嵌入式系统开发基础PPT.ppt

29 03 2020 1 嵌入式系统原理 柏桂枝 办公地点 计算机楼405 办公电话 85895394手机mail baigz 课程安排 本科生专业必修课学分 4总课时 64学时授课 24次 48学时实验 8次 16学时授课地点 III楼112414207201教室授课时间 周一1 2节5 6节周三1 2节周四1 2节 前导课程知识 基础课程计算机组成原理 微机原理与接口软件专业课程操作系统汇编语言 ANSIC 标准C 硬件专业课程电子线路 数字电路 本课程教学特点 本课程属于计算机技术专业课程注重实验环节计算机硬件软件知识结合偏重软件 偏重应用 紧密结合应用软件开发实际 课堂学习和上机实验相结合 嵌入式系统开发与应用 田泽编著北京航空航天大学出版社ISBN978 7 81124 947 62010年7月第2版 授课主教材介绍 第1章嵌入式系统开发基础 1 1嵌入式系统基本概念1 2嵌入式系统的组成结构1 3嵌入式系统的硬件组成1 4嵌入式操作系统1 5嵌入式应用软件开发1 6嵌入式系统开发流程1 7嵌入式系统的发展趋势 1 1嵌入式系统基本概念 1 1 1嵌入式计算机1 1 2嵌入式系统的概念1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统的分类1 1 5嵌入式系统的应用范围 1 1 1嵌入式计算机 1 嵌入式计算机的发展历史2 嵌入式计算机的基本概念3 嵌入式计算机的基本特征和应用范围 1 嵌入式计算机的发展历史 差分机模型 布尔代数 信息论与开关理论 图灵状态机算法 数据与指令分开的 哈弗结构 ENIAC计算机 1946 第一代 电子管 1946 1956 第二代 分立晶体管 1959 1964 第三代 小 中规模集成电路 1964 1975 第四代 大规模 超大规模集成电路 1975 1990 第五代到第六代 4位 8位 16位 32位 64位Intel公司的8080 8088 8086 80286 80386 80486 80586 80686Motorola68000 ZilogZ80MCS 8051 8031 1 嵌入式计算机的发展历史 在电子计算机发展的初期 计算机一直是 供养 在特殊的机房中的大型 昂贵的专用设备 主要是实现一些特殊的数值计算 同时微处理器表现出的智能化水平引起了设备制造 机电控制等专业人士的兴趣 要求将微型机嵌入到一个控制对象的体系中 实现对象体系的智能化控制 经过发展 到80年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大的家族 以Intel公司x86为主流的应用于个人计算机PC的微处理器格局已形成 为了区别于原有使用在PC的通用计算机 把嵌入到对象体系中 实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机 称作嵌入式计算机 1 嵌入式计算机的发展历史 嵌入式计算机是诞生于微处理器发展时代 早期嵌入式计算机是将一个计算机嵌入到一个具体应用的控制对象的体系中去 这些是嵌入式系统发展的起点 这也标志着计算机进入了通用计算机与嵌入式计算机两大分支 并行发展时代 从而导致20世纪末 计算机应用的高速发展并由此引发了计算机分类方式的变化 1 嵌入式计算机的发展历史 1 1 1嵌入式计算机 1 嵌入式计算机的发展历史2 嵌入式计算机的基本概念3 嵌入式计算机的基本特征和应用范围 传统的计算机分类是按照计算机的处理字长 体系结构 运算速度 结构规模 适用领域进行的 如大型计算机 曙光计算机中型计算机 DJ 130小型计算机 vx 11工作站微型计算机 PC机 2 嵌入式计算机的基本概念 嵌入式计算机 则是非通用计算机形态的计算机应用 它是以作为嵌入式系统的核心部件的形式隐藏在各种装置 设备 产品和系统中 因此嵌入式计算机是计算机技术发展中的一种计算机存在的形式 是从计算机技术的发展中分离出来的 而且许多嵌入式计算机就是从早期台式PC机应用中淘汰下来后 应用在智能产品的开发中 2 嵌入式计算机的基本概念 1 1 1嵌入式计算机 1 嵌入式计算机的发展历史2 嵌入式计算机的基本概念3 嵌入式计算机的基本特征和应用范围 嵌入式计算机是 专用计算机 与具体的应用广泛结合的产物 是构成未来数字化世界的基本元素 嵌入式计算机在应用数量上已远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外设中就包含了多个嵌入式微处理器 键盘 鼠标 软驱 硬盘 显示卡 显示器 Modem 网卡 声卡 打印机 扫描仪 数码相机 USB集线器等都是由嵌入式处理器控制的 在制造工业 过程控制 通讯 仪器 仪表 汽车 船舶 航空 航天 军事装备 消费类产品等方面均是嵌入式计算机广泛应用的领域 3 嵌入式计算机 基本特征和应用范围 MOTOC350彩屏WAP移动电话 彪骐数字机顶盒 BlackBerry7230移动电话 DL7100 DL7200数字式示波器 嵌入式GIS 畅视2000可视电话 PalmZire71型个人数字助理 1 1嵌入式系统基本概念 1 1 1嵌入式计算机1 1 2嵌入式系统的概念1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统的分类1 1 5嵌入式系统的应用范围 手机的内部结构 