嵌入式系统-概述课件

嵌入式系嵌入式系统-概述概述课程安排第一讲概述第二讲ARM体系结构第三讲ARM汇编及混合编程第四讲嵌入式操作系统第五讲Linux指令及编程第六讲MakeFile第七讲Bootloader第八讲驱动及界面1.嵌入式系统的概念1.1计算机系统分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机、大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中计算机系统不仅仅是:1.2精确定义: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和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、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统的典型实例 汽车电子产品分类嵌入式系统的典型实例1.3嵌入式系统的的其它定义嵌入式系统的简单定义嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统嵌入式系统的狭义定义使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统微处理器专指32位以上的微处理器广义定义:任何一个非计算机的计算系统嵌入式系统原理与应用 20082.嵌入式系统的特点2.1嵌入式系统的特点系统内核小：一般应用于小型电子装置。系统精简：无系统软件和应用软件的明显区别。专用性强：软硬件结合紧密、针对硬件进行系统的移植。资源有限：通常要求产品廉价、耗电少、体积小、速度快等。实时性：实时多任务的操作系统、合理调度多任务专门的开发工具和环境。2.2嵌入式系统软件的特征软件要求固态化存储 软件代码高质量、高可靠性 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础2.3嵌入式系统具有的产品特征面向用户、面向产品、面向应用升级换代也是和具体产品同步、具有较长的生命周期软件和硬件结合紧密嵌入式处理器的发展也体现出稳定性普通处理器18月嵌入式处理器8-10年2.4嵌入式系统工业的特点和要求嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业PC由WINTEL垄断嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。2.5嵌入式系统开发需要开发工具和环境通用计算机具有完善的人机接口界面嵌入式系统本身不具备自举开发能力这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。2.6嵌入式系统软件需要RTOS开发平台通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。但为了保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。需要选配RTOS开发平台MicrocontrollerCCDpreprocessorPixelcoprocessorA2DD2AJPEGcodecDMAcontrollerMemorycontrollerISAbusinterfaceUARTLCDctrlDisplayctrlMultiplier/AccumDigitalcamerachiplensCCD一个嵌入式系统的典型例子 数码相机嵌入式系统原理与应用 20083.嵌入式系统的演变3.1计算机用于控制设备或嵌入系统的历史几乎与计算机自身的历史一样长计算机控制系统单片机掀起电子化浪潮微处理器高速发展推动了嵌入式系统3.2嵌入式系统的演变8031/8051单片机系统，自行编写程序；68360/386EX控制系统，自己编写简单的操作系统；32位嵌入式处理器pSoS嵌入式操作系统tcp/ip协议栈；各种SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web设备server以及各种复杂网络协议栈GUI图形界面无线模块现代可移动的网络智能设备3.3后PC技术的时代小到mp3、PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备嵌入式系统是这个后PC时代的擎天之柱世界电子产品产值已超过数万亿美元，并且逐年递增4.嵌入式系统基本构成嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件嵌入式软件系统板级支持包（BSP）设备驱动（DeviceDriver）操作系统（OS/RTOS）协议栈（ProtocolStack）应用程序（Application）存储器及外围电路嵌入式处理器嵌入式操作系统应用软件嵌入式系统原理与应用 20084.1嵌入式系统硬件基本构成嵌入式系统原理与应用 20084.2嵌入式系统的软件基本构成嵌入式操作系统设备驱动及一些中间件协议栈（JAVAVM/JITs)应用软件板板级支持包（支持包（BSP）Windows CE,Pocket PC,Palm,Symbian and Linux编译器、调试器和仿真器嵌入式系统原理与应用 20084.3嵌入式处理器嵌入式微处理器（MPU)ARM（本课程使用ARM920T)DragonballMC9328Mx1嵌入式微控制器(MCU)8051、P51XA、MC68HC05/11/12/16、68300等ARMCortex-M系列,ARM7系列嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统（SOC-SystemOnChip）XilinxZynq-7000系列嵌入式可编程片上系统（EPSOC）嵌入式系统原理与应用 