嵌入式系统概述与ARM简介.ppt

嵌入式系统概述与ARM简介 2 嵌入式系统概述嵌入式系统的组成嵌入式最小系统ARM简介ARM开发工具实验 内容大纲 3 一 嵌入式系统概述 4 什么是嵌入式产品 你身边的嵌入式产品有哪些 你有没有想设计实现的嵌入式产品 5 一些典型的嵌入式系统应用实例 goReaderInterneteBook SamsungAnyWebInternetScreenPhone eRemoteIntelligentHomeController TektronixTDS7000DigitalOscilloscopes NixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum 6 嵌入式系统的应用 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 7 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 8 社会发展方面 嵌入式Internet应用 9 嵌入式应用 汽车电子 汽车电子产品 18个嵌入式控制模块 CAN总线网络 VOLVOS80汽车的CAN总线网络 10 智能玩具与机器人 11 嵌入式技术应用 工业控制 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 12 军事侦察 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 13 反恐防暴 2002年11月28日 以色列一选举投票点 发生枪击事件 造成至少7人死亡 数十人受伤 以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体 14 空中飞行器 微型飞行器 黑寡妇 15 什么是嵌入式系统 20世纪70年代以单片机为代表的电子产品已初步具备了嵌入式应用的特点 但它执行的只是一些单线程的程序 还谈不上 系统 的概念 20世纪80年代开始出现了嵌入式操作系统 使程序员从小范围的开发中解脱出来 缩短了开发周期 20世纪90年代后 随着实时性要求的提高 软件规模不断上升 嵌入式操作系统进一步发展为实时多任务操作系统 RTOS 如 VxWorks RT linux cos等 16 嵌入式系统定义 IEEE 电气和电子工程师协会 对嵌入式系统定义为 嵌入式系统是 控制 监视或者辅助装置 机器和设备运行的装置 devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 国内一个普遍被认同的定义是 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 17 嵌入式系统组成 嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统 用户的应用程序 18 嵌入式系统 我们可以这样理解 凡是使用了CPU的便携式电子设备都可以叫嵌入式 如电子表 超声波测距仪等智能仪表 常见CPU为MCS51系列芯片 而嵌入式系统一般指在开发时移植了操作系统 功能较复杂的便携式电子设备 如手机 掌上电脑 MP4等 常见CPU为ARM DSP等 19 嵌入式系统的特点 特定的设计 功耗低 体积小 集成度高 各学科结合的产物 主要 计算机 电子 高效的设计 性价比高 与具体应用相结合 针对产品开发 交叉开发 主机 目标机 20 嵌入式系统的发展 单片机模式和计算机模式电子专业和计算机专业 21 嵌入式人才就业前景 权威部门统计 我国嵌入式人才缺口每年50万人左右 供求比例达1 20 根据前程无忧网发布的调查报告 嵌入式软件开发是未来几年或更长的时间内最热门和最受欢迎的职业之一 因为嵌入式技术凝聚了计算机和信息技术的精华 嵌入式技术人才是具备透视计算机和信息技术奥秘的高级专业人才 22 二 嵌入式系统的组成 23 处理器外围硬件嵌入式操作系统应用程序开发环境 嵌入式系统的组成 24 1嵌入式处理器 处理器是嵌入式系统的核心 从功能结构上 嵌入式处理器同时集成了PC机CPU和主板 芯片组 的功能 一般可以将嵌入式处理器分成4类 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统 SOC 25 嵌入式微处理器分布 全世界只有4 的计算机处理芯片用于计算机中 Source EmbeddedSystemsProgramming May1999 Averagecarhasabout15microprocessors MercedesS class 63microprocessors 32 bit 嵌入式微处理器 16 bit 8 bit 4 bit 250million 1billion 1billion 1billion 125millionPCs Intel AMD Motorola ARM MIPS i960 x86 其中只有4 的微处理器 26 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器 MicroProcessorUnit MPU 是由通用计算机中的CPU演变而来的 它的特征是具有32位以上的处理器 代表芯片有 ARM芯片 ARM具有比较强的事务管理功能 可以用来跑界面以及应用程序等 其优势主要体现在控制方面 27 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器 MicroControllerUnit MCU 