嵌入式系统原理与设计教学课件.ppt

嵌入式系统原理与设计,教师: 杜歆 电话:email: ftp:/course:course 教材: 嵌入式系统原理与设计 主要参考书: arm体系结构及其嵌入式处理器 北航出版社 arm体系结构与编程 清华出版社 arm程序分析与设计 北航出版社 嵌入式操作系统基础 北航出版社,课程内容提要,1. 绪论 （3学时） 2.嵌入式系统的设计方法 3.嵌入式系统的基础知识 4.嵌入式系统的开发模式 5.arm体系结构 （5学时） 6. arm指令系统 （2学时） 7. arm程序设计 8 . 嵌入式操作系统 （3学时） 9 . 嵌入式linux （5学时） 10. windows ce （2学时）,第一章 绪论,二十一世纪是嵌入式计算系统时代，人们日常生活和工作中所接触到的仪器与设备中，都将嵌入具有强大计算能力的微处理器。据统计，目前每年只有10%20%的微处理器芯片用于台式机或笔记本电脑，80%左右的微处理器芯片是为嵌入式计算系统设计和制造的。嵌入式计算系统已广泛地应用到工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、军事设备等众多领域中。尤其是最近几年，嵌入式计算系统不断进入到新的应用领域，如：pda、手持设备、智能家庭设备、智能电话家用电器等。,1.1 什么叫嵌入式系统,什么是嵌入式计算系统呢？广义地说，它是任意包含一个可编程计算机的设备，但是这个设备不是作为通用计算机而设计的。既嵌入式计算系统是嵌入在其他设备中，起智能控制作用的专用计算机系统。一台通用个人电脑不能称为嵌入式计算系统，尽管有时会把它嵌入到某些设备中。而一台包含有微处理器的打印机、数码像机就可以算嵌入式计算系统。我们后面把嵌入式计算系统就简称为嵌入式系统。,嵌入式系统,是以微处理器为核心的,嵌入在其他设备中的专用计算机系统,嵌入式系统的发展,微处理器的出现已有很长时间了，传统的嵌入式系统设计起源于二十世纪七十年代初，但是嵌入式系统对信息技术（it）产业产生强有力的影响还只是近几年的事。随着技术的发展，对嵌入式系统的设计要求也越来越复杂，传统的手工设计方法已不能满足快速、高效地设计复杂嵌入式系统的要求。,1.2嵌入式系统的特征,嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌入在其他设备中的专用计算机系统。它设计中所面临的问题有许多是计算机系统设计中所面临的共性问题。但由于嵌入式系统并不是独立的，它与所嵌入的设备紧密关联，因此，与通用台式计算机比较而言，它的设计还是具有许多特殊性。,嵌入式系统的特征,和通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特征： 1、用于特定的任务。 2、及其关注成本 3、大多有功耗的要求 4、有实时的要求 5、运行环境广泛 6、软件要求固态化存储 7、软件硬件可靠性要求更高 8、相关产品具有较长的生命周期 .,嵌入式系统特征,功耗 嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。 低成本 这里所指的成本包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的存储器及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。 多速率 是指系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。如：多媒体应用系统就是多速率行为的典型例子，多媒体数据流的音频和视频部分以不同的速率播放，但是它们必须保持同步。 实时性 实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性，具体表现任务的数据或控制信息必须在某段时限内到达。 环境相关性 嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统的特征,嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。,以微处理器为核心,我们设计一个数字系统可以有很多种方法，如：定制逻辑、现场可编程门阵列（fpga）等，那么为什么在设计嵌入式系统时要以微处理器为核心呢？这主要有两种原因： （1）用微处理器是实现数字系统一种十分便捷、有效的方法； （2）微处理器使设计不同价位、不同特性的产品系列变得容易，并容易扩充新功能以满足飞速变化的市场需求。,嵌入式系统的特征模糊化,通用计算机系统，嵌入式计算机系统在一些产品上出现融和。,1.3嵌入式系统的组成要素,嵌入式处理器及其硬件平台 嵌入式软件系统 嵌入式操作系统（可选）-实时操作系统rtos i/o接口,几种常见的嵌入式系统平台,arm7tdmi,sc4510 arm7嵌入式系统平台,sdram,flash,linksys 11mbps无线路由器,intel pxa255 xsacle srongarm,intel pxa255 xsacle srongarm,linksys wma11b 产品特征： 采用ieee 802.11b标准，支持无线连接 一个10/100mbps以太网端口，支持有线连接 可通过音响播放计算机上的mp3、wma等音乐文件 可通过电视机浏览计算机上的jpg、gif、tif、bmp等格式的图片 通过遥控器进行操作,各部件介绍,启动信息,motorola mx1 m9328 arm920t,1.3.1 嵌入式处理器,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kb到16mb，处理速度从0.1 mips到2000 mips，常用封装从8个引脚到144个引脚,基于8位，16位，32位的嵌入式系统,根据摩尔定律，微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算成为一门学科 。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如：8位的cpu、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如：16位、32位cpu或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、fpga或cpld等，其软件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。,典型的8位微处理器,mcs-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多的微处理器。