嵌入式系统自学教程.ppt
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1、嵌入式系统 基于32位微处理器与实时操作系统,2006年春季 北京航空航天大学计算机学院,联系方法,课程目的,本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势,重点讲述了基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统(RTlinux)和嵌入式软硬件系统开发技术。 采用理论学习和实践并重的教学方法,着重培养学生的实际动手能力,通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验,使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外还增加了嵌入式多媒体应用、游戏开发等开放式实验,使得基础较好的同学能够获得进一步的嵌入式开发实践机会。,需要的基础知识,先导课程 计算机操作系统 微机原理 C语言 需要了解的基础知识
2、了解操作系统、单片机和微机原理的基本概念,能够熟练使用C语言。,学时分配,课程属性: 专业基础课 总学时数: 48 课内学时: 48 讲课学时数:30 实验学时数:18 学分: 3,课程大纲(约30学时),时间:周五晚8:00-11:00 地点:4号楼315,专题实验内容(18学时),地点:2号楼机房(上午9:0012:00),注:1、实验1-6在实验室统一讲解辅导,要求在课内18个学时内完成,开放式项目实验(约20学时),地点:开放实验室 内容: 学生可以单独或者合作(最多3人)开发一个简单的嵌入式系统设备,可从下面的命题中选取,也可自己设计题目。 MP3播放器 MP4播放器 基于Linux
3、的PDA(记事本、通讯录、备忘录等功能) 基于Linux的可视电话 便携式旅游信息终端 简单Email编辑、收发器(具有RJ45和Wi-fi接口) 简单游戏(游戏杆控制),掌握一种学习方法-理论学习和实践并重 学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本原理和设计方法 获得嵌入式开发设计的实践经验 获得学分 为未来职场的发展奠定技术基础,大家能够期望的收获,您的期望合理吗?,通过本门课程的学习,你将获得以下知识: 了解嵌入式软件开发流程(期望值:) 学会使用实时操作系统,了解多任务(期望值:) 掌握基本嵌入式硬件知识(期望值:) 提高C语言编程能力(期望值:) 独立或合作开发出嵌入式应用软件(期望值:
4、) 掌握嵌入式软件编程(期望值:) 掌握硬件设计知识(期望值:) 学会操作系统移植(期望值:) 成为嵌入式系统设计高手(期望值:),1. 符意德 编著. 嵌入式系统设计原理与应用. 北京:清华大学出版社,2004 2.孙玉芳 等译. 嵌入式计算系统设计原理(computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf).北京:机械工业出版社,2002,参考教材,考核方式 平时作业和表现(占20%)+大作业(占30%)+笔试(50%),考核方式和评分标准,1,C H A P T E R,绪论
5、,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统的典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,嵌入式系统简介,计算机系统的三大领域 服务器市场 功能强 利润最大的市场 可用性强 可扩展性 桌面市场 最广阔的市场 嵌入式市场 潜力最大的市场,嵌入式系统简介,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,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,一般定义 以应用为中心、以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,应用系统对功能、
6、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统(技术角度) 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。(系统角度) 术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统(被称之为嵌入的系统)的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。 广义定义 任何一个非计算机的计算系统,IEEE定义 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, ma
7、chinery or plants)。 通常执行特定功能 嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环,嵌入式系统简介,微机学会定义 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级 系统级:各种类型的工控机、PC104模块 板级:各种类型的带CPU的主板及OEM产品 片级:各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,广义上讲,凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统,管理系统硬件核软件的能力有限,在实
8、现复杂多任务功能时,往往困难重重,甚至无法实现。 从狭义上讲,我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统,具有自己操作系统,具有特定功能,用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。,嵌入式系统简介,发展历史 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史,它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048,它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05,Zilog公司推出了Z80系列,这些早期的单片机均含有256字节的R
9、AM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。 之后在80年代初,Intel又进一步完善了8048,在它的基础上研制成功了8051。,1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核(VTRX32),包含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。 随后,出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等,Palm OS,WinCE,嵌入式Linux,Lynx,uCOS、Nucleux,以及国内的Hopen、D
10、elta OS等嵌入式操作系统也相继出现。,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,基于8位,16位,32位的嵌入式系统 微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算成为一门学科 。在嵌入式系统的早期阶段,所有基本硬件构件相对较小也较简单,如:8位的CPU、74系列的芯片及晶体管等,其软件子系统是采用一体化的监控程序,不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂,如:16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等,其软件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原理及技术,提供系统的设计方法和开发工具是嵌入式计算学科的关键技术。,嵌入式系统简介,典型的8
11、位微处理系统 MCS-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多的微处理器。,嵌入式系统简介,典型的16位微处理系统 MCS-96系列单片机和16位DSP芯片,嵌入式系统简介,典型的32位微处理系统 ARM系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系列的MCU芯片很多,但大都是已ARM微内核为核心的。32位的DSP应用的也很广泛。,特点 功耗限制 嵌入式系统中,尤其是在用电池供电的嵌入式系统中,这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用,并影响电源寿命以及带来散热问题。 低成本 包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片;软件成本通常难于预测
12、,但一个好的设计方法有利于降低软件成本。 多速率 系统同时运行多个实时性任务,系统必须同时控制这些动作,但这些动作有些速度慢,有些速度快。 环境相关性 嵌入式系统不是独立的,而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统简介,嵌入式系统简介,特点 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如ENEA公司的OSE实时OS,内核只有5K,而Windows的内核则要大得多。 专用性强 嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植。 同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译
