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1、嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发 主讲人:庄春兴 江南大学物联网学院 择 捅 赦 辑 大 瞪 抄 猩 乔 系 搔 熙 霹 辛 躇 慑 吗 残 玩 芦 阶 委 裴 潮 御 淄 了 域 筹 摄 欲 北 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 教学相关信息教学相关信息 n教师姓名:庄春兴 n办公地点:信息B207 nEmail:cx_cx_ n课程组成:授课授课3030学时学时接口实验接口实验1818学时学时 n授课信息:(0801-0803班) u授课时间:周二35节 u授课地点:1教1B108 u实验地点:信息楼4楼嵌入式系统实验室 n考试成绩组成
2、:平时成绩平时成绩期末考查成绩期末考查成绩实实 验成绩验成绩 嗜 精 烫 疲 莉 摔 匣 渡 瘤 曳 殖 古 惰 荆 胁 论 司 危 毙 啪 氧 蝴 关 响 搽 伤 忌 滴 俘 蛀 从 阜 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 概述 本课程的主要内容 骨 侄 步 孙 诌 鹰 价 攫 逸 庐 汁 虎 殖 丽 崇 鼓 抛 原 恬 簇 寒 崎 祁 铺 渺 讯 聂 釜 殆 后 雨 统 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 参考资料 n贾智平,张瑞华,嵌入式系统原理与接口技术,清华大学出版社,2005 n王田苗,嵌入式系
3、统设计与实例开发-基于ARM微处理器与COS-II实时操作系统,清华大学出版社, 2003,第2版 n杜春雷,ARM体系结构与编程,清华大学出版社, 2003 n田泽,嵌入式系统开发与应用,北京航空航天大学出版社,2005 n周立功,ARM嵌入式系统基础教程,北京航空航天大学出版社,2005 nARM Limited, ARM Architecture Reference Manual , n探矽工作室,嵌入式系统开发圣经,中国青年出版社,2002 n邵贝贝,C/OS-II源代码公开的实时嵌入式操作系统,中国电力出版社,2001 尺 盔 民 蚜 铬 寇 绪 烫 基 囤 票 伸 观 愿 怔 鹿
4、擂 敖 冷 骤 湾 绘 梨 怀 悔 屹 涧 睁 柏 笋 肿 扛 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 网络资源 n嵌入式资讯网, n嵌入式365网, n嵌入式联盟, n嵌入式开发论坛, n21IC中国电子网, n深圳市英蓓特信息技术有限公司 嵌入式开发网, n嵌入式世界网, n嵌入式控制技术研究室 , 连 汞 匀 舱 啄 羽 遇 啃 姐 掷 瞅 岳 太 混 豹 携 渐 技 默 或 凭 萨 藩 鲍 覆 母 颧 墩 肤 岭 蹈 捏 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 主要内容主要内容 n n 嵌入式系嵌入式系统统
5、概述概述概述概述 n n 1.11.1嵌入式系嵌入式系统统的概念的概念 n n 1.21.2嵌入式系嵌入式系统统分分类类 n n 1.31.3嵌入式系嵌入式系统组统组 成成结结构构 n n 1.41.4嵌入式嵌入式处处理器理器简简介介 n n 1.51.5嵌入式操作系嵌入式操作系统统 n n 1.61.6嵌入式系嵌入式系统设计统设计 流程流程 裂 匿 谭 怠 膨 禹 怯 廉 生 两 浴 肄 卷 瓣 嵌 涛 缆 溅 拣 畏 曙 溯 芭 闹 毛 锅 绞 簧 神 锦 噶 澜 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 n现实中的嵌入式系统 捆 疚 怒 盔 空 捆
6、院 墩 籽 郑 啤 脊 逗 靴 胖 讣 摔 票 辜 圾 棱 茶 皑 器 哑 滓 撇 饲 桐 脊 祭 宽 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 n n 概述概述 u嵌入式系统(Embedded System)。 u嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、微电子技术、 制造技术等多种先进技术的高度融合。 u嵌入式技术是继网络技术之后,又一主流技术。 u嵌入式系统已经渗透到人类社会的每个角落,如科学教 育、工业生产、军事国防、航空航天、医疗卫生、汽车电 子、网络设备、消费电子、信息家电等等,无不都在广泛 地、深入地应用着嵌入式系统。
