嵌入式系统设计与开发

嵌入式系统设计与开发第1章概述第2章ARM及其编程模型第3章ARM指令集第4章嵌入式程序设计第5章C/OS-Ⅱ实时操作系统第6章嵌入式最小系统设计第7章部件工作原理与开发实例第8章基于C/OS-Ⅱ的程序设计第9章ARM嵌入式开发工具第10章ARM9处理器嵌入式系统设计与开发第1章概述本章提要1.1嵌入式系统1.2嵌入式系统的组成1.3嵌入式系统的主要应用领域1.4嵌入式处理器1.5嵌入式操作系统1.6嵌入式系统的开发1.1嵌入式系统嵌入式系统的定义一般定义：以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可剪，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。本质定义：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。嵌入式系统的发展历史1976年，Intel公司推出了MCS-48单片机，只有1KBROM和64KBRAM。1980年，Intel公司对MCS-48单片机进行了全面完善，推出了8位MCS-51单片机。1984年，Intel公司又推出了16位8096系列并将其称之为嵌入式微控制器。此外，为了高速、实时地处理数字信号，1982年诞生了首枚数字信号处理芯片DSP。20世纪90年代后，伴随着网络时代的来临，网络、通信、多媒体技术得以发展，基于硬件底层的单线程程序的单片机已经很难满足这些领域的要求。32位微处理器面向嵌入式系统的高端应用，由于速度快、资源丰富、本身的复杂性、可靠性等，得到了广泛的需求。嵌入式计算机系统与通用计算机系统嵌入式系统通常是面向特定应用的，应用的多样性决定了硬件平台的多样性。大多嵌入式系统都有实时性要求，在高端应用中，为满足应用需求、增强可靠性和便于开发，往往要有实时多任务操作系统的支持。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。功耗、成本和可靠性对嵌入式系统有特别重要的意义。嵌入式计算机系统与通用计算机系统嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品进入市场后具有较长的生命周期。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，是一个可以大有作为的行业。1.2嵌入式系统的组成硬件处理器/微处理器、存储器、I/O接口及输入/输出设备软件嵌入式操作系统、应用程序嵌入式系统的架构处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构嵌入式系统的硬件组成电源模块时钟模块复位外围电路微处理器MPUFlashRAMROM外设USBLCD键盘其他嵌入式系统的软件组成1.嵌入式操作系统2.嵌入式应用软件3.硬件抽象层HAL4.板级支持包BSP5.设备驱动程序6.操作系统的应用程序接口函数API嵌入式软件的主要特点软件要求固化存储。软件代码要求高质量、高可靠性。系统软件（OS）的高实时性是基本要求。嵌入式系统软件需求实时多任务操作系统开发平台（RTOS）。在嵌入式系统的软件开发过程中，采用C语言将是最佳的选择。1.3嵌入式系统的主要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其他······嵌入式系统的应用领域PDA可视电话机器人SONY机器狗嵌入式系统的应用领域嵌入式技术在电子通讯中的应用手机、小灵通、智能手机、3C合一……信息家电的应用信息家电——数字机顶盒信息家电——消费电子SAN公司的信息家电产品嵌入式技术在汽车电子中的应用VOLVOS80汽车的CAN总线网络—（18个嵌入式控制模块）—CAN总线网络阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。嵌入式技术在军事方面的应用嵌入式系统——高性能武器平台的基础嵌入式Internet应用嵌入式系统与机器人技术图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和WindowsCE）智能机器人基于WinCE的移动机器人平台基于WinCE的机器人装配平台基于RTLinux的仿人机器人高48cm重:6kg灵活性：20DOF操作系统:RT-Linux接口形式:USB1.0(12Mbps)响应周期:1ms能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇气号”再次登陆火星1.4嵌入式处理器嵌入式处理器分类：嵌入式处理器嵌入式微处理器MPU嵌入式微处理MCU嵌入式数字信号处理器EDSP嵌入式片上系统SoC嵌入式处理器现状及发展趋势1.32位处理器在兴起2.处理器IP（知识产权）3.可编程处理器1.5嵌入式操作系统嵌入式操作系统分类面向控制、通信等领域的实习操作系统WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、QNX系统软件公司的QNX、ISI的pSOS等面向消费电子产品的非实时操作系统WinCE、Linux等实时操作系统实时系统的两种类型硬件实时系统和软件实时系统在实时多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。