第三章嵌入式系統(tǒng)工程與應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)工程與應(yīng)用第三章嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程第一節(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程當(dāng)我們滿懷憧憬與希望跨入二十一世紀(jì)大門的時候，計算機(jī)技術(shù)也開始進(jìn)入一個被稱為后PC技術(shù)的時代。區(qū)別于PC機(jī)，我們將非PC的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)稱之為嵌入式系統(tǒng)（Embeddedsystem）。

嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程圖3-1嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用舉例一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)可以稱為后PC時代和后網(wǎng)絡(luò)時代的新秀。與傳統(tǒng)的通用計算機(jī)，數(shù)字產(chǎn)品相比，利用嵌入式技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品有其自己的特點：（1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。（2）嵌入式系統(tǒng)是將計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（3）嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件高度結(jié)合的產(chǎn)物。（4）為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。（5）因為嵌入式系統(tǒng)往往和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(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，具有較長的生命周期。（6）嵌入式系統(tǒng)是典型的計算機(jī)系統(tǒng)，更是計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)的組成軟硬兼施，互利互惠，融為一體，成為產(chǎn)品。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具備以下4個特點：二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程1、對實時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)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(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。3、可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)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二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程早在80年代，國際上就有一些IT組織、公司，開始進(jìn)行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)，主要表現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器的研發(fā)。為了搶占這個無限廣闊的市場，各大硬件廠商競相推出產(chǎn)品，包括Intel，F(xiàn)reeScale，NXP，AMD等公司均不甘示弱，幾乎每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。三、單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程三、單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程單片機(jī)作為最典型的嵌入式處理器，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機(jī)以體積小、功能強(qiáng)、可靠性好、性能價格比高等特點，已成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步和開發(fā)機(jī)電一體化和智能化測控產(chǎn)品的重要手段。三、單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來配置生產(chǎn)。目前ARM在手持設(shè)備市場占有90以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。三、單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程DSP（digitalsignalprocessor）是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的處理器。DSP實時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。三、單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程FPGA是英文FieldProgrammableGateArray（現(xiàn)場可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，并非是一種處理器。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（一）嵌入式系統(tǒng)高級語言編程特點隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS（RealTimeOperatingSystem）的廣泛使用，高級語言編程已是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的必然趨勢。高級語言編程具有許多優(yōu)勢。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（1）通用性強(qiáng)。（2）容易編程。（3）容易閱讀。（4）可移植性好。（5）可維護(hù)性好。（6）直接支持中斷管理。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（二）C/C++、Java與嵌入式系統(tǒng)在小型嵌入式系統(tǒng)中，通常只有一個微處理器，并且其主要工作往往不是計算，而是控制，應(yīng)選擇控制能力較強(qiáng)的語言。在大型嵌入式系統(tǒng)中，往往會有多個微處理器或計算機(jī)并行工作，構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)。它們中有些工作于真正的嵌入式模式，有的則為純粹的信息處理。此時，對系統(tǒng)的編程就變得相當(dāng)復(fù)雜，不同的任務(wù)可能會用不同的語言編程。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的語言種類很多，但僅有少數(shù)幾種語言得到了比較廣泛的應(yīng)用如C/C++和Java等。C語言是由DennisRichie于1972年在AT&Bell實驗室研究成功并投入使用的系統(tǒng)編程語言。C++是由Bjarne

