单片机的基础知识

1、2021-11-20电气与信息学院 李 鸿12021-11-20电气与信息学院 李 鸿22021-11-20电气与信息学院 李 鸿3第一章第一章 嵌入式系统简介嵌入式系统简介第二章第二章 MCS-51单片机的结构单片机的结构第三章第三章 MCS-51系列单片机的指令系统系列单片机的指令系统第四章第四章 MCS-51系列单片机的程序设计系列单片机的程序设计第五章第五章 MCS-51单片机的功能部件单片机的功能部件第六章第六章 MCS-51系列单片机接口技术系列单片机接口技术第七章第七章 单片机应用系统设计单片机应用系统设计第八章第八章 单片机的单片机的C语言应用程序设计语言应用程序设计第九章第九

2、章 具有具有MCS-51内核的单片机简介内核的单片机简介2021-11-20电气与信息学院 李 鸿82021-11-20电气与信息学院 李 鸿92021-11-20电气与信息学院 李 鸿102021-11-20电气与信息学院 李 鸿112021-11-20电气与信息学院 李 鸿122021-11-20电气与信息学院 李 鸿141 1.1.1.1 .1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点 一、嵌入式系统（一、嵌入式系统（Embedded SystemEmbedded System）定义：定义： 嵌入式系统是指用于实时控制、监视、管嵌入式系统是指用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备运行

3、的设备，可以是专用理或辅助其他设备运行的设备，可以是专用或多用途（但一般具有可编程的特性）的设或多用途（但一般具有可编程的特性）的设备，备，“嵌入嵌入”意味着这些系统本身与所控制意味着这些系统本身与所控制和管理的系统融为一体的，是其中的一个有和管理的系统融为一体的，是其中的一个有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。元。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿15由上面的定义，可以看出嵌入式系统的一些特征：由上面的定义，可以看出嵌入式系统的一些特征：1.1.嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。统。 电子

4、计算机是为解决海量数值计算而发明和发电子计算机是为解决海量数值计算而发明和发展起来的。展起来的。 而微型机一旦进入对象体系中后，便失去了通而微型机一旦进入对象体系中后，便失去了通用计算机的形态和功能，变成了形形色色的自动用计算机的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统。化系统。 从而导致了现代计算机技术的两大分支：通用从而导致了现代计算机技术的两大分支：通用计算机系统与嵌入式计算机系统。计算机系统与嵌入式计算机系统。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿162.2.单片机是以嵌入式应用为唯一目的的典型的嵌入式系统。单片机是以嵌入式应用为唯一目的的典型的嵌入式系统。 嵌入式应用分微控制器（嵌

5、入式应用分微控制器（MicroMicrocontrolcontrolMCUMCU）和嵌入式微处理器（和嵌入式微处理器（Embedded MicroprocessorEmbedded MicroprocessorMPUMPU）应用两种。应用两种。 微控制器即俗称为单片机（微控制器即俗称为单片机（Single Chip Single Chip ComputerComputer），），设计的目标就是面向控制，面向嵌设计的目标就是面向控制，面向嵌入式应用的。入式应用的。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿173.3.嵌入式系统的组成：嵌入式系统的组成： 一般由：嵌入式微处理器、外围硬件设备、一般

6、由：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成。成。 通常，嵌入式系统中的系统程序（包括操作通常，嵌入式系统中的系统程序（包括操作系统）和应用程序是浑然一体的。这些程序被编系统）和应用程序是浑然一体的。这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映象文件译连接成一个可以执行的二进制映象文件（imageimage），），并被固化在系统中，在系统复位后并被固化在系统中，在系统复位后自动执行。自动执行。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿184.4.嵌入式系统的分类：嵌入式系统的分类：按形式上可以分为三大类，即按形式上可以分

7、为三大类，即（1 1）系统级：）系统级： 为各种类型的工控机，如为各种类型的工控机，如STDSTD工控机、工业工控机、工业PCPC等。等。 例：将工控机嵌入到舰船上构成航行自动驾驶例：将工控机嵌入到舰船上构成航行自动驾驶仪。仪。（2 2）板级：）板级： 各种类型的带各种类型的带CPUCPU的主板。的主板。（3 3）器件级：）器件级： 以单片机最为典型。以单片机最为典型。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿19二、嵌入式系统的特点：二、嵌入式系统的特点：1.1.系统的复杂性系统的复杂性 据估计，大约有据估计，大约有100100250250亿个嵌入式系统亿个嵌入式系统正在使用，分布在十分广泛

