嵌入式教學(xué)講解課件

課程介紹

2023/7/292幾個問題？為什么要開設(shè)這門課程？主要內(nèi)容？考核方式？2023/7/293自動控制領(lǐng)域：數(shù)控機床、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、發(fā)電站和電力傳輸、污水處理、自動化工廠、石油提煉和貯運設(shè)施、建筑設(shè)備、計算機輔助制造、能源控制、核電站、機器人傳感器-控制器-執(zhí)行單元家電領(lǐng)域機頂盒、PDA、DVD、MP3播放器、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)交通領(lǐng)域汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、不停車收費系統(tǒng)、移動電子警察、智能交通路口機、汽車Telematics系統(tǒng)、各種汽車ECU醫(yī)療領(lǐng)域心臟除顫器、心臟起搏器、病員監(jiān)視系統(tǒng)、X光設(shè)備、理療控制系統(tǒng)、電磁成像系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域手機、交換機、路由器、Hub等后PC時代--豐富的嵌入式產(chǎn)品市場2023/7/294何為嵌入式產(chǎn)品？與PC相對應(yīng)包含處理器、擁有計算能力、面向具體應(yīng)用、對功耗/體積/價格等具有嚴格要求的產(chǎn)品2023/7/295嵌入式課程設(shè)置2023/7/296課程內(nèi)容(基本理論)嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式處理器簡介嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計與開發(fā)

2023/7/297教學(xué)方式課堂教學(xué)課后作業(yè)課內(nèi)、課外實驗2023/7/298教材嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及應(yīng)用，作者：孫媛，機械工業(yè)出版社，20092023/7/299參考資料(1)1）《嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論》人民郵電出版社作者：彭蔓蔓，2008.102）《ARM9嵌入式技術(shù)及l(fā)inux高級實踐教程》北京航天航空大學(xué)出版社，作者:陳頤等，2005.63）實驗箱配套電子手冊、資料2023/7/2910參考資料(2)Arm公司電子手冊ARMArchitectureReferenceManualARMProgramTecgniquesARMSDT隨帶各種手冊ARMADS隨帶各種手冊/documentation/課堂給出的各種電子資料以及網(wǎng)址第一章

嵌入式系統(tǒng)概述

EmbeddedSystems2023/7/2912嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢Chap.12023/7/2913嵌入式系統(tǒng)的定義1.定義2023/7/2914嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。1.定義2023/7/2915嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)是嵌入式到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。嵌入性：由于是嵌入到對象系統(tǒng)中，必須滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境（小型）、電氣環(huán)境（可靠）、成本（價廉）、功耗（低功耗設(shè)計）等要求。

專用性：嵌入式系統(tǒng)特別強調(diào)“量身定做”的特性，通過對軟、硬件的裁剪，使其滿足對象要求的最小軟、硬件配置，滿足某一種特殊用途的需求，針對這項用途開發(fā)出與其他產(chǎn)品截然不同的系統(tǒng)。

計算機系統(tǒng)：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計算機系統(tǒng)。

2.特點2023/7/2916嵌入式系統(tǒng)的誕生現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支通用計算機系統(tǒng)嵌入式計算機系統(tǒng)1946年誕生了電子數(shù)字計算機供養(yǎng)在特殊機房中、實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設(shè)備1970’s,第一片微處理器(Intel4004)誕生微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉和高可靠性特點，迅速走出了機房,表現(xiàn)出了高度的智能化水平控制專業(yè)人士將微型機嵌入到一個對象體系中,并配置各種外圍接口電路,安裝到大型艦船中構(gòu)成自動駕駛儀或輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)3.發(fā)展歷史不同的技術(shù)發(fā)展要求和發(fā)展方向2023/7/2917不同的技術(shù)發(fā)展要求與發(fā)展方向通用計算機系統(tǒng)技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。3.發(fā)展歷史2023/7/2918兩代分支的形成早期，人們勉為其難地將通用計算機系統(tǒng)進行改裝，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。眾多的對象系統(tǒng)（如家用電器、儀器儀表、工控單元……）無法嵌入通用計算機系統(tǒng)必須獨立地發(fā)展通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)3.發(fā)展歷史形成了現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支2023/7/2919嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程無操作系統(tǒng)階段簡單操作系統(tǒng)階段實時操作系統(tǒng)階段面向Internet階段3.發(fā)展歷史2023/7/2920嵌入式系統(tǒng)實例分析4、組成——實例分析2023/7/2921典型例子—PDA4、組成——實例分析2023/7/2922硬件組成4.組成嵌入式處理器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外圍接口軟件硬件單元中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，它負責(zé)控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行。括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(SystemonChip)