Stroustrup

于1995年在Bell實驗室研制成功并投入使用的。Java語言是SunMicrosystems公司于1995年在Internet上發(fā)布的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。Java是網(wǎng)絡(luò)語言，而嵌入式系統(tǒng)則在功能、價格、體積、功耗、上市時間等方面有特殊要求。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程Java不僅是一門語言，更是一種思想。它將使軟件開發(fā)在設(shè)計風(fēng)格、設(shè)計方法、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計過程等方面發(fā)生根本性變化。它將成為軟件再實現(xiàn)的基礎(chǔ)，未來OS的核心，各種應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺和實現(xiàn)環(huán)境。但Java并不是萬能的，它有自己的應(yīng)用范圍，在網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、面向?qū)ο蟮膽?yīng)用、可視化操作、交互式應(yīng)用領(lǐng)域Java是優(yōu)秀的；但在實時控制領(lǐng)域，如火箭控制、傳感器控制、宇宙飛行器的方位控制等方面C或匯編語言依然是最佳選擇。五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)工程是一門面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的綜合性系統(tǒng)工程，它涉及到嵌入式系統(tǒng)的通用技術(shù)和基本原理、嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方法等內(nèi)容。包括嵌入式系統(tǒng)的基本概念、開發(fā)原理及原則、軟件和硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的總體架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用技術(shù)及實例如表3-1所示。五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中應(yīng)用，如AV產(chǎn)品在兵器和國防工業(yè)中應(yīng)用，如導(dǎo)彈技術(shù)在移動電話中應(yīng)用在安全系統(tǒng)中應(yīng)用，如智能監(jiān)控系統(tǒng)在智能家電中應(yīng)用在智能機(jī)器人中應(yīng)用在智能玩具中應(yīng)用在農(nóng)業(yè)技術(shù)中應(yīng)用在多媒體中應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)工程中應(yīng)用在車輛與交通工程中應(yīng)用在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如數(shù)控技術(shù)在智能金融器具中應(yīng)用在智能傳感器中應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用在智能儀器儀表中應(yīng)用在氣象預(yù)報中應(yīng)用在智能卡中應(yīng)用表3-1嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用第二節(jié)一、單片機(jī)及應(yīng)用概述單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用一、單片機(jī)及應(yīng)用概述單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機(jī)，簡稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉，這種計算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)。一、單片機(jī)及應(yīng)用概述單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用單片機(jī)（Microcontrollor）是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的單片微型計算機(jī)。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。一、單片機(jī)及應(yīng)用概述單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用圖3-2單片機(jī)系統(tǒng)組成一、單片機(jī)及應(yīng)用概述單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。單片機(jī)具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點。單片機(jī)的設(shè)計目標(biāo)主要是增強(qiáng)“控制”能力，滿足實時控制(就是快速反應(yīng))方面的需要。因此，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨特之處，其最顯著的特點之一就是具有非常有效的控制功能。因此，單片機(jī)又常常被人稱為微控制器(MCU或μC)。單片機(jī)體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。二、典型單片機(jī)產(chǎn)品單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用二、典型單片機(jī)產(chǎn)品單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用當(dāng)今單片機(jī)產(chǎn)品琳瑯滿目，性能各異，但是8位內(nèi)核單片機(jī)仍占主要市場，比較流行的8位內(nèi)核單片機(jī)有基于MCS51及改進(jìn)系列單片機(jī)，Atmel的AVR單片機(jī)、Microchip公司的PIC單片機(jī)和Motorola公司的68HC系列等。二、典型單片機(jī)產(chǎn)品單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用MOTOROLA是世界上最大的單片機(jī)廠商。其半導(dǎo)體部已經(jīng)分離出來，就是Freescale公司。MCS51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括眾多品種，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的。INTEL公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，其中常用機(jī)型AT89C、AT89S系列是美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的片上Flash單片機(jī)。二、典型單片機(jī)產(chǎn)品單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用Microchip單片機(jī)是市場份額增長最塊的單片機(jī)。AVR是ATMEL于1997年由A及V先生共同研發(fā)的RISC單片機(jī)，AVR單片機(jī)吸取PIC及MCS51系列單片機(jī)的優(yōu)點，采用Harward結(jié)構(gòu)，工作于1MHz時性能高達(dá)1MIPS。二、典型單片機(jī)產(chǎn)品單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用16位嵌入式計算機(jī)具有較高性能的有FreeScale的DSP56800/E系列，凌陽的μ’nSPTM系列，Microchip公司的dsPIC30和dsPIC33系列，以及TI的TMS320系列DSP和MSP430系列單片機(jī)等。三、單片機(jī)發(fā)展趨勢單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用三、單片機(jī)發(fā)展趨勢單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢。三、單片機(jī)發(fā)展趨勢單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用（一）低電壓與低功耗——CMOS化（二）高度集成——單片化（三）主流與多品種共存（四）生命周期長（五）8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展（六）單片機(jī)的速度越來越快（七）低噪聲與高可靠性技術(shù)（八）OTP與掩膜（九）MTP向OTP挑戰(zhàn)四、如何成為單片機(jī)開發(fā)高手單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用四、如何成為單片機(jī)開發(fā)高手單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是實踐性很強(qiáng)的一門技術(shù)，有人說“單片機(jī)是玩出來的”，只有多“玩”，也就是多練習(xí)、多實際操作，才能真正掌握它。在沒有學(xué)會單片機(jī)之前應(yīng)該只去研究一種單片機(jī)，不要觀望，防止徘徊不前，一事無成。堅定信念后：四、如何成為單片機(jī)開發(fā)高手單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用首先，掌握單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)需要一個過程。其次，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用還涉及到硬件擴(kuò)展接口和各類傳感器，更重要的是必須盡可能地了解各學(xué)科中適應(yīng)單片機(jī)完成的控制項目以及控制過程。再次，學(xué)習(xí)單片機(jī)的C語言編程，是成為單片機(jī)高手的必經(jīng)之路。還有，軟件的開發(fā)是建立在硬件之上，軟硬件設(shè)計的巧妙結(jié)合是項目開發(fā)質(zhì)量保證的關(guān)鍵。最后，請不要做浮躁的單片機(jī)工程師。DSP技術(shù)及應(yīng)用第三節(jié)DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing，DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興交叉性前沿學(xué)科。數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來通信、計算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用（一）DSP系統(tǒng)構(gòu)成xa(t)