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 代表芯片有 MCS51和AVR等单片机 28 DSP处理器 DSP处理器 DigitalSignalProcessor DSP 是专门用于信号处理方面的处理器 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 DSP主要是用来计算的 比如进行加密解密 调制解调等 优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度 29 片上系统 片上系统 SystemonChip SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合 可以通过编程修改硬件的功能 常用的FPGA如同一张白纸 能完成上至高性能CPU 下至简单的74电路的功能 加电时 FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中 配置完成后 FPGA进入工作状态 掉电后 FPGA恢复成白片 内部逻辑关系消失 因此 FPGA能够反复使用 30 2外围硬件 外围硬件是嵌入式系统处理器不能或没有集成 但运行时必不可少的硬件 包括 时钟和电源部件 内存和各种通讯端口等 31 3嵌入式操作系统 在嵌入式系统中 操作系统并不是一个必要部件 嵌入式操作系统的作用一般只是为了应用程序提供必要运行环境 任务调度 附加任务通讯 内存管理等功能 使嵌入式系统的开发可利用通用的功能模块 提高开发效率 嵌入式系统和系统的硬件基础关系紧密 一般都需要移植和配置才可以使用 但前较流行的嵌入式操作系统有 VxWorks WinCE Linux COS II 32 3嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多 大体上可分为两种 商用型和免费型 商用型的实操作系统功能稳定 可靠 有完善的技术支持和售后服务 但往往价格昂贵 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势 33 VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 RTOS 具有良好的持续发展能力 高性能的内核以及友好的用户开发环境 在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地 VxWorks所具有的显著特点是 可靠性 实时性和可裁减性 它支持多种处理器 如x86 i960 SunSparc MotorolaMC68xxx MIPS POWERPC等等 大多数的VxWorksAPI是专有的 火星机器人 34 WindowsEmbedded WindowsCE3 0 一种针对小容量 移动式 智能化 32位 连接设备的模块化实时嵌入式操作系统 针对掌上设备 无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台 WindowsCE嵌入但不够实时 属于软实时操作系统 由于其Windows背景 界面比较统一认可 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM 35 PalmOS PalmOS是著名的网络设备制造商3COM旗下的PalmComputing掌上电脑公司的产品 3COM CISCO竞争PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额 PalmOS的市场份额占到将近90 最近下降70 目前主要与WINCE进行激烈竞争 36 嵌入式Linux 嵌入式系统越来越追求数字化 网络化和智能化 因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继 整个系统必须是开放的 提供标准的API 并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通 Linux是开放源码的 不存在黑箱技术 遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾 Linux的内核小 功能强大 运行稳定 系统健壮 效率高 易于定制剪裁 在价格上极具竞争力 Linux不仅支持x86CPU 还可以支持其他数十种CPU芯片 37 嵌入式Linux及应用 嵌入式Linux EmbeddedLinux 是指对Linux经过小型化裁剪后 能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中 应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统 嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点 主要有RTLinux和 CLinuxLinux在嵌入式领域异军突起不过是近两年的事情 过去的一年中有13 的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作 有52 的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型 38 C OS及 C OS II 1 C OS MicroControllerOS 微控制器操作系统2 C OS简介美国人JeanLabrosse1992年完成应用面覆盖了诸多领域 