嵌入式系统导论课件

1、嵌入式系统原理及应用 Embedded Systems Principle and Application一、理论教学内容安排 嵌入式系统导论 ARM体系结构 ARM指令介绍 基于ARM的嵌入式软件开发基础 S3C44B0X硬件结构及功能 S3C44B0X接口电路设计与编程二、实验教学内容安排 基于ARM的嵌入式软件开发基础实验 基础实验(4) 基于S3C44B0X的嵌入式系统硬件接口实验 基本接口(4)和人机交互接口实验(4)三、教材嵌入式系统开发与应用教程嵌入式系统开发与应用实验教程(第2版) 田泽 北京航天航空大学出版社第一章 嵌入式系统导论 嵌入式系统概述 嵌入式系统的组成结构 嵌入式

2、系统的开发流程第一节 嵌入式系统概述 嵌入式计算机 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用范围1. 通用计算机 其典型产品为PC2. 嵌入式计算机 非通用计算机的计算机嵌入式计算机。 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。后PC时代产品的蓬勃发展后PC时代产品的蓬勃发展第一节 嵌入式系统概述 嵌入式计算机 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用范围二、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。2. 国内对嵌入式系统的定义 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

3、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。第一节 嵌入式系统概述 嵌入式计算机 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用范围 1. 是“专用”的计算机系统 嵌入式系统通常是面向特定任务的，而不同于一般通用PC计算平台，是“专用”的计算机系统； 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。 2. 运行环境差异很大 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。

4、 3. 比通用PC系统资源少得多 通用PC系统有数不胜数的系统资源。 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。 4.低功耗、体积小、集成度高、成本低 嵌入式系统没有充足的电能供应，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有严格的功耗预算，处理器大部分时间必须工作在降低功耗的“睡眠模式”下，只有在需要任务处理时它才会“醒来”。一般的外部事件通过中

5、断“驱动”、“唤醒”系统工作。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。 5. 具有系统测试和可靠性评估体系 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。 7. 具有固化在非易失性存储器中的代码 嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性存储器(ROM/EPROM/EEPROM/FLASH)中。 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

6、)。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。 8.使用实时操作系统RTOS 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。 10.包含专用调试电路 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。嵌入式系统与PC之间的区别 (1) 嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台

7、(2) 嵌入式系统的资源比PC少得多 (3) 嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多 (4) 嵌入式系统一般采用实时操作系统 (5) 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求 (6) 嵌入式系统得到多种微处理体系的支持 (7) 嵌入式系统需要专用的开发工具第一节 嵌入式系统概述 嵌入式计算机 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用范围四、嵌入式系统的分类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

8、工系统)第一节 嵌入式系统概述 嵌入式计算机 嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的应用范围五、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.嵌入式技术无处不在 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。 在工业和服务领域中。消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络嵌入式技术无处不在Bush收音机 7个晶体管单二极管Evoke DAB收音机1亿个晶体管2-3个嵌入式处理器BTH矿石收音机 单二极管192319572002 2.

9、崭新的数字世界多彩的嵌入式应用 无线电的发展电话的发展电话 无晶体管BT DECT 1千万个晶体管3个处理器诺基亚手机 超过7亿个晶体管(多数用于存储器)5-6个处理器194020012002计算机的发展Apple Macintosh 黑白显示器1 MIP 处理器惠普康柏掌上电脑 彩色显示200 MIP 处理器64MB 内存 袖珍型Acorn Archimedes彩色显示器10 MIP 处理器 RISC集+=航海仪器的发展地图、时钟、指南针 印刷及磁技术无晶体管GarminGPS定位器 约1亿个晶体管2-3个处理器 + 4个人造卫星!Raytheon 船用航海仪器175919992002日用电

10、器的发展Apple IPOD 100 张CDs袖珍型四处理器HP 1315 照片质量彩色打印机双处理器GameBoy Advance 手持式彩色联网型双处理器其它产品的发展Seagate Cheetah X15Disc on KeySagem MorphoSmartKonica Revio我们正步入一个崭新的“数字世界”无线连接是“数字胶水”嵌入式应用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如：手持设备市场。2000年

