1嵌入式系統概述課件

[1]嵌入式系統概述1、不要輕言放棄，否則對不起自己。2、要冒一次險!整個生命就是一場冒險。走得最遠的人，常是愿意去做，并愿意去冒險的人。“穩(wěn)妥”之船，從未能從岸邊走遠。--戴爾．卡耐基。3、人生就像一杯沒有加糖的咖啡，喝起來是苦澀的，回味起來卻有久久不會退去的余香。4、守業(yè)的最好辦法就是不斷的發(fā)展。5、當愛不能完美，我寧愿選擇無悔，不管來生多么美麗，我不愿失去今生對你的記憶，我不求天長地久的美景，我只要生生世世的輪回里有你。[1]嵌入式系統概述[1]嵌入式系統概述1、不要輕言放棄，否則對不起自己。2、要冒一次險!整個生命就是一場冒險。走得最遠的人，常是愿意去做，并愿意去冒險的人?！胺€(wěn)妥”之船，從未能從岸邊走遠。--戴爾．卡耐基。3、人生就像一杯沒有加糖的咖啡，喝起來是苦澀的，回味起來卻有久久不會退去的余香。4、守業(yè)的最好辦法就是不斷的發(fā)展。5、當愛不能完美，我寧愿選擇無悔，不管來生多么美麗，我不愿失去今生對你的記憶，我不求天長地久的美景，我只要生生世世的輪回里有你。嵌入式系統概述嵌入式系統的概念嵌入式系統的特點嵌入式系統的演變嵌入式系統的基本組成嵌入式系統的應用嵌入式系統的開發(fā)過程嵌入式系統研究熱點嵌入式系統原理與應用20081.嵌入式系統的概念1.1計算機系統分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機、大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機)是以嵌入式系統的形式隱藏在各種裝置、產品和系統中計算機系統不僅僅是:嵌入式系統的概念1.3嵌入式系統的的其它定義嵌入式系統的簡單定義嵌入式系統是指操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中?？梢哉J為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可以稱為嵌入式系統嵌入式系統的狹義定義使用嵌入式微處理器構成獨立系統，具有自己的操作系統并且具有某些特定功能的系統微處理器專指32位以上的微處理器廣義定義: 任何一個非計算機的計算系統嵌入式系統原理與應用20082.嵌入式系統的特點2.1嵌入式系統的特點:系統內核小：一般應用于小型電子裝置。系統精簡：無系統軟件和應用軟件的明顯區(qū)別。專用性強：軟硬件結合緊密、針對硬件進行系統的移植。資源有限：通常要求產品廉價、耗電少、體積小、速度快等。實時性：實時多任務的操作系統、合理調度多任務專門的開發(fā)工具和環(huán)境。2.2嵌入式系統軟件的特征:軟件要求固態(tài)化存儲軟件代碼高質量、高可靠性系統軟件(OS)的高實時性是基本要求多任務操作系統是知識集成的平臺和走向工業(yè)標準化道路的基礎嵌入式系統原理與應用2008嵌入式系統的特點MicrocontrollerCCDpreprocessorPixelcoprocessorA2DD2AJPEGcodecDMAcontrollerMemorycontrollerISAbusinterfaceUARTLCDctrlDisplayctrlMultiplier/AccumDigitalcamerachiplensCCD一個嵌入式系統的典型例子–數碼相機嵌入式系統原理與應用2008嵌入式系統的特點2.3嵌入式系統具有的產品特征:面向用戶、面向產品、面向應用升級換代也是和具體產品同步、具有較長的生命周期軟件和硬件結合緊密嵌入式處理器的發(fā)展也體現出穩(wěn)定性普通處理器18月嵌入式處理器8-10年2.4嵌入式系統工業(yè)的特點和要求 嵌入式系統工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)PC由WINTEL壟斷嵌入式系統工業(yè)的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發(fā)。嵌入式系統原理與應用2008嵌入式系統的特點2.5嵌入式系統開發(fā)的特點嵌入式系統開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境通用計算機具有完善的人機接口界面嵌入式系統本身不具備自舉開發(fā)能力這些工具和環(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、混合信號示波器等。嵌入式系統軟件需要RTOS開發(fā)平臺通用計算機具有完善的操作系統和應用程序接口(API)，但一