1 手机的内部结构 2 手机的内部结构 3 手机的内部结构 4 诺基亚N95手机内部结构 嵌入式系统高端应用的产品 美国AGM 86B战略空射巡航导弹 美国火星登陆车 国产战斗机F 7MG 机器人 国产88式坦克 2002年型林肯黑木 Blackwood 汽车 1 1 2嵌入式系统的概念 嵌入式系统是嵌入到对象体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 1 1 2嵌入式系统的概念 IEEE的定义 IEEE对嵌入式系统的定义为 嵌入式系统是 用于控制 监视或者辅助操作机器和设备的装置 devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 这主要是从应用对象上加以定义 涵盖了软 硬件及辅助机械设备 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 相比较而言国内的定义更全面一些 体现了嵌入式系统 嵌入 专用性 计算机 的基本要素和特征 1 1 2嵌入式系统的概念 国内定义 1 1嵌入式系统基本概念 1 1 1嵌入式计算机1 1 2嵌入式系统的概念1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统的分类1 1 5嵌入式系统的应用范围 1 1 3嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下 针对特定用途来设计的系统 所以不同于通用计算机系统 同样是计算机系统 嵌入式系统是针对具体应用设计的 专用系统 它的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在较少的资源上实现更高的性能 它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点 1 1 3嵌入式系统的特点 嵌入式系统微处理器大多非常适合于工作在为特定用户群所设计的系统中 称为 专用微处理器 它专用于某个特定的任务 或者是很少几个任务 具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型和整个系统的设计 如果要更改其任务 就可能要废弃整个系统并重新进行设计 1 是 专用 的计算机系统 1 1 3嵌入式系统的特点 嵌入式系统无所不在 但运行环境也差异很大 可运行在飞机上 冰天雪地的两极中 骄阳似火下的汽车里 要求温湿度恒定的科学实验室等 特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下 要求系统仍然能够正常工作 这些情况对设计人员来说意味着要同时考虑到硬件与软件 严酷的环境 一般意味着更高的温度与湿度 军用设备标准对嵌入式元器件的要求非常严格并且在价格上和商用 民用差别很大 比如英特尔公司的8086 当它用在火箭上时 单价竟高达几百美元 2 嵌入式系统运行环境差异很大 通用PC系统有数不胜数的系统资源 完成各种工作 在PC机上编写程序的同时播放MP3 CD 下载资料等等 因为个人PC拥有512MB内存 80GB硬盘空间并且在SCSI卡上连接着软驱和CD ROM驱动器 而控制GPS接收机的嵌入式系统 由于是专门用来执行很少的几个确定任务 它所能管理的资源比通用PC系统少得多 当然这主要是因为在设计时考虑到经济性 不能使用通用CPU 这就意味着所选用的CPU只能管理很少的资源 它的成本更低 结构更简单 1 1 3嵌入式系统的特点 3 嵌入式系统比通用PC系统资源少得多 通用PC有足够大的内部空间提供良好的通风能力 但是系统中的奔腾或AMD处理器均配备庞大的散热片和冷却风扇进行系统散热 而许多嵌入式系统就没有如此充足的电能供应 尤其是便携式嵌入式设备 即便是有足够的电源供应 散热设备的增加也往往是不方便的 因此嵌入式系统设计时应尽可能的降低功耗 软件必须围绕这种特性进行设计 因此一般的外部事件通过中断 驱动 唤醒 系统工作 1 1 3嵌入式系统的特点 4 低功耗 体积小 集成度高 成本低 5 具有系统测试和可靠性评估体系 1 1 3嵌入式系统的特点 嵌入式应用的复杂性 繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的 怎样才能科学 完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢 首先 需要有科学的测试方法 建立科学的系统测试和可靠性评估体系 尽可能避免因为系统的不可靠造成巨大损失 其次 引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系 在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制 比如看门狗定时器 它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行 总之 嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一门学科 1 1 3嵌入式系统的特点 6 具有较长的生命周期 嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的产物 