单片机嵌入式系统原理及应用ch1课件

1、1机械工业出版社单片机嵌入式系统原理和应用 第1章 单片机嵌入式系统简介2主要内容1.1 单片机嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统中的处理器 1.3 单片机的类型1.4 ATMEL公司生产的单片机1.5 嵌入式系统中的操作系统1.6 嵌入式系统和单片机发展趋势附录1 学习单片机应用系统需要明确的问题31.1单片机嵌入式系统定义1.1.1通用计算机系统和嵌入式系统4通用微处理器vs.单片机通用系统vs. 嵌入式系统注意:嵌入式计算机系统的资源要比通用计算机资源少得多，例如，通用计算机系统的内存通常为几个GBytes，而嵌入式系统的内存容量从几十Bytes到几十或几百Kbytes不等；嵌入式系统发

2、生故障的后果要比通用机的后果严重的多；嵌入式系统一般采用实时系统；嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持，而通用机仅有Intel、AMD等少数厂家微处理器的支持。51.1.2 嵌入式系统定义嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：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

3、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。6首先，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才具有生命力、才更具有优势，换句话说，嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，例如鼠标、键盘、显示器、智能手机、扫描仪、复印机、医疗B超系统、生产线上的机器人、车站/机场危险品探测仪等等，其内部均嵌入了不同的单片机及其软件，是和应用紧密结合的嵌入式计算机专用系统。7其次，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这决定了不同的嵌入式系统具有不同的定位，例如，安卓(Android)系统占据了美国智能手机市场50

4、.1%的份额(截止2012年4月4日)，就是因为其立足于平板电脑、手机等移动产品，人机界面好，易操作，配套应用软件多；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。8第三，根据应用需求，对通用的软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求，是目前嵌入式系统的开发模式。例如，飞思卡尔公司开发了只有6引脚的MC9RS08KA1单片机，RS08内核，使应用系统体积、功耗大大降低，特别适合于玩具、家电等低端低功耗场合的应用；而ENEA公司开发的OSE分布式系统，内核只有5k，而Windows CE的内核则要大得多。9实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的

5、名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，比如，嵌入了PLC的工业控制系统，也可以称作嵌入式系统。但是，科技人员所讲的嵌入式系统，是指比较热门的、具有操作系统的单片机嵌入式系统，本书沿用这一观点。101.1.3 嵌入式系统分类根据其实时性的强弱可分为：具有强实时性的嵌入式系统，系统响应时间在微秒级或毫秒级；具有弱实时性特点的嵌入式系统，响应时间在毫秒到几秒之间；没有实时性的嵌入式系统，响应时间在几十秒或更长时间。11根据软件结构分类，可分为：循环轮询系统，程序依次检查每个输入条件，一旦条件成立，就进行相应的处理，是最简单的嵌入式系统；事件驱动系统，对外部事件直接响

6、应的系统，包括前后台系统、实时多任务系统、多处理器系统等，是嵌入式系统的主要形式。根据规模大小的不同，可分为：小规模系统；中等规模系统；大规模系统。12小型嵌入式系统，采用8位或者16位的单片机设计；硬件和软件复杂度很小，甚至电池可以驱动。开发小型嵌入式系统软件的主要编程工具，是所使用的单片机或者处理器专用的编辑器、汇编器(assembler)和交叉汇编器。通常利用C语言来开发其软件，C程序被编译为机器语言，然后存放到系统存储器的适当位置上。13中型嵌入式系统，采用16位或者32位的单片机、DSP或者精简指令集计算机(RISC)设计；硬件和软件复杂度都比较大，可以使用RTOS(Real Tim

7、e Operating System)，源代码设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境(IDE)等编程工具。14复杂嵌入式系统，软件和硬件都非常复杂，需要可升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列。硬件和软件需要协同设计，并且都集成到最终的系统中。为了节约时间并提高运行速度，可以在硬件中实现一定的软件功能，例如加密和解密算法、离散余弦变换和逆变换算法、TCP/IP协议栈和网络驱动程序功能。系统中某些硬件资源的功能也可以用软件来实现。151.2嵌入式系统中的处理器1.2.1 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。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然

