linux嵌入式系统概述.ppt
linux嵌入式系统概述,内容介绍,内容简介,嵌入式系统定义,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,区别,嵌入式系统与一般PC系统有何区别？,区别,嵌入式系统专用于特定的应用，而PC是通用计算机。使用多种类型的处理器和处理器体系结构。关注成本。大多有功耗约束。经常在极端的环境下运行。系统资源比PC少的多。需要专用工具和方法进行开发设计。嵌入式系统的数量远远超过PC。,应用领域,应用领域,发展历史,嵌入式系统构架,嵌入式处理器板载硬件嵌入式操作系统嵌入式应用程序,嵌入式系统构架,硬件架构,嵌入式处理器,ARM,ARM，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。,MIPS,MIPS 系列微处理器最初是在上世纪80年代由美国斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的，目前其使用率仅次于ARM。MIPS应用领域覆盖游戏机、路由器、掌上电脑等各个方面。MIPS的系统结构及设计理念比较先进，在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。,PowerPC,PowerPC处理器品种很多，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统具有操作系统的最基本功能:进程调度内存管理设备管理文件管理操作系统接口(API调用)嵌入式操作系统具有的特点:可裁减,可配置。有一定的实时性。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,Vxworks:美国WindRiver公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。WinCE:支持具有丰富应用程序和服务的32位嵌入式系统。嵌入式Linux：近年来，Linux在嵌入式领域异军突起。,内容简介,什么是ARM?,ARM（Advanced RISC Machines）既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。,ARM,1990年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。,ARM,ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。,ARM,据最新统计，全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术，20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips，Intel等。ARM系列芯片已经被广泛的应用于移动电话、手持式计算机以及各种各样的嵌入式应用领域，成为世界上销量最大的32位微处理器。,ARM,ARM,发展历程,发展历程,在ARM的发展历程中，从ARM7开始，ARM核被普遍认可和广泛使用。1995年 StrongARM 问世。XScale是下一代StrongARM芯片的发展基础。ARM10TDMI是ARM处理器核中的高端产品。ARM11是ARM家族中性能最强的一个系列。,发展历程,最近10多年来ARM技术的突出成果表现在：ARM9、ARM10、Strong-ARM和ARM11等系列处理器的开发，显著地提高了ARM的性能，使得ARM技术在面向高端数字音、视频处理等多媒体产品的应用中更加广泛；更好的软件开发和调试环境，加快用户产品开发；更为广泛的产业联盟使得基于ARM的嵌入式应用领域更加广阔；,应用领域,应用领域,1、工业控制领域：基于ARM核的微控制器不但占据了高端微控制器市场的大部分份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器（单片机）提出了挑战。,应用领域,2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。,应用领域,3、网络应用：随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。,应用领域,4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。,应用领域,5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。,特点,1、体积小、低功耗、低成本、高性能2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指 令集,能很好的兼容8位/16位器件3、大量使用寄存器,指令执行速度更快4、寻址方式灵活简单,执行效率高,ARM系列,ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 ARM11系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的StrongARM,ARM7,ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中,ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器,属低端ARM处理器核。,ARM9,ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型。,ARM9E,ARM9E系列微处理器为综合处理器,提供了增强的DSP处理能力,很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合，如下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型。