8、的范围，几乎正在使用，分布在十分广泛的范围，几乎所有的现代电子设备中都有嵌入式系统，所有的现代电子设备中都有嵌入式系统，功能各异，复杂程度可想而知。功能各异，复杂程度可想而知。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿202.2.系统的实时性系统的实时性 嵌入式系统多数与生产过程的实时控制嵌入式系统多数与生产过程的实时控制相关。相关。 生产过程本身的特性往往决定了这类系统生产过程本身的特性往往决定了这类系统不可能随意中断正常的生产过程去进行测试不可能随意中断正常的生产过程去进行测试或维修。或维修。 多数造价昂贵的嵌入式系统也往往没有备多数造价昂贵的嵌入式系统也往往没有备份系统，实时诊断的难度也

9、相应增加。份系统，实时诊断的难度也相应增加。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿213.3.系统的可靠性系统的可靠性 嵌入式系统在一些关键系统的控制过程中嵌入式系统在一些关键系统的控制过程中得到广泛应用（如：钢铁、石化等企业）。得到广泛应用（如：钢铁、石化等企业）。 控制系统的任何微小的错误都可能导致整控制系统的任何微小的错误都可能导致整个生产过程的中断和巨额的经济损失。个生产过程的中断和巨额的经济损失。 嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制，一旦工作就要求它可靠运很难直接接触控制，一旦工作就要求它可靠运行。行。 嵌入式产品的使用人员多

10、为非计算机专业嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定，往往条件恶劣（高温、人士，使用环境不定，往往条件恶劣（高温、高湿、多尘、强电磁干扰等高湿、多尘、强电磁干扰等) )。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿224 4. .系统的专用性系统的专用性 用途固定，通常执行特定功能，用于特定用途固定，通常执行特定功能，用于特定设备，完成特定的任务。设备，完成特定的任务。5.5.技术密集技术密集 是计算机技术、微电子技术和行业技术相是计算机技术、微电子技术和行业技术相结合的产物，必然是一个技术密集，不断创新结合的产物，必然是一个技术密集，不断创新的知识集成系统。的知识集成系统。6.

11、6.开发困难开发困难 嵌入式系统往往本身不具备自举开发能力，嵌入式系统往往本身不具备自举开发能力，必须要一套开发工具和环境才能进行开发。其必须要一套开发工具和环境才能进行开发。其开发系统与实际运行的系统并不相同，需要交开发系统与实际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适当的调试系统。叉编译系统和适当的调试系统。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿231 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通信、手持信息设备以及工业控制等领域。动通信、手持信息设备以及工业控制等领域。 用于实现对宿主设备的控制、监

12、视或管用于实现对宿主设备的控制、监视或管理。理。 应用范围十分广泛，因此不存在所谓嵌应用范围十分广泛，因此不存在所谓嵌入式系统的典型应用。入式系统的典型应用。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿241 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用嵌嵌入入式式应应用用信信息息家家电电智智能能玩玩具具工工控控设设备备智智能能仪仪表表汽汽车车电电子子电电子子商商务务移移动动计计算算通通讯讯设设备备军军事事电电子子常常见见的的几几种种嵌嵌入入式式应应用用领领域域2021-11-20电气与信息学院 李 鸿251 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.1.制造与过程

13、控制制造与过程控制 自动化工厂、柔自动化工厂、柔性制造系统（性制造系统（FMSFMS）、）、无人物流小车、机器无人物流小车、机器人、加工中心、核电人、加工中心、核电站、污水处理系统、站、污水处理系统、发（变）电站、能源发（变）电站、能源控制系统、石化企业控制系统、石化企业的控制设备、建筑设的控制设备、建筑设备等。备等。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿261 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 2. 2.运输运输 交通指挥系统、交通指挥系统、售票系统、航空、售票系统、航空、铁路、公路运输铁路、公路运输系统、停车场管系统、停车场管理系统、雷达系理系统、雷达系统、检票

14、系统等。统、检票系统等。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿271 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用3.3.建筑设施建筑设施 电力供应、备用电力供应、备用电源、火警报警与电源、火警报警与控制系统、供热与控制系统、供热与通风系统、电梯、通风系统、电梯、车库、安防系统、车库、安防系统、闭路电视监视、温闭路电视监视、温湿度控制等。湿度控制等。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿281 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用4.4.通信通信 电话交换机、卫星和电话交换机、卫星和全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）、）、移动电话等。移动电话等。

15、5.5.办公设备办公设备 电话系统、传真系电话系统、传真系统、复印机、照相机和统、复印机、照相机和摄像机、商用电脑、掌摄像机、商用电脑、掌上电脑等。上电脑等。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿291 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用6.6.银行和金融银行和金融 自动柜员机、信用卡自动柜员机、信用卡系统、验钞机、点钞系统、验钞机、点钞机、安全系统等。机、安全系统等。7.7.医疗诊断监视系统医疗诊断监视系统 心脏起搏器、理疗心脏起搏器、理疗控制系统、热疗机、控制系统、热疗机、X X光设备、电磁成像系光设备、电磁成像系统等。统等。2021-11-20电气与信息学院 李