20084.3.1嵌入式微控制器（MCU）主要是指单片机片内集成ROM/EPROM、RAM、FLASH/EEPROM、总线、定时器、计算器、看门狗、I/O、串行口、PWM（脉宽调制输出）、A/D、D/A、等各种必要功能和外设一般来讲具有以下特点可单片完成功能，片内可有ROM/RAM/FLASH，并带所需的通信接口，I/O等，外设资源丰富，适于控制体积小，功耗低，成本低，可靠性高仍是嵌入处理器主流，占70左右典型器件：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等半通用系列：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微控制器（MCU）嵌入式系统原理与应用 20084.3.2嵌入式DSP处理器系统结构和指令算法经过特殊设计，增强了数字信号处理能力（数字滤波、FFT、谱分析等）适于运算量大，特别是向量运算、指针线性寻址较多的智能算法实现主要应用于带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等代表产品有TI的TMS320C2000/C5000和Motorola的DSP56000通用DSP与嵌入式DSP的区别通用DSP的制造商主要是Agree、ADI、Motorola和TI四大厂商;而嵌入式DSP的供应商超过100家,产品种类繁多;通用DSP主要完成高速数据处理的功能;而嵌入式DSP则更多地与ASIC、ASSP、FPGA、MCU等共处一体;目前,通用DSP的应用更集中在通信领域;而嵌入式DSP是消费类电子产品的主要选择;嵌入式DSP由于应用的要求,具备相对较低的功耗。嵌入式系统原理与应用 20084.3.3嵌入式SOCSystemOnChip,片上系统/系统芯片将很多功能模块集成到单个芯片上各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，用VHDL等语言描述除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一或几片芯片中优点可利用降低片内工作电压，减少功耗减少芯片对外引脚数，使系统板简洁，减小体积减少原来芯片间的信号传递，提高了处理速度；减少了信号传递过程中可能造成的干扰，提高了可靠性软硬件无缝结合，可直接在片内嵌入操作系统代码模块嵌入式系统原理与应用 2008大致分为通用和专用两类通用Siemens的TriCoreMotorola的M-CoreEchelon和Motorola联合研制的Neuron专用Philips的SmartXA例如ARM+DSP,ARM+ARM嵌入式系统原理与应用 20084.3.4嵌入式SOPCSOPC可编程片上系统技术基础超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟FPGA晶体管集成密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA的设计、综合、仿真、测试工具性能已达到相当高水平微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IPCore的开发理念逐渐深入，标准IP库日益丰富信号处理算法、软件算法和控制逻辑等均以IP核的形式体现目前已比较成熟的SOPC开发平台：XilinxSpartanIIFPGA和MicroBlaze软处理器IPCoreXilinxVirtexIIproFPGA和PowerPC硬处理器IPCoreAlteraXA1/XA10/NoisFPGA和处理器IPCore嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统原理与应用 20084.3.4嵌入式SOPCSOPC可编程片上系统技术基础超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟FPGA晶体管集成密度提高FPGA成本足以与ASIC抗衡FPGA的设计、综合、仿真、测试工具性能已达到相当高水平微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中IPCore的开发理念逐渐深入，标准IP库日益丰富信号处理算法、软件算法和控制逻辑等均以IP核的形式体现目前已比较成熟的SOPC开发平台：XilinxSpartanIIFPGA和MicroBlaze软处理器IPCoreXilinxVirtexIIproFPGA和PowerPC硬处理器IPCoreAlteraXA1/XA10/NoisFPGA和处理器IPCore嵌入式系统原理与应用 20084.3.5嵌入式微处理器MPU由通用计算机的CPU发展而来与通用CPU区别：只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求与工业控制计算机相比，嵌入式处理器体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高嵌入式系统原理与应用 