,ARM10E,ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点,由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50，同时ARM10E系列微处理器采用了先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S三种类型。,ARM11,ARM11,ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它在性能上展示了巨大的提升，首先推出350M-500MHz时钟频率的内核，在未来将上升到1GHz时钟频率。ARM11处理器在提供高性能的同时，也允许在性能和功耗间做权衡以满足某些特殊应用，通过动态调整时钟频率和供应电压，开发者完全可以控制这两者的平衡。ARM11系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ（iphone）三个型号。,内容简介,Linux介绍,简单地说，Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统。这个系统是由世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的Unix兼容产品。,UNIX发展历史,UNIX发展历史,UNIX主要版本,LINUX系统简介,GNU,Linux的发展离不开GNU（GNU 在英文中原意为非洲牛羚，这里是GNU is Not Unix 的递归缩写）,GNU计划又称革奴计划，是由Richard Stallman在1983年9月27日公开发起的,它的目标是创建一套完全自由的操作系统。,GNU,GNU计划开发出了许多高质量的免费软件，如：GCC、GDB、Bash Shell等，这些软件为Linux的开发创造了基本的环境，是Linux发展的重要基础，因此，严格来讲，Linux应该被称为GNU/Linux。,发展史,应用范围,过去，Linux主要被用于服务器，传统上有以Linux为基础的“LAMP（Linux,Apache,MySQL,Perl/PHP/Python的组合）”经典技术组合，提供了包括操作系统、数据库、网站服务器、动态网页的一整套网站架设支持。而面向更大规模级别的领域中，如数据库中的Oracle、DB2、PostgreSQL，以及用于Apache的Tomcat JSP等都已经在Linux上有了很好的应用样本。,应用范围-服务器 EMC,应用范围,由于其低廉的成本和高度的可定制性，Linux被广泛应用于嵌入式系统，例如机顶盒、移动电话及行动装置等。在移动电话上，Linux已经成为与Symbian OS、Windows Mobile系统并列的三大智能手机操作系统之一；而在移动装置上，则成为Windows CE 之外另一个选择。此外，有不少硬件式的网络防火墙及路由器，其内部都是使用Linux，并采用了操作系统提供的防火墙及路由功能。,应用范例,特点,自由软件真正的多用户、多任务操作系统极强的平台可伸缩性提供强大的管理功能完全符合POSIX标准具有丰富的图形用户界面具有强大的网络功能,发行版,一个典型的Linux发行版包括：Linux内核，一些GNU程序库和工具，命令行shell，图形界面的X Window系统和相应的桌面环境，如KDE或GNOME，并包含数千种从办公套件，编译器，文本编辑器到科学工具的应用软件。,发行版,内容简介,S3c2410,S3C2410A微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器。,一、核心板,2410核心板S3C2410A ARM CPU CPUSDRAM 64M Nand Flash 64M（boot）Nor Flash 选配总线缓冲和仲裁启动设置280脚接口,2410核心板CPU,SAMSUNGs S3C2410A 16/32-bit RISC microprocessor.ARM920T coreARMAdvanced RISC Machines,Ltd.16KB I-Cache/16KB D-Cache/MMUSDRAM ControlLCD controller4-ch DMAsARM的处理器核丰富可变的外设型号繁多的芯片,2410核心板 SDRAM,同步动态（Synchronous Dynamic）RAM基本存储单元：MOS管电容优点成本低廉容量大缺点平均访问速度较低控制时序较复杂，需要不断刷新需要SDRAM控制器才能使用,2410核心板 SDRAM,支持2个SDRAM片选，最大容量256MB。支持行宽度1113，列宽度811，2或者4个Bank的SDRAM。2410实际配置：HY561620，4M 16Bit 4 Banks，行宽度13，列宽度11，4个Bank。两片组成32位模式，合计64MB。,SDRAM原理图,硬件资源,3.FLASH 存储 256MB1GB Nand Flash,掉电非易失 2M Nor Flash，掉电非易失4.LCD 显示 标准配置为三星 256K 色240 x320/3.5 英寸TFT 真彩液晶屏，带触摸屏；板上引出一个12V 电源接口，可以为大尺寸TFT 液晶的12V CCFL 背光模块(Inverting)供电。,核心板 NAND Flash,非线性Flash：NAND;线性Flash：Nor主要厂商：韩国三星 K9FXX08按页和块的组织存储单元，访问存储单元需要发送命令，不能直接读写。只有8根数据线，按顺序输入命令、地址（多个字节）和数据。2410核心板使用K9F1208，64MB。