它的升级换代也是和具体产品同步进行的 因此 一旦定性进入市场 一般具有较长的生命周期 1 1 3嵌入式系统的特点 7 固化在非易失性存储器中 嵌入式系统开机后 必须有代码对系统进行初始化 以便其余的代码能够正常运行 这就是建立运行时的环境 为了系统的初始化 几乎所有的系统都要在非易失性存储器 现在普遍使用Flash 中存放部分代码 启动代码 为了提高执行速度和系统可靠性 大多数嵌入式系统也常常把所有的代码 也常常使用所有代码的压缩代码 固化 存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中 不使用外部的磁盘等存储介质 嵌入式系统往往对时间的要求非常严格 嵌入式操作系统一般是RTOS 嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级 嵌入式任务是时间关键性约束 它必须在某个时间范围内完成 否则由其控制的功能就会失效 比如控制飞行器稳定飞行的控制系统如果因反馈速度不够 其控制算法就可能会失效 飞行器在空中飞行会出问题 8 使用实时操作系统 RTOS 1 1 3嵌入式系统的特点 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行 为了合理地调度多任务 利用系统资源 系统函数以及和专家库函数接口 用户必须自行选配RTOS Real TimeOperatingSystem 开发平台 这样才能保证程序执行的实时性 可靠性 并减少开发时间 保障软件质量 嵌入式软件开发走向标准化 1 1 3嵌入式系统的特点 从调试的观点看 代码在ROM中意味着调试器不能在ROM中设置断点 要设置断点 调试器必须能够用特殊指令取代用户指令 嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系统开发过程的专用工具套件 1 1 3嵌入式系统的特点 9 需要专用开发工具和方法进行设计 目前常用的嵌入式微处理器较过去相比 最大区别是芯片上都包含有专用调试电路 如ARM的EmbeddedICE 这一点似乎与反复强调的嵌入式系统经济性相矛盾 事实上大多数厂商发现为所有芯片加入调试电路更经济 嵌入式处理器发展到现在 厂商都认识到了具有片上调试电路是嵌入式应用产品广泛应用的必要条件之一 也就是说 他们的芯片必须能提供很好的嵌入式测试方案 解决嵌入式系统设计及调试问题 这样才会使面临上市压力的应用开发者在考虑其嵌入式系统芯片时 采纳这些厂商的芯片 1 1 3嵌入式系统的特点 10 嵌入式微处理器通常包含专用调试电路 嵌入式系统是技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 将先进的计算机技术 半导体工艺技术 电子技术和通信网络技术与各个领域的具体应用相结合的产物 1 1 3嵌入式系统的特点 11 是知识集成系统 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 1 1 3嵌入式系统的特点 嵌入式系统与PC的区别 1 1嵌入式系统基本概念 1 1 1嵌入式计算机1 1 2嵌入式系统的概念1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统的分类1 1 5嵌入式系统的应用范围 1 按表现形式分 硬件范畴 芯片级嵌入 含程序或算法的处理器 模块级嵌入 系统中的某个核心模块 系统级嵌入 1 1 4嵌入式系统的分类 2 按实时性要求分 软件范畴 非实时系统 PDA 软实时系统 消费类产品 硬实时系统 工业和军工系统 1 1 4嵌入式系统的分类 1 1嵌入式系统基本概念 1 1 1嵌入式计算机1 1 2嵌入式系统的概念1 1 3嵌入式系统的特点1 1 4嵌入式系统的分类1 1 5嵌入式系统的应用范围 嵌入式技术无处不在崭新的数字世界多彩的嵌入式应用 1 1 5嵌入式系统的应用范围 文字处理 日常管理和生产控制的计算机各种使用嵌入式技术的品种繁多的电子产品 如 MP3 PDA 手机 智能玩具 网络家电 智能家电 车载电子设备等在工业和服务领域中 大量嵌入式技术也已经应用于工业控制 数控机床 智能工具 工业机器人 服务机器人等各个行业 正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式 1 1 5嵌入式系统的应用范围 国际芯片市场来看 据统计每年只有10 20 的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的 嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10 20亿片 每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生 而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统 嵌入式控制和计算机的芯片使用量比较 个 Source SemicoResearchCorp2002 嵌入式产品拥有璀璨的明天 LotsofEmbeddedCoreShipments 32bitandabove 2003TotalEmbeddedCore 1 48billionunits Source