11、的全球产销量为1290万部，而到今年时预计将为6340万部。 嵌入式控制和计算机的芯片使用量比较(个)Source: Semico Research Corp 2002 嵌入式产品拥有璀璨的明天MCU销售额总计Source: Semico Research Corp 200232位超过8位Lots of Embedded Core Shipments (32bit and above)2003 Total Embedded Core*: 1.48 billion unitsSource: Semico Research Corp, Q1 2004782.8M126.2M119M88.3M* I

12、ncludes all SoC for 32-bit, 64-bit and greater RISC and CISC architectures 46.9M314M2004 ARM Estimated: 1.3 billion工业控制 过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面，大部分低端型设备主要采用是位单片机。 随着技术发展，目前许多设备除了进行实时控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。中国信息家电市场2001年达到500亿700亿元，今年有望达到3500亿5000亿元。国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和70

13、00多万台VCDDVD机。业内分析，未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期，10年总量可望达到11.5亿台，总产值在6001500亿元人民币之间。仅此一项，嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到1015亿元。信息家电信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网络化、智能化等。消费类电子智能玩具、手持通讯的核心交通管理、环境监测交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤

14、坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。加油站、停车场管理智能玩具与机器人汽车电子军事国防领域航天领域1第一章 嵌入式系统导论 嵌入式系统概述 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的开发流程第二节 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。 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。第二节 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统硬件组成 嵌入式操作系统一

15、、嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统硬件基本结构 嵌入式系统软件的层次结构 启动程序BootLoader1.嵌入式系统硬件基本结构 嵌入式系统的硬件架构，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。 以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片(System on chip)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。 可编程片上系统SOPC( System On Programmable Chip ) 结合了SoC和PLD、

16、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能。 现代嵌入式设计是以处理器/SoC/SOPC为核心，完成系统设计的，其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备（电源、连接器、传感器等）构成硬件系统。2.嵌入式系统软件的层次结构 当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，仅有应用程序和设备驱动程序。 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。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，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

17、程序接口(API)层、实际应用程序层。 3.启动程序BootLoader 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。 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S3C44B

18、0X），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。第二节 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统硬件组成 嵌入式操作系统二、嵌入式系统硬件组成 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。嵌入式处理器 嵌入式微处理器(Microprocessor) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit) 嵌入式DSP(Digital Signal Processor)嵌入式片上系统SoC1. 嵌入式处理器(1) 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。 目前的嵌

19、入式处理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola 68000、ARM、MIPS系列等。(2) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称为单片机。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN（控制器局域网）、LCD及众多专用MCU和兼容系列。(3) 嵌入式DSP 嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快

20、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。2. 典型嵌入式处理器介绍 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。 目前比较有影响的嵌入式RISC处理器产品主要有IBM公司的Power PC、MIPS公司的MIPS、Sun

21、公司的Sparc和ARM公司的ARM系列。(1) MIPS处理器 MIPS (Microprocessor without interlocked piped stages) “无内部互锁流水级的微处理器” ，是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。 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。又陆续推出R8000(1994年)、R10000(1996年)和R12000(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。2000年发布了针对MIPS 32 4Kc的新版本以及未来64位MI

22、PS 64 20Kc处理器内核。(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，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PowerPC 750，1997年研制成功，最高工作频率可达到500MHz，采用先进的铜线技术。 嵌入式的PowerPC 405(主频最高为266MHz）和PowerPC 440(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。(3) ARM处理器 ARM(Advanced RISC

23、 Machines) 公司是全球领先的16/32位嵌入式微处理器IP核知识产权设计供应商，自己既不生产芯片也不销售芯片， ARM公司通过转让高性能、低功耗、低成本和高可靠性的RISC处理器核、外围部件和系统级芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。 ARM的微处理器核适用于便携式通讯工具、手持式计算机、多媒体数字消费类产品和嵌入式系统解决方案。 最初ARM是1983到1985年间在英国剑桥的Acorn Computer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

24、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）超过290家合作伙伴支持的标准！ARM2002年的市场份额3. 嵌入式SoC 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。 SoC技术的出现表明了微电子设计由以往的IC(电路集成)