存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）和隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤

輸出設(shè)備則主要有LCD顯示和語音輸出外圍接口主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE1394總線等等

2023/7/2923嵌入式處理器選擇ARMPowerPCMIPSXscaleDSPX864.組成2023/7/2924嵌入式處理器使用調(diào)查WhatCPUswereusedinyourembeddedprojectsduringthepasttwoyears?Whichwillbeusedduringthenexttwo?4.組成2023/7/2925多處理器-TIOMAPDSP加RISC的多處理器，針對通訊、多媒體C55xDSPOMAP5910/161x/171x/24xx:ARM9MMUMemoryctrlMPUinterfaceSystemDMAcontrolbridgeI/O4.組成2023/7/2926軟件組成4.組成有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作

HardwareAbstractionLayer：BSP&DeviceDriverSCSI

DriverFlashDriverMMU

DriverCache

DriverSerial

DriverEthernet

DriverDevice

Drivers支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器Browser等HardwareIndependentSoftwareTCP/IPStackI/OSystemRTOSlibrariesRTOSKernelFileSystemBootLoader中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應(yīng)用程序接口的事實，向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序，同時也使應(yīng)用程序具有跨平臺的特性。

嵌入式應(yīng)用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用，不同的系統(tǒng)需要設(shè)計不同的嵌入式應(yīng)用程序。它是整個系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)的能力總是通過應(yīng)用程序表現(xiàn)出來。一個嵌入式系統(tǒng)可簡單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應(yīng)用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。

2023/7/2927嵌入式系統(tǒng)組成（軟件）4.組成2023/7/2928引導(dǎo)程序：bootloader4.組成2023/7/2929內(nèi)核（kernel）以嵌入式Linux為例2023/7/2930文件系統(tǒng)（rootfs）root根文件系統(tǒng)唯一性包括啟動時第一個運行/sbin/init服務(wù)內(nèi)核掛載root文件系統(tǒng)，運行所有的應(yīng)用和后臺服務(wù)，例如:sh,telnet,ftp,webserver等，其他有共享庫、數(shù)據(jù)、設(shè)備節(jié)點等包含：可執(zhí)行程序、數(shù)據(jù)文件、共享庫等2023/7/2931嵌入式操作系統(tǒng)選擇LinuxuC/OSWindowsCEVxWorksPalmOSQNXSymbian4.組成2023/7/2932嵌入式操作系統(tǒng)使用調(diào)查(1)WhichOSeshavebeeninyourembeddedsystemsduringthepast2years?Whichwillbeusedduringthenexttwo?

4.組成THANKYOUSUCCESS2023/7/2933可編輯2023/7/2934嵌入式操作系統(tǒng)使用調(diào)查(2)ActualandprojectedLinuxuse,overthelastfiveyears

4.組成2023/7/2935嵌入式系統(tǒng)與PC—硬件4.組成設(shè)備名稱嵌入式系統(tǒng)PC機CPU嵌入式處理器（ARM，MIPS）CPU（IntelPentium、AMDAthlon）內(nèi)存SDRAM芯片SDRAM，DDR內(nèi)存條存儲設(shè)備Flash芯片硬盤輸入設(shè)備按鍵、觸摸屏鼠標、鍵盤輸出設(shè)備LCD顯示器聲音設(shè)備音頻芯片聲卡接口MAX232等芯片主板集成其他設(shè)備USB芯片、網(wǎng)卡芯片主板集成或外接卡2023/7/2936嵌入式系統(tǒng)與PC—軟件4.組成設(shè)備名稱嵌入式系統(tǒng)PC機引導(dǎo)代碼Bootloader引導(dǎo)，針對不同電路板進行移植主板的BIOS引導(dǎo)，無須改動操作系統(tǒng)WinCE、VxWorks、Linux等，需要移植Windows、Linux等，不需要移植驅(qū)動程序