8、其价格也相应较高，通常适合大型、高性能的嵌入式计算机系统，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式处理器片内不包含数据存储器、程序存储器，以及I/O接口电路，用户需要另外选择相应的接口电路。一般而言，嵌入式微处理器软硬件系统复杂，设计难度大，对设计者要求高。161.2.2 嵌入式单片机嵌入式系统是单片机应用的主战场。所谓“单片机”就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上，包括CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、并行口(Parallel Port)、串行口(Serial

9、Port)、定时器计数器(Timer/Counter)、中断系统(Interrupt System)、系统时钟及系统总线。17当前，为控制方便，单片机增加了各种控制部件，如片内A/D、PWM、PCA计数器捕获/比较逻辑、高速I/O口、WDT等，其内涵早已突破了传统Microcomputer的内容，成为Microcontrollers。在国外“单片机”一词早已被“微控制器”所替代。在国内仍习惯这一叫法，但应把它认为是一个单片形态的微控制器，而不是单片微型计算机。18单片机以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。如键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、调制解调器、网卡、声卡、打印机、扫描

10、仪、数字相机、USB集线器等均是由单片机控制的。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单片机的应用领域。19单片机生产厂家众多，如Atmel、NXP、Freescale、TI、Microchip等；品种众多：按字长分，有8位、16位、32位单片机，预计不久会出现64位单片机；按内核类型分，有8051核单片机和非8051内核单片机；有以ARM为内核的单片机；按内核数量分，有单核、双核、多核单片机；按内存类型分，有Flash单片机和非Flash单片机，哈佛结构和冯诺依曼结构；按指令分类，有CISC和RISC单片机；按用途分，有通用型和专用型单

11、片机；按引脚数量分，有多引脚和少引脚(6引脚)单片机；根据可靠性类，有民用、工业用和军用之分。详细内容见1.3节。201.2.3 数字信号处理器在需要进行信号处理的嵌入式系统，需要选择数字信号处理器(DSP)，包括图像处理、多媒体、音频、视频、电机控制、HDTV、DSP调制解调器和无线电通信处理系统、快速识别图像模式或DNA序列。主要的DSP生产厂家有TI、Analog Device、Freescale。其中，TI公司的DSP约占市场份额的50%以上，有C2000系列、C5000系列、C6000系列、DaVinci 数字视频处理器，其中，C2000包括16位定点和32位定点DSP，集成了许多外

12、设，提供了一种独特的片上外设组合方式，主要用于工业控制、自动控制应用、光纤网络、手持电源、智能传感器等场合，比8位或16位单片机具有更大的灵活性。211.2.4 专用系统处理器这种系统在其设计中集成了专用系统处理器ASSP(Application Specific Standard Processor)芯片或核。假设有一个实时视频处理嵌入式系统。嵌入式系统中需要进行实时处理的功能包括数字电视、高清电视解码器、视频转接器、DVD(Digital Video Disc，数字视频光盘)播放、网络电话、视频会议和其他一些系统。22这种处理需要一个视频压缩和解压缩系统，需要符合MPEG2或者MPEG4标

13、准(MPEG是Motionpicture Expert Group的缩写，即移动图像专家组)。MPEG2或者MPEG4的信号压缩是在存储和传送之前完成的；解压缩是在取回或者接收这些信号之前完成的。对于MPEG压缩算法，如果运行了一个GPP嵌入式软件，则需要单独的DSP，以获得实时处理。专用于这些特定任务的ASSP本身就能够提供一种快速解决方法。需要对ASSP进行配置，使其与嵌入式系统中的其他单元进行接口231.2.5多处理器系统在一个嵌入式系统中，可能需要多个处理器在严格的时间期限内快速执行一个算法。例如，在实时视频处理中，一秒钟内需要执行多次的MAC操作，这超出了一个DSP单元的处理能力。那

