计算机软件及应用嵌入式控制系统简介

计算机软件及应用嵌入式控制系统简介第1页/共54页2023/4/2724/27/2023OnlytheParanoidSurviv2先导课程和基础知识先导课程数字逻辑设计基础微机原理汇编/C语言操作系统需要具备的基础知识掌握电工电子和数字逻辑设计基础知识、操作系统和微机原理的基本概念，学过一门汇编或C语言。第2页/共54页2023/4/2734/27/2023OnlytheParanoidSurviv3参考资料ARM体系结构与编程，清华大学出版社，杜春雷嵌入式实时操作系统μC/OS-2,北航出版社,邵贝贝Linux内核完全剖析:基于0.12内核，机械工业出版社，赵炯第3页/共54页2023/4/274第4页/共54页2023/4/275第5页/共54页2023/4/2764/27/2023OnlytheParanoidSurviv6课程内容第1章：嵌入式系统简介（2课时）第2章：ADS1.2开发环境创建与简介（自学+实验）第3章：ARM9芯片S3C2410片上资源（4课时）第4章：S3C2410的中断系统（4课时）第5章：S3C2410的I/O口和I/O操作（4课时）第6章：S3C2410的串口UART及其编程（4课时）第7章：S3C2410的A/D、D/A转换控制（2课时）第8章：触摸屏控制(4课时)第9章：S3C2410的实时时钟（RTC）（2课时）第10章：直接存储器存取控制（DMA）（2课时）第11章：S3C2410的PWM控制（4课时）第12章：S3C2410的看门狗电路控制（2课时）第13章：S3C2410的IIC总线控制（4课时）第14章：IIS介绍和S3C2410IIS控制第15章：串行外设接口（SPI)介绍第16章：S3C2410的人机界面设计（6课时）第6页/共54页2023/4/277课程学习目标1、熟悉S3C2410的基本硬件结构、掌握S3C2410的C语言驱动程序编写。2、掌握ADS集成开发环境的使用3、能独立完成一个课程设计4、尝试将某个操作系统移植到S3C2410系统。第7页/共54页2023/4/278第1章嵌入式控制系统简介1.1单片机和嵌入式控制系统的定义和分类IEEE定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。一般认为：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。第8页/共54页2023/4/2791.1.1单片机和嵌入式控制系统的定义嵌入式系统的发展和单片机的产生和发展是分不开的。单片机就是在一片半导体硅片上集成了CPU、存储器和I/O接口的微型计算机。由于单片机在使用时，通常处于测试和控制领域的核心地位并嵌入其中，因此我们也常把单片机称为嵌入式微控制器（EMU），把嵌入某种微处理器或单片机的测试和控制系统称为嵌入式控制系统（ECS）。第9页/共54页2023/4/27101.1.2嵌入式控制系统的设计方法单片机由于受其本身资源限制，其应用程序都不能在其本身上开发。开发其应用程序，需要一台通用计算机，运行交叉编译环境，我们也称这台通用计算机为“宿主机”。称做为嵌入式控制器的单片机为“目标机”。应用程序在“宿主机”上开发，在“目标机”上运行。“目标机”和“宿主机”之间利用计算机并口通过一台叫“仿真器”的设备相连，程序可以从“宿主机”传到“目标机”，这也叫程序下载。第10页/共54页2023/4/27111.1.2嵌入式控制系统的设计方法从“目标机”传到“宿主机”，叫程序“上传”。应用程序通过“仿真器”的下载和上传，在“宿主机”上反复修改，这个过程叫“调试”。调试好的应用程序，在“宿主机”上编译成“目标机”可以直接执行的机器码文件，通过一台叫“固化器”的设备下载并固化到“目标机”的程序存储器中，整个下载过程，叫“烧片”，也叫“程序固化”。程序固化是单片机开发的最后一步，“目标机”就可以独立执行嵌入式控制器的任务。第11页/共54页2023/4/27121.1.3嵌入式控制系统各种设计方法的特点1、目标机上安装某种嵌入式操作系统在目标机上安装嵌入式操作系统，如WindowsCE，Linux，μC/OS-Ⅱ等等。特别是Linux操作系统，由于代码简练、功能强大、内核公开等优点，获得广泛应用。2、目标机上不安装操作系统我们把ARM9只当成是32位单片机。使用CodeWarrorIDE对其进行开发，整个开发过程和开发MCS-51单片机一样，非常简单。第12页/共54页2023/4/27131.1.3嵌入式控制系统各种设计方法的特点ADS（ARMDeveloperSuite）是ARM公司推出的新一代ARM开发工具，目前最新版本是ADS1.2。ADS使用CodeWarrorIDE集成开发环境替代了老的开发工具，使用AXD做为调试工具。ADS使用并口通过JTAG仿真器与“目标机”相连，实现在线调试和仿真。第13页/共54页2023/4/27141.1.3嵌入式控制系统各种设计方法的特点3．两种设计方法的特点带操作系统的嵌入式控制系统，在编制较复杂和高端应用程序时，用户程序就会比较简单。但要把很多时间放在对操作系统的安装和熟悉上，此外，还要学会驱动程序和Makefile文件的编写，难度较大，会花费很多时间。第14页/共54页2023/4/27151.1.3嵌入式控制系统各种设计方法的特点3．两种设计方法的特点不安装嵌入式操作系统，把ARM9只当成是32位单片机来开发，那么，整个开发过程和开发MCS-51单片机一样，特别简单。在较短时间开发出高品质嵌入式产品。一般用于较简单和低端的应用。第15页/共54页2023/4/27161.1.4嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件四个部分组成。1、嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性及可靠性要求方面比通用的标准微处理器要高。嵌入式微处理器可按数据总线宽度划分为8位、16位、32位和64位等不同类型。常用的有：MC68K,PPC,ARM,MIPS…第16页/共54页2023/4/27171.1.4嵌入式系统的组成嵌入式微处理器的体系结构和指令系统(1)冯·诺依曼体系结构计算机由CPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令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；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。