,典型的16位微处理器,国内应用得较广泛的16位微处理器是mcs-96系列单片机和16位dsp芯片。,典型的32位微处理器,arm系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系列的mcu芯片很多，但都是已arm微内核为核心的。有些dsp也是32位的。,嵌入式微处理器分类,1、嵌入式微控制器(mcu）,嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成rom/eprom、ram、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、i/o、串行口、脉宽调制输出、a/d、d/a、flash ram、eeprom等各种必要功能和外设。,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。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,由于mcu低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、mcs-251、mcs-96/196/296、p51xa、c166/167、68k系列以及 mcu 8xc930/931、c540、c541，并且有支持i2c、can-bus、lcd及众多专用mcu和兼容系列。,2、嵌入式数字信号处理器(dsp）,dsp处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、fft、谱分析等各种仪器上dsp获得了大规模的应用。 dsp的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的dsp处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过mpu等由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚dsp芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 dsp的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。,目前最为广泛应用的嵌入式dsp处理器是ti的tms320c2000/c5000系列，另外如intel的mcs-296和siemens的tricore也有各自的应用范围。,mpu嵌入式微处理器是由通用计算机中的cpu演变而来的，8038680387 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,3、嵌入式微处理器 （micro processor unit),和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有am186/88、386ex、sc-400、power pc、68000、mips、arm/ strongarm系列等,soc 就是system on chip ，soc嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是arm risc、mips risc、dsp或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（usb）、tcp/ip通信单元、gprs通信接口、gsm通信接口、ieee1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,4、嵌入式片上系统 (system on chip),soc嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几种： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统干扰。,典型的嵌入式微处理器（mpu）,1arm/strongarm arm（advanced risc machines）公司是全球领先的16/32位risc微处理器知识产权设计供应商。 arm公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的risc微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。 arm公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的risc标准。 arm处理器有三大特点： 1). 小体积、低功耗、低成本而高性能； 2). 16/32位双指令集； 3). 全球众多的合作伙伴。,arm,arm7、arm9、arm9e、arm10和securcore。 其中arm7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的arm7tdmi、arm7tdmi-s，以及适用于开放平台的arm720t和适用于dsp运算及支持java的arm7ej等。,mips,mips是microprocessor without interlocked pipeline stages mips技术公司，是一种采取精简指令集（risc）的处理器架构 mips公司设计risc处理器始于80年代初， mips公司把战略重点放在嵌入式系统。 1999年，mips公司发布mips 32和mips 64架构标准，为未来mips处理器的开发奠定了基础。,powerpc,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。,基于powerpc架构的处理器有： ibm公司开发的powerpc 405 gp是一个集成10/100mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。,ipad （第一代预装ios 3.2/3.3使用了apple a4 800mhz 0.5mb片上共享二级缓存的处理器，256mb ddr3 1066mhz的内存，而第二代预装ios 5/5.1/5.2的机型使用apple a5 1.0ghz 0.7mb独立存取二级缓存的处理器，512mb ddr3 1333的内存+0.1mb片上共享二级缓存.,x86,x86系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于intel架构的8080。 直到现在pentium 4、athlon和amd的64位处理器hammer。 