16、 鸿301 1. .1.2 1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 8. 8.家庭中的应用家庭中的应用 每个家庭使用的嵌入式每个家庭使用的嵌入式处理器约处理器约30304040个。个。 一台一台PCPC机中就可能使用机中就可能使用了了1010来个嵌入式处理器。来个嵌入式处理器。 其他家电中，电冰箱、其他家电中，电冰箱、微波炉、洗衣机、录像机、微波炉、洗衣机、录像机、电子钟、洗碗机、电子钟、洗碗机、DVDDVD播放播放机、电视机、音响设备、通机、电视机、音响设备、通用遥控器、电子玩具、电子用遥控器、电子玩具、电子宠物等。宠物等。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿311 1. .1.2

17、1.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用9.9.汽车中的嵌入式系统汽车中的嵌入式系统 汽车内部正迅速发展成为一个汽车内部正迅速发展成为一个具有相当规模的局域网，如具有相当规模的局域网，如CANCAN（控制局域网）总线网络。控制局域网）总线网络。 汽车中的汽车中的GPSGPS系统与电子导航系统与电子导航系统（电子地图）、防碰撞系统系统（电子地图）、防碰撞系统（安全气囊）、油（安全气囊）、油/ /气比控制、车气比控制、车用电脑、音响、车灯、智能化的用电脑、音响、车灯、智能化的侧视镜。侧视镜。 据资料介绍，据资料介绍，S S级的梅塞德斯级的梅塞德斯轿车，每辆车内平均装有轿车，每辆车内平均装有6464

18、个微个微处理器。处理器。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿321 1. .1.3 1.3 嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业的特点和要求一、嵌入式系统是不可垄断的高度分散的工业一、嵌入式系统是不可垄断的高度分散的工业 从某种意义上说，通用计算机行业的技术是从某种意义上说，通用计算机行业的技术是垄断的。当代的通用计算机工业被认为是由垄断的。当代的通用计算机工业被认为是由WintelWintel（MicrosoftMicrosoft和和Intel 90Intel 90年代初建立的联年代初建立的联盟）垄断的工业。盟）垄断的工业。 嵌入式系统则是一个分散的工业，充满了竞嵌入式系统则是一个

19、分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断市场。作系统能够垄断市场。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片芯片”设计和面向应用的软件产品开发。设计和面向应用的软件产品开发。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿33二、嵌入式系统具有的二、嵌入式系统具有的产品特征产品特征1.1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。如果独立于应用自行发展，则会失去用的。如果独立于应用自行发展，则会失去市场。因此，嵌入式处理器的功能、体积、市场。因此

20、，嵌入式处理器的功能、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。性等方面均受到应用要求的制约。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿342.2.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余。计，量体裁衣，去除冗余。3.3.嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品同步进行。因它的升级换代也是和具体的产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。的

21、生命周期。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿354.4.嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。一个嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。一个体系结构一般要存在体系结构一般要存在8 81010年的时间。一个体年的时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统。因此，用户和半导体厂商都不会轻易的统。因此，用户和半导体厂商都不会轻易的放弃一种处理器。放弃一种处理器。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿365.5.嵌入式系统中的软件一般都固化在嵌入式系统中的软件一般都固化在RO

22、MROM中，其中，其应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，常强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳常强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。定。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿371 1. .1.3 1.3 嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业的特点和要求三、嵌入式系统软件的特征三、嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，其特征主要有：统功能的关键，其特征主要有：1.1.软件要求固态化存储。软件要求固态化存储。2.2.软件代码高质量、高可靠性：以减少程序二软件代码高质量、高可靠

23、性：以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。进制代码的长度，提高执行速度。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿383.3.系统软件（系统软件（OSOS）的高实时性是基本要求的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。这种任务调度只能由个任务及时执行的关键。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。优化编写的系统软件来完成。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿394.4.嵌入式系统软件一般需要嵌入式系统软件一般需要RTOSRTOS开发

24、平台开发平台 虽然嵌入式系统的应用程序可以没有虽然嵌入式系统的应用程序可以没有OSOS直直接在接在“裸机裸机”上运行，但是为了合理的调度多上运行，但是为了合理的调度多任任务。利用系统资源系统函数以及和专家库函数务。利用系统资源系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配接口，用户必须自行选配RTOSRTOS开发平台，这样开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。开发时间，保障软件质量。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿40四、嵌入式系统开发需要开发工具和环境四、嵌入式系统开发需要开发工具和环境 嵌入式系统本身