SemicoResearchCorp Q12004 782 8M 126 2M 119M 88 3M IncludesallSoCfor32 bit 64 bitandgreaterRISCandCISCarchitectures 46 9M 314M 2004ARMEstimated 1 3billion 嵌入式系统的应用领域 消费类电子 智能玩具 手持通讯的核心 嵌入式系统的应用领域 智能玩具与机器人 嵌入式系统的应用领域 汽车电子 嵌入式系统的应用领域 军事国防领域 嵌入式系统的应用领域 航天领域 嵌入式系统的应用领域 第1章嵌入式系统开发基础 1 1嵌入式系统基本概念1 2嵌入式系统的组成结构1 3嵌入式系统的硬件组成1 4嵌入式操作系统1 5嵌入式应用软件开发1 6嵌入式系统开发流程1 7嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础 它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制核心 控制整个系统运行 提供人机交互的信息等 由于嵌入式系统和实际应用对象密切相关 而实际应用非常繁杂 应用也日新月异 很难用一种构架或模型加以描述 后面的二到四围绕嵌入式系统的这三大组成部分 加以详细讲述 一是对于嵌入式系统的组成进行讲述 1 2嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统是 专用计算机应用系统 它具有一般计算机组成的共性 也是由硬件和软件组成 图1 1完整的描述了嵌入式系统的软 硬件各部分的组成结构 1 2嵌入式系统的组成结构 应用程序 实时操作系统 RTOS 输入输出接口 处理器 ARM核MMU Cache SOC SOPC USB GPIO IIS LCD UART和IrDA ADC DAC FPGA CPLD DSP 浮点运算协处理器 DMA 电源管理 图1 1典型的嵌入式系统组成 人机交互接口LCD 触摸屏 键盘 鼠标 设备驱动程序 HAL BSP 文件系统 图形用户应用程序接口 驱动层 OS层 应用层 软件 硬件 以太网 看门狗及复位电路 Timer RTC CAN Flash EEPROM SDRAM SRAM 内存 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍1 2 2嵌入式系统软件的层次结构1 2 3启动程序BootLoader介绍 1 2嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的硬件架构如图1 1下半部分所示 是以嵌入式处理器为中心 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 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍 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 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍 可编程片上系统SOPC SystemOnProgrammableChip 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 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍1 2 2嵌入式系统软件的层次结构1 2 3启动程序BootLoader介绍 1 2嵌入式系统的组成结构 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 依据系统所提供的程序界面来编写应用程序 可以大大的减少应用程序员的负担 1 2 2嵌入式系统软件的层次结构 初始化 主控程序 相关子程序 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 有些资料将应用程序接口API归属于OS层 如图1 1的上半部分所示的嵌入式系统的软件结构 是按三层划分的 由于硬件电路的可裁减性和嵌入式系统本身的特点 其软件部分也是可裁减的 1 2 2嵌入式系统软件的层次结构 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 主要讲述的具有操作系统的嵌入式软件层次 1 2 2嵌入式系统软件的层次结构 具有操作系统的嵌入式软件层次 1 2 2嵌入式系统软件的层次结构 硬件 驱动程序 操作系统内核 应用编程接口 API 应用程序 1 2 1嵌入式系统硬件基本结构介绍1 2 2嵌入式系统软件的层次结构1 2 3启动程序BootLoader介绍 1 2嵌入式系统的组成结构 对于PC机 其开机后的初始化处理器配置 硬件初始化等操作是由BIOS BasicInput OutputSystem 完成的 但对于嵌入式系统来说 出于经济性 价格方面考虑一般不配置BIOS 因此我们必须自行编写完成这些工作的程序 这就是所需要的开机程序 在嵌入式中称为BootLoader程序 系统加电复位后 几乎所有的CPU都从由复位地址上取指令 比如 基于ARM7TDMI核的CPU在复位时通常都从地址0 x00000000取它的第一条指令 