,核心板 K9F1208的存储单元组织,4096个块，每个数据块包含32个页，每页有528个字节，前512个字节为主数据存储器，后16个字节为辅助数据存储器，存放ECC代码，坏块信息。,核心板 NAND FLASH接口,由于S3C2410直接带有NAND FLASH控制器，因此接口逻辑极为简单需要注意的是FRB信号是OC门输出，因此需要外部的上拉电阻。在没有NAND控制器的CPU上使用NAND Flash需要设计特别的逻辑和驱动程序来实现时序。,核心板 启动设置,启动存储器的选择由OM0和OM1决定。2410核心板没有专门的BootROM，BootLoader保存在NandFlash的开头。CPU上电会自动从NandFlash的前4K空间拷贝代码到CPU内部SRAM并从SRAM运行SRAM此时定位在Bank0,总线缓冲和仲裁,增加驱动能力总线带6个负载时，系统已经不能稳定工作。保证高速信号的信号完整性带7个负载时，SDRAM速度就只能跑到67MHz总线仲裁 凡是访问外部总线的，都要选通缓冲芯片，否则关闭,核心板 RTC,32.768KHz晶体22pF电容，匹配晶体负载电容另外需要单独给RTC供电1.8V,核心板 280脚插座,几乎引出处理器所有的可用管脚和复用引脚如何和270核心板兼容？可直接对应安排的信号：数据、地址、控制总线 IIC、UART、USB、SD、IIS/AC97、电源、LCD、中断、定时器、GPIO等 2410独有的信号：模拟输入、触摸屏 270独有的信号：PC卡接口、CIF接口（CMOS摄像头）,二、主板,电源12V输入 DCDC降压JTAG 并口线直连复位RTC电源RS232 电平转换 DB9插座音频 IIS、AC97按键、PS/2与IC卡接口数码管 点阵发光管触摸屏 LCD接口双以太网卡主USB HUB 1转4 从口,IrDA RS485 CANADDAEXPORT 168Pin直流电机SD卡接口、CF卡、IDE,主板 复位,上电复位由IMP811T完成。IMP811T的复位输出可以使JTAG状态机复位，同时系统复位来自JTAG仿真器的JTAG复位信号ICE_nTRST直接复位JTAG来自JTAG仿真器的系统复位信号直接使系统复位。,主板 RTC电源,RTC电路的供电电压1.8V使用电池电压或3.3V电压经过两个BAV99降压后得到,主板 RS232,TTL-RS232电平转换MAX3232,主板 音频IIS总线,IIS总线菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议IIS总线只处理声音数据，只使用了三根串行总线：分时复用的数据线、字段选择线（声道选择）、时钟信号在三星公司的ARM芯片中，为了实现全双工模式，使用了两条串行数据线，分别作为输入和输出,主板 音频,菲利浦公司的IIS接口音频CODEC（多媒体编解码器）ARM2410内含有双工DMA，可支持录音和放音同时进行IIS总线只提供音频数据流的传输通道，而CPU和UDA1341的L3控制接口是用GPG8、9、10软件模拟时序音频模拟电路提供耳机输出，线路输入，麦克输入等功能，另有板载MIC。配合软件可以实现录音，放音，传话等功能音量电位器用来调节扬声器的音量。,电阻式触摸屏工作原理,利用压力感应进行检测。在一层玻璃或硬塑料基层的上涂上两层金属导电层，在两层之间有许多细小的透明隔离点。当屏收到挤压时，两层导电层在挤压点就有了接触，电阻就发生变化。四线电阻式。,主板 双以太网,双网卡NIC-2和NIC-1都在BANK2上NIC-2的基地址是0 x400，逻辑地址是0 x10000400NIC-1的基地址是0 x200，逻辑地址0 x10000200而NIC-1的则是INT2，NIC-2的中断是INT3,两个网卡的地址,主板 IrDA,收发芯片采用TFDU4100 通过跳线接UART2,主板 RS485,传输线通过CPLD转接UART2，方向控制线占用GPH1,主板 CAN,使用SPI经由MCP2510 CAN控制器扩展收发器使用TJA1050接线端子5V提供电源输出功能,主板 AD,3个ADC电位器对应AIN0-2，可通过跳线选择处理器的AIN0-2是连接电位器还是引出到扩展槽触摸屏电路占用AIN5和7,主板 DA,使用SPI经由MAX504 扩展MAX504的片选和清零线为由74HC573扩展出来的EXIO,主板 电机,直流电机使用定时器输出TOUT0和TOUT1转速反馈，闭环控制,168Pin扩展槽,将主板上的可复用资源引出，以方便用户扩展更多硬件资源我们配备扩展槽转接板，方便引线我们提供扩展板的基本封装，便于用户自作扩展板平台上各个接口，跳线等的详细定义和设置说明请参考硬件说明书,三、硬件PCB设计,BGA封装器件多层板的处理高速信号的布线通信接口的布线音频接口的处理,BGA器件的出现,器件引脚数越来越多带来的问题。BGA，种球栅阵列（Ball-Grid Array）封装，它出现于20世纪90年代初。,BGA器件的特点,BGA器件的优点管脚密度大：相对于同样尺寸的QFP器件，BGA能够提供多至几倍的引脚数。BGA器件缺点几乎不能手工焊接。焊球在芯片的下面，焊接完成之后很难去判断其焊接质量。一旦发现焊接问题，重焊过程复杂。在调试阶段，几乎无法飞线。2410的BGA间距0.8mm，272个锡球,BGA器件的布线问题,中、大管脚间距BGA器件小管脚间距BGA器件主要取决于生产工艺。多个BGA器件的布局问题注意：所有BGA器件要在板的同一面。第一版硬件设计、布线时需要注意的问题电源和地管脚一定不要搞错。所有信号都引出，以便飞线。,4层电路板的分层问题,器件密度较高（2410平台主板采用这样的层顺序）SIGGNDPWRSIG原则：地线越多越好，信号离地越近越好,高速信号的处理,SDRAM尽量等长，尽量短、粗LCD多混入地信号,以太网和USB接口需要考虑的问题,尽量使用4层板或以上模拟差分信号走线要平行、紧靠，尽量粗、少打孔如果可能，以太网部分尽量使用集成变压器的RJ45插座,