25、不具备自举开发的嵌入式系统本身不具备自举开发的能力，设计完成后，用户必须有一套开能力，设计完成后，用户必须有一套开发工具和环境才能方便的对其硬件、软发工具和环境才能方便的对其硬件、软件进行调试与修改。件进行调试与修改。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿41五、嵌入式系统开发人员以应用专家为主五、嵌入式系统开发人员以应用专家为主 嵌入式系统要和各个不同行业的应用相结嵌入式系统要和各个不同行业的应用相结合，要求更多的计算机以外的专业知识，其开合，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此对开发人员往往是各个应用领域的专家。因此对开发工具的基本要求是易学、易用、

26、高效、可靠。发工具的基本要求是易学、易用、高效、可靠。返回目录返回目录下一节下一节2021-11-20电气与信息学院 李 鸿42嵌入式系统的特点：嵌入式系统的特点：1.1.系统的复杂性系统的复杂性2.2.系统的实时性系统的实时性3.3.系统的可靠性系统的可靠性4.4.系统的专用性系统的专用性5.5.技术密集技术密集6.6.开发困难开发困难2021-11-20电气与信息学院 李 鸿441.2.11.2.1嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展 一、嵌入式系统微处理器的一、嵌入式系统微处理器的分类分类与与发展发展 嵌入式系统微处理器在目前的嵌入式系嵌入式系统微处理器在目前的嵌入式系统硬件

27、设计上占了很大的影响力，嵌入式系统硬件设计上占了很大的影响力，嵌入式系统开发人员必须要从琳琅满目的嵌入式系统统开发人员必须要从琳琅满目的嵌入式系统微处理器中选择一个最适当的微处理器产品微处理器中选择一个最适当的微处理器产品作为嵌入式系统控制核心，才能够兼具低成作为嵌入式系统控制核心，才能够兼具低成本、高效率的产品优势。本、高效率的产品优势。 以微处理器在单一指令内所能处理的位以微处理器在单一指令内所能处理的位数来衡量，嵌入式微处理器的发展可以分为数来衡量，嵌入式微处理器的发展可以分为以下几个阶段。以下几个阶段。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿45表表1.2.1 1.2.1 以位数来对

28、嵌入式系统微处理器分类以位数来对嵌入式系统微处理器分类 4 4位位 8 8位位 1616位位 3232位位 6464位位 嵌入式微处理器嵌入式微处理器（单片机型）（单片机型） TMS1000TMS1000COPSCOPS 8048/49/508048/49/508051/52,8051/52,Z8Z86801/04/056801/04/05 8096/8096/97976820068200 ARM RISC ARM RISC corecoreMIPS 32Bits MIPS 32Bits RISC coreRISC core MIPS 64 MIPS 64 Bits Bits RISC RIS

29、C core core 嵌入式微处理器嵌入式微处理器（一般用途型）（一般用途型） 40044004，4040 4040 80858085，Z80Z806802 68096802 68096502 6502 8086 8086 80186801868028680286Z8000Z8000 80386 8048680386 8048668000/10/2068000/10/20/30/40/30/40 Pentium Pentium / 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿46二、二、CISCCISC和和RISCRISC 两种不同结构的微处理器：两种不同结构的微处理器：CISCCISCCom

30、plex Instruction Set Computer Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机复杂指令集计算机RISCRISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机精简指令集计算机2021-11-20电气与信息学院 李 鸿47RISCRISC与与CISCCISC相比具有如下相比具有如下特点特点：1)1) 使用相当少的指令类别及寻址方式使用相当少的指令类别及寻址方式2)2)在单一执行的周期内完成指令在单一执行的周期内完成指令3)3) CPU

31、CPU中拥有更多的寄存器中拥有更多的寄存器4)4) 使用最优的程序代码编译使用最优的程序代码编译 由于由于RISCRISC架构的架构的CPUCPU的硬件设计单纯，成的硬件设计单纯，成本低廉、省电效益佳等特点，深受嵌入式系本低廉、省电效益佳等特点，深受嵌入式系统产品的欢迎。统产品的欢迎。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿48三、数字信号处理器（三、数字信号处理器（DSPDSP） 即即Digital Signal ProcessDigital Signal Process是专门处理是专门处理数字信号数据的微处理器，基本上数字信号数据的微处理器，基本上DSPDSP是是针对特定的任务而发展的