14、么嵌入式系统就必须集成两个或者多个同步运行的处理器。在一个便携式电话中，必须执行多项任务：(a)语音信号压缩和编码；(b)拨号；(c)调制和发送；(d)解调和接收；(e)信号解码和解压缩；(f)小键盘接口和显示接口处理；(g)基于短消息服务(SMS)协议的通信；(h)SMS消息显示。对于所有的这些任务，一个处理器是不够的。需要多个处理器同步执行。241.3 单片机的类型1.3.18位、16位、32位单片机1.3.1.1 8位单片机最早的单片机是美国仙童(Fairchild)公司生产的F8单片机，仅包括8位CPU、64Bytes的RAM和2个并行口，需另加一块3851(由1Kbytes ROM,

15、 定时器/计数器和2个并行I/O口构成)才能构成一台完整的计算机。随后，Intel公司设计制造了MCS-48单片机，这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器计数器、RAM和ROM等。不足之处是没有串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。25在MCS-48的基础上，Intel公司推出了高性能单片机MCS-51单片机，带有串行口、多级中断系统，16位定时器计数器，片内ROM、RAM容量大，寻址范围可达64K。上世纪80年代中期，Intel公司业务调整，停止生产单片机，并出售了MCS-51单片机内核，众多厂家如NXP(前身是飞利浦半导体)、Atme

16、l、ST公司，在标准MCS-51单片机内核的基础上，增加了新的功能，形成了自己的特色，如Atmel的Flash系列单片机，NXP系列单片机，速度最快功能最强的C8051F系列单片机等等。以MCS-51为内核的单片机市场份额占8位单片机市场份额的50%以上，也是单片机教育入门首选机型。26飞思卡尔是世界上最大的单片机供应商，其8位单片机的产量一直居世界第一位，约占整个国际市场的1/3左右。根据freescale 2012年8月发布的产品信息，freescale目前推广的单片机共5大系列：以S08 CPU 为内核的系列单片机；以RS08 CPU为内核的系列单片机；以HC08 CPU为内核的系列单片

17、机；8位智能分布控制器；旧的HC05系列；旧的HC11系列。预计在不久将来旧的HC05系列和HC11系列被淘汰。271.3.1.2 16位单片机8位单片机只能在低端场合应用，中高端场合就要选择16位单片机。TI公司生产的MSP430 x1xx 系列是超低功耗 16 位微控制器，广泛适用于消费类电子产品、数据记录应用、便携式医疗仪器等。MSP430 x1xx系列单片机有5种低功耗操作模式， RAM在保持模式下，仅消耗0.1A电流；在实时时钟模式仅消耗0.7A；可在6s内从待机模式快速唤醒；接口丰富，Flash存储量大，是比较流行的16位单片机，在国内有大量的用户。28如同在8位单片机领域，Fre

18、escale公司同样生产了型号众多、性能卓越、适用面广的16位单片机。根据2012年第3季度的发布的产品信息，Freescale 共生产5大类16位单片机：S12 MagniV混合信号MCU、S12和S12X微控制器、HC16 微控制器、56800/E 数字信号控制器、HC12(旧产品)。广泛适用于汽车、消费电子、节能、工业控制、医疗设备、电机控制等领域。291.3.1.3 32位单片机32位单片机一次能完成32位二进制运算，具有极高的数据处理能力，也是为嵌入式控制应用而设计的。32位单片机有包含片内存储器的嵌入式微控制器Embedded Microcontroller和不包含存储器的嵌入式微

19、处理器Embedded Processor。为了简便，统称为单片机。Intel携台式机领域CPU的绝对优势，推出了众多的嵌入式微处理器及与其配套的各种型号的嵌入式闪存、芯片组,如Intel I/O处理器、网络处理器、应用处理器、Intel架构处理器，广泛应用于无线通讯、服务器、网络、网关。目前，Intel主推“凌动”、“酷睿”、“至强”三大系列嵌入式微处理器。30ARM单片机 ARM即Advanced RISC Machine的缩写，ARM公司是1990年成立的设计公司。ARM是知识产权供应商，本身不生产芯片，由合作伙伴生产各具特色的芯片。作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商，AR