每個設(shè)備驅(qū)動都必須針對電路板進行重新開發(fā)或移植，一般不能直接下載使用操作系統(tǒng)含有大多數(shù)驅(qū)動程序，或從網(wǎng)上下載直接使用協(xié)議棧

需要移植操作系統(tǒng)包括，或第三方提供開發(fā)環(huán)境

借助服務(wù)器進行交叉編譯在本機就可開發(fā)調(diào)試仿真器

需要不需要2023/7/2937嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法由上而下與由下而上

由上而下（TopdownApproach）是一個正統(tǒng)的設(shè)計方案，也就是說，所有的設(shè)計皆是遵循系統(tǒng)工程的流程來進行，確定需求、制定系統(tǒng)規(guī)格、設(shè)計、實現(xiàn)、測試都是一步一步、按部就班地進行。相對應(yīng)的是由下而上（ButtonupApproach）。由下而上的意思是：一個系統(tǒng)是由已經(jīng)有的基礎(chǔ)（或組件）為起點，開始往上延伸，最后將系統(tǒng)完成。其實大部分的項目都是這兩種方式的混合體，很少有整個項目都是從上而下的，同樣也很少有整個項目都是由下而上的。5.設(shè)計2023/7/2938嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法UML系統(tǒng)建模

統(tǒng)一建模語言UML（UnifiedModelingLanguage）采用一種簡單而直觀的圖形化方式描述系統(tǒng)設(shè)計中的各個問題和細節(jié)，不僅可以使系統(tǒng)分析設(shè)計實現(xiàn)標準化，而且完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)分析、設(shè)計和制作、測試分別由不同的項目成員在統(tǒng)一、一貫的方式下完成，也使得系統(tǒng)分析和設(shè)計模型在相似系統(tǒng)中重用成為可能。目前UML已經(jīng)廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)建模中，它采用規(guī)范化的驗證、綜合系統(tǒng)以及自動生成系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)提供了有保障的可靠性和安全性的設(shè)計方法。

5.設(shè)計2023/7/2939嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法面向?qū)ο笤O(shè)計

面向?qū)ο蟮姆治觯∣bject-OrientedAnalysis）、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計（Object-OrientedDesign）和面向?qū)ο蟮木幊蹋∣bject-OrientedProgramming）面向?qū)ο蟮姆治鍪撬熊浖治龌顒拥牡谝徊?，仔細的劃分系統(tǒng)的各個部分，然后將各個部分作為一個對象進行功能或行為的分析和定義。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計是將面向?qū)ο蠓治鏊⒌姆治瞿Ｐ娃D(zhuǎn)變?yōu)檐浖?gòu)造藍圖的設(shè)計模型，即在預(yù)定義的基本類框架上構(gòu)建一個系統(tǒng)，在這個階段中，只要進一步確定各個對象的功能以及各個對象之間的關(guān)系即可。面向?qū)ο蟮木幊淌侵甘褂妹嫦驅(qū)ο蟮脑O(shè)計語言（如JAVA、C++、Ada等）把面向?qū)ο笤O(shè)計的系統(tǒng)模型程序化，亦即是完成具體實現(xiàn)。編碼是軟件開發(fā)過程中最基本、最底層的需求，它強調(diào)的是一種分析及解決問題的思路，而不在乎所使用的語言工具。5.設(shè)計2023/7/2940嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程需求分析功能、非功能部分總體功能、輸入、輸出、性能需求、功耗名稱、目的、成本要求、物理尺寸規(guī)格說明（做什么）需求細化詳細的規(guī)格說明設(shè)計階段開發(fā)實現(xiàn)5.設(shè)計2023/7/2941系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(1)第一步：功能與需求分析系統(tǒng)功能部分這個系統(tǒng)可能會有哪些輸入；輸入量是什么；以什么方式進行輸入；是否需要進行前期處理；物理量的范圍是否確定；有沒有特別的需求，比如采樣頻率、信號放大等。系統(tǒng)需要哪些輸出；是否需要進行類比數(shù)字轉(zhuǎn)換；可能需要驅(qū)動哪些外設(shè)；輸出范圍是什么；有沒有特殊需求，比如輸出頻率、輸出信號種類等。通過輸入端取得的數(shù)據(jù)是否需要經(jīng)過處理；數(shù)據(jù)需不需要進行存儲；要不要進行特殊的數(shù)據(jù)處理后，再送到輸出端等。