般不是實時的。嵌入式系統則不同，應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行。但為了保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。需要選配RTOS開發(fā)平臺嵌入式系統原理與應用20083.嵌入式系統的演變3.1計算機用于控制設備或嵌入系統的歷史幾乎與計算機自身的歷史一樣長計算機控制系統單片機掀起電子化浪潮微處理器高速發(fā)展推動了嵌入式系統3.2嵌入式系統的演變8031/8051單片機系統，自行編寫程序；68360/386EX控制系統，自己編寫簡單的操作系統；32位嵌入式處理器＋pSoS嵌入式操作系統＋tcp/ip協議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web設備server以及各種復雜網絡協議棧＋GUI圖形界面＋無線模塊＝現代可移動的網絡智能設備3.3后PC技術的時代小到mp3、PDA等微型數字化產品，大到網絡家電、智能家電、車載電子設備嵌入式系統是這個后PC時代的擎天之柱世界電子產品產值已超過數萬億美元，并且逐年遞增嵌入式系統原理與應用20084.嵌入式系統基本構成嵌入式硬件系統嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件嵌入式軟件系統板級支持包（BSP）設備驅動（DeviceDriver）操作系統（OS/RTOS）協議棧（ProtocolStack）應用程序（Application）存儲器及外圍電路嵌入式處理器嵌入式操作系統應用軟件嵌入式系統原理與應用20084.1嵌入式系統的硬件基本構成嵌入式系統原理與應用20084.2嵌入式系統的軟件基本構成嵌入式操作系統設備驅動及一些中間件協議棧（JAVAVM/JITs)應用軟件板級支持包（BSP）WindowsCE,PocketPC,Palm,SymbianandLinux編譯器、調試器和仿真器嵌入式系統原理與應用20084.3嵌入式處理器嵌入式處理器:嵌入式微處理器（MPU) ARM（本課程使用ARM920T)DragonballMC9328Mx1嵌入式微控制器(MCU) 8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等嵌入式DSP處理器嵌入式片上系統（SOC-SystemOnChip）嵌入式可編程片上系統（EPSOC）嵌入式系統原理與應用20084.3.1嵌入式微控制器（MCU）主要是指單片機片內集成ROM/EPROM、RAM、FLASH/EEPROM、總線、定時器、計算器、看門狗、I/O、串行口、PWM（脈寬調制輸出）、A/D、D/A、等各種必要功能和外設一般來講具有以下特點可單片完成功能，片內可有ROM/RAM/FLASH，并帶所需的通信接口，I/O等，外設資源豐富，適于控制體積小，功耗低，成本低，可靠性高仍是嵌入處理器主流，占70％左右典型器件：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等半通用系列：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微控制器（MCU）嵌入式系統原理與應用20084.3.2嵌入式DSP處理器系統結構和指令算法經過特殊設計，增強了數字信號處理能力（數字濾波、FFT、譜分析等）適于運算量大，特別是向量運算、指針線性尋址較多的智能算法實現主要應用于帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實時語音壓解系統，虛擬現實顯示等代表產品有TI的TMS320C2000/C5000和Motorola的DSP56000通用DSP與嵌入式DSP的區(qū)別通用DSP的制造商主要是Agree、ADI、Motorola和TI四大廠商;而嵌入式DSP的供應商超過100家,產品種類繁多;通用DSP主要完成高速數據處理的功能;而嵌入式DSP則更多地與ASIC、ASSP、FPGA、MCU等共處一體;目前,通用DSP的應用更集中在通信領域;而嵌入式DSP是消費類電子產品的主要選擇;嵌入式DSP由于應用的要求,具備相對較低的功耗。