20、M公司商业模式的强大之处在于它在世界范围内的合作伙伴超过100个，其中包括半导体工业的著名公司，如NXP、ATMEL等，从而使其具有大量的开发工具和丰富的第三方资源，他们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投入市场。ARM处理器的3大特点：耗电少、成本低、功能强；16/32位双指令集；众多合作伙伴保证芯片供应。31Atmel公司是率先在32位微控制器中使用ARM核的公司。它的AT91SAM系列产品继承了AT89和AT90系列的结构特点，片内具有我们熟悉的Flash存储器、定时器计数器、并行口、串行口和中断控制器等。Atmel公司还提供AT91集成函数库，用C语言和汇编语言设计并提供源代码

21、，非常便于芯片的编程。目前，ARM公司在32位RISC处理器市场占有的份额超过了75%；尤其需要注意的是，由于ARM单片机价格的降低，开发资源不断增多，ARM单片机正不断挤压8位和16位单片机的市场份额。321.3.2 CISC和RISC结构单片机CISC 的全称是 complex instruction set computer, 复杂指令集计算机, 它的 CPU 通过微代码去执行大量功能各异的指令。这些指令的长度是不固定的, 甚至形式也不尽相同, 这就意味着需要复杂的电路来编译它们。广泛使用的80C51的单片机、68HC系列单片机均是CISC结构。这种类型的单片机编程容易，编程语言有汇编、

22、C语言。RISC的全称是 reduced instruction set computer，精简指令集计算机, 它只保留了数量很少的指令, 而 CPU的逻辑线路设计为这些指令进行了优化, 最终结果是在处理部分应用时效率较 CISC 来得高, 而且这种 CPU 更容易设计, 因此成本会比较低。这种类型的单片机一般使用高级语言编程，如C、C+等。331.3.3 单核、双核、三核单片机单核单片机只有一个CPU，双核单片机内有两个CPU，多核单片机内有多个CPU。最常见的8051单片机，即是单核单片机。最早的双核单片机是Freescale在MC9S12系列16位单片机的基础上，增加了协处理器XGate

23、而形成的，该系列单片机的主CPU使用的是第一代为双核单片机设计的V1内核及0.25m工艺。随着技术的不断发展和进步，又出现了使用第2代主CPU V2内核及0.18m工艺，性能又有进一步的提升。不久的将来，90nm工艺的下一代S12X单片机就会出现，产品的性价比会进一步提高。图1-2是S12X系列单片机内部结构图，可看出，内部除了包含S12X核之外，还包含XGate协处理器，以处理单片机的I/O接口电路。3435图1-2 S12X系列双核单片机内部结构图在32位单片机领域也开始应用双核技术，使32位单片机功能更加强大，图1-3是Freescale公司的MPC5510单片机的内部结构，可看出其内部

24、有e200z1和e200z0两个内核。3637图1-3 32位双核单片机MPC5510方块图三核单片机TriCore AURIX系列单片机是英飞凌科技股份公司推出的满足汽车行业的动力总成和安全应用的各种要求的全新32位多核单片机系列。全新的AURIX系列的多核架构包含多达三颗独立32位TriCore处理内核，可满足业界的最高安全标准。此外，相比于现有的器件，其性能提升一倍。由于具备出色的实时性能，以及嵌入式安全与防护功能，AURIX系列成为诸多汽车应用譬如内燃机、电动汽的首选。图1-4是英飞凌TriCore 3核单片机方框图。3839 图1-4 英飞凌TriCore 3核单片机方框图双核、三核

