认识嵌入式系统.ppt

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1、第一章嵌入式系统开发基础,本章介绍了嵌入式系统开发的基础知识，从嵌入式计算机的历史由来、嵌入式系统的定义、嵌入式系统的基本特点、嵌入式系统的分类及应用、嵌入式系统软硬件各部分组成、嵌入式系统的开发流程、嵌入式技术的发展趋势等方面进行了介绍，涉及到嵌入式系统开发的基本内容，使读者系统地建立起的嵌入式系统整体概念。,一、嵌入式系统基本概念,1、嵌入式计算机 通用计算机与嵌入式计算机的区别2、嵌入式计算机的发展 第一阶段：嵌入式系统的出现和兴起（1960-1970）军用领域和工业控制 第二阶段：嵌入式系统走向繁荣（1971-1989）微处理器的问世及单片机的产生 第三阶段：嵌入式系统应用走向纵深（1

2、990至今）嵌入式操作系统的出现 网络的应用,2、嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件均可裁剪、适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。P3 嵌入性、专用性和计算机系统是其基本要素。,3、嵌入式系统的特点 1）形式多样、面向特定的应用领域 高效率的设计其硬件和软件，去除冗余 2）多处理器和体系结构的支持 ARM、PowerPC、LPC等 冯.诺依曼结构和哈弗结构 的CSIC、RISC 3）及其关注成本 4）很高的实时性和可靠性要求 5）操作系统适用于多种处理器并可裁剪 6）嵌入式系统的开发需要专门的工具和特殊方法,4、嵌入式系

3、统的应用 1）消费电子领域 2）通信领域 3）工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等领域 4）国防、航空航天领域,嵌入式系统由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统的硬件以嵌入式处理器为核心加上存储器和各种外围接口电路组成。嵌入式软件系统由嵌入式操作系统和应用程序两部分构成。,二、嵌入式系统的组成结构,1、嵌入式系统的硬件结构介绍,嵌入式系统的硬件架构如图下半部分所示，是以嵌入式处理器（嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP）为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。嵌入式系统是“量身定做”的“专用计算机应用系统”，又不同于普通计算机组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置

4、非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可以根据需要和成本进行“裁剪”、“定制化”（Customize），非常经济、可靠。,嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接DSP和DSP协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。随着计算机技术、微电子技术、应用技术的不断发展和纳米芯片加工工艺技术的发展，以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成为嵌入式系统的核心，在嵌入式系统设计中，要尽可能的选择能满足系统功能接口的SoC芯片，这些SoC集成了大量的外围USB、UART、以太网、AD/DA、IIS等功能模块。,可编程片上系统SOPC(Sys

5、tem On Programmable Chip)结合了SoC和PLD、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。以SoC/SOPC为核心，可以用最少的外围部件和连接部件构成一个应用系统，满足系统的功能需求，也是嵌入式系统发展的一个方向因此现代嵌入式设计是以处理器/SoC/SOPC为核心，完成系统设计的，其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备（电源、连接器、传感器等）构成硬件系统。对于嵌入式硬件的各个模块将在第三部分作全面介绍。,嵌入式处理器,嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入

6、式DSP,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，早期的嵌入式系统是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在电路板上设计了和嵌入式系统相关的功能模块，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola 68000、ARM、MIPS系列等等。,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8051。嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。和嵌入式微处理

7、器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。,嵌入式DSP,嵌入式DSP处理器有两个发展方向：是嵌入式DSP处理器和嵌入式处理器经 过单片化设计，片上增加丰富的外设成为具有高性能DSP功能的SoC；是在通用微处理器、微控制器或SoC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。,典型嵌入式处理器介绍,MIPS处理器 PowerPC处理器 Sparc处理器 ARM处理器,MIPS处理器,MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在RISC处理器方面占有重要地位。MIPS的意思是“

8、无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），最早是在80年代初期由美国斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。1986年推出R2000处理器，1988年推出R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后，又陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。之后，MIPS公司的战略发生变化,MIPS处理器,此外，24K微架构能符合各种新兴的服务趋势，为宽频存取以及还在不断发展的网络基础设施、通讯协议提供软件可编程的弹性。

9、在嵌入式方面，MIPS 系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、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处理器,PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，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。处理器芯片主要型号是PowerPC 750，它于1997年研制成功

10、，最高的工作频率可以达到500MHz，采用先进的铜线技术。该处理器有许多品种，以便适合各种不同的系统。包括IBM小型机、苹果电脑和其他系统。嵌入式的PowerPC 405（主频最高为266MHz）和PowerPC 440（主频最高为550MHz）处理器内核可以用于各种SoC设计上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。,Sparc处理器,Sun公司以其性能优秀的工作站闻名，这些工作站的心脏全都是采用Sun公司自己研发的Sparc芯片。根据Sun公司未来的发展规划，在64位UltraSparc处理器方面，主要有3个系列，首先是可扩展式s系列，主要用于高性能、易扩展的多处理器系统。目前Ultr

