嵌入式系统开发基础

12主要参考书嵌入式系统基础教程俞建新王健宋健建机械工业出版社2008年3月第1版3综合实验（课程设计）教材俞建新等编著清华大学出版社本课程上机实验必备教材。给出了典型的嵌入式应用程序编写范例，适合本科生使用和自学。●嵌入式应用程序开发综合实验9例4前导课程知识基础课程计算机组成原理，微机原理与接口软件专业课程操作系统汇编语言，ANSIC（标准C）硬件专业课程电子线路，数字电路，集成电路设计521世纪嵌入式系统应用无处不在一个令人惊讶的数字！Processor98%2%得益于各种科学技术的发展，人类已进入一个全新的计算机与消费品和工业品紧密融合的信息时代。嵌入式技术让一切变成可能！6嵌入式技术人才需求①学校的困难：现有的计算机人才培养模式，脱离实际工业应用和研发环境，产生虚假的毕业生“供过于求”现象②企业的困难：高素质的嵌入式人才难求；现有岗位嵌入式人才缺乏系统全面的嵌入式知识③国外也存在同样的问题7电类非计算机专业（如电子工程、自动化等）——软件在产品开发中的地位越来越重要。而大部分电类专业的学生却非常缺乏软件编程方面的知识技能。计算机专业——大学教学以通用计算机为主，学生的概念中计算机几乎就是网络和数据库，只有很少的学生毕业后投身于嵌入式软件设计，而且硬件知识极度缺乏。企业感叹人才难求，只有在岗培养！存在的问题8第一章嵌入式系统开发基础1.1嵌入式系统基本概念1.2嵌入式系统的组成结构1.3嵌入式系统硬件组成1.4嵌入式操作系统1.5嵌入式应用软件开发1.6嵌入式系统开发流程1.7嵌入式系统发展的趋势91.1嵌入式系统基本概念1.1.1嵌入式计算机1.1.2嵌入式系统的概念1.1.3嵌入式系统的特点1.1.4嵌入式系统的分类1.1.5嵌入式系统的应用范围1.1.6嵌入式技术是中国IT发展的难得机遇101.1.1嵌入式计算机微处理器的问世极大的促进了控制领域的发展。经过发展，到80年代初微处理器及微控制器各自已发展为一个庞大的家族，以Intel公司x86为主流的应用于个人计算机PC的微处理器格局已形成。为了区别于原有使用在PC的通用计算机，把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的微控制器的计算机，称作嵌入式计算机。11嵌入式系统的定义（1）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、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。”英文原文为：devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.12嵌入式系统的定义（2）国内高校流行的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，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计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。13嵌入式系统的定义（3）根据中国微机学会的定义：嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可以分为系统级，板级，片级。芯片级嵌入v含程序或算法的处理器模块级嵌入v系统中的某个核心模块板系统级嵌入v主计算机系统14嵌入式硬件历史大事l1971年11月微处理器诞生，代表产品Intel4004微处理器l1980年美国Intel公司推出MCS-51单片机l1985年美国Xilinx公司推出FPGAFPGAØ现场可编程门阵列ØFieldProgrammableGateArrayl1994年英国ARM公司推出ARM610l1988年DSP微处理器问世代表产品是美国德州公司TMS320C3015嵌入式软件历史回顾l早期的单片机执行由专用的监控程序控制，不含操作系统。目前许多简单的单片机应用仍然使用监控程序作为控制软件。l1980年代，开始在单片机上使用基于操作系统的控制程序。l现在高端嵌入式系统软件都在操作系统的支持下运行161.1.3嵌入式系统的特点专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。技术融合集计算机，通信及其它高新技术于一体。有实时约束一般采用实时操作系统有功耗约束软件没有系统和应用的区别，软件固化。系统内核小软硬件可裁剪高可靠性资源比PC少得多嵌入式系统需要专用的开发工具非垄断市场17专家观点（1）嵌入式系统只是单板机在某种场合下的应用个体经营的单片机公司经理语我们的控制装置产品都用嵌入式系统设计方案中科院自动化研究所工程师语单片机是嵌入式系统的初级形态，SOC是嵌入式系统的高级形态南京市单片机协会理事资深专家语。18专家观点（2）要想成功地设计一个嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的软件和硬件平台。电子工程专辑()主编语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，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。单片机实验室高级工程师语国内外嵌入式系统市场是广阔天地，嵌入式系统是新的经济增长点。北京计算机高级专家工控学会资深理事语。191.4嵌入式系统的分类有多种对嵌入式系统的分类方法，以下是部分分类方法：按用途分类：军用/民用按载体分类：宇航/车载•••按通信性质分类：无线/有线按网络性质分类：联网/单机按环境分类：普通/恶劣按功耗分类：低功耗/普通功耗主要分类方法按硬件软件性质20按照技术复杂度分类根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类：无操作系统控制的嵌入式系统ØNOSES，Non-OScontrolEmbeddedSystem；小型操作系统控制的嵌入式系统ØSOSES，SmallOScontrolEmbeddedSystem；大型操作系统控制的嵌入式系统ØLOSES，LargeOScontrolEmbeddedSystem。