x(n)

y(n)

ya(t)前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號處理器D/A變換器模擬濾波器圖3-3典型的DSP系統(tǒng)一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用輸入信號首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行A/D（AnalogtoDigital）變換將信號變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍。DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP芯片對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘累加操作（MAC）。（一）DSP系統(tǒng)構(gòu)成一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點：(1)接口方便(2)編程方便(3)穩(wěn)定性好(4)精度高(5)可重復(fù)性好(6)集成方便（二）DSP系統(tǒng)的特點一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法一般有以下幾種：(1)在通用的計算機(jī)（如PC機(jī)）上用軟件（如C語言）實現(xiàn)；(2)FPGA上實現(xiàn)；(3)用通用的單片機(jī)（如MCS-51、ARM系列等）實現(xiàn)；(4)用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)。第1種方法的缺點是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種方法存硬件實現(xiàn)，是數(shù)字信號處理實時應(yīng)用的最理想載體；第3種方法只適用于實現(xiàn)簡單的DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號處理的應(yīng)用打開了新的局面。（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程DSP算法設(shè)計軟硬結(jié)合實現(xiàn)方法設(shè)計硬件實現(xiàn)方法設(shè)計

實現(xiàn)

實現(xiàn)C語言硬件描述語言圖3-4DSP系統(tǒng)的設(shè)計流程一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用在設(shè)計DSP系統(tǒng)之前，首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運(yùn)算序列、正式的符號或自然語言來描述。第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級語言的模擬。在完成第二步之后，接下來就可以設(shè)計實時DSP系統(tǒng)，實時DSP系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。DSP硬件和軟件設(shè)計完成后，就需要進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用DSP型處理器概述，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：(1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；

(3)片內(nèi)具有快速

RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；

1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持；

(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；

(7)可以并行執(zhí)行多個操作；

(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用世界上第一個單片

DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的

S2811。1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。1980年，日本

NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用

DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。2.DSP處理器芯片的發(fā)展二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用2.DSP處理器芯片的發(fā)展表3-2TIDSP芯片發(fā)展比較表（典型值）年份

1982年

1992年

1999年

制造工藝

MIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz內(nèi)部RAM144字

1K字

32K字

內(nèi)部ROM1.5K字

4K字

16K字

價格

$150.00＄15.00$5.00~$25.00功耗

250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶體管數(shù)