如照相机 医疗器械 音响设备 发动机控制 高速公路电话系统 自动提款机等1998年 C OS II 目前的版本 C OS IIV2 61 2 722000年 得到美国航空管理局 FAA 的认证 可以用于飞行器中网站www ucos II com 39 4应用程序 当嵌入式系统的其它部分确定后 嵌入式应用程序决定了系统实现的功能 由于控制硬件是嵌入式系统基本的操作 因此嵌入式应用程序依然与系统的硬件基础关系密切 尤其在没有操作系统的情况下 嵌入式的应用程序需要直接访问寄存器或者设备的地址来操作硬件 40 5交叉开发环境 用VC VB等开发环境完成的大型应用软件开发都可以在PC机等同类机型上全部直接完成 ARM应用程序的开发需要交叉开发环境下完成 即 PC机 开发板 PC机 开发板 直到成功 熟练运用ARM的交叉开发工具是从事ARM开发的第一个关键步骤 41 5交叉开发环境 ARM的编辑 编译 链接集成开发环境有SDT ADS KEIL ARM的调试环境为AXD 此外还有ARM应用开发的命令行工具 42 嵌入式系统 PC机 嵌入式系统一般是专用系统 而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本 功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具 43 三 嵌入式最小系统 44 1嵌入式最小系统组成 嵌入式最小系统指使嵌入式处理器能够运行起来所需要的最小元器件集合 通常一个嵌入式最小系统有一下几部分组成 处理器内存时钟电源和复位JTAG 调试 下载 烧写所需 45 46 1 处理器的组成 控制器的功能是控制处理器 如取指令 译码 执行指令 读写内存等 运算器主要是在处理器的内部完成运算 算术运算 位运算 操作 一般只和寄存器打交道 寄存器为处理器提供内部的临时存储空间 它是处理器和内存的媒介 47 2 内存 48 3 时钟 时钟是最小系统工作的心脏 指令的执行 内存的读写 外设的访问等操作都需要在时钟的作用下 遵照特定的时序来完成 S3C4510内含PLL电路外部时钟可由片内PLL倍频以提高系统时钟 输入频率范围 10 40MHz 输出频率可以是输入时钟的5倍 49 4 JTAG接口 JTAG是IEEE的一个标准 即IEEE1149 1 通过这个标准 可以对具有JTAG接口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测 JTAG仿真器是通过处理器的JTAG口进行设备调试 下载 烧写的 50 2嵌入式最小系统运行原理 51 3最小系统小结 在嵌入式系统的开发中 最小系统起着至关重要的作用 构建一个嵌入式系统 首先需要让系统核心部分嵌入式处理器运作起来 然后再逐步增加系统的功能 最终形成符合需求的完整系统 嵌入式最小系统的组成 包括处理器 内存 时钟 电源和复位 为了能够支持程序的下载和调试 一般还需要在最小系统中添加对JTAG接口的支持 52 四 ARM简介 53 1什么是ARM ARM是一个公司的名称 ARM代表一项技术 即AdvancedRISCMachine RISC即ReducedInstructionSetComputer 意为精简指令集计算机 ARM是一个内核 而不是我们看到的具体的芯片 基于ARM的嵌入式最小系统就是采用以ARM为内核的芯片作该系统的处理器 54 ARM份额 2002嵌入式内核总量 6 265亿 55 2ARM的内核系列与版本 56 ARM体系结构版本 ARMV1体系是最初的版本 只有26位的寻址空间 没有乘法指令 最终也没有商业化 ARMV2体系与V1体系同为26位寻址空间具有乘法和乘加指令 支持协处理器 ARMV3体系的寻址范围扩展到32位 具有乘法和乘加指令 支持协处理器 ARMV4体系增加了半字存储操作 对调试的支持以及支持嵌入的ICE ARMV5体系增加了DSP指令支持和对Java指令的支持 ARMV6体系增加了媒体指令 ARMv6指令集合中加入了超过60条SIMD单指令多数据指令 ARMV7体系定义了三种独立的内核型 A 应用领域 R 实时领域 M 控制领域 57 ARM内核系列 ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列StrongARM XscaleARM11Cortex 58 ARM内核命名规律 内核后缀的含义 E 代表支持增强DSP指令T 代表支持Thumb指令集 ARM9E之后都支持 不再带有T J 代表支持Jazzlle技术S 代表为可综合的内核 与其对应为硬件宏单元 第一个数字的含义 ARM的后面的第一个数字7 9 10 11代表系列名如 ARM7TDMI ARM920T AEM1136J F S 第二个数字的含义 2 带有MMU 如 ARM720T ARM922T ARM1020E 4 带有MPU 如 ARM940T ARM946EJ S 6 无MMU和MPU 如 ARM966EJ S ARM968EJ S 第三个数字的含义 0 标准Cache2 减小的Cache6 可变的Cache 59 3嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的应用领域 工业控制 交通管理 信息家电 家庭智能管理系统 POS网络及电子商务 环境工程与自然 机器人 60 基于WinCE的移动机器人平台 61 基于RTLinux的仿人机器人 高48cm重 6kg灵活性 20DOF操作系统 RT Linux接口形式 USB1 0 12Mbps 响应周期 1ms能源