嵌入式系统原理及接口技术

嵌入式系统原理及接口技术第一章绪论一、概述1、什么是嵌入式系统◆传统定义：⑴嵌入在其他设备中，起智能控制作用的专用计算机系统。⑵嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。◆现在流行的定义：（新定义）以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。2、嵌入式系统的组成◆硬件⑴一般描述：嵌入式处理器、存储器、I/O接口、LCD控制器等。⑵实际应用：开发板、用户的目标板。◆软件⑴操作系统：WindowsCE、Linux、VxWorks、uc/osⅡ等。⑵用户程序（简单系统只有用户程序）。3.嵌入式系统的特点（5页）◆嵌入性、专用性、计算机。◆嵌入式系统的相关技术◆嵌入式系统的技术前沿4、嵌入式系统的要求（6页）5、嵌入式系统的未来早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且有很长的产品生命周期的自主设备。近年来，嵌入式工业经历了巨大的变革。◆产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到6-9个月；◆全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间；◆互联网现在是一个需求而不是辅助性的，有线和刚刚显露头角的无线；◆基于电子的产品更复杂化；◆互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用（物联网）；◆微处理器的处理能力按莫尔定律预计的速度在增加。二、嵌入式处理器（2页）嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用台式计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。返摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。返嵌入式系统是以嵌入式微处理器为内核，以微电子技术、计算机技术、电子技术、对象技术为基础，软硬件可根据对象需要所设置，并且嵌入到对象器件内，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用智能的控制系统。返1、实时性2、多速率3、功耗4、低成本5、环境相关性返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后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、高度分散（留给各个行业高新技术公司的创新余地很大）、可以不断创新的知识集成系统。返目前，无论是嵌入式系统基础器件、开发手段，还是应用对象，都有了很大变化。无论是未来从事8位、16位、32位的嵌入式系统应用，都应该了解嵌入式系统的技术前沿。这些技术前沿体现了嵌入式系统应用的一些基本观念，它们是：基于集成开发环境的应用开发、应用系统的用户SoC设计、操作系统的普遍应用、普遍的网络接入、先进的电源技术以及多处理器SoC技术。返嵌入式处理器关注的要点：性能、尺寸、能耗及价格一类嵌入式处理器注重尺寸、能耗、和价格。例如个人数字助理（PDA）因为应用的主要特性是交互和显示密集性的，而不是计算密集性的。这类嵌入式处理器很小，因为整个PDA装置的尺寸很小能放在手掌上。另一类嵌入式处理器更关注性能。这些处理器功能很强，这些处理器设计满足那些通用目的处理器难以达到的密集性计算的应用需求。如为网络设备和电信工业开发的网络处理器。还有一类嵌入式处理器关注全部4个需求。例如，移动电话中嵌入式数字处理器（DSP）。在同样的时钟频率下，DSP执行数字信号处理要比通用目的处理器速度快若干倍，这就是在移动电话的设计上用DSP而不用通用目的处理器的原因。返嵌入式微处理器的基础是通用计算机中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。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，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。（如：STD-BUS、PC104）嵌入式处理器目前主要由Am186/88、386EX、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。返返返FFT（FastFourierTransform）快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。一般用来计算信号的频谱、功率谱等。嵌入式微控制器又称单片机，嵌入式微控制器一般以某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、WatcgDig、I/O、串行口、脉宽调制（PWM）输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。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。返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，指令执行速度也高。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面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，过度到采用嵌入式DSP处理器。DSP处理器比较有代表的产品是TMS320系列和Motorola的DSP5600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。DSP5600目前已经发展成为DSP5600，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。返随着EDI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。用户只需要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。这样除了个别无法集成的器件外，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。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加在JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Intermet安全方面。返使用操作系统的基本思想是隐藏底层不同硬件的差异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。这样软件设计人员就不必关心具体硬件的操作细节，能够专注于擅长领域的开发。但是，由于编写一个操作系统来隐藏不同硬件，并提供统一的编程接口，是一件很困难的事情。所以很多产品厂商选择购买操作系统，在此基础上开发自己的应用程序，形成产品。事实上，因为嵌入式系统是将所有程序，包括系统程序、驱动程序、应用程序的程序代码全部烧写进ROM里执行，所以操作系统在这里的角色更像是一套函数库。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外围设备管理。这三项机制提供给应用程序设计者许多良好的特性。但是在嵌入式系统中并非必备，小型系统可能并不需要操作系统，但复杂的大型嵌入式系统通常会使用操作系统来进行有效管理。返大多数情况下，使用计算机来解决问题时，主要关注的是计算机的计算结果是否正确，至于计算机为了获得这个结果花费了多长的计算时间并不十分在意。但是，在相当一部分实际应用中，计算机系统得到结果所花费时间的长短与结果的正确性同等重要，甚至有时更为重要。为了提高系统的实时性，实时操作系统的设计应尽量满足5个条件：1）必须是多任务系统2）内核应是可剥夺型3）任务的切换时间应与系统中的任务数无关并可预知4）系统提供所有服务所需时间应尽可能短并且可预知5）中断延迟的时间可预知并尽可能短返返ARM处理器系列◆ARM7（V4）◆ARM9（V5）◆ARM10◆ARM11（V6）◆Cortex（V7）返◆ARM7（V4/V4T）ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7微处理器系列具有如下特点：－具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。－极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。－能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。－代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。－对操作系统的支持广泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。－指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。－主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。返ICE-RT应该是InCircuitEmulator-RralTime缩写返◆ARM9（V5/V5E）ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：－5级整数流水线，指令执行效率更高。－提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。－支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。－支持32位的高速AMBA总线接口。－全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。－MPU支持实时操作系统。－支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。返◆ARM10E（V5/V5E）ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50％，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处理器的主要特点如下：－支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。－6级整数流水线，指令执行效率更高。－支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。－支持32位的高速AMBA总线接口。－支持VFP10浮点处理协处理器。－全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。－支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力－主频最高可达400MIPS。－内嵌并行读/写操作部件。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。返◆ARM11（V6）ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。发展目的是为了达到低功耗、低成本的高速传输性。该系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。ARMv6架构是根据下一代的消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子产品等需求而制定的