25、甚至多核单片机，在要求高的嵌入式系统场合，如电机调速、汽车驾驶、航空飞行器、低功耗、小体积，将得到广泛的应用，已经成为单片机重要的发展方向。401.3.4 JTAG接口在线调试单片机调试程序是开发嵌入式系统必不可少的步骤。JTAG(Joint Test Action Group ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试， JTAG 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP (Test Access Port ，测试访问口)，通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。 JTAG接口实现了嵌入式系统的在线仿真、调试、

26、程序下载，而不必将芯片从电路板上取下。41大多数单片机都支持 JTAG 协议，如 C8051F系列、AVR系列、ARM系列、 DSP 等。标准的 JTAG 接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。目前JTAG接口的连接有两种标准，即 14针接口和20针接口，其14针定义如下所示，20针脚的JTAG定义接口参见相关资料。4214针JTAG接口定义引脚名称描述： 1 、 13 VCC 接电源 2 、 4 、 6 、 8 、 10 、 14 GND 接地 3 nTRST 测试系统复位信号 5 TDI 测试数据串行输入 7 TMS 测试

27、模式选择 9 TCK 测试时钟 11TDO 测试数据串行输出 12 NC 未连接431.3.5 总线型单片机和非总线型单片机总线型单片机：单片机有并行地址总线、数据总线和控制总线外部引脚，可以用来并行扩展外围器件。例如AT89S51就是总线型单片机，它集成了控制总线和地址、数据总线，可以扩展外部存储器、外部设备。非总线型单片机：单片机没有集成总线，无并行地址总线、数据总线和控制总线外部引脚，不能并行扩展外围器件，不能通过总线方式控制，如AT89S2051。非总线型单片机将需要的外部器件及外设接口集成在单片机内，省去原用于并行扩展的地址总线、数据总线和无用的控制端线，减少了芯片引脚数和芯片体积，

28、若需要扩展时可通过串行口扩展。随着串行技术和Flash技术的发展，非总线型单片机已成为单片机技术重要的发展方向。441.3.6 专用型单片机通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程。通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。通常所说的和本书所介绍的单片机是指通用型单片机。45然而，在单片机的测控应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如，专用于电机控制的单片机、各种通讯设备和家用电器中的单片机等。这种“专用”单片机针对性强且用量

29、大，为此，用户常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用的单片机芯片是针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和设计，所以专用的单片机具有十分明显的综合优势。46随着单片机应用的广泛和深入，各种专用单片机芯片将会越来越多，并且必将成为今后单片机发展的一个重要方向。但是，无论专用单片机在应用上有多么“专”，然而，其原理和结构都是以通用单片机为基础的。47481.3.7 单片机按存储器类型分类冯诺易曼结构(Von Neuman): 数据存储器和程序存储器统一编址哈佛结构(Harvard

30、): 数据存储器和程序存储器分别编址 8051单片机属于哈佛结构1.4 ATMEL公司生产的单片机1.4.1 以8051为内核的8位单片机(1)具有ISP (In-System Programmable)Flash 存储器的通用8位单片机；(2) 具有ISP Flash 存储器的通用8位单周期内核单片机；(3)具有Flash 存储器的通用8位单片机；(4)具有CAN网络接口的8位单片机；(5)具有USB接口的8位单片机；(6)照明控制单片机；(7)无ROM单片机；4950511.低档型AT89系列单片机的基本特性低档型AT89系列单片机主要有2个型号：AT89S2051、AT89S4051。和

31、MCS-51兼容；2k Bytes的ISP程序存储器-串行接口下载；运行电压2.7-5.5V；全静态操作模式：024MHz；两级程序存储器锁；2568内部RAM；15条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行UART；直接驱动LED；可选择中断的在片模拟比较器；8位PWM；低功耗空闲模式和掉电模式；掉电复位；具有帧错误检测和自动寻址识别的增强型UART；内部上电复位；掉电模式从中断可恢复；可选择的2时钟选项；4级增强型中断控制器；掉电标志；灵活的编程方式；用户签名标志页(32字节)。5253图1-5 AT89S2051的引脚排列AT89S4051单片机和AT89S205