2008目前主要嵌入式微处理器有：MIPSX86系列Am186/188、386EX开发方便，移植容易体积大、功耗高、实时性差ARM系列小体积、低功耗、低成本、高性能支持16/32位双指令集全球众多的合作伙伴PowerPC系列，Motorola和IBM联合开发的微处理器核另外还有SPARC、68000,SC-400等嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-MIPS典型的嵌入式微处理器MIPS:MIPS公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位MIPS于80年代处开始RISC处理器设计，90年代中后期开始将战略重点放在嵌入式处理器设计1999年，MIPS发布了MIPS32和MIPS64架构标准，为MIPS处理器的开发奠定了基础MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器内核MIPS324Kc和64位的处理器内核MIPS645Kc应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由器、激光打印机嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-PowerPCPowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到PC，从消费类电子到通信设备基于PowerPC架构的处理器有IBM开发的PowerPC405GP，集成了10/100M以太网控制器、串行和并行接口、内存控制器以及其他外设的高性能嵌入式处理器MPC823e是一款高度综合的片上系统（SOC）嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPUX86由8086系列处理器发展而来典型产品Am186/188,386EXNSGeodeGX1300MHZ主要特点开发容易方便移植体积大，功耗高，实时性差嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-ARMARM（AdvancedRISCMachines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（IP）设计供应商。ARM转让他的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴生产各种用途的处理器芯片。ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费电子设备的嵌入式解决方案的RISC标准。ARM处理器有三大特点体积小、功耗低、成本低，性能高ARM/Thumb16/32位双指令系统全球众多的合作伙伴嵌入式系统原理与应用 2008CISCvs.RISCCISCComplexInstructionSetComputer,复杂指令集Intel,IA(IntelArchitecture)32架构AMDRISCReducedInstructionSetComputer，精简指令集SPARC,Sun与TI开发PA-RISC,HP开发Alpha,Compaq开发PowerPC，IBM与Motorola开发MIPSARM二者在软件和硬件上都不兼容嵌入式系统原理与应用 2008RISC体系结构的特点:采用固定长度的指令格式，指令规整、简单（ARM指令为32位）使用单周期指令，便于流水线操作大量使用寄存器（ARM共有37个寄存器），数据处理指令只对寄存器操作，访问存储器只使用Load/Store指令。嵌入式系统原理与应用 2008典型的ARM微处理器:Intel公司的StrongARM系列：SA-110/1100/1101/1110/1111,用于PalmPocketPC和网络Intel公司的XScale系列：PXA210/220/250/255CirrusLogic公司的ARM系列：EP7209/7211/7212/7312/9312,PS7500FE，用于MP3Samsung公司的ARM系列：S3C44B0,S3C2400,S3C4510，用于ADSL和PDAMotorola半导体的DragonBallMX1，用于PDA和蓝牙Qualcomm公司的MSP1000、MSM3000、MSM5000、MSM6000，用于CDMAPhilips公司的SAA7750、VWS22100、VCS94250、VWS26001，用于MP3,GSM,3G,BTTriscend公司的ARM产品：A7嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-ARMARM ARM 应应用广泛用广泛用广泛用广泛嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-ARMARM ARM 用于无用于无用于无用于无线设备线设备嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式微处理器MPU-ARM例：嵌入例：嵌入例：嵌入例：嵌入处处理器理器理器理器应应用于用于用于用于GSMGSM商商商商务务手机手机手机手机嵌入式系统原理与应用 20085.嵌入式系统的应用goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album嵌入式系统原理与应用 20085.1无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统原理与应用 2008无所不在的嵌入式系统嵌入式系统原理与应用 2008无所不在的嵌入式系统嵌入式系统原理与应用 20085.2信息家电嵌入式系统原理与应用 2008信息家电FreeScale Digital Home Center Reference Platform 数字媒体(数码音乐、影视、视频游戏)等的快速发展和推广,使得人们迫切需要一个家庭网络平台,能够在家中任何地方自由下载各种音视频资料,并能实现远程控制嵌入式系统原理与应用 2008信息家电n信息家电应用特点:n市场巨大n低成本要求n利润空间小n竞争激烈n人机界面友好n网络化嵌入式系统原理与应用 2008信息家电嵌入式系统原理与应用 2008信息家电嵌入式系统原理与应用 20085.3车载系统嵌入式系统原理与应用 2008车载系统嵌入式系统原理与应用 