01嵌入式系统概述

第一章嵌入式系统概述本章学习目的及主要内容学习目的：通过本章学习主要掌握嵌入式系统的基本知识，以及产品开发流程和调试方法。主要内容：1.嵌入式系统的概念2.嵌入式系统的发展3.嵌入式系统的特点4.嵌入式系统的组成5.嵌入式系统的种类6.嵌入式处理器与专用集成电路7.嵌入式系统的调试方法8.嵌入式系统的应用9.嵌入式系统的发展趋势1.1嵌入式系统的概念1.内涵上定义：嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软、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。2.外延上定义：把数字计算机系统分成通用计算机和嵌入式系统两大类。通用计算机是指如微型计算机(PC)、大型计算机、服务器等，除此之外的计算机称为嵌入式系统。1.2嵌入式系统和嵌入式处理器的发展1.嵌入式系统的发展⑴计算机技术的发展⑵单板机时代：嵌入式系统的快速发展和大规模应用是在微处理器问世之后，这一时代的嵌入式系统的核心是基于通用处理器（Intel，Motorola，Zilog）的单板机。⑶单片机时代：20世纪80年代，随着集成电路工艺的发展，集成电路制造商开始把微处理器、I/O端口、A/D转换、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM均集成到一个VLSI（超大规模集成电路）中，制造出面向应用设计的嵌入式微控制器——单片机。2.嵌入式处理器的发展⑴第一代嵌入式处理器（4位）1971年，intel4004嵌入式处理器。70年代末，8位，intel8048,motorola6800内核。⑵第二代嵌入式处理器（8位CMOS工艺）80年代，intel51系列，motorola68HC05系列。⑶第三代嵌入式处理器集成度提高，丰富的外设集成。纯单片式、可扩展式两种产品并行发展。⑷第四代嵌入式处理器低功耗技术(3.3v,2.7v,1.8v)，flash技术，高性能(32位）。实现数据采集、过程控制、模糊控制、娱乐等功能的各种智能系统。3.嵌入式系统的发展趋势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支持小尺寸、微功耗和低成本的小型电子设备提供友好的多媒体人机界面1.3嵌入式系统的特点1.嵌入式系统与通用计算机系统的不同⑴嵌入式系统通常是面向特定应用。⑵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。⑶嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效率地设计。⑷嵌入式系统的应用软件取决于行业应用的不同。⑸嵌入式系统和与具体应用有机地结合在一起。⑹大多数嵌入式系统本身不具备自开发能力。2.嵌入式微处理器的特点⑴对实时多任务有很强的支持能力。⑵具有功能很强的存储区保护功能。⑶可扩展的处理器结构。⑷嵌入式微处理器功耗很低。3.嵌入式操作系统(EOS)⑴更好的硬件适应性，即良好的移植性，支持尽量多的硬件平台。⑵占有更少的硬件资源，例如占用存储器十几千字节。⑶高可靠性。⑷友好高效的GUI。⑸有些应用要求EOS具有实时性能。⑹可裁剪性，例如设计成微内核结构和模块化结构。4.嵌入式系统的共性⑴处理器的共同点（如总线结构、中断技术、与外部元件的扩展连接方式等）。⑵嵌入式处理器由通用处理器内核加上外部设备组成，同一类外部设备完成的功能相似。⑶嵌入式软件开发人员有时需要关心硬件的细节。⑷软件开发在内核层编程，需要了解操作系统的调用细节。⑸嵌入式系统的开发人员，特别是系统/产品的设计师或系统分析师，应掌握硬件和软件的综合知识，进行硬件系统和软件系统的方案选择和综合设计。⑹嵌入式系统的软件开发人员需要掌握多种嵌入式操作系统的用法。⑺操作系统、编程语言和开发工具具有多样性。⑻嵌入式系统的设计师根据应用需求选择硬件和软件平台是至关重要的。⑼嵌入式系统的开发往往需要行业人员和IT（InformationTechnology）人员协作完成。