32、一种微处理器。针对特定的任务而发展的一种微处理器。 DSPDSP最重要的是大量的即时运算功能；最重要的是大量的即时运算功能；最基本的运算功能是乘法与加法运算如：最基本的运算功能是乘法与加法运算如：a ai ib bi i 。DSPDSP的内置硬件构架可以在很短的内置硬件构架可以在很短的时间内处理如离散傅立叶转换之类的复的时间内处理如离散傅立叶转换之类的复杂的加法和乘法问题。杂的加法和乘法问题。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿491.2.21.2.2嵌入式应用的开发设计技术嵌入式应用的开发设计技术 一、嵌入式应用系统开发的一、嵌入式应用系统开发的特征特征 1.1.嵌入式应用常将性能要

33、求放在第一位嵌入式应用常将性能要求放在第一位 与通用计算机相比，嵌入式系统的软、与通用计算机相比，嵌入式系统的软、硬件更关注时间限制、性能约束和对外硬件更关注时间限制、性能约束和对外交互等问题。交互等问题。 即它不但要求满足功能要求，还要求即它不但要求满足功能要求，还要求满足性能需求，甚至将性能需求放在第满足性能需求，甚至将性能需求放在第一位。一位。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿502.2.性能要求体现在限定时间的约束或代码性能要求体现在限定时间的约束或代码大小的约束上，如：大小的约束上，如： 一个处理算法能否满足严格的时间约束，是否需一个处理算法能否满足严格的时间约束，是否需要

34、建造特殊的硬件来完成其任务？要建造特殊的硬件来完成其任务？ OSOS能否满足高效的中断处理、多任务和通信的要能否满足高效的中断处理、多任务和通信的要求？求？ 编程语言能否支持并发程序的设计，等等编程语言能否支持并发程序的设计，等等 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿513.3.结论：结论： 嵌入式系统的开发不仅要考虑软件的设嵌入式系统的开发不仅要考虑软件的设计，同时还要考虑硬件的设计，不但要考计，同时还要考虑硬件的设计，不但要考虑功能的设计，还要考虑性能的设计。虑功能的设计，还要考虑性能的设计。 事实上，嵌入式系统的最大问题是设事实上，嵌入式系统的最大问题是设计问题，而不是实现问题。计

35、问题，而不是实现问题。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿52二二. . 嵌入式系统设计的嵌入式系统设计的3 3个层次个层次 1.1.第一层次：第一层次：以以PCB CADPCB CAD软件和软件和ICE ICE 为主为主要工具的设计方法。要工具的设计方法。 PCB CADPCB CAD印制板计算机辅助设计软件和印制板计算机辅助设计软件和PROTEL 99PROTEL 99ICEICE在线（联机）仿真器。在线（联机）仿真器。 这是至今国内单片机应用系统开发人员一这是至今国内单片机应用系统开发人员一直沿用的方法：直沿用的方法： 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿53选购通用元器件

36、功能检验设计电气原理图设计PCB板图PCB板加工、焊接硬件调试模块划分流程(算法)设计编码软件联调硬件设计软件设计2021-11-20电气与信息学院 李 鸿542.2.第二层次：第二层次：以以EDAEDA工具软件和工具软件和EOSEOS为开发平为开发平台的设计方法。台的设计方法。 EDAEDA电子设计自动化电子设计自动化 EOSEOS嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统 这是一种利用各种通用的可编程半定制逻这是一种利用各种通用的可编程半定制逻辑器件来设计和制作部分专用的大规模集成辑器件来设计和制作部分专用的大规模集成电路（电路（ASICASIC），），然后将然后将ASICASIC、可编程外围器

37、可编程外围器件、件、cc或或pp在在PCBPCB板上布局、布线以构成板上布局、布线以构成系统的设计方法。系统的设计方法。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿55 其中关键是其中关键是ASICASIC的开发与设计，即硬件设的开发与设计，即硬件设计人员从过去选择和使用标准通用计人员从过去选择和使用标准通用ICIC，逐步逐步转向自己设计和制作部分专用的转向自己设计和制作部分专用的ICIC器件。器件。 作为作为ASICASIC基础的半定制逻辑器件经历了如基础的半定制逻辑器件经历了如下下发展过程：发展过程： 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿56PLAPLA可编程逻辑阵列；可编程逻辑阵列

38、；PALPAL可编程阵列逻辑；可编程阵列逻辑；GALGAL通用阵列逻辑；通用阵列逻辑；CPLDCPLD复杂可编程逻辑器件；复杂可编程逻辑器件；FPGAFPGA现场可编程门阵列。现场可编程门阵列。 发展的趋势是：集成度、速度不断提高；发展的趋势是：集成度、速度不断提高；功能不断增强；结构更合理；使用更方便、功能不断增强；结构更合理；使用更方便、灵活。灵活。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿573.3.第三层次：第三层次：以以IPIP内核库为基础，用软、硬内核库为基础，用软、硬件协同设计的设计方法。件协同设计的设计方法。 * *. . IPIP（Intellectual Property