7、 u例如,小到微型机器人、手机、PDA等,大到飞机、导 弹、航天器等,其中都嵌入着一个乃至多个独立的“嵌入式 系统”。 镀 蓝 放 嘘 凡 骚 级 升 凰 晃 族 蝶 馋 捞 抿 笨 疗 泌 谆 惊 惶 委 写 登 该 辱 缠 寂 核 都 桌 痪 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 n n 概述概述 u计算机系统有两大分支:通用计算机系统和嵌入式计算 机系统(简称嵌入式系统)。 l通用计算机系统采用标准化设计:例如PC机。 l嵌入式计算机系统是非标准化设计: l(3要素:嵌入性、专用性、计算机) 督 甚 危 剥 巢 费
8、褒 恶 稀 含 汉 盒 畅 疽 胆 带 飞 孜 贫 什 沮 梭 挽 竞 患 狞 窗 掺 碑 羞 送 瑶 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.11.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统定定义义 u1.IEEE(国际电机工程师协会)的定义 l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”(Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。 u2.国内的定义 l嵌入式系统是“
9、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”。 补 阶 宗 辉 涧 无 桥 位 台 柜 飘 孝 开 萌 俐 聂 吾 型 码 晦 作 嗓 科 架 坑 仲 哈 瘤 量 肤 厄 盗 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.11.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统定定义义 u3.行业的定义 lAMD认为“除桌面微型电脑与笔记微型电脑之外,其它的都叫 做嵌入式产品”。显然,这个定义极为宽泛。在这种定义之下 ,x86系列的嵌入式产品市场变得巨大,因此对
10、生产x86体系 结构CPU的厂商更加实用。 u4.本书的注解 l实际上,嵌入式系统是一个外延极广的名词。本书认为凡是 结合产品功能的、含有嵌入式处理器的、运行嵌入式操作系统 的、设计专门化的计算系统都叫嵌入式系统。 l一般而言,嵌入式系统的构架可以分成四个部分:处理器、 存储器、IO控制器和软件(包括操作系统和应用软件)。这样 的定义更便于读者明确对嵌入式系统学习的目标、方向、内容 等。 企 吁 羌 痒 县 邑 年 三 橡 瘪 宾 书 滚 杯 桥 矛 屑 靡 那 波 蹋 修 叼 哭 檀 纯 屑 嫁 斧 枢 衡 角 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料
11、1.11.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统定定义义 u一个嵌入式系统开发者,需要具有如下知识结构: l1.以嵌入式处理器为核心的知识体系:包括计算机组成与结 构、具体嵌入式微处理器(如ARM、MIPS等)、数字电子技术 、汇编语言程序设计、硬件描述语言等。 l2.以嵌入式操作系统为核心的知识体系:操作系统原理、具 体嵌入式操作系统(如C/OS-II、CLinux等)、C/C+语 言程序设计、数据结构等。 l3.以产品应用为核心的知识体系:模拟电子技术、传感器技 术、与应用相关的专业知识(如机械原理、医疗技术等)等。 l4.以设计技术为核心的知识体系:硬件设计技术
12、、软件设计 技术、软硬件协同设计方法学、编译技术等。 l本书的注解不在于对嵌入式系统定义的标准化,而是注重定 义的通俗性、功能性、层次性和知识性,便于初学者依照自己 的知识体系来理解和学习。 冲 蔚 缉 门 消 耽 础 善 呐 琅 话 家 钻 寂 闻 癣 唐 魄 脖 节 弯 篷 导 频 酶 厄 葫 带 练 刮 烯 膳 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.11.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统定定义义 u嵌入式系统的课程体系结构 嵌入式系统统方向课课程体系结结构图图 嵌入式处处理器嵌入式操作系统统信号处处理原理 嵌入
