第1章 嵌入式系统基础.ppt

1、第1章嵌入式系统基础,1.1 嵌入式系统简介,嵌入式系统定义,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。,图1.1嵌入式系统设备,图1.2嵌入式系统开发板,1 嵌入式微控制器（单片机） 将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为核心，片内集成 ROM/EPROM、RAM、总线及总线控制逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash存储器等各种必要的功能部件和外设。 一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都

2、是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与需求相匹配，减少功耗和成本。 单片机最大特点是单片化，价廉，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。,6,2 嵌入式DSP处理器(DSP) DSP（Digital Signal Processor)，非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT、频谱分析等）。由于硬件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法。 1981年，TI公司研制出TMS320系列的首片低成本、高性能DSP处理器芯片，使DSP技术向前跨出意义重大的一步。 上世纪90年代，由于无线通信、各种网络通信、多媒体技术的普及和应用，

3、高清晰度数字电视的研究，极大地刺激了DSP在工程上的推广应用。DSP大量进入嵌入式领域。,7,推动DSP快速发展的是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，实时语音压解系统、数字图像处理等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP的长处所在。 但在一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还是不能满足要求。因此，又研制出了多总线、多流水线和并行处理的包含多个DSP处理器的芯片，大大提高了系统的性能。 与单片机相比，DSP的高速运算能力和多总线，处理的算法的复杂度和大的数据处理流量是单片机不可企及的。,8,DSP的

4、主要厂商有美国TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球DSP市场约60左右。DSP代表性的产品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列处理器包括用于控领域的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及应在通信和数字图像处理的C6000系列等。 今天，随着全球信息化和Internet网的普及，多媒体技术的广泛应用，尖端技术向民用领域迅速的转移，数字技术大范围进入消费类电子产品，使DSP不断更新换代，性能指标不断提高，价格不断下降，已成为新兴科技：通信、多媒体系统、消费电子、医用电子等飞速发展的推动力量。,9,3 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器(Embed

5、ded MicroProcessor Unit， EMPU)的基础是通用计算机中的CPU。与单片机相比，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计算机系统，可独立运行，具有完整的功能。而嵌入式微处理器仅仅相当于单片机中的CPU。,10,在应用设计中，将嵌入式微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，可大幅减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 代表性产品为ARM系列，ARM是Advanced RISC Machines 的缩写，其中RISC是精简指令集

6、计算机的缩写。同时ARM也是设计ARM处理器的美国公司的简称。ARM家族主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。,11,由于能运行实时多任务操作系统，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、ATM机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）、军事等，已成为继单片机、DSP之后的电子信息技术应用的又一大热点 广义上讲，凡是系统中嵌入了“嵌入式处理器”，如单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称为“嵌入式系统”。也有仅把 “嵌入”嵌入式微处理器的系统，称为“嵌入式系统”。还没有严格

7、的定义。目前的“嵌入式系统”，多指后者。,12,4 嵌入式片上系统SOC(System On Chip) 随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一个复杂的系统，即System On Chip(SOC)，即片上系统。 核心思想是把整个电子系统全部集成在一个芯片中。避免大量PCB板设计及板级的调试工作。设计者面对的不再是电路及芯片，而是根据系统的固件特性和功能要求，把各种通用处理器内核及各种外围功能部件模块作为SOC设计公司的标准库，成为VLSI设计中的标准器件，用VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体器件厂商制作样品。,13,除

8、无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，系统电路板简洁，对减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC使系统设计技术发生革命性变化，标志着一个全新时代到来。 至此，已介绍了嵌入式处理器家族的各成员。由于单片机体积小、价格低、很容易嵌入到系统中，应用十分广泛，且易掌握和普及，市场占有率最高。据统计，8051体系结构的单片机的用量占全部嵌入式处理器总用量的50%以上。因此，8051体系结构的单片机技术是首先要掌握的。,14,1.1.2 嵌入式系统的体系结构,1、硬件设备,硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。 嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统的核心部分。 外围设备是嵌入式系统中

9、用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。,存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器（RAM、SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三种。 其中FLASH凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。,应用于嵌入式系统中的通信设备包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外围设备接口）、IrDA（红外线接口）、I2C（现场总线）、USB（通用串行总线接口）、Ethernet（以太网接口）等。,应用

