嵌入式-第1章資料

1、嵌入式系統(tǒng)(xtng)原理與設計主講(zhjing)：倪秋芬電話五十九頁 參考(cnko)教材:ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程-周立功 共五十九頁 1、電子技術基礎（模、數(shù)）2、微機原理(yunl)及接口技術3、C程序設計預備(ybi)知識共五十九頁 嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義嵌入式系統(tǒng)(xtng)概述 硬件基礎 應用領域 嵌入式技術的發(fā)展趨勢1243共五十九頁一、嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的MP3和一個PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認為是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)(y jing)有了近30年的發(fā)展歷史，它是硬件

2、和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。第一款微處理器是Intel的4004，它出現(xiàn)在1971年，然后是是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定時器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051。 共五十九頁1981年Ready System發(fā)展了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VTRX32）包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括(boku)任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存

3、管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如Integrated System Incorporation (ISI)的PS/OS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux、Lynx、uC/OS、Nucleus，以及國內(nèi)的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系統(tǒng)。今天RTOS已經(jīng)在全球形成了1個產(chǎn)業(yè)，根據(jù)美國EMF（電子市場分析）報告，1999年全球RTOS市場產(chǎn)值達3.6億美元，而相關的整個嵌入式開發(fā)工具（包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調(diào)試器）則高達9億美元。 共五十九頁IEEE定義(dngy) 根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式

4、系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器(j q)和設備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）?？梢钥闯龃硕x是從應用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。 共五十九頁一般(ybn)定義 “以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件(run jin)硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?！惫参迨彭撏ㄋ?tn s)定義：嵌入到對象體系(tx)內(nèi)部的專用計算機系統(tǒng)，稱為嵌入式系統(tǒng)。共

5、五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的幾個重要特征（1）系統(tǒng)(xtng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。共五十九頁（）專用性強嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全(wnqun)不同的概念。 共五十九頁（）系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，

6、這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。（）高實時性OS這是嵌入式軟件的基本要求，而且(r qi)軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實時性。 共五十九頁（5）嵌入式軟件開發(fā)走向標準化嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行。為了合理地調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須(bx)自行選配RTOS（RealTime Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。共五十九頁（6）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，

7、用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合(hnh)信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。 共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)與PC之間的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障(gzhng)帶來的后果比PC機大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具共五十九頁典型(di

8、nxng)嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件MPU微處理器電源模塊時鐘復位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設共五十九頁典型嵌入式系統(tǒng)基本組成(z chn)軟件處理器存儲器輸入(shr)輸出操作系統(tǒng)應用程序軟件結構硬件結構共五十九頁嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。 硬件包括處理器微處理器、存儲器及外設器件和IO端口、圖形控制器等。 軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。 應用(yngyng)程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用(yngyng)程序編程與硬件的交互作用。共

9、五十九頁 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：1、對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且(bngqi)有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。 2、具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。 3、可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。 4、嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有m

10、W甚至W級。 共五十九頁嵌入式處理器 嵌入式處理器可編程片上系統(tǒng)SOPC嵌入式片上系統(tǒng)SOC嵌入式微處理器MPU嵌入式數(shù)字信號處理器DSP嵌入式微控制器MCU共五十九頁從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格越來越低。嵌入式微控制器（MicroController Unit,MCU） 總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。嵌入式微控制器的典型代表就是單片機。嵌入式DSP處理器(Digital Signal Processor,DSP) 處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構

11、和指令算法方面進行了特殊設計(shj)，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。 DSP是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。 共五十九頁嵌入式微處理器（MicroProcessor Unit,MPU） MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，其中ARM/StrongARM是專為手持設備開發(fā)的嵌入式處理器，屬于中檔的價位。嵌入式片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC） 它是IC設計的發(fā)展趨勢。采用SOC設計技術，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系

12、統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價格比。 SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。嵌入式可編程片上系統(tǒng)（System on Chip，SOPC） 它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)(SOC)，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減(cijin)、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。共五十九頁 SOPC結合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征： 至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核； 具有小容量(rngling)片內(nèi)高速RAM資源； 豐富的IP Core資源可

13、供選擇； 足夠的片上可編程邏輯資源； 處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口； 可能包含部分可編程模擬電路； 單芯片、低功耗、微封裝。共五十九頁SOPC的技術內(nèi)容 SOPC設計技術涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設計技術、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協(xié)同設計技術。由于SOPC的主要邏輯(lu j)設計是在可編程邏輯(lu j)器件內(nèi)部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的

14、軟硬件協(xié)同設計技術提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內(nèi)實時調(diào)試工具。共五十九頁SOPC的前景(qinjng) SOPC是PLD和ASIC技術融合的結果，目前0.13微米的ASIC產(chǎn)品制造價格仍然相當(xingdng)昂貴，相反，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯的SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。SOPC被稱為“半導體產(chǎn)業(yè)的未來”。共五十九頁實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)目前最主要的組成部分。實時性需要調(diào)度一切可利用的資源完成(wn chng)實

15、時控制任務，著眼于提高計算機系統(tǒng)的使用效率，滿足對時間的限制和要求。共五十九頁系統(tǒng)響應時間（System response time）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求，到系統(tǒng)給出應答信號的時間。任務(rn wu)切換時間（Context-switching time）：任務之間切換而使用的時間。中斷延遲（Interrupt latency）：計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應，并完成切換轉入中斷服務程序的時間。共五十九頁馮諾依曼體系結構和哈佛體系結構CISC(Complex Instruction Set Computer)與RISC(Reduced Instruction Set Computer)影