而以处理器为核心的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备 比如EEPROM FLASH等 被映射到这个预先设置好的地址上 1 2 3启动程序BootLoader介绍 因此在系统加电复位后 处理器将首先执行BootLoader程序 BootLoader是系统加电后 操作系统内核或用户应用程序运行之前 首先必须运行的一段程序代码 通过这段程序 可以初始化硬件设备 建立内存空间的映射图 有的CPU没有内存映射功能如S3C44B0 从而将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态 以便为最终调用操作系统内核 运行用户应用程序准备好正确的环境 1 2 3启动程序BootLoader介绍 对于嵌入式系统来说 有的使用操作系统 也有的不使用操作系统 比如功能简单仅包括应用程序的系统 但在系统启动时都必须运行BootLoader 为系统运行准备好软硬件环境 系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后 对于有操作系统的情况下 启动操作系统 启动内存管理 任务调度 加载驱动程序等 最后执行应用程序或等待用户命令 对于没有操作系统的系统直接执行应用程序或等待用户命令 1 2 3启动程序BootLoader介绍 BootLoader依赖于硬件和应用环境 因此为嵌入式系统建立一个通用 标准的BootLoader是有困难的 系统的启动通常有两种方式 直接从Flash启动将压缩的内存映像文件从Flash 为节省Flash资源 提高速度 中复制 解压到RAM 再从RAM启动 1 2 3启动程序BootLoader介绍 当电源打开时 一般的系统会去执行ROM 应用较多的是Flash 里面的启动代码 这些代码是用汇编语言编写的 其主要作用在于初始化CPU和板上的必备硬件如内存 中断控制器等 有时候用户必须根据自己板子的硬件资源情况做适当的调整与修改 1 2 3启动程序BootLoader介绍 第1章嵌入式系统开发基础 1 1嵌入式系统基本概念1 2嵌入式系统的组成结构1 3嵌入式系统的硬件组成1 4嵌入式操作系统1 5嵌入式软件开发1 6嵌入式系统开发流程1 7嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心 配置必要的外围接口部件 在嵌入式系统设计中 尽可能的选择能满足系统功能接口的SoC SOPC芯片 以最少的外围部件构成一个应用系统 满足嵌入式系统的特殊需求 ARM处理器IP核使用量已经稳居32位 64位嵌入式处理器首位 是目前32位 64位SoC SOPC的核心 因此本节首先介绍嵌入式处理器 嵌入式SoC系统芯片SOPC 其中对ARM处理器核详细介绍 这些是嵌入式硬件系统的核心技术 并在此基础上讲述嵌入式外围接口电路和接口设备 1 3嵌入式系统的硬件组成 1 3 1嵌入式处理器1 3 2典型嵌入式处理器介绍1 3 3嵌入式SoC1 3 4可编程片上系统 SOPC1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 1 3嵌入式系统的硬件组成 嵌入式处理器可以分为三类 嵌入式微处理器 Microprocessor 嵌入式微控制器MCU MicrocontrollerUnit 嵌入式DSP DigitalSignalProcessor 1 3 1嵌入式处理器 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 Motorola68000 ARM MIPS系列等等 1 3 1嵌入式处理器 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 1 3 1嵌入式处理器 嵌入式DSP嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算 提高了编译效率和执行速度 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应用正在从通用微处理器中以普通指令实现DSP功能 过渡到采用嵌入式DSP处理器实现DSP功能 1 3 1嵌入式处理器 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 1 3 1嵌入式处理器 1 3 1嵌入式处理器1 3 2典型嵌入式处理器介绍1 3 3嵌入式SoC1 3 4可编程片上系统 SOPC1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 1 3嵌入式系统的硬件组成 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域 嵌入式处理器得到前所未有的飞速发展 目前据不完全统计 全世界嵌入式处理器品种总量已经超过1500多种 流行体系结构有50几个系列 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 在应用中 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 目前比较有影响的嵌入式RISC处理器产品主要有IBM公司的PowerPC