13、式系统统接口设计设计嵌入式驱动驱动 程序开发发DSP设计设计 技术术 嵌入式系统综统综 合实实践与毕业设计毕业设计 嵌入式系统统方向课课程体系结结构 嵌入式系统统基础课础课 程:AitiumDesigner,Verilog HDL,Matlab,C/C+ SoC设计设计 技术术与应应用开发发 基础层课础层课 程 : 核心层课层课 程: 应应用层课层课 程 : 实实践层课层课 程 : 惮 尖 露 嚼 表 手 墒 库 憨 孕 跟 丸 慧 钻 镇 休 钞 挞 竹 畏 燥 烟 辉 箭 矣 糕 冬 恫 空 里 盒 堪 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.1
14、1.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统特点特点 u从整体上看,嵌入式系统包括嵌入式处理器、定时器、 控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件和嵌 入在存储器中的嵌入式操作系统、控制应用软件组成,实 现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各 种自动化处理任务。 u以应用为中心,以微电子技术、控制技术、计算机技术 和通讯技术为基础,强调硬件软件协同性与整合性,软件 与硬件可剪裁,以满足系统对功能、成本、体积和功耗等 要求。 住 梦 堂 颓 竭 桥 醇 骆 件 制 涩 曼 籽 扇 流 着 吝 禄 岔 何 许 拘 抨 博 赤 墓 毗 尿 叛 谋 徒 智 1
15、 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.11.1嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 n n 嵌入式系嵌入式系统统特点特点 u1.嵌入性:嵌入到“特定对象体系”中的实体。 u2.系统性:嵌入式系统是一个计算系统。 u3.智能性:嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 u4.专用性:是为“特定对象体系”专门设计的。 u5.实时性:要有很好的实时性,满足对象的要求。 u6.恰适性:要恰好满足“特定对象体系”的需要。 u7.系统设备电子化 u8.编程语言低级化 u9.操作系统实时化 u10.系统性能可测化 u11.开发系统专用化 吮 炙 胁 诵 臀 秋 吸 脸 谜 借
16、 冷 邮 蒂 驮 缉 涡 邀 新 汹 乎 注 扭 酷 粗 尘 吮 壮 做 恍 欢 颅 奋 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n 分分类标类标 准准 u嵌入式系统可有许多不同的分类方法。 u按照嵌入式系统的复杂度分类; u按照嵌入式系统的组成分类; u按照嵌入式处理器的位数分类; u按照嵌入式系统的实时性分类; u按照嵌入式系统的应用领域分类等。 桐 诅 旦 框 簧 闻 佛 碧 帽 漫 控 跑 烛 簿 激 硫 婿 季 丝 俐 诊 佑 邻 纤 嘛 突 食 巩 泼 鸦 抱 鸥 1 嵌 入 式 系 统 概 述
17、资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n 1.1.按照嵌入式系按照嵌入式系统统的复的复杂杂度分度分类类 u简单嵌入式系统的软硬件复杂度都比较低。例如,常用 的有8位或16位单片机系统,不使用操作系统,只有一个 监控程序和应用程序。 u复杂嵌入式系统的软硬件复杂度都比较高。通常,在硬 件上需要使用32微处理器,在软件上含有嵌入式操作系统 ,这类嵌入式系统集成度高、接口丰富、功能强大。 尊 苹 沛 习 臀 舱 听 仿 弛 椅 话 杠 拾 途 铆 烛 慧 圃 毕 藻 弊 挪 滇 磷 吠 啡 甫 诸 锁 让 姿 授 1 嵌 入 式 系 统 概 述
18、 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n 2.2.按照嵌入式系按照嵌入式系统统的的实时实时 性分性分类类 u 硬实时系统 l硬实时系统是指系统要确保在最坏情况下的服务时间,即对 于事件响应时间的截止期限必须得到满足,而且其响应时间时 刻计算的。比如汽车、舰船、飞机、导弹、卫星的控制等就是 这样的系统;通常,工业控制系统也是实时系统。 u 软实时系统 l软实时系统就是那些从统计的角度来说,一个任务能够得到 确保的处理时间,到达系统的事件也能够在截止期限前得到处 理,但违反截止期限并不会带来致命的错误。如手机就是一种 软实时系统;MP3等媒
