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嵌入式技术 主讲人 夏婷 1 教学安排 时间 10 17周26学时讲授课 6学时实验课 32学时考试方式 待定成绩评定 平时成绩 出勤 课堂表现 作业 上机成绩 出勤 编程表现 实验报告 笔试成绩比例 15 15 70 相关课程 汇编语言 C语言 电子电工 2 教材 ARM9嵌入式系统设计 基于S3C2410与Linux 徐英慧 马忠梅等编 北京航空航天大学出版社 2007参考书 从实践中学ARM体系结构与接口技术 华清远见嵌入式学院刘洪涛 赵孝强编 电子工业出版社 2012 3 目录 第1章嵌入式系统基础第2章嵌入式系统开发过程第3章ARM体系结构第4章ARM系统硬件设计基础第5章基于S3C2410的系统硬件设计第6章Linux操作系统基础第7章嵌入式Linux软件设计第8章图形用户接口MiniGUI 4 如何学好嵌入式技术 打好基本功 第1章至第4章介绍基于嵌入式系统的基本硬件知识和编程知识 相对枯燥些 但这是学好嵌入式的基本功 而且同学们已有一定的基础 多实践 每节课都会讲一些例题 特别是第5章 每个功能单元理论讲解之后都安排一次上机 上机前一定要预习 上机练习时 把自己懂的和不懂的代码上机运行 然后根据运行结果去体会硬件的功能和程序的思路 不要轻易退缩 硬件知识稍微有一点抽象 另外 很多同学还不太习惯编程语言和思路 老师会多用实例 图片和录像来帮助同学们理解 不要一遇到困难就退缩 轻易地放弃一个领域 学习是一个不断积累 实践和掌握的过程 乐趣也正是存在于学习的过程中以及有所收获时的成就感 循迹小车 5 第1章嵌入式系统基础 6 嵌入式系统应用的项目实例 智能家居百度筷搜 7 射频开关 中心主机 警号 红外探头 监控探头 门口主机 电控锁 智能家居 8 智能家居 信息家电 9 智能家居主控制器屏幕显示 10 通过网页远程监控 11 GPRS短信报警 12 开发平台 教学平台 13 无线点菜机 14 15 第1章嵌入式系统基础 1 3 2 4 嵌入式系统概念 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 实时操作系统的内核 5 嵌入式技术发展现状及趋势 16 1 1 1嵌入式系统的定义 什么是嵌入式系统嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统 以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继IT网络技术之后 又一个新的技术发展方向 国内普遍认同的嵌入式系统定义为 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 17 嵌入性 专用性 与 计算机系统 是嵌入式系统的三个基本要素 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 18 1 1 2嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器 外围设备 嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成 嵌入式系统组成 嵌入式系统硬件组成 19 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件 嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 并具有高效率 高可靠性等特征 大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器 因而现今市面上有1000多种嵌入式处理器芯片 其中使用最为广泛的有ARM MIPS PowerPC MC68000等 20 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中 除了嵌入式处理器以外的完成存储 通信 调试 显示等辅助功能的其他部件 根据外围设备的功能可分为以下3类 存储器 静态易失型存储器 RAM SRAM 动态存储器 DRAM 和非易失型存储器 Flash 其中 Flash以可擦写次数多 存储速度快 容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用 接口 应用最为广泛的包括并口 RS 232串口 IrDA红外接口 SPI串行外围设备接口 I2C InterIC 总线接口 USB通用串行总线接口 Ethernet网口等 人机交互 LCD 键盘和触摸屏等人机交互设备 21 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是用来管理存储器分配 中断处理 任务间通信和定时器响应 以及提供多任务处理等的软件模块集合 嵌入式操作系统常常有实时要求 所以嵌入式操作系统往往又是 实时操作系统 22 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的 基于相应的嵌入式硬件平台 并能完成用户预期任务的计算机软件 嵌入式软件的特点如下 1 软件要求固态化存储 2 软件代码要求高质量 高可靠性 3 系统软件的高实时性是基本要求 4 多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需 23 1 1 3嵌入式系统的特点 软硬件一体化 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 需要操作系统支持 代码小 执行速度快 专用紧凑 用途固定 成本敏感 可靠性要求高 多样性 应用广泛 种类繁多 24 1 1 4嵌入式系统的应用 嵌入式应用 信息家电 智能玩具 军事电子 通信设备 移动存贮 工控设备 智能仪表 汽车电子 网络设备 消费电子 军事国防 电子商务 工业控制 如汽车报警器 车载导航仪等 如手机 电脑 电梯 PDA 洗衣机 电视机 电饭锅 微波炉 空调 电子磁卡等 25 1 1 5实时系统 实时系统 RealTimeSystem 是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统 从输入到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接受的时限内 概念 26 主要内容 1 3 2 4 嵌入式系统概念 