《嵌入式系统基础》PPT课件.ppt

第1章嵌入式系统基础 范道尔吉 什么是嵌入式 什么是嵌入式 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义 目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落 工业 服务业 消费电子 而恰恰由于这种范围的扩大 使得 嵌入式系统 更加难于明确定义 什么是嵌入式 举个简单例子 一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢 答案肯定是 是 另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗 当然 也是 工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域 然而比较两者 你也许会发现二者几乎完全不同 除了其中都嵌入有微处理器 那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统 那鼠标中也有单片机 能叫嵌入式系统嘛 什么是嵌入式 根据IEEE 国际电机工程师协会 的定义 嵌入式系统是 控制 监视或者辅助装置 机器和设备运行的装置 原文为devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 这主要是从应用上加以定义的 从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体 还可以涵盖机械等附属装置 什么是嵌入式 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓 目前国内一个普遍被认同的定义是 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 嵌入式系统的历史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的 但是这个概念并非新近才出现 从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器 微控制器的大规模应用 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史 作为一个系统 往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟 嵌入式系统也不例外 嵌入式系统的历史 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的 70年代单片机的出现 使得汽车 家电 工业机器 通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能 更容易使用 更快 更便宜 这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点 但是这时的应用只是使用 位的芯片 执行一些单线程的程序 还谈不上 系统 的概念 嵌入式系统的历史 从80年代早期开始 嵌入式系统的程序员开始用商业级的 操作系统 编写嵌入式应用软件 这使得可以获取更短的开发周期 更低的开发资金和更高的开发效率 嵌入式系统 真正出现了 许多传统操作系统的特征 包括任务管理 任务间通讯 同步与相互排斥 中断支持 内存管理等功能 其中比较著名的有ReadySystem公司的VRTX IntegratedSystemIncorporation ISI 的PSOS和IMG的VxWorks QNX公司的QNX等 嵌入式系统的历史 90年代以后 随着对实时性要求的提高 软件规模不断上升 实时核逐渐发展为实时多任务操作系统 RTOS 并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流 这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景 开始大力发展自己的嵌入式操作系统 除了上面的几家老牌公司以外 还出现了PalmOS WinCE 嵌入式Linux Lynx Nucleux 以及国内的Hopen DeltaOs等嵌入式操作系统 嵌入式系统的应用领域 工业控制 交通管理 信息家电 家庭智能管理系统 POS网络及电子商务 环境工程与自然 机器人 嵌入式现状和发展 嵌入式系统组成 硬件 操作系统 应用程序 外设 外围电路 嵌入式系统典型硬件结构 微处理器 MPU 电源模块 时钟 复位 Flash RAM ROM USB LCD 键盘 其他 嵌入式处理器的分类 嵌入式处理器 嵌入式微处理器MPU 嵌入式微控制器MCU 嵌入式片上系统SOC 嵌入式数字信号处理器DSP ARM ARM AdancedRISCMachines 