10、于嵌入式系统中的外围显示设备通常是阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）和触摸板（Touch Panel）等。,2、嵌入式操作系统,嵌入式操作系统具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口（如图形界面、库函数API等），向下提供与硬件设备交互的接口（如硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。,3、应用软件,应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到完成预期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式系统的应用软件不仅要求达到准确、安全和稳定的标准，而且还要进行代码精简

11、，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。,1.2 嵌入式系统的发展和应用领域,1.2.1 嵌入式系统的发展历史,1、始于微型机时代的嵌入式应用 2、现代计算机技术的两大分支 3、两大分支发展的里程碑事件,嵌入式计算机系统,1946年诞生了大型昂贵电子数字计算机。 20世纪70年代，微处理器的出现，产生了小型、价廉的微型机。 把嵌入到对象体系中，实现智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。 将计算机嵌入到一个对象体系中，这是理解嵌入式系统的基本出发点。,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 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，

12、存储容量的无限扩大。 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。,1.2.2 嵌入式系统的发展前景及趋势,1.3 嵌入式操作系统,1.3.1 嵌入式操作系统的发展,第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。 第二阶段：以嵌入式CPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。 第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。 第四阶段：以基于Internet为标志的嵌入式系统。,1.3.2 几种有代表性的嵌入式操作系统,

13、1、VxWorks 2、Windows CE 3、嵌入式Linux 4、C/OS一 5、Android,1.4 嵌入式系统的开发过程,图1.5嵌入式系统的开发流程,各模块的说明,1、系统需求分析 2、体系结构设计 3、硬件/软件协同设计 4、系统集成 5、完成测试并形成产品,1.5 嵌入式系统应用方案,1.5.1 基于嵌入式的视频网络监控系统,1、系统总体结构,2、 系统实现,（1） 硬件平台设计 本系统以嵌入式Linux为基础，根据设计的嵌入式目标板编写相应的BootLoader程序，然后裁剪出合适的内核和文件系统。目标板的CPU采用嵌入式处理器S3C2410。它只需很少的外围芯片就可以实现

14、RS-232串行口和100/10M的以太网接口。能够与常用的外围设备（如SDRAM、ISDN收发器）实现无缝连接，从而简化了外围电路的设计，降低了产品成本、体积和功耗。,2、 系统实现,（2） 软件设计与实现 视频监控系统软件结构采用的是浏览器服务器(BS)网络模型，即由客户端通过Web向服务器提出请求，服务器对请求做出确认响应并执行相应的任务(如向客户端发送组播地址、图像格式、压缩格式等)，建立连接后就可以在客户端监控被控点，从而实现远程网络监控。服务器(Web Server)端即现场监控点的软件结构包括采集模块、压缩编码模块、网络通信模块、控制模块等。,图1.7 服务器软件结构,1.5.2

15、基于嵌入式系统的 锅炉控制方案,1、引言,锅炉微计算机控制，是近年开发的一项新技术，它是微型计算机软硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。,锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成。一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机;手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制水泵、吹风机及各种阀门等，自动时对微机发出控制信号经执行部件进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行。除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，

16、对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。,2、基于单片机的锅炉控制系统的解决方案,现在有一些生产企业使用基于单片机的锅炉控制系统，这种系统由8位MCU、控制执行机构、LED数码管、发光二极管、按键等组成，完成以下功能：实时准确检测锅炉的运行参数；综合分析及时发出控制指令；诊断故障与报警管理;历史记录运行参数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳定运行。,基于嵌入式系统的解决方案,介绍一个基于嵌入式平台对锅炉控制器功能进行多方面扩展的解决方案。本方案在硬件上采用ARM9芯片，大大提升处理能力。以LCD显示器和触摸屏为用户提供友善易用的人机交互界面。增加USB接口，方便导入导出数据。增加RS232（或RS485）和以太网接口，增强锅炉基于网络的信息管理功能。软件上采用嵌入式Linux操作系统，增强系统的可靠性;嵌入数据库，增强数据管理功能;以MiniGUI作为图形用户界面支持系统，使图形用户界面美观易用。,3、系统总体设计,图1.8总体设计,1.5.3基于嵌入式系统的 网关实现方案,1、引言,在工业控制和通讯设备中，很多是符合RS-232标准的串行口设备。如何将串行口的数据转发到网络上，实现设备的远程控制、数据的远程传输便成了一个亟待解决的问题。本节介绍种基于嵌入式系统来实现串口和网口之间的数据相互转发