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 实时操作系统的内核 5 嵌入式技术发展现状及趋势 27 1 2 1嵌入式处理器分类 按字长宽度 即处理器位数 可分为4位 8位 16位 32位和64位 按集成度 处理器内部仅包含单纯的中央处理器单元称为一般用途型微处理器 将CPU ROM RAM及I O等部件集成到同一个芯片上 称为单芯片微控制器 28 将各种型号的嵌入式处理器按处理器的位数和集成度划分如下 29 不同等级的嵌入式处理器应用 游历小车 人型全能 30 两种特别的嵌入式处理器 DSP处理器 DigitalSignalProcessor DSP 片上系统 SystemOnChip SOC 31 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 与计算机处理器不同的是 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 配上必要的扩展外围电路 如存储器的扩展电路 I O的扩展电路和一些专用的接口电路等 这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求 嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同 但一般在工作温度 抗电磁干扰 可靠性等方面都做了各种增强 与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 可靠性高等优点 目前主要的嵌入式处理器类型有ARM MIPS Am186 88 386EX PowerPC 68000系列等 32 微控制器 又称单片机 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Flash RAM 总线逻辑 定时器 计数器 WatchDog I O 串行口 脉宽调制输出 A D D A等各种必要的功能模块和外围部件 代表性的通用系列包括8051 P51XA MCS 251 MCS 96 196 296 C166 167 C68HC05 11 12 16 68300等 另外还有许多半通用系列如 支持USB接口的MCU8XC930 931 C540 C541 支持I2C CAN Bus LCD及众多专用MCU和兼容系列 目前MCU占嵌入式系统约70 的市场份额 33 DSP处理器 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处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列 ADI公司的ADSP21XX系列和Motorola公司的DSP56000系列 34 片上系统SoC SoC就是SystemonChip 它结合了许多功能区块 将功能做在一个芯片上 ARMRISC MIPSRISC DSP或是其他的微处理器核心 加上通信的接口单元 例如通用串行端口 USB TCP IP通信单元 GPRS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 35 二 典型的嵌入式处理器 1 ARM处理器2 MIPS处理器3 PowerPC处理器4 MC68K Coldfire处理器5 x86处理器 36 ARM处理器 ARM AdvancedRISCMachines 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处理器有3大特点 小体积 低功耗 低成本而高性能 16 32位双指令集 全球众多的合作伙伴 ARM处理器分ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11和SecurCore系列 37 MIPS处理器 MIPS MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages 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 MIPS的定位很广 在高端市场它有64位的20Kc系列 在低端市场有SmartMIPS 38 PowerPC体系结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 又有微控制器和内核 其应用范围非常广泛 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PowerPC405GP 它是一个集成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 PowerPC处理器 39 Apple机以前使用的就是Motorola68000 68K 比Intel公司的8088还要早 但现在 Apple Motorola公司已放弃68K而专注于ARM了 MC68K Coldfire处理器 40 x86系列处理器是最常用的 它起源于Intel架构的8080 发展到现在Pentium4 Athlon和AMD的64位处理器Hammer 486DX是当时和ARM 68K MIPS SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一 现有基于x86的STPC高度集成系统 x86处理器 41 主要内容 1 3 2 4 嵌入式系统概念 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 实时操作系统的内核 5 嵌入式技术发展现状及趋势 42 1 3 2实时操作系统 嵌入式系统用的都是实时操作系统 RTOS RTOS与通用计算机OS的区别 实时性 响应速度快 只有几微秒 执行时间确定 可预测 代码尺寸小 10 100KB 节省内存空间 降低成本 应用程序开发较难 需要专用开发工具 仿真器 编译器和调试器等 43 1 3 3常见的嵌入式操作系统 VxWorks C OS C OS WindowsCE 嵌入式Linux PalmOS QNX DeltaOS HopenOS pSOS 44 优点 价格低廉 其操作系统的源代码是开放的 可根据需要进行定制 系统内核小 可裁剪到几百K字节或几兆字节 因而对硬件的要求相对要低 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 嵌入式Linux中比较常用的是 UCLINUX和ARM LINUX 1 常见的嵌入式操作系统 linux 