第一章-嵌入式系统设计有关知识.pptx

本章介绍了计算机体系的一些基本概念、嵌入式系统的基础知识，讨论了嵌入式系统的设计原则和其他注意事项，重点放在与嵌入式系统有关的内容。计算机基本上分为两类:n n一类是台式计算机；一类是台式计算机；n n另一类是嵌入式计算机；另一类是嵌入式计算机；相同点相同点:两者都有处理器、存储器和输入输出设备等。两者都有处理器、存储器和输入输出设备等。两者不同之处：两者不同之处：台式计算机可以使用各种应用程序，台式计算机的各台式计算机可以使用各种应用程序，台式计算机的各种功能可以通过加载和运行相应的软件来实现；而嵌种功能可以通过加载和运行相应的软件来实现；而嵌入式计算机通常是专用的，在专用电子设备上嵌入一入式计算机通常是专用的，在专用电子设备上嵌入一个微处理器。个微处理器。1.1计算机系统组成计算机系统组成 非嵌入式计算机可分为超级计算机、大型计非嵌入式计算机可分为超级计算机、大型计算机、小型计算机和微型计算机。算机、小型计算机和微型计算机。图1-1微型计算机基本硬件结构图图1-21-2I/OI/O接口示意图接口示意图 计算机通过计算机通过I/OI/O接口进行读接口进行读/写操作，实现对外写操作，实现对外设的控制。设的控制。I/OI/O接口内部通常有一个或多个寄存器，接口内部通常有一个或多个寄存器，用以存放各种信息，这些寄存器称作用以存放各种信息，这些寄存器称作I/OI/O端口。端口。I/OI/O端口存放的是二进制数据。根据存放内容端口存放的是二进制数据。根据存放内容的不同可分为：状态端口、数据端口、控制端口。的不同可分为：状态端口、数据端口、控制端口。I/OI/O接口的读接口的读/写过程是：写过程是：CPUCPU发出地址信号，选发出地址信号，选中相应的中相应的I/OI/O端口，若是读操作，端口，若是读操作，CPUCPU发出发出I/OI/O端端口读控制信号，被选中的口读控制信号，被选中的I/OI/O端口将其内容经数据端口将其内容经数据总线送入总线送入CPUCPU；若是写操作，；若是写操作，CPUCPU发出发出I/OI/O端口写端口写控制信号，控制信号，CPUCPU将欲写的内容经数据总线，写入将欲写的内容经数据总线，写入被选中的被选中的I/OI/O端口中。端口中。图图1-31-3冯冯 诺依曼体系结构诺依曼体系结构图图1-41-4哈佛体系结构哈佛体系结构1.2嵌入式计算机体系结构嵌入式计算机体系结构 嵌入式系统是指深藏于工业系统、武器系统嵌入式系统是指深藏于工业系统、武器系统或一些机电仪表设备、消费电子类产品内部，完或一些机电仪表设备、消费电子类产品内部，完成一种或多种特定功能的计算机软件与硬件的综成一种或多种特定功能的计算机软件与硬件的综合体，可涵盖机械或其他的附属装置。合体，可涵盖机械或其他的附属装置。IEEIEE定义定义为：为：“嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备或工厂等大规模系统的设备”（http:/www.iee.org/http:/www.iee.org/）。）。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可以裁剪，能满足应用系统对功为基础，软硬件可以裁剪，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。求的专用计算机系统。1.2.1嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 嵌入式系统可以根据系统是否必须作为独立单元工作、是否必须具有网络功能、是否必须执行实时操作等标准来划分,即可以分为：单机嵌入式系统、实时嵌入式系统、网络设备和移动设备。单机嵌入式系统：单机嵌入式系统是以单单机嵌入式系统：单机嵌入式系统是以单机方式（与网络方式相反）工作，获取输入并机方式（与网络方式相反）工作，获取输入并产生输出。在制造厂和汽车厂里很多用于过程产生输出。在制造厂和汽车厂里很多用于过程控制的嵌入式系统都是此类。控制的嵌入式系统都是此类。实时嵌入式系统：实时嵌入式系统要求在实时嵌入式系统：实时嵌入式系统要求在特定的时间内完成特定的任务。特定的时间内完成特定的任务。n n网络设备网络设备n n移动设备移动设备 嵌入式处理器可以分成下面几类：嵌入式处理器可以分成下面几类：n n嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（MPUMPU，MicroProcessorUnitMicroProcessorUnit）n n嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（MCUMCU，MicroControllerUnitMicroControllerUnit）n n嵌入式嵌入式DSPDSP处理器（处理器（EDSPEDSP，EmbeddedDigitalEmbeddedDigitalSignalProcessorSignalProcessor）n n嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SystemOnChipSystemOnChip)1.2.2嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，术及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。