5.設(shè)計2023/7/2942系統(tǒng)非功能部分嵌入式系統(tǒng)可能被應(yīng)用在各種環(huán)境中。溫度、濕度、震動、電磁干擾、電源供應(yīng)、工業(yè)安全標準以及是否要在特定的時間內(nèi)完成某項任務(wù)等都是嵌入式系統(tǒng)可能會遇到的工業(yè)環(huán)境限制。由于這些和系統(tǒng)所處的環(huán)境有關(guān)，所以要和專業(yè)人員做進一步的確認。價格的限制會影響到系統(tǒng)的設(shè)計與組成組件。在價格成本的限制下，開發(fā)團隊需要尋找適當?shù)姆桨竵響?yīng)付。系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(1)5.設(shè)計2023/7/2943系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(2)第二步：設(shè)計階段系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計硬件／軟件協(xié)同設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計己經(jīng)具有的技術(shù)尚需開發(fā)的技術(shù)可以從第三方購得得技術(shù)系統(tǒng)整合與測試5.設(shè)計2023/7/2944硬件／軟件協(xié)同設(shè)計硬件構(gòu)件：硬件平臺主要包括處理器及相關(guān)外設(shè)的選擇。處理器的選擇：處理性能、技術(shù)指標、功耗、軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具、供應(yīng)商是否提供評估版軟件構(gòu)件操作系統(tǒng)選擇：開發(fā)工具、操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度、操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求、開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API、操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)的可裁剪性、操作系統(tǒng)的實時性能。編程語言：通用性、可移植性程度、執(zhí)行效率、可維護性集成開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(2)5.設(shè)計2023/7/2945集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)平臺(host)，編譯器(compiler)，連接器(linker)，或是由軟件廠商提供的整合開發(fā)環(huán)境(IDE)其他問題如：主機(host)與目標系統(tǒng)(target)連接通訊(一般是RS232)鏡像文件(image)下載系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(2)5.設(shè)計2023/7/2946編譯器：跨平臺編譯器（CrossCompiler）2023/7/2947宿主機／目標機模式2023/7/2948系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(3)第三步：開發(fā)實現(xiàn)嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建嵌入式操作系統(tǒng)的選擇BootLoader的編寫操作系統(tǒng)的移植文件系統(tǒng)的移植驅(qū)動程序編寫應(yīng)用程序編寫5.設(shè)計2023/7/2949系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(4)第四步：調(diào)試，除錯（debug）嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試較復(fù)雜目的平臺通常沒有很好的顯示或輸出能力，不是直接在目的平臺上寫程序一般來說還要由除錯硬件（邏輯分析儀，ICE……）來進行，硬件昂貴如果沒有很好的除錯環(huán)境，只能依靠人力和經(jīng)驗來作測試5.設(shè)計2023/7/2950系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程(5)第五步–燒寫程序5.設(shè)計2023/7/2951嵌入式軟件開發(fā)與PC機軟件開發(fā)的差異程序編譯和執(zhí)行處于不同的兩個平臺可利用的資源有限經(jīng)常與硬件打交道5.設(shè)計2023/7/2952嵌入式處理器的多核化趨勢隨著嵌入式應(yīng)用的深入，特別是在數(shù)字監(jiān)控、數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，對處理器提出了更高的要求。為適應(yīng)這種情況，現(xiàn)在已出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)的處理器，并在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用

6.發(fā)展趨勢C55xDSPOMAP5910/161x/171x/24xx:ARM9MMUMemoryctrlMPUinterfaceSystemDMAcontrolbridgeI/O2023/7/2953面向應(yīng)用特定的操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)三個比較明顯的階段無操作系統(tǒng)的嵌入式算法階段簡單監(jiān)控式的操作系統(tǒng)階段實時嵌入式操作系統(tǒng)階段發(fā)展趨勢ASOSApplicationSpecificOperatingSystems

例子vAS