50K500K

二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（1）按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。（2）按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。（3）按用途分3.DSP芯片的分類二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（1）DSP芯片的運(yùn)算速度。1）指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位。2）MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間。3）FFT執(zhí)行時間：即運(yùn)行一個N點FFT程序所需的時間。4）MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。5）MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作。6）MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。7）BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。4.DSP芯片的選擇二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（2）DSP芯片的價格（3）DSP芯片的硬件資源（4）DSP芯片的運(yùn)算精度（5）DSP芯片的開發(fā)工具（6）DSP芯片的功耗（7）其他。除了上述因素外，選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。4.DSP芯片的選擇三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用DSP芯片的應(yīng)用主要有：(1)信號處理——如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等；(2)通信——如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯編碼、可視電話等；(3)語音——如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等；三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用(4)圖形/圖像——如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動畫、機(jī)器人視覺等；(5)軍事——如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等；(6)儀器儀表——如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等；三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用(7)自動控制——如引擎控制、聲控、自動駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等；(8)醫(yī)療——如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等；(9)家用電器——如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用單片機(jī)（MCU）和數(shù)字信號處理器（DSP）曾各自為營，但現(xiàn)在卻呈現(xiàn)出融合式的發(fā)展，為以最低成本完成各種消費(fèi)類和工業(yè)類任務(wù)提供最佳解決方案?；旌闲彤a(chǎn)品的應(yīng)用可以分為不同的兩類，一類側(cè)重于DSP功能對完成主要任務(wù)極為重要的特殊應(yīng)用領(lǐng)域；第二類是為8位和16位單片機(jī)用戶提供向上發(fā)展途徑的通用應(yīng)用領(lǐng)域。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用MicrochipTechnology公司的dsPIC30系列和dsPIC33系列是具有DSP指令的高性能單片機(jī)，均具有30MIPS的性能，并可以在工業(yè)溫度范圍和擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)工作。TexasInstruments公司的TMS320系列中的C2000系列也是典型混合型產(chǎn)品。Freescale公司的56800系列混合處理器在業(yè)界也有很高的聲譽(yù)。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用AnalogDevices公司同樣將其Blackfin處理器定在達(dá)到高水平的處理能力上，其最近推出的產(chǎn)品包括時鐘速率高達(dá)750MHz的雙內(nèi)核器件。多內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)是在同一塊芯片上支持DSP任務(wù)和控制任務(wù)的另一種方法。嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用第四節(jié)嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用計算機(jī)是由硬件和軟件組成的，缺了任何一樣都無法運(yùn)行。操作系統(tǒng)是現(xiàn)代電腦必不可少的系統(tǒng)軟件，是計算機(jī)的靈魂所在?，F(xiàn)代的計算機(jī)都是通過操作系統(tǒng)來解釋人們的命令，從而達(dá)到控制電腦的目的。操作系統(tǒng)的理論是計算機(jī)科學(xué)中一個古老而又活躍的分支，而操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)則是軟件工業(yè)的基礎(chǔ)與核心。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用操作系統(tǒng)(OperatingSystem)是用戶和計算機(jī)之間的界面。一方面操作系統(tǒng)管理著所有計算機(jī)系統(tǒng)資源，另一方面操作系統(tǒng)為用戶提供了一個抽象概念上的計算機(jī)。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制并協(xié)調(diào)并發(fā)活動，具有一般操作的基本功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理，同時它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式操作系統(tǒng)是以庫的形式提供給用戶，用戶可以通過操作系統(tǒng)的