16、響CPU性能的因素存儲器系統(tǒng)(xtng)I/O接口二、硬件(yn jin)基礎共五十九頁馮諾依曼體系結構模型(mxng)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入(shr)輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2共五十九頁指令(zhlng)的執(zhí)行周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令(zhlng)譯碼（Instruction Decode）：TD3）執(zhí)行指令（Instruction Execute）：TE4）存儲（Storage）：TS每條指令的執(zhí)行周期：T= TF+TD+TE+TS共五十九頁馮諾依曼體系(tx)的特點1）數(shù)據(jù)與指令都存儲在存

17、儲器中2）被大多數(shù)計算機所采用(ciyng)3）ARM7馮諾依曼體系共五十九頁哈佛體系結構指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入(shr)輸出(shch)中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)共五十九頁哈佛體系結構的特點(tdin)1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開2）提供了較大的數(shù)據(jù)存儲器帶寬3）適合于數(shù)字(shz)信號處理4）大多數(shù)DSP都是哈佛結構5）ARM9是哈佛結構共五十九頁CISC和RISCCISC：復雜指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式大多數(shù)程序(chngx)只使用少量的指令就能夠運行8

18、/2原則：80%的程序只使用20%的指令RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用(yu yn)的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結構設計變得更為簡單 共五十九頁CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始(kish)退出(tuch)IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道取指指令譯碼取指指令譯碼CISC：RISC：共五十九頁輸入輸出接口(ji ku)1）I/O2）A/D、D/A3）鍵盤(jinpn)4）LED、LCD5）存儲器接口6）設備接口共五十九頁三、應用領域社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了

19、一些新的需求，同時促進了嵌入式技術的廣泛應用中國正在成為(chngwi)世界制造大國，在消費電子、工業(yè)應用、軍事國防、網(wǎng)絡設備等領域都有嵌入式系統(tǒng)的應用共五十九頁嵌入式技術(jsh)刺激了許多新的應用需求嵌入式技術發(fā)展又在不斷刺激新的技術產(chǎn)生 信息家電、醫(yī)療(ylio)電子病歷、微小型智能武器消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡設備工業(yè)軍事國防電子商務網(wǎng)絡共五十九頁工業(yè)控制(kngzh) 工業(yè)設備是機電產(chǎn)品中最大一類過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)測(jin c)、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設備主要采用是位單片

20、機。 隨著技術發(fā)展，目前許多設備除了進行實時控制，還須將設備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁信息家電 只有按鈕、開關的電器顯然(xinrn)已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。 具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢，如冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡化、智能化等。信息家電將成為(chngwi)嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域。共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁消費類電子(dinz)智能玩具、手持通訊的核心嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁交通管理、環(huán)境監(jiān)測(hun jn jin

21、 c)交通管理在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，目前GPS設備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品(chnpn)進入了普通百姓的家庭水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。加油站、停車場管理嵌入式系統(tǒng)的應用領域共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁智能(zh nn)玩具與機器人嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁嵌入式Internet應用(yngyng)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁軍事國防(gufng)領域嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九頁航天(hngtin)領域嵌入式系統(tǒng)(xtng)的應用領域共五十九

22、頁宏觀方面發(fā)展趨勢： 經(jīng)濟性（幾十萬、幾萬、5千、5百）計算機要很便宜，讓更多的人能買得起； 小型化（筆記本、PDA）人們攜帶方便； 可靠性（汽車VCD，挑動問題）能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運行； 高速度（飛機剎車(sh ch)系統(tǒng)）能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計算或數(shù)據(jù)傳輸； 智能性（知識推理、模糊查詢、識別、感知運動）使人們用起來更習慣，對人們更有價值。四、嵌入式技術(jsh)的發(fā)展趨勢共五十九頁芯片方面SOC芯片技術能降低電子產(chǎn)品成本的速度，就連當代電子學革命之父，2000年諾貝爾物理獎得者杰克基爾比也沒有想到，他在1959年發(fā)明的芯片技術，會將電子產(chǎn)品的成本降低到了百分之一的地步

23、。難怪盡管發(fā)展芯片技術的耗資是驚人的巨大，發(fā)達國家還是(hi shi)力爭在芯片技術的競爭中要永遠保持領先的地位，以便能主宰世界信息技術的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)(xtng)技術發(fā)展趨勢共五十九頁嵌入式系統(tǒng)(xtng)技術發(fā)展趨勢嵌入式軟件行業(yè)的標準目前，嵌入式操作系統(tǒng)沒有國際標準，有些行業(yè)已經(jīng)開始定義其相關的行業(yè)標準，如汽車電子OSEK等。向微內(nèi)核方向發(fā)展（PS/2 微通道，PCI、ISA）八十年代后期，國外提供了微內(nèi)核（Microkernel）的思想，即將傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的許多共性的東西抽象出來，構成操作系統(tǒng)的公共基礎，真正具體的操作系統(tǒng)功能(gngnng)則由構造在微內(nèi)核之外的服務器實現(xiàn)。實時多任務操作系統(tǒng)與開發(fā)工具微小型個人數(shù)據(jù)庫高可靠性的無線信息傳輸多