486dx是当时和arm，68k，mips和superh齐名的五大嵌入式处理器之一。,68k,68k/coldfire motorola 68000(68k)是 apple 2以前使用的就是68000，比intel的8088还要早。 但现在，apple、motorola 已放弃68k专注于arm了。 cisc是个人电脑cpu常用的，intel、amd、via都采用了cisc指令集 只有apple电脑中的powepc使用了risc架构。 因为cisc指令数量少，执行效率更高，而且当时的cpu时钟频率不同，没有牵涉到现在的超标量和超流水线的问题。risc是精减指令集，它每条指令长度都一样，有利于减化译码结构，减少处理器的晶体管数量。,1.3.2 嵌入式操作系统,主要功能： 使计算机硬件便于使用； 高效组织和正确地使用计算机的资源。 操作系统主要有4个任务：进程管理、进程间通信与同步、内存管理和io资源管理。,分时和实时操作系统,分时操作系统 对软件执行时间的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果 实时操作系统（rtos：real time operate system） 在规定的时间内对实时事件做出正确的响应。,实时操作系统,实时操作系统追求的是实时性、可确定性、可靠性 。 评价一个实时操作系统重要指标 任务调度 任务切换时间 最大中断禁止时间,常见嵌入式操作系统,windows 嵌入式系列 windows ce，包含 pocket pc，smartphone等不同发行版本 windows xp embedded linux 系列 uclinux rtlinux etlinux 普通linux等 其它，如uc/os, ecos, freertos,vxworks,psos，palm os, symbian os等。,1.4 嵌入式技术研究的应用,家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。,家庭智能管理系统,社区建筑的水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，远程点菜器等。,汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）can总线网络,volvo s80汽车的can总线网络,嵌入式技术研究应用,工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；,嵌入式技术研究应用,高性能武器平台的基础,阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,军事方面,基于vxworks的火星探路者,智能玩具与机器人,goreader internet ebook,samsung anyweb internet screen phone,eremote intelligent home controller,tektronix tds7000 digital oscilloscopes,nixvue digital album digital photo album,一些典型的嵌入式系统应用实例,返回,社会发展方面： 嵌入式internet应用,嵌入式技术刺激了许多新的应用需求,消费电子,网络,第二章 嵌入式系统的设计方法,2.1嵌入式系统设计的基本流程 2.2嵌入式系统设计的流程模型,嵌入式系统设计所面临的问题,外部约束是嵌入式系统设计时遇到困难的一个重要来源。下面是所面临的主要问题： （1）需要多少硬件 在设计嵌入式系统时不仅需考虑选择何种cpu，同样需考虑存储器容量、i/o设备及其他外围电路。 （2）如何满足实时性 单纯用提高cpu速度的方法来使程序运行的速度加快从而解决实时性问题的方法是不可取的。应精确设计程序以满足实时性要求。 （3）如何减少系统的功耗 降低嵌入式系统功耗的一种方法就是降低它的运算速度。但是单纯地降低运算速度会导致实时性能不满足。 （4）如何保证系统可升级 （5）系统调试复杂 （6）开发环境受限,一个好的设计方法是十分重要的，原因有四点： 第一，在设计之初就可以明确设计目标； 第二，它使我们对所做的工作进度有清楚的了解，可以确保不遗漏其中的工作； 第三，可以使整个开发过程分阶段进行，从而做到有条不紊地进行开发工作； 第四，可以方便设计团队中的成员相互交流，相互配合以完成系统的设计目标。,嵌入式系统设计的主要步骤,以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是详细描述，在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。,需求分析,在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段，我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。 需求分析的任务 需求分析的实现途径 需求分析表格,需求分析的任务,确定用户对应用系统的具体要求和设计目标。 主要搞清楚整个系统 “做什么，不做什么” 。,需求分析的实现途径,需求分析的实现通常可通过访谈, 深入和确认三个阶段来进行,用户需求的格式,用户需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要指：性能、价格、尺寸和重量、功耗等。右边表是一个在系统设计的初始阶段使用的需求说明表格样本，该表格用简练、清晰的语句描述系统的基本需求。,例：gps移动地图系统,gps移动地图是一种手持设备，该设备为用户（如汽车驾驶员）显示他当前所处位置周围的地图；显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的改变而改变。该设备从gps上得到其位置信息，移动地图的显示看起来应类似纸张上的地图。针对用户的初步要求，我们编写出如右表所示的系统需求表。,需求分析mp3例子,详细说明,详细说明是对需求分析的进一步细化。 详细说明就是主要给开发人员看的。 通过详细说明，可以架起系统设计人员和用户之间的桥梁，促进开发方案的制定。,详细说明-示例,通过详细说明我们可以给出更加技术化的功能指标例如： 液晶显示屏：96*32点阵蓝色el背光 信噪比：75db 输出频率范围：20hz-20khz 录音采样频率：8khz48khz 音乐格式：mp3,wma 录音格式：adpcm 中英文显示：gb2312字符集 支持压缩速率：32kbps-256kbps,结构设计,系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的一个计划。,结构设计,结