API（ApplicationProgrammingInterface）使用嵌入式操作系統(tǒng)。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用1.嵌入式操作系統(tǒng)基本功能（1）任務(wù)調(diào)度——就是決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度的，每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級；（2）任務(wù)管理——建立任務(wù)、刪除任務(wù)、改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級、掛起和恢復(fù)任務(wù)，以及獲得有關(guān)任務(wù)的信息；一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）時間管理——用戶提供定時中斷，也叫時鐘節(jié)拍來實現(xiàn)延時與超時控制等功能；（4）任務(wù)間的通信與同步——在實際系統(tǒng)的應(yīng)用中有時需要任務(wù)間的或中斷服務(wù)與任務(wù)間的信息傳遞，這種信息傳遞被稱為任務(wù)間的通信；（5）內(nèi)存管理——嵌入式操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中包含有整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，在一個系統(tǒng)中可以有多個內(nèi)存分區(qū)，用戶的應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中得到不同大小的內(nèi)存塊。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用2.嵌入式操作系統(tǒng)特點（1）可裁減性——操作系統(tǒng)可定制、可裁減，以有效減少操作系統(tǒng)所需的存儲空間；（2）高可靠性——可靠性主要有兩個方面含義。一是硬件本身要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；二是系統(tǒng)檢查出故障后要有保持安全狀態(tài)的能力；一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）實時性——實時性指系統(tǒng)對響應(yīng)時間的嚴(yán)格要求，指能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，能對外部的異步事件做出快速正確的響應(yīng)；（4）多任務(wù)操作系統(tǒng)——嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計過程包括如何把問題分割成多個任務(wù)，多任務(wù)的操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然要求；（5）可移植性——針對不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，都可以把系統(tǒng)內(nèi)核移植到不同的嵌入式處理器中。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用1.VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用2.WindowsCEWindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。它是一個完整的可攜式操作系統(tǒng)，Microsoft打算以此為基礎(chǔ)，發(fā)展廣泛的商業(yè)與消費(fèi)設(shè)備，包括新的無線通訊設(shè)備、DVD播放器、InternetTV、數(shù)字信息裝置盒及網(wǎng)絡(luò)電話等。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用3.嵌入式Linux這是嵌入式操作系統(tǒng)的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點，據(jù)IDG預(yù)測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50%。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用4.μC/OS-II

μC/OS-II是著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。

它的主要特點如下：（1）公開源代碼，很容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；（2）可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；

