嵌入式系统基础知识PPT课件.ppt

1 嵌入式系统开发 主讲刘钊远Email lzy781 TEL西安邮电大学计算机学院嵌入式教研室2014 2 2014 6 西邮计算机学院 2 教材 嵌入式系统开发 李宥谋 刘钊远 马博编著清华大学出版社 参考ARM嵌入式系统基础教程 周立功等编著 北京航空航天大学出版社 2008ARM嵌入式系统结构与编程 邱铁编著 清华大学出版社 2009相关网站 WWW ARM com WWW N WWW 西邮计算机学院 3 ARM嵌入式系统实验指导 电子版实验地点 计算机系嵌入式实验室 东校区FZ 实验楼3层层 实验指导 计划学时 48学时其中 授课36学时 实验12学时 实验内容 ADS环境2学时 ARM汇编4学时 GPIO接口2学时 中断与定时器等4学时 课程安排 西邮计算机学院 4 考核要求 考试成绩 课堂教学内容 70 上机成绩 上机出勤及编程情况 15 平时成绩 上课出勤及作业等学习情况 15 5 嵌入式系统开发 课程介绍 嵌入式 ARM系列的体系结构ARM7指令集及汇编程序设计 硬件 接口电路原理软件 接口编程方法 接口技术 西邮计算机学院 6 嵌入式系统开发 课程特点 专业技术基础课硬件系列课程之一计算机组成原理微机原理及接口技术嵌入式系统计算机体系结构课程特点以技术为主面向应用软硬件相结合 课程特点 7 嵌入式系统开发 先修课程 计算机文化课基础 全面了解 数字逻辑提供硬件基础计算机组成原理确立计算机部件功能掌握计算机工作原理高级语言程序设计熟悉C语言程序设计的方法掌握基本程序设计思想 先修课程 8 嵌入式系统开发简介 教学内容介绍 1 基础知识 第1章 第2章 第3章和第4章 这四章介绍了嵌入式系统的基本概念 ARM7的体系结构 编程模式 指令系统和汇编程序设计方法 2 硬件开发基础 第5章 第6章和第7章 以NXP公司的LPC2000系列为例 介绍了嵌入式系统的硬件组成及工作原理 3 软件开发基础 第8章 介绍了嵌入式系统软件组成 硬件适配层软件功能 实现方法 系统软件移植和软件开发流程 4 嵌入式系统应用 第9章 以 停车场管理系统 简介系统总体设计 嵌入式Web设计 嵌入式SQLite数据开发 SNMP代理设计等 实验环境 ARM7开发板 开发工具 ADS1 2软件 C OS II操作系统台平 9 1 嵌入式系统概述2 嵌入式处理器3 嵌入式操作系统4 嵌入式系统开发 第1章嵌入式系统基础 10 1 1嵌入式系统概述 1 1 1嵌入式系统的定义1 1 2嵌入式系统组成1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统应用 11 嵌入式系统发展 单片机发展70年代 Intel公司的8048Motorola公司的68HC05Zilog公司的Z80系列80年代 Intel的MCS 51系列Motorola公司的MC68000IBM和Motorola的PowerPC90年代 ARM公司的ARM系列2000以后 ARM系列成为主流 12 90年代之后的发展趋势 互联网的普及半导体技术的改善3C技术的快速融合Compute Communication ConsumerElectronic使用者的需求信息服务应用生活化 相关技术 多学科交叉 计算机 电子技术 微电子技术 集成电路设计等 13 未来嵌入式系统的发展趋势 14 1 1 1嵌入式系统的定义 嵌入式系统 EmbeddedSystem是 嵌入式计算机系统 的简称 IEEE定义 devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 定义 用于控制 监视或者辅助某个设备 机器及工厂运行的设备 但这个定义已经不能更好的解释今天的嵌入式系统 目前对嵌入式系统有多种解释 下面给出一个大家较为认同的嵌入式系统的概念 15 比较认同的嵌入式系统概念 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 1 专用性 是专为目标对象设计定制的 与应用对象紧密结合 是面向用户 2 嵌入性 是目标对象系统的组成部分 系统的软 硬件都嵌入到目标对象体系结构中 形成一个以计算技术 电子技术和特定的工程应用相结合的综合体 3 计算机系统 是以计算机为基础 