嵌入式系统的软硬件设计

嵌入式系统的软硬件设计樊卫华MSN:[e-mail]:[e-mail][e-mail]南京理工大学自动化系2020/5/14南京理工大学自动化系主要内容•课程简介•SBC－2410X开发板的介绍•嵌入式系统的概述•嵌入式系统的硬件•嵌入式系统的软件•嵌入式系统的开发技术•自主性开放式实验2020/5/14南京理工大学自动化系课程简介•课程的时间安排：–课堂教学（≤1学分）；–自主性开放式实验（≥1学分）；•课程目的：–了解嵌入式系统的基本概念–了解嵌入式系统的开发技术–经历一次真正的研发过程–培养团队合作精神2020/5/14南京理工大学自动化系自主性开放式实验•实验对象：SBC－2410X开发板•实验内容：根据开发板所提供的资源，自行拟制•实验方式：分组、合作•截至时间：现在－6月30日2020/5/14南京理工大学自动化系检查方式及内容1.方案论证与可行性分析（报告及文档）；2.软件设计文档及源程序；3.实验演示；4.结题报告；5.总结报告（个人承担的工作，工作中遇到了什么问题，如何解决，个人工作的自我评估，对本课程教学的建议）。前4项每个小组递交一份，须注明每人承担的工作。第5项每人递交一份。2020/5/14南京理工大学自动化系评分标准（初稿）•首先根据每个组的项目完成情况进行评分；•组长对组员的工作进行评价，给出建议分数；•按照每个人的工作总结进行评分；•上述三项结合后就是每个人的总成绩。2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X开发板介绍2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X开发板的介绍（1）•SBC-2410X基于三星公司的ARM处理器S3C2410X，采用6层板设计。内部集成ARM920T核，带有全性能的MMU(内存处理单元)，•适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X开发板的介绍（2）•板上集成了64MSDRAM、64MNandFlash、1MBootFlash、RJ-45网卡、音频输入与输出、USBHost、USBslave、标准串口、SD卡插座、用户按键和一些用户灯等设备接口，并且使用2.0mm插针槽引出CPU的大部分信号引脚。•在软件上，可使用嵌入式Arm-Linux和WinCE操作系统。2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X的标准硬件特性序号名称描述1CPUSamsungS3C2410X，200MHz主频，最高266Mhz2ROM1MBAMDFlashROM64MSamsungNandFlashROM3RAM32Mx2SDRAM4LAN一个10MEthernet，RJ-45接口5Serial1个DB9标准串口6USB1个USB1.1HostA型接口1个USB1.1HostB型接口7Audio一个音频接口，一个音频输入口2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X的标准硬件特性（1）序号名称描述8RTC外接32.768KHz的晶振，带有备份电池，可保持时钟9JTAG20针标准的JTAG接口，主要用来下载，bootloader10SDCardSDCard插座11LED4个可编程用户LED(带驱动程序)12Keypad4个可编程用户按键(带有驱动程序)13Switch一个电源开关2020/5/14南京理工大学自动化系SBC－2410X的标准硬件特性（3）序号名称描述14Reset一个复位按键15POWER一个开关电源+5V供电16FixedHole6个定位孔(内径3mm，外径5mm)17Boardsize120(L)x90(W)mm2020/5/14南京理工大学自动化系SBC-2410X专有接口特性序号名称描述1COM1-314针2.0mm间距接口直接引出CPU内部三串口2KEYBOARD10针2.0mm间距接口引出I/O键盘3CON-LCDLCD/STN液晶屏接口(50针2.0mm间距)，可以接各种单色,伪彩,真彩液晶屏，含有触摸屏接口4CON-GPIOGPIO等接口(36针2.0mm间距)，含有10个中断引脚，6路AD输入，1个SPI接口，I2C接口，2个时钟输出，2个GPIO口2020/5/14南京理工大学自动化系SBC-2410X专有接口特性（1）序号名称描述5BUSCON总线接口(44针地址数据线,14针控制线),带有16位数据线,25位地址线等信号2020/5/14南京理工大学自动化系SBC-2410X接口介绍可以扩展三个COM（串口）2020/5/14南京理工大学自动化系USBHOST使用PC上常见A型口，USBDEVICE使用B型口。2个USB接口，一个作为Host(可配置为Slave模式)，一个是Slave。2020/5/14南京理工大学自动化系SBC-2410X使用+5V直流电源供电，并在电源插座的旁边标明了插座的极性，使用电源开关S600可以控制板上电源系统的通断。2020/5/14南京理工大学自动化系BUSCTRL接口主要为系统总线控制信号，BUSCON主要为地址数据线等。2020/5/14南京理工大学自动化系4个IO方式的用户可编程按键，同时把这些IO口引出到一个插座上。序号定义序号定义1VDD33V2VDD33V3EINT74EINT15NC6EINT27NC8EINT39GND10GND2020/5/14南京理工大学自动化系4个IO方式的用户可编程LED灯(绿色）。2020/5/14南京理工大学自动化系SBC-2410X引出了剩余资源的引脚供用户扩展之用。CON-GPIO包含10路中断，6路A/D输入，1组SPI接口等。2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统的概述•嵌入式系统的基本概念•嵌入式系统的应用现状•嵌入式系统的发展2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统的应用•各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等；2020/5/14南京理工大学自动化系2020/5/14南京理工大学自动化系工业和服务领域中大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。