39、 Intellectual Property 知识产权）知识产权）内核模块是一种预先设计好的具有某种确内核模块是一种预先设计好的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。定功能的集成电路、器件或部件。 * *. . IPIP有三种不同的形式：有三种不同的形式： 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿58 (1)(1)软软IPIP内核（内核（soft IP coresoft IP core）: :主要描述功能行为（主要描述功能行为（behaviorbehavior）提交提交给用户的是经过行为级设计优化和功给用户的是经过行为级设计优化和功能验证的能验证的HDLHDL（硬件描述语言）文本。硬件描述

40、语言）文本。亦称为虚拟器件。亦称为虚拟器件。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿59(2)(2)硬硬IPIP内核（内核（firm IP corefirm IP core）：）：基于物理（基于物理（physicalphysical）描述并经过工艺验描述并经过工艺验证，是基于某种半导体工艺的物理设计，证，是基于某种半导体工艺的物理设计，提供给用户的是电路物理结构掩膜版图和提供给用户的是电路物理结构掩膜版图和全套工艺文件，即可以拿了就用的全套技全套工艺文件，即可以拿了就用的全套技术。术。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿60(3)(3)固固IPIP内核（内核（firm IP cor

41、efirm IP core）：）：完成结构（完成结构（structurestructure）描述，设计的描述，设计的深度介于软深度介于软IPIP内核和硬内核和硬IPIP内核之间。提内核之间。提供给用户的一般是门电路级网表。供给用户的一般是门电路级网表。 软软IPIP内核、固内核、固IPIP内核、硬内核、硬IPIP内核相内核相当于集成电路（器件或部件）的毛坯、当于集成电路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。半成品、成品。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿61常用的常用的IPIP内核模块内核模块有：有： 各种各种CPUCPU（如：如：32/6432/64位位CISC/RISCCISC/R

42、ISC结构的结构的CPUCPU）；）； 各种微控制器各种微控制器/ /单片机（单片机（8/168/16）；）； 32/6432/64位位DSPDSP、DRAMDRAM、SRAMSRAM、EEPROMEEPROM、FlashmemoryFlashmemory、A/DA/D、D/AD/A、USBUSB、PCIPCI、网络网络单元、编译器、编码单元、编译器、编码/ /解码器、模拟器件模解码器、模拟器件模块等。块等。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿62 丰富的丰富的IPIP内核模块库为快速地设计专用集内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统成电路和单片系统SOCSOC（System O

43、n ChipSystem On Chip）以尽快占领市场提供了基本保证。以尽快占领市场提供了基本保证。 从从2020世纪世纪9090年代开始的，由年代开始的，由“集成电路集成电路”级设计不断转向级设计不断转向“集成系统集成系统”级设计，目前级设计，目前已进入已进入SOCSOC设计阶段。设计阶段。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿63 SOC SOC的设计方法不是把系统所需要的所有的的设计方法不是把系统所需要的所有的集成电路简单地二次集成到集成电路简单地二次集成到1 1个芯片上，这样个芯片上，这样实现的系统是不可能达到实现的系统是不可能达到SOCSOC所要求的高密度、所要求的高密度、高

44、速度、高性能、小体积、低电压、低功耗高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的。等指标的。 一个最有效的途径（高速、高可靠性）便一个最有效的途径（高速、高可靠性）便是通过授权使用成熟优化的是通过授权使用成熟优化的IPIP内核模块来进内核模块来进行设计集成和二次开发。行设计集成和二次开发。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿644.4.三个层次的设计方法并行存在，各有应用三个层次的设计方法并行存在，各有应用范围，不会简单地用后者取代前者。范围，不会简单地用后者取代前者。 初级应用设计人员会以第一种方法为主，初级应用设计人员会以第一种方法为主，富有经验和一定条件的设计人员会以第二种富有

45、经验和一定条件的设计人员会以第二种方法为主；很专业且具有相当条件的设计人方法为主；很专业且具有相当条件的设计人员会以第三种方法进行简单的员会以第三种方法进行简单的SOCSOC的设计和的设计和应用。但所有的设计人员都可以应用大厂商应用。但所有的设计人员都可以应用大厂商推出的用第三种方法设计的专用推出的用第三种方法设计的专用SOCSOC。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿65 复杂的复杂的SOCSOC只有那些有相当的能力和实力只有那些有相当的能力和实力的半导体大厂商才能设计和实现。的半导体大厂商才能设计和实现。 如：如：TITI、philipsphilips、WINBONDWINBOND