2008车载系统n车载系统应用特点:n与汽车工业相配套n利润空间较大n可靠性要求较高n无线通讯要求嵌入式系统原理与应用 2008车载系统FreeScale 68HC908AZ32A:8-Bit Microcontroller 嵌入式系统原理与应用 2008车载系统FreeScale68HC908AZ32AFeatures:8.4-MHzinternalbusfrequency32KbytesofFLASHMemory512bytesofon-chipEEPROM1024bytesofon-chipRAMSerialperipheralinterfacemodule(SPI)Serialcommunicationsinterfacemodule(SCI)8-Bit,15-ChannelAnalog-to-DigitalConverter(ADC-15)16-Bit,6-ChannelTimerInterfaceModule(TIMA-6)16-Bit,2-ChannelTimerInterfaceModule(TIMB)MSCANController(FreescaleScalableCAN)嵌入式系统原理与应用 20085.4医疗行业应用n医疗行业应用特点:n市场广阔n进入门槛较高n利润极高n影像实时采集子系统n影像分析处理子系统n影像的查询、管理和存储子系统n图文编辑及打印子系统n数字图像回写子系统n远程会诊子系统n系统管理子系统嵌入式系统原理与应用 20085.5军事工业应用特点军事工业应用特点:n市场垄断性强n高利润n可靠性要求高n安全性要求高n成本要求不高嵌入式系统原理与应用 20086.嵌入式系统开发过程任务分析操作系统选择处理器选择硬件设计操作系统移植应用程序设计驱动及BSP设计代码固化嵌入式系统原理与应用 2008嵌入式系统开发过程嵌入式系统原理与应用 20086.1任务分析6.1任务分析由于嵌入式系统是以应用为中心，对系统的可靠性、系统的开发周期、体系成本等都有严格的要求。因此，嵌入式系统开发首先要对任务进行详细地分析，使得系统能较好地满足要求。其中主要包括对系统功能的分析、对系统软硬件的特殊要求、实时性的水平、系统模块的分解、要达到的水平等嵌入式系统原理与应用 20086.2处理器选择处理器选择:工作频率技术指标功耗处理器的核（ARM处理器）片内存储器容量片内外围电路及其扩展能力软件支持工具是否内置调试工具供应商能否提供评估板操作系统选择:实时性开发周期开发资源等嵌入式系统原理与应用 20086.3软硬件开发硬件设计驱动程序及BSP开发处理器供应商可能会提供相关的内容。操作系统的移植将所选的操作系统移植到设计的目标板的过程应用程序设计代码固化嵌入式系统原理与应用 20086.4嵌入式应用开发的调试由于嵌入式系统的可用资源有限，嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的宿主机完成。嵌入式应用软件通过宿主机上的交叉编译器，完成交叉编译和连接后下载到目标机。宿主机：进行嵌入式软件开发的主机目标机：将要开发的目标板嵌入式系统原理与应用 20086.5嵌入式开发的调试方法大致有以下几种调试方法：模拟调试方式ROMMonitor方式（或Angel方式）在线仿真(ICE)内嵌JTAG仿真嵌入式系统原理与应用 20086.5.1模拟开发调试方式它通过基于宿主机的软件，在主机上模拟目标机中处理器的功能和指令。如ARM公司的ARMulator模拟器。它虽然简单可行，但是缺乏在线调试和实时仿真功能。嵌入式系统原理与应用 20086.5.2ROMMonitor调试方式ROMMonitor方式（或Angel方式）ROMMonitor（或Angel）是运行在目标机的Flash或ROM的一段程序，它主要负责监控目标机上被调试程序的运行情况。通过和宿主机的配合，完成嵌入式系统的调试。它是目前低廉有效的一种调试方式。使用Metrowerks公司的CodeWarrior进行开发调试时要用到的Metro-TRK就属于这类软件。嵌入式系统原理与应用 20086.5.3在线仿真(ICE)调试方式In-CircuitEmulator（实时在线仿真）在线仿真(ICE)它通过在线仿真器，取代目标板的MPU，仿真嵌入式处理器芯片的行为。它支持单步执行、断点、反汇编、源程序级调试。仿真器通常价格比较昂贵，通常用在ARM硬件开发中，软件开发则较少用。嵌入式系统原理与应用 20086.5.4JTAG仿真调试方式JTAG（JointTestActionGroup）JTAG仿真器ARM处理器内含EmbededICE宏单元，并留有JTAG调试接口，支持在线仿真。它无需目标存储器，不占用目标系统的端口。使用集成开发环境配合JTAG仿真器是目前最常用的一种调试方式。宿主机目标板仿真器硬件连接示意图嵌入式系统原理与应用 2008JTAG仿真调试方式嵌入式系统原理与应用 20086.5.5常用集成开发环境ARMADS（ARMDeveloperSuits）它是ARM公司的集成开发环境，包括命令行开发工具、图形开发工具、实用工具和支持软件4部分，可以进行编辑、编译及调试C、C+及汇编程序。Multi2000Multi2000是GreenHills软件公司（）开发的集成开发环境。它支持C/C+/Ada95/Fortran编程语言，可运行与Windows和UNIX平台。HitoolforARMHitoolforARM是上海祥佑数码科技的集成开发环境（）EmbestIDEEmbestIDE是深圳英蓓特公司（）推出的一个集成开发环境。嵌入式系统原理与应用 20087嵌入式系统研究热点国内外的主要研究方向嵌入式系统的硬件软件协同设计方法；采用构件、中间件技术的网络操作系统分布嵌入式系统的实时性问题嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究。嵌入式系统原理与应用 2008谢谢