21嵌入式系统的应用领域移动电话信息家电视听设备飞机人造卫星导弹鱼雷车辆机器人掌上电脑医疗设备工业控制计算机外围设备水面舰船潜艇坦克战车自行火炮环境监测其它交通管理嵌入式系统22民用嵌入式设备或产品—1MOTOC350彩屏WAP移动电话彪骐数字机顶盒BlackBerry7230移动电话DL7100/DL7200数字式示波器嵌入式GIS畅视2000可视电话PalmZire71型个人数字助理23民用嵌入式设备或产品—224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25马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统26智能玩具与机器人27高性能武器平台的基础28基于VXworks的火星探路者29社会发展方面：嵌入式Internet应用30我们正步入一个崭新的“数字世界”无线连接是“数字胶水”嵌入式应用311.1.6嵌入式技术是中国IT发展的难得机遇后PC时代，即非PC信息设备大显神通的时代，嵌入式系统正是非PC设备的主体，由于其应用广、领域特色突出，谁也无力独吞这一市场。互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速发展，已为我国开发嵌入式产品造就了广大市场，此外我国是人口大国，素有智力优势321.2嵌入式系统的组成结构1.2.1嵌入式系统硬件基本结构介绍1.2.2嵌入式系统软件的层次结构1.2.3启动程序BootLoader介绍33应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理典型的嵌入式系统组成人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存341.2.1嵌入式系统硬件基本结构介绍ChipBoardCircuitCPUCoreExternalDevicesUSBLCDPenKeyboardIRDAOthersConnectionforDebuggingPortsResetCircuitOscillationCircuitPowerSupplyDMATimerPrescalerA/DI/OPortInterruptControlerConnectingDRAMConnectingSRAMConnectingFlashConnectingROMCPUBCU351.2.2嵌入式系统软件的层次结构具有操作系统的嵌入式软件层次Ø驱动层程序Ø实时操作系统（RTOS）Ø操作系统的应用程序接口（API）Ø应用程序36嵌入式系统的软件基本构成371.3嵌入式系统硬件组成1.3.1嵌入式处理器1.3.2典型嵌入式处理器介绍1.3.3嵌入式SoC1.3.4可编程片上系统—SOPC1.3.5嵌入式外围接口电路和设备接口381.3.1嵌入式处理器嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器391.3.1嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，嵌入式处理器有多种功能。按照处理器功能分类，主要如下五种：通用型嵌入式微处理器（简称：MPU）微控制器（MCU）数字信号处理器（DSP）混合处理器和片上系统（SOC）嵌入式双核或者多核处理器40嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的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。和工业控制计算机相比，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。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。CPUROMRAM外设1外设2单板计算机41嵌入式微控制器²嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核42嵌入式DSP处理器Ø是嵌入式DSP处理器和嵌入式处理器经过单片化设计，片上增加丰富的外设成为具有高性能DSP功能的SoC；Ø是在通用微处理器、微控制器或SoC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。43片上系统把一个或多个CPU单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统SoC。为了解决SoC设计中遇到的难题，设计方法必须进一步优化。因此，人们提出了基于FPGA的SoC设计方案——可编程片上系统（SystemOnaProgrammableChip，称为SOPC）。随着百万门级的FPGA芯片、功能复杂的IP核（知识产权核）和可重构的嵌入式处理器软核的出现，作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际上电子系统设计新技术的热点，具有广阔的应用前景。Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分别推出了SoPC系统解决方案。441.3.2典型嵌入式处理器介绍ARM处理器MIPS处理器PowerPC处理器Sparc处理器45ARM处理器简介ARM即AdvancedRISCMachines的缩写。ARM公司是设计公司，是知识产权（IP:IntellectualProperty）供应商，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。有30多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议。ARM处理器的3大特点：小体积、低功耗、成本低、高性能16位／32位双指令集全球众多的合作伙伴46ARM处理器应用ARM系列处理器提供的解决方案包括：在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台智能卡和SIM卡的安全应用嵌入式系统教学实验设备网络设备：路由器、调制解调