第17页/共54页2023/4/27181.1.4嵌入式系统的组成嵌入式微处理器的体系结构和指令系统(1)冯·诺依曼体系结构计算机由CPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令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；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。第18页/共54页2023/4/27191.1.4嵌入式系统的组成嵌入式微处理器的体系结构和指令系统(2)哈佛结构程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高执行速度，提高数据的吞吐率。第19页/共54页2023/4/27201.1.4嵌入式系统的组成嵌入式微处理器的体系结构和指令系统(3)精简指令集计算机（RISC）CISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式大多数程序只使用少量的指令就能够运行用一条指令来取代一连串指令RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer）在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单第20页/共54页2023/4/27211.1.4嵌入式系统的组成2、外围硬件设备外围硬件设备是指在嵌入式硬件系统中，除嵌入式微处理器以外的完成存储、显示、通信、调试等功能的部件。存储器：ROM、SRAM、DRAM、Flash等。接口：并行口、RS-232串口、IrDA红外接口、IIC、IIS、USB、CAN、Ethernet网、LCD、键盘、触摸屏、A/D、D/A等。第21页/共54页2023/4/2722第22页/共54页2023/4/27234/27/2023OnlytheParanoidSurviv231.1.5嵌入式系统的应用和发展嵌入式系统的应用按照市场领域划分，可以分为以下几类：1．信息家电2．汽车电子3．工业控制4．机器人5．军事国防领域6．医疗仪器第23页/共54页2023/4/27244/27/2023OnlytheParanoidSurviv24第1章：嵌入式系统概论第24页/共54页2023/4/27254/27/2023OnlytheParanoidSurviv25马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统第25页/共54页2023/4/27264/27/2023OnlytheParanoidSurviv26---智能玩具与机器人嵌入式系统示例第26页/共54页2023/4/27274/27/2023OnlytheParanoidSurviv27--军事国防领域嵌入式系统示例第27页/共54页2023/4/27284/27/2023OnlytheParanoidSurviv28--航天领域嵌入式系统示例第28页/共54页2023/4/27294/27/2023OnlytheParanoidSurviv291.2嵌入式微处理器1.2.1嵌入式微处理器分类早期的嵌入式系统通常使用PC中的通用处理器。随着微处理器制造技术的发展，更多的采用嵌入式处理器而不是通用处理器来建造嵌入式系统。嵌入式处理器大致可以分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备；注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；第29页/共54页2023/4/27304/27/2023OnlytheParanoidSurviv301.2.1嵌入式微处理器分类从应用角度区分：1、嵌入式微处理器2、嵌入式微控制器3、嵌入式数字信号处理器4、嵌入式片上系统第30页/共54页2023/4/27314/27/2023OnlytheParanoidSurviv311.2.1嵌入式微处理器分类1、嵌入式微处理器EMPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低、可靠性高目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等CPUROMRAM外设1外设2单板计算机第31页/共54页2023/4/27324/27/2023OnlytheParanoidSurviv321.2.1嵌入式微处理器分类2、嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器（MCU）又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU一般以某种微处理器内核为核心，根据特定的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashROM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。常见的有8051系列、PIC系列、AVR系列单片机复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核第32页/共54页2023/4/27334/27/2023OnlytheParanoidSurviv331.2.1嵌入式微处理器分类3、嵌入式数字信号处理器(DSP)嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高了编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围第33页/共54页2023/4/27344/27/2023OnlytheParanoidSurviv341.2.1嵌入式微处理器分类4、嵌入式片上系统(SOC)SoC就是SystemonChip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM、MIPS、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。第34页/共54页2023/4/27354/27/2023OnlytheParanoidSurviv351.2.2ARM嵌入式微处理器ARM即AdvancedRISCMachines的缩写。1、ARM公司:是苹果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合资企业,1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。第35页/共54页2023/4/27364/27/2023OnlytheParanoidSurviv36ARM公司近况ARMHoldings-业界领先的半导体知识产权(IP)供应商