基于优先级的内核的2种类型不可剥夺型的和可剥夺型内核不可剥夺型内核（非占先式Non-Preemptive)低优先级任务ISR高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中断服务程序使高优先级任务就绪低优先级任务释放CPU使用权TIME可剥夺型内核（占先式Preemptive)低优先级任务ISR高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）中断服务程序使高优先级任务就绪高优先级任务得到CPU使用权TIME嵌入式操作系统的特点1.可裁剪2.强实时性3.统一的接口4.操作方便、简单、提供友好的图形用户界面GUI5.提供强大的网络功能6.稳定性，弱交互性7.固化代码8.良好的移植性VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。VxWorks所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多数的VxWorksAPI是专有的，火星机器人。目前市场上流行的嵌入式操作系统NucleusNucleus实时操作系统是AcceleraterTechnology公司开发的嵌入式RTOS，产品只需一次性购买Licenses就可以获得操作系统的源码，并且免产品版税。Nucleus的另一大好处是程序员不用写BSP。Nucleus的特点是：对CPU的支持能力比较强，支持当前流行的大多数RISC、CISC、DSP处理器。NucleusPLUS采用了软件组件的方法，每个组件具有单一而明确的目的。NucleusPLUS除提供功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富的功能模块。Nucleus得到许多第三方工具厂商和方案提供商的支持。如ARM、Lauterbach、TI、Infineon、高通、IAR等。WindowsCEMicrosoftWindowsCE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。WindowsCE操作系统的基本核心需要至少200KB的ROM。它支持Win32API的子集，支持多种的用户界面硬件，同时提供熟悉的开发模式和工具。WindowsCE有5个主要的模块：内核模块、内核系统接口模块、文件系统模块、图形窗口和事件子系统模块、通信模块嵌入式Linux自由免费软件Linux是一个类似于Unix的操作系统。优点：Linux是由很多体积小且性能高的微内核系统组成。Linux支持所有标准的因特网协议。Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。传统的嵌入式程序调试和调试工具是用在线仿真器（ICE）实现的。Linux具有广泛的硬件支持特性。不足：实时性是嵌入式操作系统的基本要求。Linux内核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起编译连接。Linux需要占用较多存储器。提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。QNX加拿大QNX公司的产品。QNX是在X86体系上面开发出来的，这和别的RTOS不一样，别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟，然后再移植到X86体系上面来的。QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPS设备的实时操作系统使用。C/OS-ⅡC/OS-Ⅱ是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺的多任务实时内核。（第5章详细介绍）嵌入式操作系统在我国的应用现状目前为止，中国嵌入式操作系统的主要客户分布在电信、医疗、汽车、安全和消费类等行业，未来的嵌入式操作系统的主要增长动力来自消费类等行业。1.6嵌入式系统的开发嵌入式系统设计流程：1.需求分析2.体系结构设计3.硬件的设计、制作及测试4.软件的设计、实现及测试5.系统集成6.系统性能测试及可靠性测试系统需要分析规格说明书体系结构设计硬件设计软件设计硬件制作软件实现硬件测试软件测试系统集成系统测试符合要求？产品否是基于知识平台的开发方法嵌入式系统的软/硬件框架机械装置嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/DD/A人机交互接口通用接口实时操作系统(RTOS)图形用户接口BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包任务管理文件系统应用程序嵌入式计算机系统传感器1传感器2传感器N......驱动器1驱动器2驱动器N......硬件层软件层中间层功能层被控对象开发平台简介开始新工程编辑源代码交叉编译连接仿真调试程序下载台式/笔记本式PC机并口JTAG仿真器网络接口JTAG接口USB接口串口0ARM300开发板串口USB接口以太网口ARMSDTDebugArmDvkARM7处理器执行监测结果超级终端ARM300开发板实验流程结束嵌入式软件开发流程开发平台简介网口JTAGUSB串口0扩展板接口ARM微处理器S3C44B0X扩展口2网卡JTAG仿真器ARM300开发板集成开发环境运行平台嵌入式系统开发考虑的一些问题1.软硬件协同设计2.嵌入式处理器的选择3.操作系统的选择4.嵌入式系统的交叉开发环境5.嵌入式系统的调试交叉开发环境