2020/5/14南京理工大学自动化系消费类电子—智能玩具、手持通讯的核心2020/5/14南京理工大学自动化系智能玩具与机器人2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式Internet应用2020/5/14南京理工大学自动化系军事国防领域2020/5/14南京理工大学自动化系航天领域2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统无所不在•嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。2020/5/14南京理工大学自动化系什么是嵌入式系统•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）。•就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。2020/5/14南京理工大学自动化系一般定义•嵌入式系统是软件和硬件的综合体，除处理器外还包括必要的外设，比如接口设备、甚至与其相关的机电设备等。一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。即以应用为中心、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。2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统的特点1.系统内核小：•嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此内核较传统的操作系统要小得多；2.专用性强：•软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密；•软件的编译下载与系统相结合，“通用”、“升级”的概念一般不适用；3.系统精简：–没有系统软件和应用软件的区分2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统的特点（1）4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境•用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；•开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助仪器；•主机：用于程序的开发；•目标机：最后的执行机；•开发是交替式的。2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式系统的分类•按表现形式分（硬件范畴）：–芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）–模块级嵌入（系统中的某个核心模块）–系统级嵌入•按实时性要求分（软件范畴）：–非实时系统（PDA）–软实时系统（消费类产品）–硬实时系统（工业和军工系统）2020/5/14南京理工大学自动化系嵌入式处理器的分类•嵌入式微处理器（EMPU）•微控制器（MCU）•数字信号处理器（DSP）•片上系统（SOC）2020/5/14南京理工大学自动化系EmbeddedMicroprocessorUnit•来自于通用处理器（MCU），核心只保留了与嵌入式应用有关的功能，并在功耗、功能配置、封装形式、可靠性等方面进行改进；•优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；•缺点：片内周片电路不足，必须配备ROM，RAM，总线接口，各种外设接口等；•代表：AM186/88、386EX、PowerPC、ARM系列2020/5/14南京理工大学自动化系MicroControllerUnit•又称单片机，即将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。•一般以某一种微处理器的CPU为核心，芯片内集成了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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设接口，也可集成A/D、D/A转换接口。2020/5/14南京理工大学自动化系•特点：单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高；•缺点：MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。•代表：MCS51、MCS96、S1C33、MSP430等。2020/5/14南京理工大学自动化系DigitalSignalProcessor•DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。•特点：在信号处理方面有得天独厚的优势；缺点：DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。2020/5/14南京理工大学自动化系•发展方向：–DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设而成嵌入式DSP处理器；–在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器；•代表：TMS320系列。2020/5/14南京理工大学自动化系SystemOnChip•一个硅片上实现一个复杂的系统；•SOC可分为通用和专用两类；•通用：TriCore、M-core、某些ARM；•专用：SmartXA（Philips）。•SOC（片上系统）的优势：1.可通过改变内部工作电压，降低芯片功耗；2.减少了芯片的外管脚数，简化了制造过程；3.减少了外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了微处理器的数据处理速度；4.增强了抗干扰能力。2020/5/14南京理工大学自动化系典型的嵌入式微处理器（EMPU）1.ARM/StrongARM1.ARM（advancedRISCMachines）是16/32位RISC微处理器；2.ARM公司通过转让RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术实现与合作伙伴共赢；3.ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准2.ARM处理器的特点：1.体积小、功耗低、成本低、性能高；2.16/32