-(伦敦证交所:ARM;纳斯达克:ARMHY)总部,剑桥;分部位于9个国家6个研发中心超过780雇员引领RISC和嵌入式计算技术潮流1991年率先推出RISCCPU内核已付运30亿个ARM内核微处理器2002年贡献约79%市场份额全球技术网络133+SemiconductorPartners50+DevelopmentToolsPartners50+OperatingSystemsPartners30+TechnologyPartners2002年ARM在上海成立中国全资子公司,2002年9月在北京成立分处第36页/共54页2023/4/27374/27/2023OnlytheParanoidSurviv37ARM授权费IPARM创造和设计IPPartner产品，例如：芯片Partner把ARMIP和其他IP集成进产品OEMCustomer版权费单价OEM用来自ARMPartner的芯片设计制造最终用户产品业务拓展/市场格局ARM的业务模型第37页/共54页2023/4/27384/27/2023OnlytheParanoidSurviv38ARM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）第38页/共54页2023/4/27394/27/2023OnlytheParanoidSurviv39ARM在中国:与国内电子行业紧密合作的知识产权公司中国无晶圆厂半导体公司中兴集成购买ARM922T™CPU授权，用于网络系统芯片上海华虹集成电路购买ARMSC100™CPU授权，用于Java智能卡大唐购买ARM946E™CPU授权，用于SCDMA基带芯片上海复旦微电子购买ARM7TDMI™CPU授权，用于多媒体芯片上海杰得微电子购买ARM926™CPUPrimeStarterKit授权，用于多媒体芯片华为技术购买ARM7TDMI™CPU，ARM926™CPUPrimeStarterKit授权，用于WCDMA等芯片晶原代工厂中芯国际(0.18u,ARM7TDMI,ARM922T)大学及政府机构东南大学:ARM7TDMI上海集成电路设计研究中心(ICC):ARM7TDMI上海交通大学:ARM922T北京工业大学:ARM7TDMI香港科技园：ARM7TDMIARMRealView™开发工具中国分销商香港科汇宏盛分部北京旋极ARMAuthorizedTrainingCentre北京旋极北京微芯力深圳英蓓特ARMApprovedDesignCentre众华SoCRTOS公司普天慧信，科银京成、北京凯思昊鹏、中科红旗,世纪科泰等2004年9月7日，ARM北京分处成立科银京成和凯思昊鹏与ARM合作，将开发支持JTEK和SWERVE技术中芯国际拓展ARM代工计划，获ARM926EJ处理器0.13微米工艺授权北京振戎融通与ARM合作，将JTEK集成在中国联通新一代Java环境中第39页/共54页2023/4/27404/27/2023OnlytheParanoidSurviv40ARM——2002年的市场份额第40页/共54页2023/4/27414/27/2023OnlytheParanoidSurviv411.2.2ARM嵌入式微处理器采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即ARM嵌入式微处理器，已广泛应用于如下领域：工业控制：基于ARM核的微控制器芯片占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，并逐渐向低端微控制器应用领域扩展。无线通讯：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术。网络系统：采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上进行了优化，对DSP的应用领域提出了挑战。消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。第41页/共54页2023/4/27424/27/2023OnlytheParanoidSurviv422、ARM嵌入式微处理器的特点体积小，低功耗，低成本，高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件；使用单周期指令，指令简洁、规整；大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率；寻址方式简单灵活，执行效率高；固定长度的指令格式。第42页/共54页2023/4/27434/27/2023OnlytheParanoidSurviv433、ARM嵌入式微处理器系列ARM体系结构共定义了6个版本，版本号分别为1~6（V8版本的cotex-A57已于近期流片）。目前ARM嵌入式微处理器主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11等系列。V4：ARM7、ARM8ARM9、strongARMV5：ARM10、XScaleV6：ARM11V7：cotex-a8/a9V8：第43页/共54页2023/4/27444/27/2023OnlytheParanoidSurviv44第1章：嵌入式系统概论3、ARM7系列嵌入式ICE-RT逻辑；三级流水线和冯·诺依曼体系结构，提供0.9MIPS/MHz图1.1三级流水线第44页/共54页2023/4/27454/27/2023OnlytheParanoidSurviv45第1章：嵌入式系统概论3、ARM9系列

5级流水线；哈佛体系结构、提供1.1MIPS/MHz。

ARM920T和ARM922T内置全性能的MMU、指令和数据cache和高速AMBA总线接口。ARM940T内置指令和数据cache、保护单元和高速AMBA总线接口。第45页/共54页2023/4/27464/27/2023OnlytheParanoidSurviv46第1章：嵌入式系统概论3、ARM9E系列ARM9E系列是一种可综合处理器，带有DSP扩充和紧耦合存储器(TCM)接口，使存储器以完全的处理器速度运行，可直接连接到内核上。使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案,极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。第46页/共54页2023/4/27474/27/2023OnlytheParanoidSurviv47（4）ARM10系列

64位AHB指令和数据接口；

6级流水线；

1.25MIPS/MHz； 与同等的ARM9器件相比，其性能提高50％。（