MIPS公司的MIPS Sun公司的Sparc和ARM公司的ARM系列 下面将分别介绍 1 3 2典型嵌入式处理器介绍 1 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 无内部互锁流水级的微处理器 Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages 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 把重点放在嵌入式系统 1 3 2典型嵌入式处理器介绍 2 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PowerPC750 它于1997年研制成功 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PowerPC405 主频最高为266MHz 和PowerPC440 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 1 3 2典型嵌入式处理器介绍 3 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UltraSparc 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 1 3 2典型嵌入式处理器介绍 ARM公司介绍ARM系列内核介绍ARM内核结构简介ARM芯片选型 1 3 2典型嵌入式处理器介绍 4 ARM处理器 ARM公司介绍 20世纪90年代初 半导体行业产业链形成设计业 制造业 封装测试业三业分离的产业分工 台积电 联电等半导体代工厂崛起 一些fabless chipless公司如雨后春笋般涌现出来 ARM公司介绍 而英国先进RISC机器公司 AdvancedRISCMachines 简称ARM公司 作为fabless chipless这一生产模式最为成功的典范 既不生产芯片 也不销售芯片 而是设计出高效的IP内核 授权给各半导体公司使用 半导体公司在ARM技术的基础上 根据自己公司的产品定位 添加自己的设计并推出芯片产品 最后由OEM客户采用这些芯片来构建基于ARM技术的最终应用系统产品 ARM公司介绍 ARM处理器是精简指令集计算机 RISC RISC的概念源于斯坦福大学和伯克利大学在1980年前后进行的处理器研究计划 最初ARM是1983到1985年间在英国剑桥的AcornComputer公司开发的 它是第一个为商业用途开发的RISC微处理器 同后来的RISC体系结构有明显的不同 1990年 ARM特别为扩大开发ARM技术而成立了独立的公司 从那以后 ARM已被授权给世界各地的许多半导体制造厂 它已经成为低功耗和追求成本的嵌入式应用的市场领导者 ARM 致力于设计数字世界的应用技术 ARM6 core StrongARM processor Thumb technology ARMHoldingsplclistedonLSEandNasdaq Highestvolume16 32 bitembeddedRISCprocessorsolution SecurCore family ARM7 family ARM9E family ARM10 family ARM11 family Jazelle technology TrustZone technology Thumb 2technology 1990199619981999200020032004 OptimoDE dataengines MPCore ARM Partner OEMCustomer ARM的业务模型 ARM的全球合作伙伴 半导体和系统伙伴操作系统伙伴开发工具伙伴应用伙伴ARM技术共享计划 ATAP ARM的策略 ARM公司介绍 ARM的全球合作伙伴 半导体和系统伙伴操作系统伙伴开发工具伙伴应用伙伴ARM技术共享计划 ATAP ARM 2002年的市场份额 ARM系列内核介绍 ARM体系结构和VLSI实现技术特点把简单的硬件和指令集结合起来 这是RISC思想的基础 但仍然保留一些CISC的特征 并且因此达到了比纯粹RISC更高的代码密度 使得ARM获得其功耗效率和较小的核面积 VLSI实现技术 ARM系列内核介绍 ARM处理器核当前有6个系列产品 ARM7ARM9ARM9EARM10E SecurCoreARM11Intel公司推出的 StrongARMXScale ARM7性能特征 基于ARM的Intel微处理器 基于ARM的Intel微处理器 1 3 1嵌入式处理器1 3 2典型嵌入式处理器介绍1 3 3嵌入式SoC1 3 4可编程片上系统 SOPC1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 1 3嵌入式系统的硬件组成 20世纪90年代后 嵌入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 目前嵌入式系统已进入单片系统SoC的设计阶段 并开始逐步进入实用化 规范化阶段 集成电路已进入SoC的设计流程 系统芯片出现的原因是由于信息市场快速的变化和竞争的日益加剧 使得新产品在市场上的生命大为缩短 平均从36月到缩短为15 9月 而具有原始创新思想的产品的设计周期也大大缩短 