11、aSparc s的频率已经达到750MHz。将推出UltraSparc s和UltraSparc s等型号。其中UltraSparc s的频率为1GHz，UltraSparc s则为1.5GHz。其次是集成式i系列，它将多种系统功能集成在一个处理器上，为单处理器系统提供了更高的效益。已经推出的UltraSparc i的频率达到700MHz，未来的UltraSparc i的频率将达到1GHz。最后是嵌入式e系列，为用户提供理想的性能价格比，嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。Sun公司还将推出主频300、400、500MHz等版本的处理器。,嵌入式SoC,20世纪90年代后，嵌入

12、式系统设计从以嵌入式微处理器/DSP为核心的“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计，提出了SoC的基本概念。SoC技术的出现表明了微电子设计由以往的IC（电路集成）向IS（系统集成）发展。单片系统设计要从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。,嵌入式SoC举例,我们以HMS30C7202为例讲述一个实际的SoC。HMS30C7202是韩国现代公司开发的基于ARM720T内核、主频为70MHz、功能非常强大高集成度的片上系统，它片内外设的资源很多，

13、广泛应用于PDA、智能电器、工业控制、网络设备、音频设备、电子图书、POS等。图是HMS30C7202的功能和系统配置图。其片上外围设备包括UART、USB、PS2和CAN接口，I2S接口通过外部DAC提供高质量的音频输出。电源管理单元的特点是低功耗。,可编程片上系统SOPC,采用超深亚微米工艺技术；使用一个以上的嵌入式处理器/DSP；外部可以对芯片进行编程；主要采用第三方IP进行设计；足够的片上可编程逻辑资源；具有处理器调试接口和FPGA编程接口；可能包含部分可编程模拟电路；单芯片、低功耗、微封装。,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作可编程片上系统SOPC,可编程片上系统SOPC

14、,SOPC的技术基础：超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟；FPGA密度提高；FPGA成本大大下降；FPGA设计、综合、仿真、测试工具性能飞速提高。微处理器/DSP以IP核的形式方便的嵌入到FPGA中；基于IP Core的开发模式深入人心。,嵌入式外围接口电路和设备接口,根据外围设备的功能可分为以下5类 存储器类型通信接口输入输出设备 设备扩展接口 电源及辅助设备,存储器类型：,存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：静态易失型存储器（RAM，SRAM）；动态存储器（DRAM）；非易失性存储器ROM（MASK ROMEPROM，EEPROM，

15、FLASH）；硬盘、软盘、CDROM等。,通信接口,目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有 其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括 RS-232接口（串口UART）USB接口（通用串行总线接口）IrDA（Infra Red Data Association红外线接口）、SPI（串行外围设备接口）、I2C、CAN总线接口、蓝牙接口（Bluetooth）Ethernet（以太网接口）、IEEE1394接口和通用可编程接口GPIO。,输入输出设备,CRT、LCD和触摸屏等，构成了嵌入式系 统中重要的信息输入输出设备，应用广泛。触摸屏可以方便的实现鼠标和键盘功能。,设备扩展接口,简单的嵌入式

16、系统如具有简单的记事本、备忘录以及日程计划等功能的PDA，它所需要存储的数据量并不需要很大的内存。由于目前的嵌入式系统功能越来越复杂，需要大容量内存，大的内存使得系统成本和体积加大。目前一些高端的嵌入式系统都会预留可扩展存储设备接口，为日后用户有特别需求时，可购买符合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。常用的扩展卡还有各种CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口。,电源及辅助设备,嵌人式系统力求外观小型化、重量轻以及电源使用寿命长，例如移动电话或PDA，体积较大或者过重的机型已经被淘汰。目前发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等。在便携式嵌入式

17、系统的应用中，必须特别关注电源装置等辅助设备。,2、嵌入式系统软件的层次结构,如当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统（OS）来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含四个层面：设备驱动层、实时操作系统（RTOS）、应用程序接口（API）层、实际应用程序层。对于功能简单仅包括应用程序的嵌入式系统一般不使用操作系统，仅有应用程序和设备驱动程序。现代高性能嵌入式系统应用越来越广泛，操作系统使用成为必然发展趋势。,嵌入式操作系统,计算机由硬件和软件两部分组成，操作系统OS(Operat

