嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課件

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

第1章概述第2章ARM及其編程模型第3章ARM指令集第4章嵌入式程序設(shè)計(jì)第5章C/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)第6章嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)第7章部件工作原理與開(kāi)發(fā)實(shí)例第8章基于C/OS-Ⅱ的程序設(shè)計(jì)第9章ARM嵌入式開(kāi)發(fā)工具第10章ARM9處理器嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)第1章概述1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

第1章概述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

第1章概述2本章提要

1.1嵌入式系統(tǒng)

1.2嵌入式系統(tǒng)的組成

1.3嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.4嵌入式處理器

1.5嵌入式操作系統(tǒng)

1.6嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)本章提要1.1嵌入式系統(tǒng)31.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義一般定義：

以應(yīng)用為中心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本質(zhì)定義：

嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1976年，Intel公司推出了MCS-48單片機(jī)，只有1KBROM和64KBRAM。1980年，Intel公司對(duì)MCS-48單片機(jī)進(jìn)行了全面完善，推出了8位MCS-51單片機(jī)。1984年，Intel公司又推出了16位8096系列并將其稱之為嵌入式微控制器。此外，為了高速、實(shí)時(shí)地處理數(shù)字信號(hào)，1982年誕生了首枚數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP。20世紀(jì)90年代后，伴隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨，網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)得以發(fā)展，基于硬件底層的單線程程序的單片機(jī)已經(jīng)很難滿足這些領(lǐng)域的要求。32位微處理器面向嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用，由于速度快、資源豐富、本身的復(fù)雜性、可靠性等，得到了廣泛的需求。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1976年，Intel公司5嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，應(yīng)用的多樣性決定了硬件平臺(tái)的多樣性。大多嵌入式系統(tǒng)都有實(shí)時(shí)性要求，在高端應(yīng)用中，為滿足應(yīng)用需求、增強(qiáng)可靠性和便于開(kāi)發(fā)，往往要有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。功耗、成本和可靠性對(duì)嵌入式系統(tǒng)有特別重要的意義。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用6嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行的，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后具有較長(zhǎng)的生命周期。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套交叉開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，是一個(gè)可以大有作為的行業(yè)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)71.2嵌入式系統(tǒng)的組成硬件

處理器/微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口及輸入/輸出設(shè)備軟件

嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序1.2嵌入式系統(tǒng)的組成硬件8嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)處理器存儲(chǔ)器輸入輸出操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件結(jié)構(gòu)9嵌入式系統(tǒng)的硬件組成電源模塊時(shí)鐘模塊復(fù)位外圍電路微處理器MPUFlashRAMROM

外設(shè)USBLCD鍵盤(pán)其他嵌入式系統(tǒng)的硬件組成電源模塊時(shí)鐘模塊復(fù)位外圍電路微處理器Fl10嵌入式系統(tǒng)的軟件組成1.嵌入式操作系統(tǒng)2.嵌入式應(yīng)用軟件3.硬件抽象層HAL4.板級(jí)支持包BSP5.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序6.操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口函數(shù)API嵌入式系統(tǒng)的軟件組成1.嵌入式操作系統(tǒng)11嵌入式軟件的主要特點(diǎn)軟件要求固化存儲(chǔ)。軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。系統(tǒng)軟件（OS）的高實(shí)時(shí)性是基本要求。嵌入式系統(tǒng)軟件需求實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)（RTOS）。在嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用C語(yǔ)言將是最佳的選擇。嵌入式軟件的主要特點(diǎn)軟件要求固化存儲(chǔ)。121.3嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制其他······1.3嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍13嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域14

PDA可視電話

機(jī)器人

SONY機(jī)器狗

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域PDA15嵌入式技術(shù)在電子通訊中的應(yīng)用手機(jī)、小靈通、智能手機(jī)、3C合一……嵌入式技術(shù)在電子通訊中的應(yīng)用手機(jī)、小靈通、智能手機(jī)、3C合一16信息家電的應(yīng)用信息家電的應(yīng)用17信息家電——數(shù)字機(jī)頂盒信息家電——數(shù)字機(jī)頂盒18信息家電——消費(fèi)電子信息家電——消費(fèi)電子19SAN公司的信息家電產(chǎn)品SAN公司的信息家電產(chǎn)品20

嵌入式技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)—（18個(gè)嵌入式控制模塊）—CAN總線網(wǎng)絡(luò)嵌入式技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用VOLVOS80汽車的CA21阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了很好作用。嵌入式技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像22嵌入式系統(tǒng)——高性能武器平臺(tái)的基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)——高性能武器平臺(tái)的基礎(chǔ)23嵌入式Internet應(yīng)用嵌入式Internet應(yīng)用24嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFL研制的機(jī)器人控制器（采用卡西歐PDA和WindowsCE）

嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)圖：卡耐基梅隆大學(xué)和瑞士EPFL研制的25智能機(jī)器人智能機(jī)器人26基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)基于WinCE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)27基于WinCE的機(jī)器人裝配平臺(tái)基于WinCE的機(jī)器人裝配平臺(tái)28基于RTLinux的仿人機(jī)器人

高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通

基于RTLinux的仿人機(jī)器人高48cm

重:6k29基于VXworks的火星探路者基于VXworks的火星探路者302004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星2004年“勇氣號(hào)”再次登陸火星311.4嵌入式處理器

嵌入式處理器分類：嵌入式處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式微處理MCU嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器EDSP嵌入式片上系統(tǒng)SoC1.4嵌入式處理器嵌入式處理器分類：嵌入式32嵌入式處理器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.32位處理器在興起2.處理器IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）3.可編程處理器嵌入式處理器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.32位處理器在興起331.5嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)分類面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)習(xí)操作系統(tǒng)

WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ISI的pSOS等面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

WinCE、Linux等1.5嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)分類34實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩種類型

硬件實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟件實(shí)時(shí)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信?；趦?yōu)先級(jí)的內(nèi)核的2種類型

不可剝奪型的和可剝奪型內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩種類型35不可剝奪型內(nèi)核（非占先式Non-Preemptive)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)ISR高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放CPU使用權(quán)TIME不可剝奪型內(nèi)核（非占先式Non-Preemptive)低優(yōu)36可剝奪型內(nèi)核（占先式Preemptive)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)ISR高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到CPU使用權(quán)TIME可剝奪型內(nèi)核（占先式Preemptive)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)37嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)1.可裁剪2.強(qiáng)實(shí)時(shí)性3.統(tǒng)一的接口4.操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形用戶界面GUI5.提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能6.穩(wěn)定性，弱交互性7.固化代碼8.良好的移植性嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)1.可裁剪38VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點(diǎn)是：可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性。它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多數(shù)的VxWorksAPI是專有的，火星機(jī)器人。目前市場(chǎng)上流行的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver39NucleusNucleus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是AcceleraterTechnology公司開(kāi)發(fā)的嵌入式RTOS，產(chǎn)品只需一次性購(gòu)買Licenses就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼，并且免產(chǎn)品版稅。Nucleus的另一大好處是程序員不用寫(xiě)B(tài)SP。Nucleus的特點(diǎn)是：對(duì)CPU的支持能力比較強(qiáng)，支持當(dāng)前流行的大多數(shù)RISC、CISC、DSP處理器。NucleusPLUS采用了軟件組件的方法，每個(gè)組件具有單一而明確的目的。NucleusPLUS除提供功能強(qiáng)大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。Nucleus得到許多第三方工具廠商和方案提供商的支持。如ARM、Lauterbach、TI、Infineon、高通、IAR等。NucleusNucleus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是Accelerat40WindowsCE

MicrosoftWindowsCE是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。WindowsCE操作系統(tǒng)的基本核心需要至少200KB的ROM。它支持Win32API的子集，支持多種的用戶界面硬件，同時(shí)提供熟悉的開(kāi)發(fā)模式和工具。WindowsCE有5個(gè)主要的模塊：內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊、通信模塊WindowsCE

MicrosoftWindowsC41嵌入式Linux自由免費(fèi)軟件Linux是一個(gè)類似于Unix的操作系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。Linux支持所有標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議。Linux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中仿真工具的障礙。傳統(tǒng)的嵌入式程序調(diào)試和調(diào)試工具是用在線仿真器（ICE）實(shí)現(xiàn)的。Linux具有廣泛的硬件支持特性。不足：實(shí)時(shí)性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求。Linux內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。Linux需要占用較多存儲(chǔ)器。提供完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員所期待的。嵌入式Linux自由免費(fèi)軟件Linux是一個(gè)類似于Unix的42QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品。QNX是在X86體系上面開(kāi)發(fā)出來(lái)的，這和別的RTOS不一樣，別的好多RTOS都是從68K的CPU上面開(kāi)發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上面來(lái)的。QNX是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于QNX具有強(qiáng)大的圖形界面功能，因此很適合作為機(jī)頂盒、手持設(shè)備（手掌電腦、手機(jī)）、GPS設(shè)備的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用。QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品。43C/OS-ⅡC/OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。（第5章詳細(xì)介紹