软 硬件可载减的专用计算机系统 16 嵌入式系统的历史 单片机模式和计算机模式 17 1 1 2嵌入式系统的组成 模块划分 微处理器 外围硬件 嵌入式操作系统 应用程序以及开发环境 18 外围硬件 嵌入式系统处理器以外的硬件 为系统提供运行条件 时钟和电源部件 和部分功能 内存 各种通讯端口等 1 1 2嵌入式系统的组成 微处理器 是嵌入式系统的核心 嵌入式微处理器一般都具有较高的集成度 嵌入式操作系统 为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 需移植和配置方可使用 嵌入式应用程序 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 开发环境 开发过程中起着至关重要的作用 并不是嵌入式系统产品的一部分 不同嵌入式系统开发环境不同 19 1 1 2嵌入式系统组成 层次划分 20 1 硬件层 硬件层包含 嵌入式微处理器 存储器 SDRAM ROM Flash等 通用设备接口和I O接口 A D D A I O等 处理器 ARM MIPS X86 PowerPC和SH等 主存储器 ROM类NORFlash EPROM和PROM等 RAM类SRAM DRAM和SDRAM等 接口 A D D A RS 232 Ethernet USB IIS 音频接口 I2C CAN SPI和IrDA 红外线接口 21 2 中间层 硬件适配层 在硬件层与软件层之间 也称为硬件抽象层 HardwareAbstractLayer HAL 或板级支持包 BoardSupportPackage BSP 任务 相关底层硬件的初始化及配置 设备驱动程序 特点 硬件相关性 直接操作底层硬件 操作系统相关性 为操作系统提供所需要的硬件操作接口 22 3 系统软件层 系统软件层由嵌入式操作系统 EOS 文件系统 图形用户接口 GUI 网络系统及通用组件模块等组成 4 功能层基于操作系统开发的应用程序组成 用来完成对被控对象的控制功能 23 1 1 3嵌入式系统的特点 1 技术先进 将先进的计算机技术 半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物 2 系统内核小 一般是应用于电子装置中 系统资源相对有限 3 专用性强 其中软件和硬件结合非常紧密 应用具有一定的针对性 4 系统精简 一般没有系统软件和应用软件的明显区分 减少不需要的功能降低复杂度 提供系统安全性 24 1 1 3嵌入式系统的特点 5 系统软件要求具有高实时性 而且软件要求固态存储 以提高速度 6 嵌入式软件开发走向标准化 逐步形成丰富的可兼容的各种软件组件 函数库等 7 开发要求 嵌入式系统本身不具备在其上进行进一步开发的能力 用户如果需要修改其中的程序功能 需要借助于一套开发工具和环境 25 1 1 4嵌入式系统应用 1 工业控制 2 交通管理 3 信息家电 4 智能家居 5 电子商务 6 环境工程与自然 7 机器人 8 机电产品 9 国防 军事 26 生活中的嵌入式系统 27 嵌入式系统示例 汽车控制系统 尾灯控制系统 后车门控制系统 前车门控制系统 座椅控制系统 发动器控制系统 所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统 28 消费类电子 智能玩具 手持通讯的核心 29 智能玩具与机器人 30 嵌入式在Internet中的应用 31 军事国防领域 32 航天领域 33 1 2嵌入式处理器 1 组成 34 2 分类 嵌入式处理器分为以下几大类 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 35 嵌入式微处理器 EMPU EmbededMicroprocessorUnit EMPU 芯片内部一般没有存储器和外设电路 需要在电路板上设计ROM RAM 总线接口 各种外设等器件 从而降低了系统的可靠性 技术保密性也较差 嵌入式微处理器及其存储器 总线 外设等安装在一块电路板上 称为单板计算机 目前主要有Am186 88 386EX SC 400 PowerPC 68000 MIPS ARM StrongARM系列等类型 36 嵌入式微控制器 