是一个公司名字 也是一种处理器的通称 还可以认为是一种技术名字 1991年ARM公司成立于英国Cambridge 主要销售晶片设计技术的授权 目前 采用ARM技术知识产权 IP 核的微处理器 即我们通常说的ARM微处理器 已遍及工业控制 消费类电子产品 通信系统 网络系统 无线系统等各类产品市场 基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器 ARM 75 以上的市场份额 ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各方面 ARM公司是专门从事基于RISC技术晶片设计开发的公司 作为知识产权供应商 本身不直接从事晶片生产 靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的晶片 世界各大半导体生产商 RFID射频快报注 如PHILIPS TI Intel BroadCom ATMEL等 从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核 根据各自不同的应用领域 加入适当的外围电路 从而形成自己的ARM微处理器晶片进入市场 ARM 目前 全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权 因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具 制造 软件的支持 又使整个系统成本降低 使产品更容易进入市场被消费者所接受 更具有竞争力 ARM产品 CPU内核ARM7 小型 快速 低能耗 集成式RISC内核 用于移动通信 ARM7TDMI Thumb 这是公司授权用户最多的一项产品 将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起 以减少内存容量和系统成本 同时 它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计 并用一个DSP增强扩展来改进性能 该 ARM产品 产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器 ARM9TDMI 采用5阶段管道化ARM9内核 同时配备Thumb扩展 调试和Harvard总线 在生产工艺相同的情况下 性能可达ARM7TDMI的两倍之多 常用于连网和顶置盒 ARM产品 微处理器ARM710系列 包括ARM710 ARM710T ARM720T和ARM740T 低价 低能耗 封装式常规系统微型处理器 配有高速缓存 Cache 内存管理 写缓冲和JTAG 广泛应用于手持式计算 数据通信和消费类多媒体 ARM产品 ARM940T 920T系列 低价 低能耗 高性能系统微处理器 配有Cache 内存管理和写缓冲 应用于高级引擎管理 保安系统 顶置盒 便携计算机和高档打印机 StrongARM 性能很高 同时满足常规应用需要的一种微处理器技术 与DEC联合研制 后来授权给Intel SA110处理器 SA1100PDA系统芯片和SA1500多媒体处理器芯片均采用了这一技术 ARM产品 ARM7500和ARM7500FE 高度集成的单芯片RISC计算机 基于一个缓存式ARM732位内核 拥有内存和I O控制器 3个DMA通道 片上视频控制器和调色板以及立体声端口 ARM7500FE则增加了一个浮点运算单元以及对EDODRAM的支持 特别适合电视顶置盒和网络计算机 NC 常用嵌入式芯片S3C2410 常用嵌入式芯片S3C2410 内部1 8V 存储器3 3V 外部I O3 3V 16KB数据Cache 16KB指令Cache MMU 内置外部存储器控制器 SDRAM控制和芯片选择逻辑 LCD控制器 一个LCD专业DMA 4个带外部请求线的DMA 3个通用异步串行端口 IrDA1 0 16 ByteTxFIFOand16 ByteRxFIFO 2通道SPI 常用嵌入式芯片S3C2410 一个多主I2C总线 一个I2S总线控制器 SD主接口版本1 0和多媒体卡协议版本2 11兼容 两个USBHOST 一个USBDEVICE VER1 1 4个PWM定时器和一个内部定时器 看门狗定时器 117个通用I O 56个中断源 常用嵌入式芯片S3C2410 24个外部中断 电源控制模式 标准 慢速 休眠 掉电 8通道10位ADC和触摸屏接口 带日历功能的实时时钟 芯片内置PLL 设计用于手持设备和通用嵌入式系统 16 32位RISC体系结构 使用ARM920TCPU核的强大指令集 常用嵌入式芯片S3C2410 带MMU的先进的体系结构支持WinCE EPOC32 Linux 指令缓存 Cache 数据缓存 写缓存和物理地址TAGRAM 减小了对主存储器带宽和性能的影响 ARM920TCPU核支持ARM调试的体系结构 