1.4嵌入式系统的组成1.嵌入式系统的硬件⑴嵌入式核心芯片EMPU——嵌入式微处理器、EMCU——嵌入式微控制器、EDSP——嵌入式数字信号处理器、ESoC——嵌入式片上系统EPSoC——嵌入式可编程片上系统。⑵嵌入式系统的存储器系统程序存储器（ROM，EPROM，Flash）、数据存储器（随机存储器）、辅助存储器。⑶嵌入式系统的I/O接口一般集成在嵌入式处理器上，通常无需无需外扩。典型嵌入式系统基本组成－硬件2.嵌入式系统的软件⑴嵌入式操作系统⑵应用软件嵌入式系统的组成要素（4个）嵌入式处理器及其硬件平台嵌入式软件系统嵌入式操作系统（可选）----实时操作系统RTOSI/O接口系统以嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式操作系统嵌入式应用软件系统应用系统的I/O接口3.嵌入式系统的开发工具和开发系统⑴硬件开发工具仿真器等其它（示波器等）⑵软件开发工具编译、连接、定位软件，通常使用C语言调试软件1.5嵌入式系统的种类1.单个微处理器一般由单片嵌入式处理器组成，集成了存储器、I/O设备、接口设备（如A/D转换器）等。2.嵌入式处理器可扩展的系统嵌入式处理器上集成了存储器，根据需要可以使用片上的存储器，也可以扩展存储器。3.复杂的嵌入式系统复杂的嵌入式系统使用的嵌入式处理器的字宽一般是16位、32位等，用于大规模的应用。1.6嵌入式产品开发流程1.需求分析阶段⑴功能：这是用户首先提出的，涉及产品的用途、应用领域、主要功能等方面。⑵性能：体现在处理器的处理速度上，产品采用的处理器速度越高，性能越好，而成本就越高，性能和成本相互矛盾。⑶成本：产品的成本包含两部分——开发成本和制造成本。⑷规格：包括产品的尺寸、重量、功耗等。2.方案设计阶段⑴体系结构设计包括系统是硬实时系统还是软实时系统；软件组成；主要元器件选择；系统的成本、尺寸和耗电量；硬件与软件的划分。⑵硬件设计主要完成硬件目标板的设计、调试、测试工作，包括将整个硬件目标板根据功能分成子系统，每个子系统用一个模块完成其功能；元器件选型；设计电路原理图；给出硬件的编程参数。⑶软件设计软件设计应采用Top-Down的设计方法，具体为：软件的总体功能设计；模块划分；把模块分解成函数或子程序，定义函数的原型、输入/输出参数和算法，规定函数之间的接口和调用关系；设计出错处理方案。3.科研开发阶段科研开发阶段主要是根据设计方案，选择开发平台进行软件和硬件开发，完成系统样机。⑴选择开发平台：硬件平台、软件平台（嵌入式操作系统）、编程语言和开发工具。⑵硬件开发：根据硬件目标板的设计方案，进行电路原理图的设计、印制电路板设计、制作、焊接、调试、测试等工作。⑶软件开发：包括准备交叉开发环境，进行软件开发，编译连接和定位，下装到目标板，调试和测试、代码优化等。4.系统测试阶段⑴硬件测试要完成硬件目标板电路的功能和指标的测试，重点在于指标。⑵软件测试a.正确性测试：找到软件中的错误和缺陷并加以修改，以降低产品的维护成本，减少风险。测试方法：黑盒测试、白盒测试、灰盒测试。b.性能测试：从统计学方面测量其运行时间。⑶软件和硬件协同工作测试1.7嵌入式系统的调试方式1.基于主机的调试⑴工作方式⑵应用例子a.uC/OSII，Vxworks，Linuxb.基于windows环境调试部分代码⑶开发流程a.设计与开发b.软件移植——与硬件和操作系统相关的部分2.远程调试器与调试代理远程调试器包括调试器和调试代理(monitor)。⑴调试器运行在开发主机中，调试代理运行在目标机中。调试器与调试代理之间通过通信技术进行连接。⑵典型的远程调试器：VxWorks操作系统的Tornado调试器和VRTX操作系统的XRAY调试系统。2.远程调试器与调试代理(continued)⑶远程调试器系统的组成串行通信连接系统ROM代码划分加电复位代码串口ISR调试内核应用程序软件调试自陷向量串口中断向量0xFFFFF0x00000基于主机的调试程序-源程序文件内容-目标文件内容〉符号表〉交叉引用表3.ROM仿真器⑴ROM仿真器概述a.ROM仿真器的作用是为程序开发（编辑、编译、下载、调试）过程节省时间。