二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少所需的存儲空間；（4）占先式，完全是占先式的實時內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)；（5）多任務(wù)，可管理64個任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法；（6）可確定性，函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間具有其可確定性，不依賴于任務(wù)的多少；（7）實用性和可靠性，成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據(jù)。FPGA與SOC技術(shù)第五節(jié)一、引言FPGA與SOC技術(shù)一、引言FPGA與SOC技術(shù)集成電路的發(fā)展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進(jìn)。隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)工藝技術(shù)的發(fā)展，器件特征尺寸越來越小，芯片規(guī)模越來越大，數(shù)百萬門級的電路可以集成在一個芯片上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD芯片等。一、引言FPGA與SOC技術(shù)SOC為各種應(yīng)用提供了一個新的實現(xiàn)技術(shù)。這種新的電子系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)促使工業(yè)界在近3年中發(fā)生了巨大的變化，為信息技術(shù)的應(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機(jī)技術(shù)提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。一、引言FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的重要特點之一，就是技術(shù)多樣性、智能多變性和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計性。SOC正是成為滿足現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的要求而產(chǎn)生的現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)。SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，是技術(shù)發(fā)展的必然，是IC產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)SOC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說來，SOC稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù)，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SOC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SOC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)OC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。SOC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面：其一是它的構(gòu)成，其二是它形成過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)系統(tǒng)級芯片SOC是在單片上實現(xiàn)全電子系統(tǒng)的集成，具有以下幾個特點：（一）系統(tǒng)功能集成是SOC的核心技術(shù)（二）固件集成是SOC的基礎(chǔ)設(shè)計思想（三）嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結(jié)構(gòu)（四）IP是SOC的設(shè)計基礎(chǔ)（五）速度高、時序關(guān)系嚴(yán)密（六）采用超深亞微米(UDSM)、納米集成電路的設(shè)計理論和技術(shù)（七）外部可以對芯片進(jìn)行編程三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)具體地說，SOC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)、SOC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、超深亞微米電路實現(xiàn)技術(shù)等，此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究，是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD(CompexProgrammableLogicDevice)和FPGA(FieldProgrammableGateArry)是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的兩類可編程專用集成電路（Application-SpecificIntegratedCircuit，ASIC）（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)由于結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，可編程ASIC芯片上包含的資源越來越豐富，可實現(xiàn)的功能越來越強(qiáng)，它們已成為當(dāng)今實現(xiàn)電子系統(tǒng)集成化的重要手段。Altera、Xilinx、Lattice、和Actel等公司是全球著名的可編程邏輯器件供應(yīng)商。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件，有很多共同特點，但由于CPLD和FPGA結(jié)構(gòu)上的差異，具有各自的特點，特比較如下：（1）CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA更適合于完成時序邏輯。（2）CPLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（3）在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。（4）FPGA的集成度比CPLD高，具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)。（5）CPLD比FPGA使用起來更方便。（6）CPLD的速度比FPGA快，并且具有較大的時間可預(yù)測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（7）在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash存儲器編程，編程次數(shù)可達(dá)1萬次，優(yōu)點是系統(tǒng)斷電時編程信息也不丟失。（8）CPLD保密性好，F(xiàn)PGA需要外部配置，保密性差。（9）一般情況下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明顯。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)SOC可采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)實現(xiàn)。開發(fā)新型SOC器件需要解決的幾個關(guān)鍵問題包括：新的設(shè)計工具、先進(jìn)的工藝技術(shù)及半導(dǎo)體IP。盡管在技術(shù)上十分先進(jìn)，基于ASIC的SOC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至?xí)虼穗y以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰(zhàn)：（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（1）系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加（2）上市時間壓力更大（3）產(chǎn)品生命周期更短（4）多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)并存（5）可用于不同產(chǎn)品的設(shè)計靈活性較差（6）可重配置及現(xiàn)場升級性能缺乏。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)在，基于FPGA的SOC可以解決以前基于ASIC的SOC無法完成的任務(wù)和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場升級、減少產(chǎn)品上市時間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標(biāo)準(zhǔn)要求。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)基于FPGA的SOC設(shè)計可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉(zhuǎn)型中受益最多的應(yīng)用包括：（1）通信及網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)及無線基礎(chǔ)設(shè)施。（2）數(shù)據(jù)處理：服務(wù)器及存儲設(shè)備。