45 嵌入式Linux Linux是开放源码和免费使用的 遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾 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的内核小 功能强大 API丰富 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 近几年Linux在嵌入式领域异军突起 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 46 Clinux 47 Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统 中国地区较多人称之为 安卓 主要使用于便携设备 如手机 平板电脑等 号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件 2012年2月数据 Android占据全球智能手机操作系统市场52 5 的份额 中国市场占有率为68 4 2 常见的嵌入式操作系统 Android 48 3 常见的嵌入式操作系统 WindowsCE是微软开发的一个开放的 可升级的32位嵌入式操作系统 是针对掌上电子设备 它是精简的Windows95 优点 WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面 并且在WinCE平台上可以使用Windows95 98上的编程工具 如VisualBasic VisualC 等 使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用 WinCE 49 WindowsCE WindowsCE 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 缩减的Win95 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 属于软实时操作系统 由于其Windows背景 界面比较统一认可 可以使用大多数Windows开发工具 如VB VC等 大多数Windows应用程序经过移植后就可以运行在WinCE平台上 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM 50 4 常见的嵌入式操作系统 VxWorks VxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 RTOS 在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地 优点 良好的可靠性 卓越的实时性 可裁减性 支持多种处理器 应用 被广泛地应用在通信 军事 航海 航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中 如卫星通讯 军事演习 弹道制导 飞机导航等 甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks 51 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 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信 军事 航空航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中 如火星探测器 1997年7月4日登陆火星表面 52 5 常见的嵌入式操作系统 C OS II MicroControllerOS 优点 C OS II是一个源码公开 可移植 可裁减 占用资源少 抢先式的实时多任务操作系统 应用 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 2000年 得到美国航空管理局 FAA 的认证 可以用于飞行器中 53 C OS和 C OS C OS MicroControllerOS C OS简介美国人JeanLabrosse1992年完成 已应用于数百种产品中 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 722000年 得到美国航空管理局 FAA 的认证 可以用于飞行器中是一个源码公开 可移植 可裁减 占用资源少 抢先式的实时多任务操作系统 其绝大部分源码采用ANSIC写的 移植性好 高校教学可免费使用 54 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 PalmOS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统 充分考虑到了掌上电脑内存相对较小的情况 所以Palm操作系统本身所占的内存很小 基于Palm操作系统编写的应用程序所占的空间也很小 通常只有几十KB 因此基于Palm操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序 PalmOS在PDA市场上占有很大的市场份额 目前主要与WINCE进行激烈竞争 代表性的产品有Palmm505 Palmm500 PalmIII等 55 QNX 加拿大QNX公司的产品 其内核仅提供4种服务 进程调度 进程间通信 底层网络通信和中断处理 其进程在独立的地址空间中运行 QNX内核非常小巧 QNX4 x大约为12KB 而且运行速度极快 QNX是一个实时的 可扩充的操作系统 它部分遵循POSIX相关标准 由于QNX具有强大的图形界面功能 因此很适合作为机顶盒 手持设备 手掌电脑 手机 GPS设备的实时操作系统使用 56 DeltaOS DeltaOS是电子科技大学嵌入式实时教研室和科银公司联合研制开发的全中文的嵌入式操作系统 提供强实时和嵌入式多任务的内核 任务响应时间快速 确定 不随任务负载大小改变 绝大部分的代码由C语言编写 具有很好的移植性 适用于内存要求较大 可靠性要求较高的嵌入式系统 主要包括嵌入式实时内核DeltaCORE 嵌入式TCP IP组件DeltaNET 嵌入式文件系统DeltaFILE以及嵌入式图形用户界面DeltaGUI等 提供一整套的嵌入式开发套件LamdaTOOL和一整套嵌入式开发应用解决方案 已成功应用于通信 网络 信息家电等多个应用领域 57 HopenOS HopenOS是凯思集团自主研制开发的实时操作系统 由一个体积很小的内核