MicrocontrollerUnit MCU 嵌入式微控制器又称单片机 一般以某一种微处理器内核为核心 芯片内部集成ROM RAM 总线 总线逻辑 定时 计数器 WatchDog I O 串行口 脉宽调制输出 A D D A等各种必要功能和外设 微控制器的片上外设资源一般比较丰富 适合于控制 因此称微控制器 嵌入式微控制器种类多 括8051 P51XA MCS 251 MCS 96 196 296 C166 167 MC68HC05 11 12 16 68300 数目众多ARM芯片等 目前MCU占嵌入式系统约70 的市场份额 37 嵌入式DSP处理器 数字信号处理 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计 使其适合于执行DSP算法 编译效率较高 指令执行速度也较高 在数字滤波 FFT 谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域 DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能 过渡到采用嵌入式DSP处理器 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas 如DSP56000 DSP56100 DSP56200和DSP56300等 PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本 低功耗技术上制造的R E A LDSP处理器 38 嵌入式片上系统 SystemOnChip SOC SOC 将整个嵌入式系统大部分集成到一块或几块芯片中去 使得系统变得简洁 对于减小体积和功耗 提高可靠性非常有利 SoC可以分为通用和专用两类 通用系列包括Infineon的TriCore Motorola的M Core 某些ARM系列器件等 专用SoC一般专用于某个或某类系统中 不为一般用户所知 例如Philips的SmartXA 它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上 形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC 可用于公众互联网如Internet安全方面 SOC下一步向片上网络 NetworkonChip NoC 发展SoPC是一种特殊的嵌入式系统 在SOC芯片上还提供了可编程的逻辑单元 具有很大的灵活性 39 1 2 3典型的嵌入式处理器 1 MCS51单片机MCS51是由美国INTEL公司开发的一系列单片机的总称 如8031 8051 8751 8032 8052 8752等 8051是最早最典型的产品 其性能如下 8位CPU 片内振荡器 4k字节ROM 128字节RAM 21个特殊功能寄存器 32根I O线 片外可寻址空间分别为64k字节的外部数据和程序 2个16位定时器 计数器 一个全双口串行接口 中断结构具有二个优先级 五个中断源 是一个适于按位进行逻辑运算的位处理器 40 2 ARM处理器 ARM处理器有ARM公司开发的基于RISC技术的32位的处理器 但也提供16位指令集 已经成为市场的主流常用的有ARM7TDMI StrongARMARM720T ARM9TDMI ARM922T ARM940T RM946T ARM966T context系统等3 MIPS处理器MIPS公司设计RISC处理器始于二十世纪八十年代初 MIPS的系统结构及设计理念比较先进 嵌入式指令体系MIPS16 MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟 如R8000 R10000 R12000 MIPS324Kc MIPS645Kc等 41 4 PowerPC处理器 PowerPC是Motorola和IBM联合为Apple的MAC机开发的CPU芯片 IBM主要的PowerPC产品有PowerPC604s PowerPC750 PowerPCG3 1 1GHz Motorola主要有MC和MPC系列 PowerPC体系结构是RISC体系结构 所有PowerPC 包括64位CPU 都使用定长的32位指令 Power架构技术是一种指令集架构 