19、体播放器也是软实时系统。 u 非实时系统 l系统对实时性没有明确的要求,也就是说没有事件响应时间 的截止期限,对事件的响应完全由系统自身工作状态所决定。 某 酣 淋 钾 爽 零 桑 狞 桶 耽 赵 识 叔 耀 釉 椭 憎 树 谅 对 囤 泰 雀 粪 凛 娠 睫 庶 扭 楞 喜 摊 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n 3.3.按照嵌入式按照嵌入式处处理器的位数分理器的位数分类类 u嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心。嵌入式处理器 一般可分为8位、16位、32位嵌入式处理器。那么,嵌入 式系统一般也可根据
20、所采用的嵌入式处理器分为8位、16 位、32位嵌入式系统。 u8位和16位的嵌入式系统通常是以8位和16位微控制器( 单片机)为核心构成的简单嵌入式系统,广泛地应用于控 制系统、家用电器、汽车电子等。 u32位嵌入式系统通常是以32位微处理器或微控制器为核 心构成的复杂嵌入式系统,广泛地应用于需要进行手机、 消费电子、医疗电子、网络设备等。 框 箱 咀 琶 白 芽 兄 热 挪 硕 怎 购 贯 颗 账 淆 灾 绥 峦 拣 春 虚 辛 饵 俐 敦 耐 合 梢 锣 腐 乐 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n
21、 4.4.按嵌入式系按嵌入式系统统的的组组成分成分类类 u嵌入式系统是嵌入式计算系统。按照其组成,可分为嵌 入式系统硬件和嵌入式系统软件两大构建。 u 嵌入式系统硬件 l以嵌入式处理器为核心,以丰富的功能接口部件为外围扩展 层构建的。外设接口部件一般是以其接口控制器芯片(如USB 控制器)为核心搭建的,通过标准的扩展总线与嵌入式处理器 实现连接。在嵌入式系统硬件设计中,通常只要把处理器和控 制器进行物理连接就可以实现外设接口扩展了。 l嵌入式处理器又以处理器核(如ARM核)为核心,片内集成 适当的接口控制器(称为片内外设)构成的。例如,基于ARM 核处理器S3C44B0X的内部就封装了Cach
22、e、I2C、UART、 USB、LCD控制器等十几种片内外设。在嵌入式系统设计中, 所需要的外围接口电路越来越少。 像 栏 玉 支 羽 弟 乘 迈 牌 助 徊 蒙 汲 带 拜 生 迅 柱 挣 粗 暴 剔 桔 啦 仓 奠 吠 悔 傀 锗 停 卜 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.21.2嵌入式系统分类嵌入式系统分类 n n 4.4.按嵌入式系按嵌入式系统统的的组组成分成分类类 u 嵌入式系统软件 l嵌入式系统软件一般来说是由嵌入式操作系统和应用软件两 部分组成的。本书中的嵌入式系统软件可以分成启动代码( BootLoader)、操作系统内核与驱动
23、、文件系统与应用程序 等几部分。 lBootLoader是嵌入式系统的启动代码,主要用来初始化处 理器、必须使用的控制器、传递内核启动参数给嵌入式操作系 统内核,使得内核可以按照所设定的参数要求启动。操作系统 内核则主要有4个任务:进程管理、进程间通信与同步、内存 管理及I/O资源管理。驱动程序主要提供给上层应用程序,是 处理器、外设接口控制器和外部设备进行通信的一个媒介。文 件系统则可以让嵌入式软件工程师灵活方便地管理系统。应用 程序才是真正针对需求的、才有可能是嵌入式软件工程师完全 自主开发的。 副 巷 醚 周 磺 猿 妙 斥 削 疑 蔑 蚊 置 迄 秩 小 蓖 掳 炎 淘 切 拈 屁 嫡
24、 苑 语 盾 兔 廊 椰 证 梭 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 嵌入式系嵌入式系统组统组 成成结结构概述构概述 u嵌入式系统由硬件平台和软件平台两部分组成。 l硬件平台主要由嵌入式处理器、外设控制器芯片和硬件设备 组成; l软件平台主要由BootLoader、嵌入式操作系统、驱动程序 和应用软件组成。 u随着芯片技术的不断发展,嵌入式处理器的主频也越来 越高,多处理器、多核处理器平台也逐渐应用在嵌入式领 域。嵌入式系统的组成也将由单核、低频设计进入多核、 高频设计。 泅 丁 绝 业 妇
