第1讲 《嵌入式系统》绪论

1 嵌入式系统原理 柳平增文理大楼605pzliu lpz8565 山东农业大学信息科学与工程学院 2 教材及参考书说明 1 嵌入式系统原理与接口技术 清华出版社 符意德 2 嵌入式系统原理及应用开发技术 高教出版社 桑楠 3 嵌入式系统原理与接口技术 清华出版社 贾智平 4 嵌入式系统基础教程 机械工业出版社 俞建新 5 网上资料 3 课程大纲 嵌入式系统原理及接口技术 绪论介绍嵌入式系统的发展 应用 开发环境 2 体系结构介绍ARM9体系结构 3 汇编语言介绍ARM9汇编指令系统 启动程序 4 存储器接口介绍存储器接口设计技术 5 中断机制介绍中断控制机制级编程 6 I O接口介绍通用I O接口技术 7 定时 计数器介绍定时器原理及控制 8 通信接口介绍RS 232 I2C总线 4 大家能够期望的收获 学习嵌入式软硬件系统的基本概念 基本原理和设计方法 获得嵌入式开发设计的实践经验 并具备一定的设计开发能力 为未来职场的发展奠定技术基础 获得学分 第一章绪论 5 5 嵌入式系统的开发环境 4 嵌入式系统的应用 3 嵌入式操作系统 2 嵌入式处理器 1 嵌入式系统简介 6 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 7 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 8 1 1嵌入式系统的定义 IEEE定义 嵌入式系统是 用于控制 监视或者辅助操作的机器 设备或装置 原文为devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 通常执行特定功能嵌入式系统的核心 嵌入式微处理器严格的时序和稳定性要求全自动操作循环 9 1 1嵌入式系统的定义 广义定义 任何一个非计算机的计算系统广义上讲 凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统 如各类单片机和DSP系统 这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点 从狭义上讲 更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统 具有自己操作系统 具有特定功能 用于特定场合的嵌入式系统 10 1 1嵌入式系统的定义 目前对嵌入式系统的一般定义 1 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 技术角度 2 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件 并使其紧密耦合在一起的计算机系统 系统角度 11 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 12 1 2嵌入式系统应用 计算机系统的三大领域 服务器利润最大的市场可用性可扩展性有效带宽桌面最广阔的市场嵌入式潜力最大的市场 13 1 2嵌入式系统应用 计算机系统PCLaptopMainframeServer移动电脑 PDA 手机其它 MP3播放机 数码相机 14 1 2嵌入式系统应用 嵌入在电子设备内部的计算系统 任何包含一个或多个专用的计算机 微处理器或微控制器的电子设备 能执行特定功能的计算机硬件和软件的结合体 广义定义 任何一个非计算机的计算系统 15 1 2嵌入式系统应用 16 1 2嵌入式系统应用 家用市场 机顶盒掌上电脑DVDMP3数码相机数字电视WebTV 网络冰箱网络空调家庭网关智能家用电器嵌入式视频服务器车载导航器系统等 17 1 2嵌入式系统应用 现代化家庭 18 嵌入式视频服务器的架构 1 2嵌入式系统应用 19 通信市场 电话交换系统电缆系统卫星和全球定位系统 L3D 数据交换设备移动电话PDA智能网络电话机通过普通电话线与网络相连 宽带网络电话机通过宽带接入Internet 1 2嵌入式系统应用 通信市场 20 工业市场 制造工厂污水处理系统发电站和电力传输系统自动化工厂控制系统开发 维护和测试的工具石油提炼和相关的贮运设施 建筑设备计算机辅助制造系统能源控制系统 核电站机器人系统等 1 2嵌入式系统应用 工业市场 21 商业和金融市场 自动柜员机信用卡系统售货端系统安全系统等等 1 2嵌入式系统应用 商业金融 22 办公市场 电话系统传真系统复印机计时系统照相机和摄象机 1 2嵌入式系统应用 办公领域 23 运输市场 航空 铁路 公路运输系统航空管理 雷达系统交通指挥系统停车系统 售票系统乘客信息系统检票系统行李处理系统应急设备等 1 2嵌入式系统应用 运输领域 24 建筑市场 电力供应备用电源和发电机火警控制系统供热和通风系统电梯和升降系统车库管理安保系统电子门锁系统楼宇管理系统闭路电视系统电子保险柜警铃等 1 2嵌入式系统应用 建筑市场 25 医疗市场 心脏除颤器心脏起搏器患者信息和监视系统理疗控制系统电磁成像系统等 1 2嵌入式系统应用 医疗市场 26 1 2嵌入式系统应用 军事领域嵌入式系统特点 1 尺寸和重量在军事和航天环境中 空间是非常珍贵的 对用于航天器或航空器上的计算机系统的尺寸大小要求是苛刻的 重量是在航空器或飞机上采用的另一个重要因素 但在工业上应用并不重要 2 功率消耗电池寿命自然是设计运动或可携带军事系统和空间设备的关键问题 因为发热与功耗成正比 降低功耗就成了对工作在较高温度环境中的系统的重要要求 27 1 2嵌入式系统应用 3 震动和冲击军事和空间系统要适合在恶劣运动环境中工作和贮存 这些环境包括 大范围或小范围的重复运动 芯片 模块和模板可能部分或全部变位或断线 由于震动而加重的电化学反应引起的腐蚀 使模板互连金手指管脚的导电性能变差 由于使用硬盘驱动器致使数据的完整性成为难题等 4 温度和湿度大多数军事和空间系统是工作在温度和湿度环境相对不可控的条件下 用于军事和空间产品的电子产品的可靠工作范围必须在 40 85 28 1 2嵌入式系统应用 军事工业产品 数字化单兵信息装备夜视扫描 全球定位 指挥通信21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统 FBCB2 C4ISR系统 指挥 控制 通讯 电脑 情报 监视 侦察 29 1 2嵌入式系统应用 21世纪部队旅及旅以下作战指挥系统 FBCB2 作为美国陆军战斗指挥系统的一部分 构成旅及旅以下级别陆军的数字化战斗指挥信息系统 