内部先进的位控制器总线 AMBA AMBA2 0 AHB APB 嵌入式系统软件组成 软件组成 操作系统 应用软件 系统内核 用户界面 驱动程序 通信协议 开发工具 调试器 编译器 连接器 嵌入式操作系统 在大型嵌入式应用系统中 为了使嵌入式开发更加方便 快捷 需要具备一种稳定 安全的软件模块集合 用以管理存储器分配 中断处理 任务间通信 定时器响应和多任务处理 即嵌入式操作系统 嵌入式操作系统 OS是一段嵌入在目标代码中的软件 用户的其它应用程序都建立在OS之上 OS将CPU时间 中断 I O 定时器等资源都包装起来 留给用户一个标准的API 并根据各个任务的优先级 合理地在不同任务之间分配CPU时间 嵌入式操作系统 主要功能 处理器管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口 嵌入式操作系统 WindowsCELinuxVxWorksPsosQNXuC OSCMXiRMX 嵌入式操作系统分类 1 顺序执行系统 系统内只含有一个程序 独占CPU的运行时间 按语句顺序执行该程序 直至执行完毕 另一程序才能启动运行 如DOS操作系统 2 分时操作系统 系统内同时可以有多个程序运行 把CPU的时间分按顺序分成若干片 每个时间片内执行不同的程序 如UNIX Linux 嵌入式操作系统分类 3 实时操作系统 系统内有多个程序运行 每个程序有不同的优先级 只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权 由于嵌入式操作通常具有实时性的要求 又称为实时操作系统RTOS Real TimeOperatingSystem 为什么使用RTOS 支持多任务简化应用软件的开发难度 实时操作系统RTOS 软实时系统 系统时限柔性灵活 可容忍偶然的超时错误 失败造成的后果并不严重 仅仅是轻微降低了系统的吞吐量 硬实时系统 系统时限呈刚性 不可改变 不允许出现任何的超时错误 失败造成的后果甚至可以导致系统失败 或者导致系统不能实现它的预期目标 几种最常见的RTOS 软实时RTOS嵌入式LinuxWinCE硬实时RTOSVxWorksOSENuclear著名的openRTOSuC OS IIRTEMS自主知识产权的RTOSHOPENDeltaOS 典型的嵌入式操作系统 目前已经商品化的嵌入式操作系统有两百多种 如Microsoft的WinCE 嵌入式Linux等 典型的嵌入式操作系统 1 嵌入式LinuxLinux本身所具备的源码开放 内核可裁减等种种特性使其成为嵌入式开发的首选 在进入市场的前两年中 嵌入式Linux的设计通过广泛应用而获得了巨大成功 随着嵌入式Linux技术的成熟 定制需要的尺寸更加方便 同时支持更多的平台 Linux已从早期的试用阶段大步迈进到嵌入式市场的主流 典型的嵌入式操作系统 2 WindowsCEWindowsCE是微软公司的产品 但不是消减的Windows版本 它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 它的模块化设计允许定制从掌上电脑到专用工控电子设备 WindowsCE的缺点是价格过高 因此随着嵌入式操作系统领域日益激烈的竞争 微软不得不应付来自Linux等免费系统的冲击 典型的嵌入式操作系统 3 VxWorksVxWorks是美国WindRiver公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件 VxWorks拥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 在实时嵌入式操作系统领域占据一席之地 但其昂贵的价格让不少厂商望而却步 典型的嵌入式操作系统 4 PalmOS3com公司的PalmOS在掌上电脑和PDA市场上占有很大的市场份额 它所具有很强的灵活性和移动性 是一款非常流行的掌上电脑系统 典型的嵌入式操作系统 5 C OS C OS是一个典型的实时操作系统 该系统从1992年开始发展 目前流行的是第2个版本 即 C OS 它的特点可归纳如下 源码公开 代码结构清晰 可移植性好 可裁减 可固化 内核属于抢占式 最多可以管理60个任务 C OS是研究和学习实时操作系统的首选 嵌入式系统设计步骤 1 明确嵌入式系统的需求 2 设计嵌入式系统的体系结构 确定是否有实时要求 确定处理器和相关硬件 3 选择嵌入式软件系统 确定是否需要操作系统 4 选择开发平台 硬件开发平台 操作系统 编程语言和软件开发工具 5 编写并优化代码 6 在硬件模拟器 嵌入式硬件系统上验证软件 嵌入式系统的学习 1 分析一种嵌入式操作系统的源代码 根据具体需要 在了解操作系统基本原理的情况下 选择需要了解的部分 重点分析 建议不通读 2 分析一种通信协议栈的实现方式并熟悉相应软件的使用 3 深入了解一种嵌入式开发 推荐使用GNUTools开发工具