32、1单片机的引脚完全相同，只是内部的ISP Flash由2k变为4k。2.标准型AT89系列单片机的基本特性标准型AT89系列单片机包括AT89S51、AT89S52、AT89S8253以及低电压型号AT89LS51、AT89LS52。由于标准型AT89系列单片机与MCS-51完全兼容，又有着优良特性以及较高的性价比，因此，成为AT89系列单片机家族的主流机型。AT89S51的主要工作特性如下：和MCS-51兼容；4k Bytes的ISP程序存储器-串行接口下载；运行电压4.0-5.5V；全静态操作模式：033MHz；3级程序存储器锁；1288内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/

33、计数器；6个中断源；全双工串行UART；低功耗空闲模式和掉电模式；从掉电模式中断可恢复；看门狗定时器；双数据指针；掉电标志；灵活的编程方式。54AT89S52除程序存储器为8k、内部RAM为256字节、定时器由两个增加到3个、中断源由6个增加到8个、中断矢量由5个增加到6个之外，其它和AT89S51基本相同。而AT89S8253的程序存储器有12k。AT89LS51、AT89LS52除工作电压为2.7V 4.0V外，其它特性和AT89S51、AT89S52类似。553.高档型AT89系列单片机的基本特性高档型AT89系列单片机约有10个型号，主要包括AT89C51RE2、AT89C51RD2、

34、AT89C51RC2、AT89C51RB2、AT89C51ID2、AT89C51IC2、AT89C51ED2、AT89C51AC3、AT89C51AC2、AT89C5115等型号，限于篇幅，只给出AT89C51RD2的主要特性，读者不难从中体会到功能的强大：和80C52兼容：6个8位I/O端口(64引脚和68引脚)；4个8位I/O端口(44引脚)；256字节RAM；4个优先级9个中断源；电源内部监控；2048字节Boot ROM，包含低级别的Flash编程例程和默认的串行装载器；56高速架构在标准模式40MHz(Vcc在 2.7V 5.5V之间，执行内部和外部代码)60MHz(Vcc在 4.5

35、V 5.5V之间，仅执行内部代码)在2 模式20MHz(Vcc在 2.7V 5.5V之间，执行内部和外部代码)30MHz(Vcc在 4.5V 5.5V之间，仅执行内部代码)64K Bytes在片Flash程序/数据存储器在片1792 Bytes扩展RAM57双数据指针对于慢速RAM或外设的可变长度MOVX指令键盘中断接口SPI接口8位时钟预标定器16位可编程计数器阵列：高速输出；比较/捕获；脉冲宽度调制；看门狗定时器异步端口复位全双工增强型UART低EMI(禁止ALE)硬件Watchdog Timer空闲模式和节电模式电压2.7V 5.5V581.4.2 精简指令集AVR单片机AVR单片机是1

36、997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC高速8/16/32位单片机。AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR的主要特点是高可靠性、高速度、低功耗和低价位：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； 芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；支持在线编程烧写(ISP)；内置多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等电路，零外围电路也可以工作；每个I/O口都可以用推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资源丰富，一般都集成A/D、D/A转换器、PWM输出通道、SPI接口、UART接口、

37、I2C通信接口；中断资源丰富；可用C语言编程；适合于中等规模的嵌入式系统。59AVR单片机实例例如，AVR单片机ATmega6490，内有64KB ISP Flash存储器，4KB SRAM, 2KB EEPROM, 4x 40 LCD段驱动，68可编程I/O线，8通道10位A/D转换器，JTAG接口在线调试，供电电压为2.7-5.5 Volts，在16MHz时运行速度可达16MIPS，外部中断源可达32，两个SPI接口，1个I2C接口，1个UART接口，4个PWM通道，读者不难体会其功能强大。601.4.3基于ARM的32位单片机根据2012年8月ATMEL发布的产品，除了早期的基于ARM的