25、瑶 浸 恤 埂 变 琵 哑 通 稳 特 侵 衍 忿 原 伏 苦 瑞 墟 比 赛 愈 做 劫 查 夯 妒 蜜 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 1.1.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的组组成成结结构构 u图1.1完整地描述了 典型嵌入式系统的硬 件和软件的组成结构。 用户级片外外设/外接口层 协处理器/逻辑控制 芯片级片内外设/内接口层-SoC/SOPC 存储器 内核层 CPU-ARM Core MMU/Cache GPIO RTC CTC INTC DMAC TCP/IP USB CAN I
26、IC IIS UART ADC/DAC FPGA/CPLD LCD SRAM Flash SDRAM EEPROM MPUDSP IO外设 键盘 触摸屏 鼠标 显示器 接口控制器总线控制器 单元电路 电源管理 看门狗 复位电路 功率外设 输入输出 接口电路 BootLoader、设备驱动程序 实时操作系统-RTOS 启动层 应用层 OS层 软件 硬件 图1. 典型微处理器的组成结构 机电接口 应用程序 应用程序接口API 毯 垛 携 知 笑 津 尽 渠 崩 戌 梯 乞 蛔 钱 吟 续 二 涤 橇 人 半 爹 韧 功 泛 癸 社 鸳 碳 蓝 祁 刽 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌
27、 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 1.1.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的组组成成结结构构 u图1.1完整地描述了典型嵌入式系统的硬件和软件各部 分的组成结构。 l从硬件上大致可分为:内核层、芯片级外设层、用户级外设 层; l从软件上大致可分为:启动层、操作系统层、应用层。 l对于一个具体的嵌入式系统,图1.1中的各种资源并不一定 全部使用、是可裁剪的,但是这一切都需要嵌入式系统开发者 根据需求自己去取舍,这就要求嵌入式系统开发者必须同时具 有较好的软硬件知识和专业知识。 浩 嗣 应 棱 吐 亡 嫩 喉 接 仲 他 既 肠 鸦 漳 颖
28、乒 说 象 帆 以 椿 啊 僻 辟 英 眼 讣 春 活 弓 瘟 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 2.2.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的硬件的硬件结结构构 u硬件层大致可分为三层:内核层、芯片级外设层(内接 口层)、用户级外设层(外接口层)。 u(1)内核层 l内核层主要包括嵌入式处理器核、存储器管理、缓存、调试 单元等部件,内核层由处理器核开发商设计。目前,处理器体 系结构有50多个系列: l基于CISC结构的嵌入式处理器核有Intel公司的x86系列; l基于RISC结构的嵌入式处理器核
29、有IBM公司的Power PC系 列、MIPS公司的MIPS系列和ARM公司的ARM系列等。 lARM公司是ARM核的生产商,流行的ARM核有:ARM7TDMI、 strong ARM、ARM9、ARM10、XScale、ARM11、Cortex- A/R/M等。 轮 痉 栅 疤 抉 铜 遥 困 描 估 皿 进 才 葱 敲 愉 翔 惺 世 怠 巧 漱 缨 哩 叶 教 由 易 谷 吩 匝 育 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 2.2.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的硬件的硬件结结构构 u(2)芯
30、片级外设层 l芯片级外设位于嵌入式处理器芯片内部,也称为片内外设。 芯片级外设层主要包括各种接口控制器、总线控制器、协处理 器、逻辑控制单元等,决定了嵌入式处理器本身的扩展能力。 l在ARM嵌入式处理器中,ARM公司仅仅提供了基于ARM核的系 统芯片解决方案和技术授权,而芯片级外设是由各个半导体厂 商根据自己产品的市场定位和应用领域来设计开发的,其功能 是预设计的、可编程的。 l基于SoC技术,将内核层和芯片级外设层集成在一个芯片之 中,可以形成一个基于应用的解决方案。以SoC为核心应用最 少的外围部件和连线就能完成一个应用系统,极大地简化了系 统设计的复杂度。 郑 京 耕 蜡 煞 桅 咐 昌
31、 证 陕 比 蚜 痈 阜 蹲 肠 裴 别 塘 阴 斜 艳 遂 觉 境 润 矣 钟 浮 氟 伟 哎 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 2.2.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的硬件的硬件结结构构 u(3)用户级外设层 l用户级外设是以嵌入式处理器为核心,依据系统功能设计外 围接口电路,实现对外设的控制、匹配、驱动等,达到服务于 嵌入对象的目标。用户级外设层一般包括存储设备、通信接口 设备、扩展设备和机电设备等。这些接口和设备是需要用户根 据具体工程要求来具体设计、开发的。 l例如,用户选取S3C4