嵌入式系統原理與應用20084.3.3嵌入式SOCSystemOnChip,片上系統/系統芯片將很多功能模塊集成到單個芯片上各種通用處理器內核作為SOC設計公司的標準庫，用VHDL等語言描述除個別無法集成外，嵌入式系統的大部分集成到一或幾片芯片中優(yōu)點可利用降低片內工作電壓，減少功耗減少芯片對外引腳數，使系統板簡潔，減小體積減少原來芯片間的信號傳遞，提高了處理速度；減少了信號傳遞過程中可能造成的干擾，提高了可靠性軟硬件無縫結合，可直接在片內嵌入操作系統代碼模塊嵌入式系統原理與應用2008嵌入式SOC大致分為通用和專用兩類通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola聯合研制的Neuron專用Philips的SmartXA例如ARM+DSP,ARM+ARM嵌入式系統原理與應用2008嵌入式SOC大致分為通用和專用兩類通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola聯合研制的Neuron專用Philips的SmartXA例如ARM+DSP,ARM+ARM嵌入式系統原理與應用20084.3.4嵌入式SOPCSOPC－可編程片上系統技術基礎超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌溟_發(fā)工具的成熟FPGA晶體管集成密度提高FPGA成本足以與ASIC抗衡FPGA的設計、綜合、仿真、測試工具性能已達到相當高水平微處理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IPCore的開發(fā)理念逐漸深入，標準IP庫日益豐富信號處理算法、軟件算法和控制邏輯等均以IP核的形式體現目前已比較成熟的SOPC開發(fā)平臺：XilinxSpartanIIFPGA和MicroBlaze軟處理器IPCoreXilinxVirtexIIproFPGA和PowerPC硬處理器IPCoreAlteraXA1/XA10/NoisFPGA和處理器IPCore嵌入式系統原理與應用2008嵌入式SOPC嵌入式系統原理與應用20084.3.5嵌入式微處理器MPU由通用計算機的CPU發(fā)展而來與通用CPU區(qū)別：只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分以最低功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式處理器體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU目前主要嵌入式微處理器有：MIPSX86系列Am186/188、386EX開發(fā)方便，移植容易體積大、功耗高、實時性差ARM系列小體積、低功耗、低成本、高性能支持16/32位雙指令集全球眾多的合作伙伴PowerPC系列，Motorola和IBM聯合開發(fā)的微處理器核另外還有SPARC、68000,SC-400等嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-MIPS典型的嵌入式微處理器－MIPS:MIPS公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位MIPS于80年代處開始RISC處理器設計，90年代中后期開始將戰(zhàn)略重點放在嵌入式處理器設計1999年，MIPS發(fā)布了MIPS32和MIPS64架構標準，為MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎MIPS公司開發(fā)了32位高性能，低功耗的處理器內核MIPS324Kc和64位的處理器內核MIPS645Kc應用范圍：機頂盒、視頻游戲機、Cisco路由器、激光打印機嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-PowerPC典型的嵌入式微處理器－PowerPC:PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活既有通用處理器，也有嵌入式微控制器和內核，應用范圍非常廣泛，從高端服務器、工作站到PC，從消費類電子到通信設備基于PowerPC架構的處理器有IBM開發(fā)的PowerPC405GP，集成了10/100M以太網控制器、串行和并行接口、內存控制器以及其他外設的高性能嵌入式處理器MPC823e是一款高度綜合的片上系統（SOC）嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU–X86典型的嵌入式微處理器－x86由8086系列處理器發(fā)展而來典型產品Am186/188,386EXNSGeodeGX1300MHZ主要特點開發(fā)容易方便移植體積大，功耗高，實時性差嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARMARM嵌入式微處理器ARM（AdvancedRISCMachines)公司是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產權（IP）設計供應商。