13、下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,嵌入式系统简介,特点 不可垄断性 PC有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。 产品相对稳定性 普通处理器18月 嵌入式处理器810年,嵌入式系统简介,实时性 实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性,即任务需要在规定的时限内完成。 任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说,如果硬件可以做这件工作,那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。 实时系统 实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性,即实时系统必须
14、在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。 嵌入式系统实时系统 有些嵌入式系统没有实时性要求,嵌入式系统简介,硬实时软实时 “软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果,而对于硬实时系统来说却是灾难性的 从实践上说,软实时和硬实时之间的区别通常(隐含的和错误的)与系统的时间精度有关:由于这个原因,典型的,软实时任务的调度精度必须大于千分之一秒,而硬实时任务为微秒级。,嵌入式系统简介,实时频谱图,嵌入式系统简介,市场 2001年嵌入式系统国际会议年会Jim Turley的报告中,统计得到 PC的数量只占CPU 总耗量的0.1%。 据CCID2003年的数据显示,2000年嵌
15、入式软件市场规模为70.33亿元,2001年为95.43亿元,2002年118.56亿元,三年平均增长38.85%。 2002年中国软件市场为345.0亿元,嵌入式软件约占软件总市场的34.37。,嵌入式系统简介,市场 2004年,软件统计数据为: 套装软件共计478亿元,为具有独立产品形态的软件。 其中包括系统软件89亿元(操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元)、 中间件软件6.98亿元、 应用软件304.53亿元(包括通用应用软件(安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等)与行业应用软件(金融、电信、政府等)、 嵌入式软件(673.62亿元
16、) 相关软件服务(937.48亿元):除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动,包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等。,嵌入式系统简介,处理器,存储器,输入接口,操作系统 (协议栈),应用程序,软件子系统,硬件子系统,嵌入式系统组成,输出接口,外围设备,嵌入式系统的软/硬件框架,嵌入式系统简介,硬件子系统,嵌入式系统简介,嵌入式外围设备 在嵌入式硬件系统中,除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、I/O、调试等功能的其它部件。 分类 存储器类型:静态易失型存储器(RAM/SRAM),动态存储器(DRAM),非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中,FL
17、ASH(闪存)以可擦写次数多,存储速度快,容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。 接口类型:目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用,但是以下几种接口的应用最为广泛,包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。 显示类型:CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。,嵌入式系统简介,最小硬件系统,嵌入式系统简介,嵌入式软件子系统,嵌入式系统与单片机、PC相比的优势,采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统,与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比,具有以下突出优点: 性能方
18、面:采用32位RISC结构微处理器,主频从30MHz到624MHz以上,处理能力大大超出单片机系统,接近PC机的水平,但体积更小,能够真正地“嵌入”到设备中; 实性性方面:嵌入式机控制器内嵌实时操作系统(RTOS),能够完全保证控制系统的强实时性; 人机交互方面:嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器,提供功能强大的图形用户界面;输入方法多种多样; 系统升级方面:嵌入式控制器可为控制系统专门设计,其功能专一,成本较低,而且开放的用户程序接口(API)保证了系统能够快速升级和更新。,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统典型应用,5,嵌入式系统的基本设计
19、过程,嵌入式处理器分类,微处理器(Microprocessor Unit, MPU) 微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式DSP (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 片上系统(System On Chip),嵌入式微处理器,目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,嵌入式微处理器,嵌入式微控制器,又称单片机,这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、
20、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。 代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12 /16、68300等。 另外还有许多半通用系列如:支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541;支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。,嵌入式微控制器,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是
21、目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器。,嵌入式DSP处理器,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、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。 DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高,
22、应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。,嵌入式DSP处理器,有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列,移动通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。 Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000,DSP56100, DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。 PHILIPS公司今年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器,特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元,
23、应用目标是大批量消费类电子产品。,SoC就是System on Chip,SoC是一种基于IP(Intellectual Property)核嵌入式系统设计技术。 它结合了许多功能区块,将功能做在一个芯片上,ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心,加上通信的接口单元,例如通用串行端口(USB)、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等,这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。 SOC可以分为通用和专用两类。 通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore,Motorola的M-Cor
24、e,Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的Smart XA,嵌入式片上系统(SoC),SOC体系结构,ASIC Core,Memory,Embedded Processor Core,Analog Functions,Communication,Sensor Interface,知识产权,主要内容,1,3,2,4,嵌入式系统简介,嵌入式处理器,嵌入式操作系统,嵌入式系统典型应用,5,嵌入式系统的基本设计过程,操作系统的发展,计算机系统由硬件和软件构成,在发展初期并没有操作系统这个概念,用户使用监控程
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