嵌入式开发课件1

1、嵌入式系统开发及应用嵌入嵌入式系式系统开统开发及发及应用应用嵌入式系统开发及应用第一章第一章 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识重点：重点：嵌入式系统开发及应用1.1 1.1 嵌入式系统的定义和组成嵌入式系统的定义和组成定义：定义： 以应用为中心、以计算机技术为基础，软件以应用为中心、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。本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。三个要素：三个要素： 嵌入性、嵌入性、 专用性、专用性、 计算机系统。计算机系统。嵌入式系统开发及应用组成组成嵌入式嵌入式系

2、统系统嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统执行装置执行装置（被控对象）（被控对象）嵌入式系统开发及应用1 1硬件层硬件层 以嵌入以嵌入式微处理器为式微处理器为中心，包含电中心，包含电源电路、时钟源电路、时钟电路和复位电路和复位电电路，其中操作路，其中操作系统和应用程系统和应用程序序固化在固化在存储存储器器中。中。嵌入式系统开发及应用（1 1）嵌入式微处理）嵌入式微处理 器器 嵌入式微处嵌入式微处理器是嵌入式系理器是嵌入式系统硬件层的核心。统硬件层的核心。嵌入式微处理器嵌入式微处理器的选择根据具体的选择根据具体的应用决定。的应用决定。（2 2）存储器）存储器 嵌入式系统开发及应用2 2中间层中间层包

3、括大部分与硬件联系包括大部分与硬件联系紧密的软件模块。上层软件开紧密的软件模块。上层软件开发人员无需关心底层硬件的具发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据中间层提供的接体情况，根据中间层提供的接口即可进行开发。口即可进行开发。嵌入式系统开发及应用3 3系统软件层系统软件层包含实时多任务包含实时多任务操作操作系统系统（Real-time Real-time Operation SystemOperation System，RTOSRTOS） 操作系统是控制其他操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的并为用户提供操作界面的系统软件的集合。系统软件的集合。

4、 嵌入式系统开发及应用 4 4应用软件层应用软件层由所开发的应用程序组成，面向被控对象由所开发的应用程序组成，面向被控对象 和用户。应用软件层提供一个友好的人机界面。和用户。应用软件层提供一个友好的人机界面。嵌入式系统开发及应用1.2 1.2 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构1.2.1 1.2.1 冯冯诺依曼结构诺依曼结构 与哈佛结构与哈佛结构1 1冯冯诺依曼（诺依曼（von Neumannvon Neumann）结）结构构 冯冯诺依曼结构的计算机由诺依曼结构的计算机由CPUCPU和存储器构成，其程序和数和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令据共用一个存储空间，程序指

5、令存储地址和数据存储地址指向同存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。一个存储器的不同物理位置。嵌入式系统开发及应用2 2哈佛哈佛（HarvardHarvard）结）结构构 哈佛结构的主要特点是哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。系统中立编址、独立访问。系统中具有具有程序的数据总线与地址程序的数据总线与地址总线总线，数据的数据总线与地数据的数据总线与地址总线址总线。这种分离的程序总。这种分

6、离的程序总线和数据总线可允许在一个线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从数（来自数据存储器），从而提高执行速度。而提高执行速度。嵌入式系统开发及应用1.2.2 1.2.2 精简指令集计算机精简指令集计算机 复杂指令集（复杂指令集（Complex Instruction Set Complex Instruction Set ComputerComputer，CISCCISC）体系。）体系。 大概有大概有20%20%的比较简单的指令被反复使用。的比较简单的指令被反复使用。 精简指令集（精简指

7、令集（Reduced Instruction Set Reduced Instruction Set ComputerComputer，RISCRISC）体系）体系 优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减的指令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类。少指令格式和寻址方式种类。 嵌入式系统开发及应用1.2.3 1.2.3 流水线技术流水线技术 指令流水线是将一条指令分解成指令流水线是将一条指令分解成m m个子过程，个子过程，每个子过程的执行时间都一样，则利用此条流水每个子过程的执行时间都一样，则

8、利用此条流水线可将一条指令的执行时间由原来的线可将一条指令的执行时间由原来的T T缩短为缩短为T T/ /m m嵌入式系统开发及应用1.2.4 1.2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序 字长为字长为n n位的微处理器，它的虚拟地址范围位的微处理器，它的虚拟地址范围为为0 02 2n n-1-1。3232位的微处理器，可访问的虚拟位的微处理器，可访问的虚拟地址空间为地址空间为4GB4GB。多字节类型的数据，有两种。多字节类型的数据，有两种存放方法。存放方法。嵌入式系统开发及应用1.3 1.3 嵌入式微处理嵌入式微处理器的结构和类型器的结构和类型 一般把一般把1616位及位及以下的称为以下