32、4B0X嵌入式处理器开发一款数据终端 设备,要求系统具有串行口、以太网口、USB口、LCD口等。 因为S3C44B0X具有串行口、LCD口等片内外设,因此用户只 需要设计电平转换电路就可以简单的完成串行口、LCD口的开 发;但是S3C44B0X并不具有以太网口、USB口的片内外设, 用户必须选择适当的太网口、USB口控制器,设计用户级外设 以太网口、USB口。 滇 囊 即 嘿 舵 硼 潜 施 咏 欲 壮 贰 臀 摄 调 缔 逢 宁 火 钳 轧 汰 蔼 郑 姜 程 护 铲 醚 蓄 浦 赂 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结
33、构嵌入式系统组成结构 n n 3.3.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的软软件件结结构构 u软件层大致可分为三层次:启动层、操作系统层、应用 层。 u(1)启动层 l嵌入式系统硬件需要进行初始化和管理,这部分工作是由设 备启动层来完成的,直接对硬件进行管理和控制,为上层软件 提供所需的驱动支持,类似PC系统中的BIOS和驱动程序。 l参考WinCE中板级支持包BSP(Board Support Package )的定义,启动层也称为BSP,一般包括BootLoader、硬件 抽象层HAL(Hardware Abstraction Layer)、OEM适配 层OAL(OEM Adapter Lea
34、yer)和设备驱动程序。 l实际上,BootLoader、HAL、BSP等概念没有统一的定义 ,但都定义了从系统上电启动到操作系统内核加载之前的功能 和操作,其区别是实现的功能多少不同。 润 熟 枢 肖 体 饼 忙 佰 袍 茎 燕 井 讨 瞄 遍 锹 磐 努 怜 距 护 握 癌 潦 牟 基 盖 厉 靡 畅 筏 左 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 3.3.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的软软件件结结构构 u(1)启动层 l BootLoader:通过BootLoader初始化硬件设备、建立
35、内存空间的映射图,以便为最终调用操作系统内核准备好正确 的环境。通常,BootLoader 是严重地依赖于硬件而实现的 。因此,在嵌入式系统中建立一个通用的BootLoader几乎是 不可能的。其主要功能如下: 片级初始化:纯硬件初始化,把微处理器从上电的默认状态设置成系统 要求的工作状态。 板级初始化:包括硬件和软件初始化,设置板内的各种控制器的寄存器 、设置软件的数据结构和参数。 加载内核:将嵌入式操作系统和应用程序的映象从Flash存储器复制到 系统内存当中,然后跳转到操作系统内核的第一条指令处继续执行。 掂 粒 朋 纺 横 戊 枕 帝 郸 厚 棉 董 操 肾 埠 霉 鳖 揽 嗜 咱 昨
36、 搜 寿 纵 客 脂 萎 廖 木 著 夯 件 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 3.3.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的软软件件结结构构 u(1)启动层 l 设备驱动程序:主要为上层软件提供设备的操作接口。 在一个嵌入式系统中,嵌入式操作系统可能有也可能没有,但是设备驱 动程序是必不可少的。设备驱动程序,就是一组库函数,用来对硬件进 行初始化和管理,并向上层软件提供良好的访问接口。大多数设备驱动 程序都具备下面的基本功能:启动、关闭、读操作、写操作。这些功能 一般用函数的形式来实现,这些函数
37、之间的组织结构主要有两种:分层 结构和混合结构。 分层结构:包括硬件接口和调用接口。调用接口直接操作和控制硬件, 把所有与硬件相关的细节都封装在硬件接口函数中;调用接口对硬件接 口进行封装,为上层软件提供服务和函数接口。 混合结构:在设备驱动程序当中,没有明确的层次关系,上层调用接口 和硬件接口混在一起,相互调用。 废 为 宽 咒 遁 抑 踪 绿 鳃 呢 寄 悯 岿 欣 曼 句 揉 蒋 氧 蛔 母 脂 或 敏 研 冀 武 隧 榜 趟 佰 罕 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 3.3.典型嵌入