46、和和AtmelAtmel等厂等厂商就是通过商就是通过IntelIntel授权，用其授权，用其MCS-51MCS-51的的IPIP内内核模块结合自己的特长，开发出有个性的与核模块结合自己的特长，开发出有个性的与Intel MCS-51Intel MCS-51兼容的单片机，如：兼容的单片机，如：P80CL51P80CL51、AT89C51AT89C51、AT89C2051AT89C2051、 9058515 9058515 、W78E516W78E516等。等。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿661.2.3 SOC1.2.3 SOC嵌入式微处理器嵌入式微处理器 一一. . 定义定义 S

47、OCSOC（System On ChipSystem On Chip）嵌入式微处嵌入式微处理器，顾名思义，是单个芯片上构理器，顾名思义，是单个芯片上构成的系统，它结合了许多功能模块成的系统，它结合了许多功能模块，做在一个芯片上。例如：，做在一个芯片上。例如：DSPDSP微处微处理器加通信接口单元（含有：理器加通信接口单元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。通信接口等）。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿67二二. . SOCSOC嵌入式系统的嵌入式系统的优点优点： * *. . 高密度高密度高集成度；高集成度；* *. . 低电压、低功耗低电压、低功耗利用改变内部工作利用

48、改变内部工作电压，降低芯片功耗；电压，降低芯片功耗；* *. . 高速度高速度减少了各单元电路及电路板减少了各单元电路及电路板上的信号传递，整体上提高了上的信号传递，整体上提高了pp的运行的运行速度；速度；* *. . 高抗干扰性能高抗干扰性能内嵌的线路，大大避内嵌的线路，大大避免了外部电路板在信号传递时造成的损耗免了外部电路板在信号传递时造成的损耗和干扰。和干扰。2021-11-20电气与信息学院 李 鸿68注注1 1： SOCSOC并不是简单的将所要的集成电并不是简单的将所要的集成电路二次集成到一个芯片上，而是在全路二次集成到一个芯片上，而是在全新理念上通过系统硬、软件协同设计，新理念上通

49、过系统硬、软件协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。在单个芯片上完成整个系统的功能。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿69注注2 2：SOCSOC与单片机的与单片机的区别区别：(1)(1)SOCSOC使单片机应用技术发生了革命使单片机应用技术发生了革命性的变化：从选择厂家提供的定制性的变化：从选择厂家提供的定制产品时代进入了由用户自行开发设产品时代进入了由用户自行开发设计器件的时代。计器件的时代。(2)(2)SOCSOC设计中，设计者面对的不再是设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是能实现设计功能的电路芯片，而是能实现设计功能的IPIP模块库，即模块库，即SOCSOC设计的观念

50、是：设计的观念是：“设计自己的专用集成电路设计自己的专用集成电路”。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿70三三. .RISCRISC结合结合DSPDSP的的SOCSOC嵌入式系统微处理器嵌入式系统微处理器 DSPDSPDigital Signal ProcessDigital Signal ProcessRISCRISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer DSPDSP的龙头老大德州仪器公司倚仗的龙头老大德州仪器公司倚仗性能优越的性能优越的DSPDSP处理器称霸世界处理器称霸世界DSPDSP

51、市场。市场。最近推出的一项非常先进的最近推出的一项非常先进的SOCSOC嵌嵌入式系统微处理器技术，称为入式系统微处理器技术，称为OMAPOMAP。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿71OMAPOMAPOpen Multimedia Application Open Multimedia Application Platform Platform 开放式多媒体应用平台，其构成开放式多媒体应用平台，其构成为：为：DSP + RISC(ARM) + DSP + RISC(ARM) + 若干外围电路模块若干外围电路模块代表芯片为代表芯片为OMAP1510OMAP1510，其结构见图其结构见图

52、: : 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿72OMAP1510OMAP1510硬件结构框图硬件结构框图 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿73 主要应用于实时的多媒体影音数据处主要应用于实时的多媒体影音数据处理、语音识别系统、因特网通信、无线理、语音识别系统、因特网通信、无线通信与电子商务等。通信与电子商务等。 上图中，上图中，DSPDSP或或ARMARM微处理器分别完成微处理器分别完成各 自 的 操 作 或 运 算 ， 两 者 之 间 通 过各 自 的 操 作 或 运 算 ， 两 者 之 间 通 过DSP/BIOS BridgeDSP/BIOS Bridge接口交换数据。接口