这样Time to Market给SoC供了良好的发展空间 1 3 3嵌入式SOC 随着高性能系统对系统复杂度 处理速度 功耗 功能多样化的需求 在信息处理与通信系统如网络 多媒体 移动通信中迫切需要开发高性能的SoC芯片 传统的通过多种芯片集成于系统的方法已很难满足实际发展中对高性能的需求 因此市场的需求对传统的IC设计和系统设计提出了新的挑战 使得整机和IC设计在一个产品的设计初期就必须紧密结合在一体 1 3 3嵌入式SOC 传统的通过多种芯片集成于系统的方法已很难满足实际发展中对高性能的需求 因此市场的需求对传统的IC设计和系统设计提出了新的挑战 使得整机和IC设计在一个产品的设计初期就必须紧密结合在一体 另外 成本价格 可靠性等对集成电路设计者也同样提出新的挑战 因此不断发展和竞争日益激烈的信息市场在不断的推动着SoC技术的迅速发展 1 3 3嵌入式SOC 随着集成电路技术自身的不断发展 器件的特征尺寸不断缩小 集成度的不断提高 多种工艺及工艺集成技术的发展 设计方法的提高和EDA工具发展 为将一个应用系统融合为SoC从技术上提供了可能 进入二十一世纪后 集成电路设计进入了高度集成的SoC时代 采用SoC设计技术 可以大幅度地提高系统的可靠性 减少系统的面积和功耗 降低系统成本 极大地提高系统的性能价格比 1 3 3嵌入式SOC 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 因此从以功能设计为基础的传统IC设计流程必须转变到以功能整合为基础的SoC设计全新流程 而面向嵌入式系统的SoC设计将是未来推动集成电路设计业发展至关重要的问题这种设计方法不是把系统所需要用到的所有集成电路简单地二次集成到1个芯片上 如果这样的实现单片系统 是不可能达到单片系统所要求的高密度 高速度 高性能 小体积 低电压 低功耗等指标的 特别是低功耗要求 1 3 3嵌入式SOC IP内核模块是单片系统设计的基础 究竟购买哪一级IP内核模块 要根据现有基础 时间 资金和其他条件权衡确定 购买硬IP内核模块风险最小 但付出最大 这是必然的 但总的来说 通过购买IP内核模块不仅可以降低开发风险 还能节省开发费用 因为一般购买IP内核模块的费用要低于自己单独设计和验证的费用 1 3 3嵌入式SOC 当然 并不是所需要的IP内核模块都可以从市场上买得到 为了垄断市场 有一些公司开发出来的关键IP内核模块 至少暂时 是不愿意授权转让使用的 像这样的IP内核模块就不得不自己组织力量来开发 而ARM公司以IP提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权 自己却不介入芯片的生产和销售 ARM芯核的卓越特性 使其成为32位嵌入式应用开发工程师的首选 基于ARM处理器核的SoC芯片的应用开发得到广泛的应用 1 3 3嵌入式SOC 1 3 1嵌入式处理器1 3 2典型嵌入式处理器介绍1 3 3嵌入式SoC1 3 4可编程片上系统 SOPC1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 1 3嵌入式系统的硬件组成 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 SOPC是一种特殊的嵌入式系统 首先它是SoC 即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能 具有一般SoC的基本属性 其次 它又具备软硬件在系统可编程的功能 是可编程系统 具有可裁减 可扩充 可升级等灵活的设计方式 SOPC技术是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现 SOPC结合了SoC和PLD FPGA各自的优点 1 3 4可编程片上系统 SOPC SOPC基本特征 实现复杂系统功能的VLSI 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 1 3 4可编程片上系统 SOPC 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成本大大下降 FPGA密度提高 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FPG基于IPCore的开发模式深入人心 1 3 4可编程片上系统 SOPC 1 3 1嵌入式处理器1 3 2典型嵌入式处理器介绍1 3 3嵌入式SoC1 3 4可编程片上系统 SOPC1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 1 3嵌入式系统的硬件组成 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 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 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 MASKROM EPROM EEPROM FLASH 硬盘 软盘 CD ROM等 FLASH 闪存 以可擦写次数多 存储速度快 容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 