ARM轉讓他的RISC微處理器、外圍和系統芯片設計技術給合作伙伴生產各種用途的處理器芯片。ARM已成為移動通信、手持設備、多媒體數字消費電子設備的嵌入式解決方案的RISC標準。ARM處理器有三大特點體積小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb16/32位雙指令系統全球眾多的合作伙伴嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARMCISCvs.RISCCISC——ComplexInstructionSetComputer,復雜指令集Intel,IA(IntelArchitecture)32架構AMDRISC——ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集SPARC,Sun與TI開發(fā)PA-RISC,HP開發(fā)Alpha,Compaq開發(fā)PowerPC，IBM與Motorola開發(fā)MIPSARM二者在軟件和硬件上都不兼容嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARMRISC體系結構的特點:采用固定長度的指令格式，指令規(guī)整、簡單（ARM指令為32位）使用單周期指令，便于流水線操作大量使用寄存器（ARM共有37個寄存器），數據處理指令只對寄存器操作，訪問存儲器只使用Load/Store指令。嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARM典型的ARM微處理器:Intel公司的StrongARM系列：SA-110/1100/1101/1110/1111,用于PalmPocketPC和網絡Intel公司的XScale系列：PXA210/220/250/255CirrusLogic公司的ARM系列：EP7209/7211/7212/7312/9312,PS7500FE，用于MP3Samsung公司的ARM系列：S3C44B0,S3C2400,S3C4510，用于ADSL和PDAMotorola半導體的DragonBallMX1，用于PDA和藍牙Qualcomm公司的MSP1000、MSM3000、MSM5000、MSM6000，用于CDMAPhilips公司的SAA7750、VWS22100、VCS94250、VWS26001，用于MP3,GSM,3G,BTTriscend公司的ARM產品：A7嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARMARM應用廣泛嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARMARM用于無線設備嵌入式系統原理與應用2008嵌入式微處理器MPU-ARM例：嵌入處理器應用于GSM商務手機嵌入式系統原理與應用20085.嵌入式系統的應用goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum嵌入式系統原理與應用20085.1無所不在的嵌入式系統嵌入式系統的應用遠遠超過了各種通用計算機一臺通用計算機的外部設備中就包含了5-10個嵌入式微處理器： 鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網卡、聲卡、打印機、掃描儀、數字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。嵌入式系統原理與應用2008無所不在的嵌入式系統嵌入式系統原理與應用2008無所不在的嵌入式系統嵌入式系統原理與應用20085.2信息家電嵌入式系統原理與應用2008信息家電FreeScaleDigitalHomeCenterReferencePlatform數字媒體(數碼音樂、影視、視頻游戲)等的快速發(fā)展和推廣,使得人們迫切需要一個家庭網絡平臺,能夠在家中任何地方自由下載各種音視頻資料,并能實現遠程控制嵌入式系統原理與應用2008信息家電信息家電應用特點:市場巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機界面友好網絡化嵌入式系統原理與應用2008信息家電嵌入式系統原理與應用2008信息家電嵌入式系統原理與應用20085.3車載系統嵌入式系統原理與應用2008車載系統嵌入式系統原理與應用2008車載系統車載系統應用特點:與汽車工業(yè)相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求嵌入式系統原理與應用2008車載系統FreeScale68HC908