9、的称为嵌入式嵌入式微控制器微控制器，3232位及位及以上的称为以上的称为嵌入式嵌入式微处理器微处理器。 嵌入式系统开发及应用1.3.1 1.3.1 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（Micro Micro Controller UnitController Unit，MCUMCU）又称）又称为单片机。为单片机。 芯片内部集成芯片内部集成ROMROM、RAMRAM、总线看门狗、总线看门狗、I/OI/O、串行口、脉、串行口、脉宽调制输出（宽调制输出（PWMPWM）、）、A/DA/D 嵌入式微控制器具有单片嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低，化、体积小、功耗和

10、成本低，可系统市场份额的可系统市场份额的7070。 嵌入式系统开发及应用1.3.2 1.3.2 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（Embedded Micro Embedded Micro Processing UnitProcessing Unit，EMPUEMPU）把）把CPUCPU、ROMROM、RAMRAM及及I/OI/O等做到同一个芯片上。等做到同一个芯片上。3232位微处理器采用位微处理器采用3232位的地址和数据总线，地址空间达到位的地址和数据总线，地址空间达到4GB4GB。 目前主流的目前主流的3232位嵌入式微处理器系列主位嵌入式微处理器系列主要有

11、要有ARMARM系列等。系列等。 ARMARM（Advanced RISC MachineAdvanced RISC Machine）公司的）公司的微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的领域领先的3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC微处理器结构。微处理器结构。 目前，70%的移动电话、手持PC采用了ARM处理器，许多芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI等公司。嵌入式系统开发及应用1.3.3 1.3.3 嵌入式嵌入式DSPDSP处理器处理器 嵌入式嵌入式DSPDSP处理器（处理器（Digital Signal D

12、igital Signal ProcessorProcessor，DSPDSP）是专门用于信号处理方面的）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的流水线操作，提供特殊的DSPDSP指令，可用来快速指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的比最快的CPUCPU还快还快10-5010-50倍。倍。嵌入式系统开发及应用1.3.4 1.3.4 嵌入式片上系统嵌入式片上系统 嵌入

13、式片上系统（嵌入式片上系统（System On ChipSystem On Chip，SOCSOC）最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，而且具在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，而且具有极高的综合性，在一个芯片内部运用有极高的综合性，在一个芯片内部运用VHDLVHDL等硬等硬件描述语言，即可实现一个复杂的系统。与传统件描述语言，即可实现一个复杂的系统。与传统的系统设计不同，用户不需要绘制庞大复杂的电的系统设计不同，用户不需要绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语路板，一点点地连接焊制，只需要

14、使用精确的语言，通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行言，通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产，设计生产效率高。生产，设计生产效率高。嵌入式系统开发及应用1.3.5 1.3.5 多核处理器多核处理器 将两个或多个将两个或多个CPUCPU核封装在一个芯片内核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。能显著提高处理器的性能。嵌入式系统开发及应用思考题思考题（1 1）嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯）嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺诺 依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可

15、 以选用精简指令系统或复杂指令系统。（以选用精简指令系统或复杂指令系统。（ ）（2 2）低字节数据存放在内存高地址处，高字节数）低字节数据存放在内存高地址处，高字节数 据存放在内存低地址处，称为小端字节顺序据存放在内存低地址处，称为小端字节顺序 存储法。存储法。 （ ）（3 3）嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核）嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核 心，可以分为硬件层、中间层、（心，可以分为硬件层、中间层、（ ）软件）软件 层和（层和（ ）软件层。）软件层。嵌入式系统开发及应用（4 4）什么是嵌入式系统？）什么是嵌入式系统？答：答：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件以应用为中心、以计算

16、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、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成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。统。（5 5）什么是操作系统？）什么是操作系统？ 操作系统在操作系统在“硬件层、硬件层、中间层、系统软件层、应用软件层中间层、系统软件层、应用软件层”四者中，处四者中，处于哪两层之间？于哪两层之间？答：操作系统是控制其他程序运行，管理系统资答：操作系统是控制其他程序运行，管理系统资 源并为用户提供操作界面的系统软件的集合。源并为用户提供操作界面的系统软件的集合。 操作系统处于应用软件层和中间层之间。操作系统处于应用软件层和中间层之间。嵌入式系统开发及应用（6 6）存储一个）存储一个3232位数位数0 x8761650 x876165到到2000H2000H2003H2003H四四 个字节单元中，若以小端模式存储，则个字节单元中，若以小端模式存储，则 2000H 2000H存储单元的内容为（存储单元的内