嵌入式系统的存储器按存储器所处的位置分为内部存储器和外部存储器 内部存储器位于嵌入式处理器所在的同一个芯片中 位于嵌入式处理器内部 这样处理器就不需要多余的访问电路就可快速地访问内部存储器 外部存储器与嵌入式处理器分别处于不同的芯片中 位于嵌入式处理器外部 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 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 InfraRedDataAssociation 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 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 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 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 设备扩展接口简单的嵌入式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 MemoryStick等 目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 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 在便携式嵌入式系统的应用中 必须特别关注电源装置等辅助设备 1 3 5嵌入式外围接口电路和设备接口 第1章嵌入式系统开发基础 1 1嵌入式系统基本概念1 2嵌入式系统的组成结构1 3嵌入式系统的硬件组成1 4嵌入式操作系统1 5嵌入式应用软件开发1 6嵌入式系统开发流程1 7嵌入式系统的发展趋势 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台 它是一段嵌入在目标代码中的软件 用户的其它应用程序都建立在操作系统之上 嵌入式操作系统大部分是实时操作系统RTOS RTOS是一个可靠性和可信度很高的实时内核 将CPU时间 中断 I O 定时器等资源都包装起来 留给用户一个标准的API 并根据各个任务的优先级 合理地在不同任务之间分配CPU时间 RTOS是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核 优秀商品化的RTOS可以面对几十个系列的嵌入式MPU MCU DSP SoC等提供类同的API接口 这是RTOS基于设备独立的应用程序开发的基础 因此基于RTOS上的C语言程序具有极大的可移植性 RTOS的商品化 实现了操作系统软件和用户应用软件的分离 为工程技术人员开发嵌入式系统应用软件带来了极大便利 大大缩短了嵌入式系统软件的开发周期 嵌入式操作系统知识体系相对复杂 在此仅对嵌入式操作系统基本知识进行介绍 1 嵌入式操作系统 1 4 1嵌入式操作系统介绍1 4 2嵌入式实时操作系统1 4 3典型嵌入式操作系统介绍 1 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 OperatingSystem 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 操作系统可以解释或理解为补平硬件差异的界面或是说隐藏硬件 让应用程序可以在上面运行 通过由操作系统统一所提供出来的系统界面来写应用程序 无须考虑到不同硬件所造成的差异 让程序设计人员能够专注于所擅长领域的开发 1 4 1嵌入式操作系统介绍 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 1 4 1嵌入式操作系统介绍 嵌入式系统一般具有实时特点 所谓实时系统 是指一个优先等级高的任务能够获得立即的 没有延迟的服务 它不需要等候任何其它任务 而且在得到CPU的使用权后 它可以一直执行到工作结束或是有更高等级的进程出现为止 嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂 它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率 减少了系统开发的总工作量 而且提高了嵌入式应用软件的可移植性 1 4 1嵌入式操作系统介绍 为了满足嵌入式系统的需要 嵌入式操作系统必须包括操作系统的一些最基本的功能 如中断处理与进程调度 用户可以通过API来使用操作系统 大多嵌入式系统应用在实时环境中 因此嵌入式操作系统跟实时 Real Time 操作系统密切联系在一起 1 4 1嵌入式操作系统介绍 1 4 1嵌入式操作系统介绍1 4 2嵌入式实时操作系统1 4 3典型嵌入式操作系统介绍 1 嵌入式操作系统 一般操作系统只注重平均性能 如对于整个系统来说 所有任务的平均响应时间是关键 而不关心单个任务的响应时间 与之相比 嵌入式实时操作系统最主要的特征是性能上的 实时性 也就是说系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果 也依赖于结果产生的时间 从这个角度上看 可以把实时系统定义为 一个能够在