涉及从消费类电子到超级计算机的各种应用 5 MC68000处理器由美国摩托罗拉公司出品的一款16 32位CISC 复杂指令集 微处理器 内部使用32位总线和寄存器 它在软件层 指令集 上基本与随后的纯32位产品保持兼容 6 X86处理器由intel公司开发的CISC结构处理器 X86体系和ARM MIPS相比 X86架构的嵌入式处理器应用范围要狭窄得多 42 1 2 4嵌入式处理器的性能指标 主要有以下几种 1 主频 2 处理器字长 3 数据通路速度 主要决定于总线位数 总线频率及数据传输协议 4 运算速度 与许多因素有关 CPU的主频 执行的操作 内存的访问速度等 衡量有不同的方法 根据不同类型指令在计算过程中出现的频率程度 求平均值 以每条指令执行所时钟周期数CPI来衡量运算速度以MIPS作为计算单位来衡量运算速度 5 高速缓冲 Cache 6 处理器的系统架构 43 1 3嵌入式操作系统 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统的种类实时操作系统的相关概念几种典型的嵌入式操作系统 44 1 3 1嵌入式操作系统简介 概述 计算机系统由硬件和软件组成 初期没有操作系统这个概念 用户使用监控程序来使用计算机 随着计算机技术的发展 计算机系统的硬件 软件资源也愈来愈丰富 监控程序已不能适应计算机应用的要求 于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统 OperatingSystem 发展到现在 广泛使用的有三种操作系统 多道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统 45 1 3 1嵌入式操作系统简介 时间先后 实时操作系统是我们介绍的重点 46 1 3 1嵌入式操作系统简介 基本概念 操作系统是计算机中最基本的程序 操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收 控制与协调等并发的活动 提高资源利用率 操作系统提供用户接口 方便用户使用 操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台 操作系统 47 1 3 1嵌入式操作系统简介 操作系统是对系统资源进行管理的软件 主要管理功能 进程与处理机管理 作业管理 存储管理 设备管理 文件管理 嵌入式操作系统 EmbeddedOperatingSystem 是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 包括 与硬件相关的底层驱动软件 系统内核 设备驱动接口 通信协议 图形界面 标准化浏览器等 48 EOS主要特点 1 可装卸性 开放性 可伸缩性的体系结构 2 强实时性 EOS实时性一般较强 可用于各种控制系统中 3 统一的接口 提供各种设备驱动接口 4 操作方便 简单 提供友好的图形GUI 追求易学易用 5 提供强大的网络功能 支持TCP IP协议及其它协议 6 强稳定性 弱交互性 7 固化代码 8 更好的硬件适应性 也就是良好的移植性 49 1 3 2嵌入式操作系统的种类 非实时操作系统对事件响应时间没有严格要求的操作系统 主要应用在消费电子产品中 如MP3 PDA 手机 电子书等 Linux uClinux WinCE Android 实时操作系统当外界事件或数据产生时 能够快速予以处理 并在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出响应 实现所有实时任务协调一致运行的操作系统 面向控制 通信等领域的应用 如VxWorks QNX uC OS II等 50 1 3 1嵌入式操作系统简介 实时操作系统的特点 IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点 异步的事件响应 随机性 切换时间和中断延迟时间确定优先级中断和调度抢占式调度 高优先级任务可抢占CPU 内存锁定 将程序或部分程序锁定在内存 连续文件 把数据存储在连续的文件上 同步 协调执行 51 1 3 3实时操作系统相关概念 资源 系统运行时所时所占用的实体 既可以是硬件资源 