嵌入式系统与单片机

嵌入式系统与单片机北京科技大学电子信息系第七讲嵌入式系统综述嵌入式在家电领域中嵌入式在工控领域中嵌入式产品及其开发嵌入式技术发展趋势嵌入式系统的基本概念嵌入式在手机领域中计算机工业的分类以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约40年。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。一、嵌入式系统的基本概念什么是“嵌入式系统”?根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：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”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。一般定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。嵌入式系统具有的产品特征（1）量体裁衣（2）生命周期较长（3）软件继承性（4）处理器发展稳定性嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统软件的特征（1）软件要求固态化存储（2）软件代码高质量、高可靠性（3）系统软件(OS)的高实时性是基本要求（4）多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统软件需要RTOS开发平台嵌入式系统开发人员以应用专家为主嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济增长点之一，这是一个不可垄断的工业，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。实时多任务操作系统(RTOS)进入嵌入式系统工业的意义，不亚于历史上机械工业采用三视图后的发展，对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑。这两点应特别引起中国信息产业界的关注。嵌入式处理器分类与现状嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)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系列嵌入式处理器分类与现状嵌入式片上系统(SystemOnChip)嵌入式系统的软件开发平台实时多任务操作系统(RealTimemulti-taskingOperationSystem，RTOS)实时多任务操作系统(RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前大多数嵌入式开发还是在单片机上直接进行，没有RTOS，但仍要有一个主程序负责调度各个任务。RTOS是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户的其它应用程序都建立在RTOS之上。不仅如此，RTOS还是一个标准的内核，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。实时系统实时系统是指能在确定的时间内执行其功能，并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。软实时系统:仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。实时系统硬实时系统：不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。RTOS的基本结构RTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是RTOS的API。嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统系统内核小专用性强系统精简高实时性OS软件开发标准化典型嵌入式系统的基本组成MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设嵌入式处理器系统--嵌入式处理器--各种类型存储器--模拟电路及电源--接口控制器及接插件嵌入式系统嵌入式软件系统--实时操作系统（RTOS）--板级支持包（BSP）--设备驱动（DeviceDriver）--协议栈（ProtocolStack）--应用程序（Application）嵌入式系统的基本要素嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。４位、８位单片机，16位、32位、64位嵌入式CPU。实时操作系统实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。嵌入式处理器嵌入式处理器的发展趋势经济性（成本）微型化（封装、功耗）智能化（功能、速度）嵌入式处理器的分类和现状微控制器（MCU）：如各种单片机芯片微处理器（MPU）：X86系列、ARM系列等数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）可编程片上系统（SOPC）：SystemOnProgrammbleChip嵌入式产品处理器●51/PIC/AVR性能价格比较高●Atmel/Philp/..兼容51的flash/掩膜单片机占据大量市场份额。●68HC（Motolola）系列发展势头也不错●另外专用单片机如NEC/东芝/在特定行业应用广泛。目前客户开始向高端发展，主要问题是：目前单片机的外围扩充代码/数据空间困难。单片机缺少协议处理功能，mips值低，外接ethernet/上tcp/ip协议困难大屏幕LCD显示接口/HDLC等需求用8位机实现困难。X86系列CPU-Intel公司CPU性能价格比良好开发简单，软件兼容性好。软件资源丰富开发平台简单目前有大量工控104板，CPCI板可使用,方便二次开发。发展战略是面向桌面计算市场，其发展重点是商用CPU。目前比较重视通信和嵌入式市场，推出IXP系列，strongArm系列。嵌入式产品系列：186，386ex，486ex.I960..I186TM系列80C188/186XL；EA；EB；EC。386ITM系列（准32位）（8/16位）80386CX；80386DX；80386SX；80386EX。I486TM系列（32位）486SX；486GX；486DX2；486DX4。INTEL嵌入式模块(MOHAVE)EMBMOD133(VRT);EMBMOD166.PENTIUM(MMX)II模块（64位）目前386EX和80188/186系列目前国内工业控制/通信用量很大。X86系列开发介绍X86系列c/c++开发环境cad-ulParadigmgnudiabgreenhill…X86系列仿真/调试器186/386/486…全仿真器SC520..支持JTAG调试器PI/PII/PIII..支持JTAG调试器Geode™GX..支持JTAG调试器Motorola系列处理器Motorola公司：是世界著名的处理器制造商，其CPU抗干扰能力强，适合工业控制/军方应用，MC68000微处理器占有美国军方市场的70%，由此可见其产品的可靠性和稳定性之高。另外QUICC系列通信处理器功能强大，在通信产品中获得广泛应用。Motorola系列处理器Motorola系列处理器68k/DragonballCpu32ColdfirePPC8xxPPC82xxMotorola系列处理器MC68360MC68EN360MC68MH360MC68QH360MC68SC360MC68DP360MC68PM360A、68-CPU系列：MC68010MC68020MC68EC020MC68030MC68EC030MC68040MC68EC040MC68060B、68K-QUICC系列：MC68302MC68EN302MC68LC302MC68PM302MC68QH302MC68SC302MC68302系列系列Motorola系列处理器MPC860（MPC850）系列MPC740AMPC750AMPC750FMPC8260系列MPC860DPMPC860DEMPC860DHMPC860ENMPC860MHMPC860SRC、PowerPC-CPU系列MPC601MPC602MPC603MPC603EMPC604MPC604EMPC603PMPC604RD、PowerPC-QUICC系列MPC821Motorola系列处理器ColdFire系列coldfire5102,5202,5204,5206,5272,5307,5407Dragonball龙珠系列68EZ328/68VZ328/Dragonball-MX1Mcore系列MMC2001,MMC2003,MMC2107Motorola系列开发介绍Motorola系列c/c++开发环境CodeWarriorGNUDiabSDSGreenHill…Motorola系列仿真调试器68HC12/16..支持BDM调试器68K系列…全仿真器Cpu32系列…支持BDM调试器ColdFire系列…支持BDM调试器PPC8xx/5xx…支持BDM调试器PPC82xx/7xx…支持JTAG调试器ARM系列处理器ARM是一个CPU内核。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位cpu研发能力的半导体公司进入这一行列。ARM系列内核的优势成本低功耗低ARM系列处理器主流ARM内核：ARM7TDMIARM9／9EARM10StrongARM/XscaleARM系列处理器ATMEL公司arm系列AT91系列：优点：工业级。但缺乏lcd驱动等较吸引力的外围电路。AT75/76系列：内置arm7/DSP双内核，有Arm+2DSP/ARM+DSP+MAC,两种配置，加上PHY就可实现voip终端ARM系列处理器Cirruslogic公司机顶盒/mp3/IA等专用SOC，有数模混合和视频/音频处理优势。EP7211EP7212/ep7312EP7209EP9312ARM系列处理器NetScillon公司ARM+NET系列芯片，关注设备上网（嵌入式internet）解决方案。Samsung:Arm系列SOC芯片，集成度高，关注mp3/pda/route应用。S3c44b0x,s3c4510.Motolora:最近推出龙珠MX1，使用了arm内核。ARM系列开发C/C++开发平台ADSARM公司提供SDTARM公司提供GNU免费平台ARM系列仿真调试器ARM系列支持JTAG规范目前支持ARM的调试器：JEENIsdtTraceIcdsdt/adsMultiIcesdt/adshitoolhitool…其他系列内核SH3core:日立/ST，价格和灵活性/密度有较大