FBCB2系统将向作战的士兵和指挥官 战斗支援部队以及战斗服务支援部队提供在行进中 近实时的事态感知以及指挥和控制信息 使他们在屏幕上就能分辨出友方部队和敌方部队 30 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 31 1 3嵌入式系统的发展 以往计算机分类 大型计算机 中型机 小型机和微计算机目前计算机分类 超级计算机 大型计算机 工作站 微计算机 亚微计算机亚微计算机 嵌入式计算机 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置 产品和系统中的计算机 32 1 3嵌入式系统的发展 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统 第二阶段是以嵌入式CPU为基础 以简单操作系统为核心的嵌入式系统 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统 33 1 3嵌入式系统的发展 典型的8位微处理系统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 34 典型的32位微处理系统ARM系列是应用广泛的32位微处理器 实际上该系列的MCU芯片很多 但大都是已ARM微内核为核心的 32位的DSP应用也很广泛 1 3嵌入式系统的发展 35 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展 1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 36 1 4嵌入式系统的组成 37 1 4嵌入式系统的组成 嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器 外围电路和外部设备三大部分所组成 嵌入式处理器包括 嵌入式微处理器 MPU 微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP 外围电路包括 各式存储器 RAM ROM FLASH 时钟电路 各种I O接口电路 调试接口 JTAG BDM等 外部设备包括 存储卡 CF SD卡 LCD屏 触摸屏 手写笔 键盘等 38 39 1 嵌入式硬件系统嵌入式系统是 量身定做 的 专用计算机应用系统 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 非常经济 可靠 如下最小的硬件系统 处理器存储系统外设及接口 1 4嵌入式系统的组成 40 2 嵌入式软件系统 1 4嵌入式系统的组成 41 初始化代码对于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 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 4嵌入式系统的组成 42 驱动程序 HAL 硬件抽象层 BSP 板级支持包 设备驱动程序 硬件抽象层 位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层 其目的在于将硬件抽象化 也就是说通过程序来控制所有硬件电路 CPU I O Memory 的操作 这样使得设备驱动程序与硬件设备无关 大大提高系统可移植性 硬件抽象层一般包括相关硬件的初始化 数据的输入 输出 硬件设备的配置等功能 板级支持包 介于主板硬件和操作系统中的驱动程序层之间的一层 主要是实现对操作系统的支持 为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包 使之能够更好地运行于硬件主板 设备驱动程序 驱动程序为上层软件提供设备的操作接口 1 4嵌入式系统的组成 43 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 44 1 5嵌入式系统的特点 通常是面向特定应用的 嵌入式系统是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 空间和各种资源相对不足 必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 产品升级换代和具体产品同步 具有较长的生命周期 软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身 不具备自举开发能力 必须有一套开发工具和环境才能进行开发 45 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 嵌入式系统与PC之间的区别 1 5嵌入式系统的特点 46 实时性实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性 即任务需要在规定的时限内完成 功耗限制嵌入式系统中 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 1 5嵌入式系统设计要求 47 低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 所需的内存及相应的外围芯片 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 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 1 5嵌入式系统设计要求 48 1 嵌入式系统简介 1 1嵌入式系统的定义1 2嵌入式系统应用1 3嵌入式系统的发展1 4嵌入式系统的组成1 5嵌入式系统特点及设计要求1 6嵌入式系统发展前景 49 1 6嵌入式系统前景 嵌入式系统需求越来越大 嵌入式系统被喻为 PC和因特网之后最伟大的发明 当今信息社会里 农业 工业 商业 军事等各行各业都需要信息化 信息化离不开嵌入式系统的支持 所以嵌入式系统有着广阔的发展前景和就业空间 50 1 6嵌入式系统前景 以农业信息化为例 农业信息化是将现代信息技术全面应用于农业生产 市场 消费以及农村经济 社会 技术等领域 从而极大地提高农业生产力水平和农业可持续发展 51 1 6嵌入式系统前景 物联网技术的发展离不开嵌入式系统 物联网 TheInternetofThings 是 万物沟通 的 具有全面感知 可靠传