也可以是程序和数据 共享资源 被一个以上任务使用的资源叫共享资源 为了防止数据被破坏 每个任务在访问共享资源时 必须独占资源 这叫做互斥 任务 一个任务也称作一个线程 是一个简单的程序 一般有5个状态 休眠态 就绪态 运行态 挂起态 被中断态 内核 在多任务系统中 内核负责管理各个任务 为每个任务分配CPU时间 并且负责任务之间的通信 内核提供的基本服务是任务切换 52 1 3 3实时操作系统相关概念 任务优先级 任务的优先级是表示任务被调度的优先程度 每个任务都具有优先级 任务越重要 赋予的优先级应越高 越容易被调度而进入运行态 调度 就是决定该轮到哪个任务运行了 是内核的主要职责之一 实时内核是基于优先级调度法的 每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级 CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行 不可剥夺型内核 每个任务自我放弃CPU的使用权 不允许剥夺某一任务正在使用CPU权利 可剥夺型内核 较高优先级的任务一旦就绪 就可剥夺较低优先级任务CPU的使用权 53 1 4嵌入式操作系统 中断是一种硬件机制 用于通知CPU有个异步事件发生了 中断一旦被识别 CPU保存部分 或全部 上下文即部分或全部寄存器的值 跳转到专门的子程序 称为中断服务子程序 ISR 中断服务子程序做事件处理 处理完成后 程序回到 1 在前后台系统中 程序回到后台程序 2 对非占先式内核而言 程序回到被中断了的任务 3 对占先式内核而言 让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行 中断 是特定的周期性中断 可看作是系统心脏的脉动 中断之间的时间间隔取决于不同应用 一般在10ms到200ms之间 系统时钟 54 1 3 4几种典型的EOS Linux 是一个完全符合GNU GPL 通用公共许可协议 公约的操作系统 完全开放代码 uClinux从Linux2 0 2 4内核派生而来 沿袭了主流Linux的绝大部分特性 是专门针对没有MMU的CPU设计 Linux的优点 稳定 良好的移植性 优秀的网络功能 完备的对各种文件系统的支持 以及标准丰富的API等 C OS II 是一个典型的实时操作系统 源代码公开 代码结构清晰明了 注释详细 组织有条理 可移植性好 可裁剪 可固化 内核属于抢占式 最多可以管理60个任务 系统绝大部分源码是用ANSIC写的 55 1 3 4几种典型的EOS WindowsCE 是微软公司的产品 采用模块化设计 基本内核需要200KB以上 是精简的Windows95 以使用Windows95 98上的编程工具 VxWorks 是WindRiver 风河 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件 提供了高效的实时任务调度 中断管理 实时的系统资源以及实时的任务间通信 现被Intel所收购 Android 是Google基于Linux平台开发的手机操作系统平台 由操作系统 中间件 用户界面和应用软件组成 PalmOS 是一种32位的嵌入式操作系统 由3Com公司开发 主要用于掌上电脑 QNX 是一款实时操作系统 由加拿大QNX公司开发 广泛应用于自动化 控制 机器人科学 电信 数据通信 航空航天 POS机 零售机等应用领域 56 嵌入式系统组成对比计算机组成 Embeddedsystem嵌入式系统Hardware硬件处理器 MCU MPU DSP SOC保存固件的ROM FLASH运行程序时保存数据的RAM外设 显示LCD 简易键盘 传感器 AD DA 扩展卡 Software固件 硬件和上层操作系统及程序的接口 BSP BoardSupportPacket亦为bootloader Operatesystem linux wince ucos symbian Vxworks 应用软件 tcp ip协议栈 Computersystem硬件Intel AMD硬盘内存显示器 键盘 声卡 显卡SoftwareBIOSWindows Lunix应用软件 如office 57 1 4嵌入式系统开发 嵌入式系统开发过程常用的设计流程模型开发环境及调试方法 