（3）消費(fèi)類電子產(chǎn)品：數(shù)字機(jī)頂盒、數(shù)字電視和個人攝像機(jī)。（二）FPGA與SOC四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)微處理器是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中的主流技術(shù)，特別是在工業(yè)和民用的獨立電子系統(tǒng)中，單片機(jī)起著系統(tǒng)核心的作用。由于單片機(jī)系統(tǒng)特有的固件特性，使單片機(jī)在SOC技術(shù)中占有重要的地位。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)（一）SOC中的嵌入式技術(shù)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)形成了常用的、獨特的嵌入式結(jié)構(gòu)。目前，單片機(jī)已經(jīng)成為CPU和其他輔助電路而形成的。單片機(jī)已經(jīng)成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結(jié)構(gòu)正是SOC的一種重要實現(xiàn)技術(shù)和方法。用SOC設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)嵌入式結(jié)構(gòu)，為設(shè)計者提供了現(xiàn)有技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越條件。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)（二）SOC中單片機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化目前在單片機(jī)應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分實際上并不能叫做單片機(jī)。因為許多應(yīng)用中需要形成單片機(jī)的外部系統(tǒng)總線。因此，單片機(jī)資源的充分利用和避免形成外部總線，往往是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計的主要追求目標(biāo)。換句話說，優(yōu)化問題是單片機(jī)應(yīng)用中的一個重要問題。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)圖3-6不同單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法框圖四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)概括地說，SOC使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，這個變化就是應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，從選擇廠家提供的定制產(chǎn)品時代進(jìn)入了用戶自行開發(fā)設(shè)計器件的時代。這標(biāo)志著單片機(jī)應(yīng)用的歷史性變化，一個全新的單片機(jī)應(yīng)用時代已經(jīng)到來。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，使用硬件語言設(shè)計CPLD/FPGA成為一種趨勢。硬件描述語言（HarewareDescribeLanguage，HDL）是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。目前，這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)在，隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)，軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計變得越來越重要。硬件描述語言為適應(yīng)新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、CynlibC++等等。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、CynlibC++、CLevel等等。雖然各種語言各有所長，但業(yè)界對到底使用哪一種語言進(jìn)行設(shè)計，卻莫衷一是，難有定論。目前最主要的硬件描述語言是VHDL和VerilogHDL。而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設(shè)計流程中實現(xiàn)級和系統(tǒng)級都具有各自的用武之地。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設(shè)計項目，他們愿意選擇哪種方案?結(jié)果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和CLevel設(shè)計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)為Verilog辯護(hù)者認(rèn)為，開發(fā)一種新的設(shè)計語言是一種浪費(fèi)；為SystemC辯護(hù)者認(rèn)為，系統(tǒng)級芯片SOC快速增長的復(fù)雜性需要新的設(shè)計方法；C語言的贊揚(yáng)者認(rèn)為，Verilog是硬件設(shè)計的匯編語言，而編程的標(biāo)準(zhǔn)很快就會是高級語言，CynlibC++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Superlog的捍衛(wèi)者認(rèn)為，Superlog是Verilog的擴(kuò)展，可以在整個設(shè)計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進(jìn)化，而不是一場革命。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)1.VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）早在1980年，因為美國軍事工業(yè)需要描述電子系統(tǒng)的方法，美國國防部開始進(jìn)行VHDL的開發(fā)。1987年，由IEEE（InstituteofElectricalandElectro-nicsEngineers）將VHDL制定為標(biāo)準(zhǔn)。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)2.VerilogHDLVerilogHDL是在1983年，由GDA（GateWayDesignAutomation）公司的PhilMoorby首創(chuàng)的。VHDL發(fā)展的較早，語法嚴(yán)格，而VerilogHDL是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語言，語法較自由。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)3.SystemC隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，SOC已經(jīng)成為當(dāng)今集成電路設(shè)計的發(fā)展方向。SystemC是由Synopsys公司和CoWare公司積極響應(yīng)目前各方對系統(tǒng)級設(shè)計語言的需求而合作開發(fā)的。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)1.了解HDL的可綜合性問題HDL有兩種用途：系統(tǒng)仿真和硬件實現(xiàn)。2.用硬件電路設(shè)計思想來編寫HDL學(xué)好HDL的關(guān)鍵是充分理解HDL語句和硬件電路的關(guān)系。3.語法掌握貴在精，不在多30%的基本HDL語句就可以完成95%以上的電路設(shè)計。（二）學(xué)習(xí)HDL的幾點重要提示五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)（1）文本編輯：用任何文本編輯器都可以進(jìn)行，也可以用專用的HDL編輯環(huán)境。（2）功能仿真：將文件調(diào)入HDL仿真軟件進(jìn)行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確。（3）邏輯綜合：將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進(jìn)行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達(dá)式和信號的連接關(guān)系。（三）HDL開發(fā)流程五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)（4）布局布線：將.edf文件調(diào)入PLD廠家提供的軟件中進(jìn)行布線，即把設(shè)計好的邏輯安放到PLD/FPGA內(nèi)。（5）時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗證電路的時序。（也叫后仿真）（6）編程下載：確認(rèn)仿真無誤后，將文件下載到芯片中。（三）HDL開發(fā)流程嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——

嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人第六節(jié)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人應(yīng)該說人類是最聰明、最有智慧的群體。但我們也應(yīng)看到人類存在的不足。我們的祖先就曾幻想過人類應(yīng)具有順風(fēng)耳和千里眼，可以聽世界上的一切聲音，可以看世界上的一切事物；可以有三頭六臂，甚至成為千手觀音；可以上天入地，力大無比。如今，機(jī)器人幫助人類實現(xiàn)了很多夢想，但是，機(jī)器人的本領(lǐng)不會超過人類，因為機(jī)器人是人類發(fā)明、創(chuàng)造的，人類是機(jī)器人的主人。機(jī)器人是嵌入式應(yīng)用的典型應(yīng)用領(lǐng)域。一、什么是機(jī)器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人一、什么是機(jī)器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人實際意義上的機(jī)器人，應(yīng)該是“能自動工作的機(jī)器”。有的功能很簡單，有的功能就復(fù)雜得多。機(jī)器人通常具有3個基本特征。是不是機(jī)器人，只需看一看它是否具備以下3個特征：（1）身體：是一種物理狀態(tài)，具有一定的形態(tài)。（2）大腦：控制機(jī)器人的程序。（3）動作：任何機(jī)器人都有一定的動作表現(xiàn)。一、什么是機(jī)器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人在1967年日本召開的第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義：一個定義是森政弘與合田周平提出的：“機(jī)器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機(jī)械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機(jī)器?！绷硪粋€定義是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機(jī)器稱為機(jī)器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。一、什么是機(jī)器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象?！?987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。”一、什么是機(jī)器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器?！倍?、機(jī)器人的分類嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人二、機(jī)器人的分類關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人分類名稱說

明操作型機(jī)器人能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。程控型機(jī)器人按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)器人動作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。感覺控制型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作。適應(yīng)控制型機(jī)器人機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人機(jī)器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。智能機(jī)器人以人工智能決定其行動的機(jī)器人。表3-3機(jī)器人的分類三、機(jī)器人對外界信息的感知嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人三、機(jī)器人對外界信息的感知所有的機(jī)器人都裝有傳感器，用于為機(jī)器人提供輸入。一些傳感器很像我們?nèi)祟惖母杏X器官，能夠“看到”或“感覺到”外界環(huán)境的變化。一個機(jī)器人的控制程序主要取決于以下幾種因素：（1）使用的傳感器類型和數(shù)量。（2）傳感器的安裝位置。（3）可能的外部激勵。（4）需達(dá)到的活動效果。（5）可編程積木式。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人三、機(jī)器人對外界信息的感知通常，機(jī)器人只能簡單地“做”我們談?wù)摍C(jī)器人的“動作”時，就知道人類是怎么理解機(jī)器人這一概念的。簡單地說，機(jī)器人的“動作”就是：“機(jī)器人做什么”。機(jī)器人通常是用來完成需要人自己來做的一些工作。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人三、機(jī)器人對外界信息的感知機(jī)器人必須有“手”，這樣它才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”動作。“手”不僅是一個執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，它還應(yīng)該具有識別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”?，F(xiàn)在，機(jī)器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指、腕、肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如地伸縮擺動，手腕也會轉(zhuǎn)動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西的重量，可以說已經(jīng)具備了人手的許多功能。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人（一）機(jī)器人的手三、機(jī)器人對外界信息的感知人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取的，能否造出“人工眼”讓機(jī)器也能像人那樣識文斷字和看東西，這是智能自動化的重要課題。關(guān)于機(jī)器識別的理論、方法和技術(shù)，稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程。機(jī)器識別系統(tǒng)與人的視覺系統(tǒng)類似，由信息獲取、信息處理與特征抽取以及判決分類等部分組成。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人（二）機(jī)器人的眼睛三、機(jī)器人對外界信息的感知1.機(jī)器認(rèn)字2.機(jī)器識圖3.機(jī)器識別物體嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人（二）機(jī)器人的眼睛三、機(jī)器人對外界信息的感知機(jī)器人的鼻子也就是用氣體自動分析儀做成的?，F(xiàn)在利用各種原理制成的氣體自動分析儀已經(jīng)有很多種類，廣泛應(yīng)用于檢測毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監(jiān)察環(huán)境等方面。這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現(xiàn)象有關(guān)，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計算機(jī)組合起來，就可以做成機(jī)器人的嗅覺系統(tǒng)了。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機(jī)器人（三）機(jī)器人的鼻子三、機(jī)器人對外界信息的感知機(jī)器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機(jī)來做的。被送到太空去的遙控機(jī)器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機(jī)。用一種叫做鈦酸鋇的壓電材料做成的“耳朵”比人的耳