25、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。4. 可编程片上系统SoPC 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，它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技术结合了SoC和PLD、FPGA各自的优点。5.嵌入式外围接口电路和设备接口 嵌入式外围设备

26、，是指在一个嵌入式系统硬件构成中，除了核心控制部件嵌入式微处理器/DSP（或以嵌入式微处理器/DSP为核心的微控制器、SoC）以外的各种存储器、输入/输出接口、人机接口的显示器/键盘、串行通信接口等。 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) 存储器类型静态易失型存储器(RAM，SRAM)动态存储器(DRAM)非易失性存储器ROM(MASK ROM，EPROM，EEPROM，FLASH)硬盘、软盘、CDROM 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。

27、 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。(2) 通信接口 RS-232接口(串口UART) USB接口(通用串行总线接口) IrDA(Infra Red Data Association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(3) 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。(4) 设备扩展接口 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

28、，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。 常用的扩展卡有各种PCMCIA 、 CF卡、SD卡、Memory Stick等。(5) 电源及辅助设备 嵌入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。第二节 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统硬件组成 嵌入式操作系统三、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

29、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。 嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种商用型和免费型 商用型主要有VxWorks、Windows CE 、Psos、Palm OS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等。 免费型的操作系统主要有Linux和C/OS-II，它们在价格方面具有很大的优势。1. C/OS-II 嵌入式操作系统内核 C/OS-II是一个可裁减的、源码开放的、

30、结构小巧、可剥夺型的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能优良和可扩展性强等特点。 C/OS-II中最多可以支持64个任务，实时内核在任何时候都是运行就绪了的最高优先级的任务，是真正的实时操作系统。 C/OS-II包含全部功能编译后的内核仅有610kb，所以它比较适用于小型控制系统。2. WinCE操作系统 Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬实时操作系统。 WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支持 Win32 API子集、多种用户界面硬件

31、、多种的串行和网络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。Microsoft公司为Windows CE提供了Platform Builder和Embedded Visual Studio开发工具。 Windows CE嵌入式操作系统最大的特点是能提供与PC机类似的图形界面和主要的应用程序。 Windows CE嵌入式操作系统的界面显示大多数在Windows里出现的标准部件，包括桌面、任务栏、窗口、图标和控件等等。 这样只要是对PC机上的Windows比较熟悉的用户，可以很快地使用基于Windows CE嵌入式操作系统的嵌入式设备。3. Linux操作系统 Linux类似于UNIX

32、，是一种免费的、源代码完全开放的、符合POSIX标准规范的操作系统。 Linux的系统界面和编程接口与UNIX很相似，所以UNIX程序员可以很容易地从UNIX环境下转移到Linux环境中来。 Linux拥有现代操作系统所具有的内容:真正的抢先式多任务处理、支持多用户、内存保护、虚拟内存、支持对称多处理机SMP(symmetric multiprocessing)、符合POSIX标准、支持TCP/IP、支持绝大多数的32位和64位CPU。 嵌入式Linux版本众多，如支持硬实时的LinuxRT-Linux/RTAI、Embedix、Blue Cat Linux 和Hard Hat Linux等，

33、现在仅简要介绍应用广泛的Clinux。4. CLinux操作系统 Clinux是针对无MMU 微处理器开发的，已经被广泛使用在ColdFire、ARM、MIPS、SPARC、SuperH等等没有MMU的微处理器上。 虽然Clinux的内核要比原Linux 2.0内核小的多, 但保留了Linux 操作系统稳定性好，网络能力优异以及对文件系统的支持等主要优点。 Clinux同标准Linux的最大区别在于 内存管理。 标准Linux是针对有MMU的处理器设计的，在这种处理器上，虚拟地址被送到MMU，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟-物理地址转换映射，支持不同任务之间的保护。 对于Clinux来说，其设计针对没有MMU的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。第一章 嵌入式系统导论 嵌入式系统概述 嵌入式系统的组成结构 嵌入式系统的开发流程第三节 嵌入式系统的开发流程 嵌入式开发的考虑要素 软硬件协同设计 嵌入式开发