AZ32A:8-BitMicrocontroller嵌入式系統原理與應用2008車載系統FreeScale68HC908AZ32AFeatures:8.4-MHzinternalbusfrequency32KbytesofFLASHMemory512bytesofon-chipEEPROM1024bytesofon-chipRAMSerialperipheralinterfacemodule(SPI)Serialcommunicationsinterfacemodule(SCI)8-Bit,15-ChannelAnalog-to-DigitalConverter(ADC-15)16-Bit,6-ChannelTimerInterfaceModule(TIMA-6)16-Bit,2-ChannelTimerInterfaceModule(TIMB)MSCANController(FreescaleScalableCAN)嵌入式系統原理與應用20085.4醫(yī)療行業(yè)應用醫(yī)療行業(yè)應用特點:市場廣闊進入門檻較高利潤極高影像實時采集子系統影像分析處理子系統影像的查詢、管理和存儲子系統圖文編輯及打印子系統數字圖像回寫子系統遠程會診子系統系統管理子系統嵌入式系統原理與應用20085.5軍事工業(yè)應用特點軍事工業(yè)應用特點:市場壟斷性強高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求不高嵌入式系統原理與應用20086.嵌入式系統開發(fā)過程任務分析操作系統選擇處理器選擇硬件設計操作系統移植應用程序設計驅動及BSP設計代碼固化嵌入式系統原理與應用2008嵌入式系統開發(fā)過程嵌入式系統原理與應用20086.1任務分析6.1任務分析 由于嵌入式系統是以應用為中心，對系統的可靠性、系統的開發(fā)周期、體系成本等都有嚴格的要求。因此，嵌入式系統開發(fā)首先要對任務進行詳細地分析，使得系統能較好地滿足要求。其中主要包括對系統功能的分析、對系統軟硬件的特殊要求、實時性的水平、系統模塊的分解、要達到的水平等嵌入式系統原理與應用20086.2處理器選擇處理器選擇:

工作頻率 技術指標 功耗 處理器的核（ARM處理器） 片內存儲器容量 片內外圍電路及其擴展能力 軟件支持工具 是否內置調試工具 供應商能否提供評估板操作系統選擇:實時性開發(fā)周期開發(fā)資源等嵌入式系統原理與應用20086.3軟硬件開發(fā)硬件設計驅動程序及BSP開發(fā)處理器供應商可能會提供相關的內容。操作系統的移植將所選的操作系統移植到設計的目標板的過程應用程序設計代碼固化嵌入式系統原理與應用20086.4嵌入式應用開發(fā)的調試由于嵌入式系統的可用資源有限，嵌入式開發(fā)和調試工作通常要通過高性能的宿主機完成。嵌入式應用軟件通過宿主機上的交叉編譯器，完成交叉編譯和連接后下載到目標機。宿主機：進行嵌入式軟件開發(fā)的主機目標機：將要開發(fā)的目標板嵌入式系統原理與應用20086.5嵌入式開發(fā)的調試方法大致有以下幾種調試方法：模擬調試方式ROMMonitor方式（或Angel方式）在線仿真(ICE)內嵌JTAG仿真嵌入式系統原理與應用20086.5.1模擬開發(fā)調試方式它通過基于宿主機的軟件，在主機上模擬目標機中處理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模擬器。它雖然簡單可行，但是缺乏在線調試和實時仿真功能。嵌入式系統原理與應用20086.5.2ROMMonitor調試方式ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是運行在目標機的Flash或ROM的一段程序，它主要負責監(jiān)控目標機上被調試程序的運行情況。通過和宿主機的配合，完成嵌入式系統的調試。它是目前低廉有效的一種調試方式。使用Metrowerks公司的CodeWarrior進行開發(fā)調試時要用到的Metro-TRK就屬于這類軟件。嵌入式系統原理與應用20086.5.3在線仿真(ICE)調試方式In-CircuitEmulator（實時在線仿真）在線仿真(ICE)它通過在線仿真器，取代目標板的MPU，仿真嵌入式處理器芯片的行為。它支持單步執(zhí)行、斷點、反匯編、源程序級調試。仿真器通常價格比較昂貴，通常用在ARM硬件開發(fā)中，軟件開發(fā)則較少用。嵌入式系統原理與應用20086.5.4JTAG仿真調試方式JTAG（JointTestActionGroup）JTAG仿真器

ARM處理器內含EmbededICE宏單元，并留有JTAG調試接口，支持在線仿真。它無需目標存儲器，不占用目標系統的端口。使用集成開