53、交换数据。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿74四四. . 整合型嵌入式系统微处理器整合型嵌入式系统微处理器 1.1.ARMARM公司公司ARM RISCARM RISC架构微处理器架构微处理器 ARMARM公司是一家提供公司是一家提供RISCRISC架构嵌入式系统架构嵌入式系统微处理器的公司，位于英国，成立于微处理器的公司，位于英国，成立于19901990年年1111月。月。ARMARM公司既不生产芯片，也不销售芯片，公司既不生产芯片，也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。采用它只出售芯片技术授权。采用ARMARM技术技术IPIP核的微处理器遍及汽车、消费电子、成像核的微处理器遍及汽

54、车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等各类产品市场。线等各类产品市场。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿75 ARM ARM嵌入式处理器是一种嵌入式处理器是一种16/3216/32位的高位的高性能、低功耗的性能、低功耗的RISCRISC芯片。世界上几乎芯片。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于所有的主要半导体厂商都生产基于ARMARM体体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入嵌入ARMARM的相关技术。的相关技术。 如：如：TITI、IntelIntel、MotorolaMotorola、A

55、tmelAtmel、 PhilipsPhilips、NecNec、SharpSharp、NSNS、HynixHynix 2001 2001年基于年基于ARMARM内核的处理器已占据内核的处理器已占据了了3232位位RISCRISC芯片芯片7575的市场份额，可以的市场份额，可以说说ARMARM技术几乎无处不在。技术几乎无处不在。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿76 ARM RISC ARM RISC架构微处理器系列目前主要分架构微处理器系列目前主要分为几个家族产品，分别为为几个家族产品，分别为ARM 7 ThumbARM 7 Thumb、ARM 9 ThumbARM 9 Thumb

56、、ARM 10 ThumbARM 10 Thumb以及以及Strong Strong ARMARM等家族。其中等家族。其中Strong ARMStrong ARM已有已有IntelIntel公公司取得专用授权，只能由司取得专用授权，只能由IntelIntel公司从事公司从事Strong ARMStrong ARM架构微处理器的改进与生产。架构微处理器的改进与生产。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿77(1)(1)ARM 7 ThumbARM 7 Thumb系列系列 含含ARM 710TARM 710T、ARM 720TARM 720T、ARM740TARM740T是一种以是一种以AR

57、M ARM 7 TDMI7 TDMI微处理器为运算核心的微处理器为运算核心的RISCRISC架构的架构的3232位位嵌入式系统微处理器。嵌入式系统微处理器。 它面向中初级市场应用，强调价格与传统的它面向中初级市场应用，强调价格与传统的8 8位位或或1616位的嵌入式系统微处理器相差不大，却拥有位的嵌入式系统微处理器相差不大，却拥有3232位位CPUCPU的执行效率，很受市场的欢迎。的执行效率，很受市场的欢迎。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿78ARM7 ThumbARM7 Thumb家族的家族的特性特性： * *. . 拥有拥有3232位的位的ALUALU、寄存器、移位寄存器；寄存

58、器、移位寄存器；* *. . 拥有拥有3232位的寻址模式；位的寻址模式；* *. . 拥有拥有32328 8DSPDSP乘法器，可以做数字信号处理；乘法器，可以做数字信号处理；* *. . 拥有拥有1616位的位的ThumbThumb指令集。指令集。 ThumbThumb是将是将ARMARM指令集的一个子集重新编码指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集，即将部分而形成的一个指令集，即将部分3232位的位的ARMARM指指令压缩成令压缩成1616位而得到密度更高的代码。位而得到密度更高的代码。 使用使用ThumbThumb指令集可以以指令集可以以1616位的系统开销得位的系统开销得到到32

59、32位的系统性能。位的系统性能。 2021-11-20电气与信息学院 李 鸿79(2)(2)ARM 9 ThumbARM 9 Thumb系列系列 使用使用ARM 9 TDMIARM 9 TDMI处理器内核，包括处理器内核，包括ARM920TARM920T、ARM922TARM922T和和ARM940TARM940T，3 3种类型。种类型。 ARM920TARM920T与与ARM940TARM940T微处理器核心架构如下图所示微处理器核心架构如下图所示2021-11-20电气与信息学院 李 鸿80ARM 940TARM 940T微处理器核心架构图微处理器核心架构图 4K字节指令快取内存4K字节数

60、据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处2021-11-20电气与信息学院 李 鸿81ARM920TARM920T微处理器核心架构图微处理器核心架构图 4K字节指令快取内存4K字节数据快取内存ARM9TDMI微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处EMI接口2021-11-20电气与信息学院 李 鸿82(3) (3) ARM 10 Thumb ARM 10 Thumb 系列系列 针对更强大的多媒体市场及更有效率的即时针对更强大的多媒体市场及更有效率的即时数据处理等用途所设计的数据处理等用途所设计的ARM RISC 64ARM RISC 64位架构位架构