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嵌入式系统及应用EmbeddedSystemandApplication•学时:32•适用学科:控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、信号与信息处理、通讯与信息系统、•先修课程:数字电路,微机原理与汇编语言程序设计,C语言程序设计,单片机原理与应用•教材及参考文献:[1]周立功等编著。ARM嵌入式系统基础教程。北京：北京航空航天大学出版社[2]马忠梅等编著。ARM嵌入式处理器结构与应用基础。北京：北京航空航天大学出版社[3]王田苗主编。嵌入式系统设计与实例开发（第二版）。北京：清华大学出版社[4]桑楠主编。嵌入式系统设计原理及应用开发技术。北京：北京航空航天大学出版社[5]ARM公司。ARMArchitectureReferenceManual。ARM公司，2000嵌入式系统及应用•1嵌入式系统概述•2嵌入式系统基础•3ARM7体系结构•4ARM7TDMI(-S)指令系统•5LPC2000系列ARM硬件结构•6接口技术与硬件设计1CHAPTER嵌入式系统概述第1章目录1.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式系统的软件开发4.嵌入式操作系统1.1嵌入式系统•概述经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。•现实中的嵌入式系统即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。•嵌入式系统示例——家用电子设备•嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯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机控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统•嵌入式系统的概念英国电机工程师协会定义：嵌入式系统为控制、检测或辅助某个设备、机器或工厂运作的装置。用来执行特定功能。以微电脑与周边外设构成核心需要严格的时序与稳定度全自动循环操作●从技术的角度定义：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、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。国内两种比较合理的定义：●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。•嵌入式系统的特点嵌入式系统通常应用在为特定用户设计的系统中，具有功耗低、体积小、集成度高等特点。将通用计算机中由多个板卡完成的任务集成在了嵌入式CPU内部。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的产物。所以是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或处理器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。由于嵌入式系统必须有较高的时实性，因此对程序的质量，特别是可靠性有较高的要求。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套专用的开发工具和环境才能进行开发。•嵌入式系统的应用领域工业控制交通管理信息家电POS网络和电子商务环境监测机器人国防领域•嵌入式系统的发展趋势32位MCU的应用和普及嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持联网成为必然趋势支持电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本提供精巧的多媒体人机界面早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器从应用角度，可以大致分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于新型电子娱乐等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等高速计算密集型的设备；注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于各种工业控制设备；1.2嵌入式处理器结构分类嵌入式处理器可以分为以下4大类：嵌入式微处理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP处理器；嵌入式片上系统（SOC）。嵌入式微处理器-----单板计算机嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将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，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了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。与普通计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般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是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。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、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。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核嵌入式微控制器（MCU）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应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。嵌入式DSP处理器随着EDA技术的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。嵌入式片上系统（SOC）1.3嵌入式系统的软件开发嵌入式系统中的软件系统嵌入式系统的软件特征软件固化软件代码高质量和高可靠性嵌入式操作系统具备实时处理能力嵌入式系统软件开发必须具备的能力系统整合与规划能力程序语言能力汇编语言C/C++Java（如果有必要）嵌入式系统软件开发与开发普通PC软件的差别是否需要操作系统程序编译和程序的执行是在两个目标平台输入/输出的界面不同可利用的资源非常有限常常要和硬件打交道使用嵌入式操作系统内存管理MM多任务调度外围资源管理开发平台与目标平台开发平台(host)目标平台1.4嵌入式操作系统•概述操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。硬件硬件驱动操作系统用户程序监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多任务操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点多任务操作系统特征并行性独立性交互性及时性分时操作系统特征并行性调度性无序性实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。实时操作系统特征RTOS（RealTimeOperatingSystem）系统的正确性不仅依赖于计算结果逻辑上的正确，还依赖于此结果产生的时机是否正确。及时性、交互性、独立性异步事件响应切换时间和中断延迟时间确定抢占式调度内存锁定优先级中断和调度连续文件同步总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十K内)、可固化、实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。•使用实时操作系统的必要性嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。提高了开发效率，缩短了开发周期。嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。•实时操作系统的优缺点优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得