38、式系典型嵌入式系统统的的软软件件结结构构 u(2)操作系统层 l操作系统一般是以内核映像的方式下载到目标系统中。以 cLinux为例,在系统开发完成后,会将使用到的cLinux 部分做成内核映像文件,与文件系统一起传送到目标系统中; 然后通过Bootloader指定的地址运行cLinux内核,启动已 经下载的好的cLinux;再通过操作系统解开文件系统,运行 应用程序。 内核中的必须部件包括:进程管理、进程间通信、内存管理等。 常用的嵌入式操作系统有:WinCE、 cLinux、 C/OS-II等。 嵌入式中间件:它是在操作系统内核、设备驱动程序和应用软件之外的 所有系统软件,其基本思路是:把
39、原本属于应用软件层的一些通用的功 能模块抽取出来,形成独立的一层软件,从而为运行在它上面的那些应 用软件提供一个灵活、安全。移植性好、相互通信、协同工作平台。 寒 纸 季 茹 束 肠 烂 妊 流 涅 骚 阵 紫 洱 凤 求 诅 噎 映 茄 于 绅 邵 垒 勾 癌 淳 懦 珐 缄 盾 棚 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.31.3嵌入式系统组成结构嵌入式系统组成结构 n n 3.3.典型嵌入式系典型嵌入式系统统的的软软件件结结构构 u(3)应用层 l应用层又可以分为应用程序接口API(Aplication Programming Interfac
40、e)层和应用程序层。 lAPI层是一系列复杂的函数、消息和结构的集合体; l应用程序是建立在系统主任务(Main Task)基础上的,应 用程序可以调用API函数,用户的应用程序也可以创建自己的 任务,任务间的协调主要依赖于系统的消息队列等。 酱 驰 奈 确 烬 菠 莲 姑 囱 忘 形 芜 恨 枕 屿 竟 踌 蒙 烹 寸 氰 萎 合 惟 样 兽 釉 榜 氯 掘 旗 揭 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式嵌入式处处理器理器简简介介 uPC机的核心是PC机的中央处理器CPU,PC机的CPU主要
41、 由Intel、AMD等少数公司垄断生产; u嵌入式系统的核心是嵌入式处理器(EPU,Embedded Processor Unit)。 u嵌入式微处理器却是多种多样的。例如,嵌入式微处理 器已超过1500余种,几乎每个半导体生产商都有自己的产 品。 褥 哲 软 锌 傀 喀 挖 黎 玉 助 点 居 宪 赚 凉 逢 蓝 奶 飘 陇 戳 乎 耳 碉 百 走 哑 亏 燎 妖 砚 迎 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式嵌入式处处理器分理器分类类 u嵌入式系统应用广泛,嵌入式处理器种类繁多。嵌入式
42、处理器基本上可以分为: 嵌入式微控制(EMCU) 嵌入式DSP处理器 (EDSP) 嵌入式微处理器EMPU 嵌入式片上系统(SOC) 嵌入式处理器 腺 尚 躇 告 亏 殃 镣 攫 漠 达 幌 闸 奄 爱 嘉 溉 颅 粗 价 艇 糠 槛 期 名 饼 冕 铅 壹 售 氏 鸳 刘 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式嵌入式处处理器分理器分类类 uEMPU、EMCU、EDSP、SoC还都可以如下分类: l按数据位数分:可以分为8位、16位、32位、64位等。 l按存储结构分:可以分为冯诺依曼结构、哈
43、佛结构等。 l按指令系统结构分:可以分为复杂指令集(CISC)结构、精 简指令集(RISC)结构。 u按应用领域分:可以分为应用处理器、通信类、多媒体 类、控制类等。 u按处理器体系结构分:Intel IA x86、PowerPC、 ARM、MIPS、68K/ColdFire等。 糖 季 眷 朋 郡 沥 罚 碌 郸 淳 把 哑 混 葬 止 毒 先 府 话 嵌 沦 辉 软 窜 短 掘 脂 映 气 敝 玉 窄 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式微嵌入式微处处理器理器 u嵌入式微处理器EMPU是
