壓縮成令壓縮成1616位而得到密度更高的代碼。位而得到密度更高的代碼。 使用使用ThumbThumb指令集可以以指令集可以以1616位的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)得位的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)得到到32

59、32位的系統(tǒng)性能。位的系統(tǒng)性能。 2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻79(2)(2)ARM 9 ThumbARM 9 Thumb系列系列 使用使用ARM 9 TDMIARM 9 TDMI處理器內(nèi)核，包括處理器內(nèi)核，包括ARM920TARM920T、ARM922TARM922T和和ARM940TARM940T，3 3種類(lèi)型。種類(lèi)型。 ARM920TARM920T與與ARM940TARM940T微處理器核心架構(gòu)如下圖所示微處理器核心架構(gòu)如下圖所示2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻80ARM 940TARM 940T微處理器核心架構(gòu)圖微處理器核心架構(gòu)圖 4K字節(jié)指令快取內(nèi)存4K字節(jié)數(shù)

60、據(jù)快取內(nèi)存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫(xiě)入緩沖器AMBA總線處2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻81ARM920TARM920T微處理器核心架構(gòu)圖微處理器核心架構(gòu)圖 4K字節(jié)指令快取內(nèi)存4K字節(jié)數(shù)據(jù)快取內(nèi)存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫(xiě)入緩沖器AMBA總線處EMI接口2021-12-10電氣與信息學(xué)院 李 鴻82(3) (3) ARM 10 Thumb ARM 10 Thumb 系列系列 針對(duì)更強(qiáng)大的多媒體市場(chǎng)及更有效率的即時(shí)針對(duì)更強(qiáng)大的多媒體市場(chǎng)及更有效率的即時(shí)數(shù)據(jù)處理等用途所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理等用途所設(shè)計(jì)的ARM RISC 64ARM RISC 64位架構(gòu)位架構(gòu)