18、ing System)是配置在计算机硬件上的第一层软件，在计算机系统中占据了特殊重要的地位从用户的观点看OS是用户与计算机硬件系统之间的接口，用户在OS的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序；从资源管理观点可以把OS视为计算机系统资源的管理者。嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统。它在知识体系和技术本质上与通用操作系统没有太大的区别，一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统相对于一般操作系统而言，仅指操作系统的内核（或者微内核），其他的诸如窗口系统界面或是通讯协议等模块，可以另外选择，目前大多数的嵌入式操作系统必须提供以下管理

19、功能：多任务管理 存储管理 周边资源管理 中断管理,典型嵌入式操作系统介绍,嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种商用型和免费型。商用型的操作系统主要有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等 免费型的操作系统主要有Linux和C/OS-II 嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统,典型嵌入式操作系统介绍,C/OS-II 嵌入式操作系统内核 VxWorks嵌入式实时操作系统 WinCE操作系统 Linux操作系统,C/OS-II 嵌入式操作系统内核,C/OS-I

20、I是一个可裁减的、源码开放的、结构小巧、可剥夺型的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。C/OS-II中最多可以支持64个任务，分别对应优先级063，其中0为最高优先级。实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。C/OS-II最大程度上使用ANSI C语言开发，现已成功移植到近40多种处理器体系上。,C/OS-II 嵌入式操作系统内核,C/OS-II结构小巧，最小内核可编译至2k（这样的内核没有太大实用性），即使包含全部功能如信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数等，编译后的C/OS-II

21、内核也仅有610kb，所以它比较适用于小型控制系统。C/OS-II具有良好的扩展性能，比如系统本身不支持文件系统，但是如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。,WinCE操作系统,Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法

22、。Microsoft公司为Windows CE提供了Platform Builder和Embedded Visual Studio开发工具。,WinCE操作系统,Windows CE有五个主要的模块 内核模块：支持进程和线程处理及内存管理 等基 本服务；内核系统调用接口模块：允许应用软件访问操作系 统提供的服务；文件系统模块：支持DOS等格式的文件系统；图形窗口和事件子系统模块：控制图形显示，并 提供Windows GUI界面；通讯模块：允许同其他的设备之间进行信息交换。,WinCE操作系统,Windows CE嵌入式操作系统最大的特点是能提供与PC机类似的图形界面和主要的应用程序。Windo

23、ws CE嵌入式操作系统的界面显示大多数在Windows里出现的标准部件，包括桌面、任务栏、窗口、图标和控件等等。这样只要是对PC机上的Windows比较熟悉的用户，可以很快地使用基于Windows CE嵌入式操作系统的嵌入式设备。,三、嵌入式应用软件开发,1、嵌入式软件开发环境,1）交叉开发环境 交叉开发软件一般为一个整合编辑、编译汇编链接、调试、工程管理及函数库等功能模块的集成开发环境IDE（Intergrated Development Environment）。,嵌入式软件开发环境,嵌入式交叉开发环境的宿主机到目标机的调试通道一般有以下三种：在线调试（On-Chip Debugging

24、，OCD）或在线仿真（On-Chip Emulator）*基于JTAG的ICD（In-Circuit Debugger）*背景调试模式（BDM）在线仿真器ICE（In-Circuit Emulator）ROM监控器（ROM monitor）,嵌入式软件开发环境,2）软件模拟环境 软件模拟环境也称为指令集模拟器IIS(Instruction Set Simulator)软件模拟不可能完全代替真正的硬件环境，这种模拟调试只能作为一种初步调试，主要是用作用户程序的模拟运行，用来检查语法、程序的结构等简单错误，用户最终还必须在真实的硬件环境中实际运行调试，完成整个应用的开发。,嵌入式软件开发环境,3)

25、评估电路板 一般用来作为开发者使用的学习板、实验板，可以作为应用目标板出来之前的软件测试、硬件调试的电路板,2、嵌入式应用软件开发的基本流程,嵌入式应用软件开发的基本流程,基于交叉开发环境的嵌人式应用软件开发主要分如下几个步骤：开发环境的建立、源代码编辑阶段、交叉编译和链接、重定位和下载、联机调试五个基本阶段。下面分别对五个阶段进行讲述：开发环境建立 源文件编辑阶段 编译 链接 下载 调试,四、嵌入式系统开发流程,1、嵌入式开发的考虑要素,在嵌入式系统设计开发时必须考虑以下因素：功能可靠实用、便于升级实时并发处理，及时响应体积符合要求，结构紧凑接口符合规范，易于操作配置精简稳定，维护便利功耗管理严格，成本低廉,2、软硬件协同设计,嵌入式开发的基本流程,系统定义与需求分析 系统设计方案的初步确立 初步设计方案性价比评估与方案评审论证 完善初步方案、初步方案实施 软硬件集成测试 系统功能性能测试及可靠性测试,未来嵌入式技术发展,五、嵌入式系统的发展趋势,