58 1 4 1嵌入式系统开发过程 嵌入式系统的开发过程可以分为需求分析 体系结构设计 软件设计 硬件设计 系统集成和系统优化与测试6个阶段 1 需求分析需求 包括功能和非功能两部分 非功能信息包括性能 功耗 成本 系统尺寸和重量等 确认需求 建立一个模型 使用已存数据来模拟功能 确认需求的合理性 建立需求分析表格设计规格说明书 按照需求撰写 59 1 4 1嵌入式系统开发过程 2 体系结构设计是通过对规格说明中的内容作进一步的分解 从而建立硬件和软件架构 并确立各个模块 各个子系统之间的关系 定义各子系统和各功能模块之间的接口 规定设计约束 进而给出每个功能模块的功能描述 3 软 硬件构件设计按照体系结构设计要求 分别对硬件和软件进行设计 在建立的开发环境中 可能提供了大量的硬件构件和软件构件 如CPU 存储器 接口电路 操作系统 各种驱动程序 数据库等标准构件 但还需要设计专用的硬件构件和软件构件 同时可能要做大量定制编程 60 1 4 1嵌入式系统开发过程 4 系统集成软 硬件构件建立以后就要把它们集成在一起以得到一个可以运行的系统 在系统集成中通常可以发现一些构件设计时的错误 所以按阶段搭建系统并且在每个阶段结束后进行测试 就有助于定位这些错误 5 系统测试在系统集成基础上 进行各种组装测试和确认测试 通过与系统的需求相比较 发现与用户需求不符或矛盾的地方 进行修改 从而提出更加完善的方案 61 嵌入式系统工程设计 需求分析确认需求 分析投资收益比 研究可行性制定规范方案论证提出方案并反复论证执行项目 细化目标 制定计划 管理执行项目项目验收 移交成果并验收 62 需求分析 风险分析 分析潜在风险 预估难点需求风险 客户需求市场风险评估 开发团队实力等时间风险 对不可预期的因素对项目影响资金风险 投入力度 资金管理等项目管理风险 技术开发 行政管理 业务人员沟通制定系统规范 将客户模糊需求细化 量化 条目化系统功能 输入 输出功能定义 具体条目化 系统限制 对使用或开发上的限制 价格 环境等系统开发资源 经费 人力 团队 时间等 63 方案论证 系统规划规划分析 以往经验 现有技术 研发能力项目进程预估 各个时间检查点的设置 项目进程评估系统设计 系统架构和细化系统架构 功能图描述 模块划分方案选择 方案比较 论证系统设计 软硬件设计与划分 模块细化 软硬件接口及功能描述 64 执行项目 系统实现 针对有无OS分别对待硬件设计 模块分析 单板及系统原理图 PCB软件设计 系统软件 驱动软件 应用软件系统联调 软硬件联调系统测试 确定测试目标 标准 测试项目并完成功能测试 按模块逐一测试性能测试系统测试环境测试出厂测试系统调试 针对测试发现问题联调 65 1 4 2常用的设计流程模型 1 瀑布模型 按工序将问题化简 自上而下 相互衔接的固定次序 即开发进程从一个阶段 流动 到下一个阶段 如同瀑布流水 逐级下落 2 逐步求精模型 该模型可以表示为 第一次迭代 需求 设计 实现 测试 集成 反馈 第二次迭代 需求 设计 实现 测试 集成 反馈 3 螺旋模型 综合了瀑布模型和逐步求精模型的优点 其开发流程沿螺旋顺时针方向 依次经历需求 设计 测试三个阶段 螺旋模型需要建立系统的多个版本 经过不断的迭代 产生最终的版本 66 1 4 2常用的设计流程模型 4 喷泉模型 是近几年提出来的软件生产周期模型 有更多的增量和迭代性质 生存期的各个阶段可以相互重叠和多次反复 而且可以嵌入子生存期 就像水喷上去又可以落下来 可以落在中间 也可以落在底部 5 快速原型模型 等价于产品的一个子集 在很短的时间内满足用户最迫切的需要 完成一个可以演示的产品 在得到用户的需求之后 原型将被抛弃 6 智能模型 使用一组工具 如数据查询 数据处理 电子表格 代码生成 报表生成 屏幕定义以及高层图形功能等 使开发人员在该层次上定义软件的某些特性 并自动地生成为源代码 这种方法需要第四代语言 4GL 的支持 67 1 4 3开发环境及调试方法 1 开发的辅助工具 1 编译器 将一种语言程序翻译成另一种语言的计算机程序 目标代码 常见的编译器有VisualC BorlandC 以及Linux下的GCC等 2 链接器 对目标代码进行链接 3 定位器 嵌入式系统开发中 链接不是最终的动作 还需要一个重定位器 经过重定