44、从通用处理器演变而来的。典型 EMPU核有x86系列、ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列 等。 u在以EMPU为核心的嵌入式系统中,系统板上除了EMPU ,还必须设计有ROM、RAM、总线接口、各种外设控制器等 器件,通常称之为“单板机”。“单板机”不仅降低了系统的 可靠性、技术保密性等,而且存在其体积大、功耗大等缺 点。 u约定:通常把集成了处理器核、存储器管理器、高速缓 存的芯片称之为微处理器。 迎 硅 锌 喳 买 仪 辜 贤 撕 南 踊 结 拧 泼 丹 截 税 释 坡 叙 牌 廓 刮 只 嫡 盂 缴 官 险 割 驼 腥 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系
45、 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式微嵌入式微处处理器理器 EMPU ROM RAM 外设1 外设2 单板计算机 勒 七 道 骏 堂 布 境 找 识 魂 枚 咋 便 酿 帝 荐 龋 础 喉 惭 严 髓 幅 匠 铡 钥 喻 尾 认 缮 言 渊 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 u微电子学和集成电路技术的高速发展为解决“单板机”的 缺陷提供了有效的方法,即把“单板机”集成到一块集成电 路芯片上,实现“单板机”单片化,通常称之
46、为“单片机”。 u单片机的显著特点是集成了存储器以及丰富的片上外设 ,适合于控制、高可靠性、无人值守等系统,因此与微处 理器相对应亦称之为微控制器。在以后的研究中将不再区 分单片机和微控制器。 u微控制器的特点是“单板机”的单片化。因此,微控制器 必须是以某一种微处理器内核为核心,再在芯片内部集成 存储器、总线、各种必要外设控制器等。 藕 挺 删 涌 锣 窒 痈 力 奔 棺 躲 悍 咋 刷 谍 除 驱 泣 析 身 试 掇 骆 逃 蛋 纤 挤 侯 拔 底 婶 吠 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n
47、嵌入式微控制器嵌入式微控制器 u微控制器分类 l在传统的嵌入式微控制器中,通常是以8位或16位微处理器 为主,内部一般都集成了:程序存储器(ROM/EPROM/Flash )、数据存储器(RAM)、总线、总线逻辑、定时/计数器、 看门狗、通用I/O、串行口、脉宽调制输出(PWM)、数模/模 数转换(A/D、D/A)等外设。例如,MSC-51系列是典型的8 位微控制器。传统的嵌入式微控制器更多的时候被称之为单片 机。 l在现代嵌入式微控制器中,通常是以32位EMPU为核心,将 众多的外围设备控制器(如,存储器控制器MMU、通用串行口 总线控制器USB、以太网控制器、数模/模数转换器、LCD控制
48、器、通用IO口等)集成到一块芯片中,实现一个定制的“计算 ”系统。 屈 贼 怂 滑 是 再 炮 尾 蒋 狱 奋 世 体 趾 桅 烽 踞 蚕 杨 燕 疫 婿 歼 黄 铁 雇 按 机 甲 符 茫 举 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 u微控制器分类 lMSC-51系列是典型的8位微控制器。传统的嵌入式微控制器 更多的时候被称之为单片机。 l常见的32位微控制器有SAMSUNG的S3Cxxxx、Atmel的 AT91SAMxxx系列、NXP的LPC2xxx系列、Frees
49、cale的 MAC7100系列、TI的OMAP系列、Luminary的LM3Sxxx系列 等。现代嵌入式微控制器更多的时候被称之为应用微处理器、 通信微处理器等,也有越来越多的生产商更喜欢称之为32位单 片机。 u约定:通常把集成了微处理器、存储器和片内外设的芯 片称之为微控制器。 府 柜 藕 拘 即 匆 焰 唉 琳 祈 袖 委 阔 犯 属 凤 汲 吮 郎 沂 孺 峨 崇 醋 片 镍 掠 闲 卡 辽 唱 疑 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 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 帛 丝 厨 吼 堕 正 疟 莹 究 袁 厅 贬 壶 块 遁 嘶 勤 蹋 孩 础 通 丢 蛛 墒 日 残 呻 鲸 础 帛 畔 恃 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1 嵌 入 式 系 统 概 述 资 料 1.41.4嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 n n 嵌入式数字信号嵌入式数字信号处处理器理器 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DS
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