b.ROM仿真器的使用LAN、串口或并口用于代替系统ROM的简单嵌入式接头主要优势-覆盖内存-跟踪能力-系统控制与主机接口⑵ROM仿真器组成RAM通信缓冲区（双端同时访问）快速RAM内存阵列（512KB～8MB）控制处理器选通与信号控制逻辑电缆驱动器/缓冲电路电缆接口电路（可选）到ROM插座或芯片的机械接口到目标系统实时跟踪存储器缓冲区（可选）到主机的通信接口到主机4.在线仿真⑴在线仿真器概述在线仿真器（ICE）是最直接的仿真调试方法。这种调试系统的内存包括两部分：仿真器内存和用户内存，两部分内存可以切换。⑵ICE与目标系统的电气连接方法a.直接连接：适用于ICE的插座能很容易地插入目标系统的情况。b.间接连接：适用于ICE插座不能轻易插入目标系统的情况。⑶ICE的缺点a.价格比较贵b.会引起信号的完整性问题5.DBM⑴BDM概述BDM（BackgroundDebugMode，背景调试模式）是Motorola（现在Freescale公司的前身）公司开发的调试接口。LAN、串口或并口目标系统把LAN数据流转换成n-wire命令n-wire连接到处理器内建的调试电路缺点：-大多数只提供运行控制-特性受限于芯片厂商-非常慢-不支持覆盖内存-不能访问其他总线优点：-机械连接简单-与目标系统上的微处理器一起运行-与微处理器的变化无关-简化设计工具-低成本、可重用，简单-芯片厂商能负担得起支持成本⑵BDM的原理与功能BDM同时支持处理器控制和定时跟踪监视方式。1357911131517192123252468101214161820222426RESERVEDGROUNDGROUNDRESET+5VoltsGROUNDPST2PST0DDATA2DDATA0RESERVEDGROUNDVCCCPUBREAKPOINTDSCLKRESERVEDDSIDSOPST3PST1DDATA3DDATA1GROUNDRESERVEDCKLCPUTEAMotorola推荐的BDM引脚图6.JTAG⑴JTAG循环示意图PC板每个JTAG单元监听相应IC上输出位的状态JTAG连接器JTAG位流输入JTAG位流输出二进制位流形成一个移位寄存器⑵使用JTAG协议实现的调试核心时钟输入JTAG输入JTAG输出程序计数器-PC寄存器R1寄存器R2寄存器Rn状态总线接口JTAG控制状态机处理器核心特殊寄存器集数据总线接口7.软件仿真器⑴软件仿真器概述软件仿真器有时称为指令集模拟器（InstructionSetSimulator，ISS），利用软件模拟处理器硬件，模拟的硬件包括指令系统、外部设备与输入/输出接口、终端、定时器等。⑵软件仿真器的优点a.软件与硬件并行开发b.低成本c.评估产品的设计性能⑶软件仿真器的缺点a.只能仿真程序的正确与错误，不能仿真时序b.速度限制。如：可以仿真51，无法仿真DSP1.8嵌入式系统的应用⑴消费类电子产品例：机顶盒、个人移动设备、视频游戏播放器、IP电话机。⑵办公自动化产品例：打印机、传真机、扫描仪、复印机和LCD投影仪⑶控制系统与工业自动化例：智能控制设备、智能仪表、现场总线设备、数控机床、机器人⑷生物医学系统例：X光机的控制部件、EEG和ECG设备、CT、超声检测设备、核磁共振设备、结肠镜、内窥镜⑸网络通信设备与电信设备例：数据通信基础设备、IP网上的多媒体设备、协议转换器、电话交换机、传送回路、ISDN网络终端、移动设备。嵌入式系统的应用领域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消费电子军事国防电子商务网络工业控制嵌入式系统的应用家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。嵌入式视频服务器现代化家庭嵌入式Internet应用信息家电——数字机顶盒汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络VOLVOS80汽车的CAN总线网络嵌入式应用——汽车电子智能玩具