38、32位单片机AT91系列，最新的基于ARM的32位单片机共有15个系列，从SAM3N到SAM9M，广泛应用于中高档各类嵌入式系统。为节省篇幅，这里仅给出SAM3N的模块图，如图1-6所示。6162 图1-6 ATMEL SAM3N系列32位单片机方框图1.5嵌入式系统中的操作系统1.5.1嵌入式操作系统运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件就叫做嵌入式操作系统。由于嵌入式操作系统的硬件特点、应用环境的多样性和开发手段的特殊性，使它与普通的操作系统有着很大的不同，其主要特点如下：微型化。嵌入式系统芯片内部存储器的容量通常不会很大(1MB以

39、内)，一般也不配置外存，加上电源的容量较小(常用电池甚至微型电池供电)以及外部设备的多样化，因而不允许嵌入式操作系统占用较多的资源，所以在保证应用功能的前提下，嵌入式操作系统的规模越小越好。63可裁剪性。嵌入式操作系统运行的硬件平台多种多样，其宿主对象更是五花八门，所以要求嵌入式操作系统中提供的各个功能模块可以让用户根据需要选择使用，即要求它具有良好的可裁剪性。实时性。目前，嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合，这些应用的共同特点就是要求系统能快速响应事件，因此要求嵌入式操作系统要有较强的实时性。高可靠性。嵌入式系统广泛应用于军事武器、航空航天、交通运输、重要的生产设备领

40、域，所以要求嵌入式操作系统必须有极高的可靠性，对关键、要害的应用还要提供必要的容错和防错措施，以进一步提高系统的可靠性。易移植性。为了适应多种多样的硬件平台，嵌入式操作系统应在不做大量修改的情况下稳定地运行于不同的平台。64按嵌入式操作系统的应用范围划分，可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌入式操作系统。通用型嵌入式操作系统可用于多种应用环境，例如常见的Windows CE,VxWorks、CLinux及本书第11章要介绍的RTX等；专用型嵌入式操作系统则用于一些特定的领域，例如移动电话的Symbian、Android、手持数字设备(PDA)的Palm OS等。由于嵌入式系统存储器的容量较小，

41、因此嵌入式系统的软件一般只有操作系统和应用软件两个层次。嵌入式操作系统在系统中的地位如图1-7所示。6566 图1-7 嵌入式操作系统在系统中的地位1.5.2 实时操作系统实时含有立即、及时之意。如果操作系统能使计算机系统及时响应外部事件的请求，并能及时控制所有实时设备与实时任务协调运行，且能在一个规定的时间内完成对事件的处理，那么这种操作系统就是一个实时操作系统(Real Time Operation System，RTOS)。对实时系统有两个基本要求：第一，实时系统的计算必须产生正确的结果，称为逻辑或功能正确(Logical or Functional Correctness)；第二，实时

42、系统的计算必须在预定的周期内完成，称为时间正确(Timing Correctness)。67如同节1.1.3，实时操作系统又分为强实时操作系统和弱实时操作系统两种。如果要求系统必须在极严格的时间内完成实时任务，那么这样的系统就叫做强实时操作系统。对于硬实时系统来说，超过截止时间计算出来的正确结果和错误的计算结果都是不能容忍的，因为事故已经发生了，结果再正确也没有什么用途了。相对来说，如果系统完成实时任务的截止时间要求不是十分严格，那么这种系统就叫做弱实时系统。也就是说，弱实时系统对于计算超时具有一定的容忍度，超过允许计算时间得到的运算结果不会完全没有用途，只是这个结果的可信度要有某种程度的降低。681.5.3分时操作系统如果操作系统按管理的任务数把CPU分成若干个时间片，将每个时间片分配给一个任务,CPU按时间片轮流执行这些任务，那么这种操作系统就叫做分时操作系统。691.5.4嵌入式实时操作系统需要满足的条件1.多任务计算机在执行应用程序时，经常要用I/O设备进行数据的输入和输出，而I/O设备在工作时总是需要一段时间的。于是在I/O设备工作期间，如果CPU没有其他任务，那么就只能等待，