的知识集成系统。嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统特定应用的。嵌入式系统CPUCPU都具有低功耗、体积都具有低功耗、体积小、集成度高等特点嵌入式系统和具体应用有机地小、集成度高等特点嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起。升级换代也是和具体产品同步进行的。结合在一起。升级换代也是和具体产品同步进行的。具有较高的可靠性、合理的成本、低的耗电量、具有较高的可靠性、合理的成本、低的耗电量、有效利用处理能力、有效利用存储器和适当的执行有效利用处理能力、有效利用存储器和适当的执行时间。时间。1.2.3嵌入式系统组成嵌入式系统组成 相对台式计算机而言，嵌入式系统的构架相对台式计算机而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（出（I/OI/O）和软件。）和软件。图图1-51-5嵌入式计算机硬件系统框图嵌入式计算机硬件系统框图 1.2.4嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用n n消费类电子产品消费类电子产品,信息家电方面的应用如数字电信息家电方面的应用如数字电视机、机顶盒、数码相机、视机、机顶盒、数码相机、VCDVCD、DVDDVD音响设备、音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等。能玩具等。n n工业控制工业控制 n n生物医学系统，可用于结肠镜和内窥镜、指纹和生物医学系统，可用于结肠镜和内窥镜、指纹和表情识别等，各种医疗电子仪器，如表情识别等，各种医疗电子仪器，如X X光机、超光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。n n军用军用,各种武器控制、坦克、舰艇、轰炸机等陆各种武器控制、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。n n商业领域商业领域,如各类收款机、如各类收款机、POSPOS系统、电子秤、系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、ICIC卡卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备。端、防盗系统、各种银行专业外围设备。n n办公室办公室,如复印机、打印机、传真机、扫描仪、如复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理（个人数字助理（PDAPDA）、变频空调设备、通信）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录像及电终端、程控交换机、网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音频广播系统等。视会议设备、数字音频广播系统等。n n机器人机器人 n n通信领域通信领域,如交换机、路由器、安全网关、蓝如交换机、路由器、安全网关、蓝牙设备等产品。牙设备等产品。1.3典型嵌入式系统典型嵌入式系统1.3.1一个嵌入式系统示例一个嵌入式系统示例 图图1-61-6热水器主控制器系统组成框图热水器主控制器系统组成框图 图图1-61-6遥控器系统组成框图遥控器系统组成框图 1.3.2典型嵌入式操作系统典型嵌入式操作系统 常见的嵌入式系统主要有：常见的嵌入式系统主要有：VxWorksVxWorks、pSOSpSOS、QNXQNX、PalmOSPalmOS、WindowsCEWindowsCE、LynxOSLynxOS、嵌、嵌入式入式LinuxLinux、C/OSC/OS和和C/OS-C/OS-等。等。pSOSpSOS提供了一个基于开放系统标准的、彻底提供了一个基于开放系统标准的、彻底的多任务环境，是一个模块化、高性能、完全可的多任务环境，是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统，专为嵌入式处理器设计。扩展的实时操作系统，专为嵌入式处理器设计。它包含单处理器支持模块（它包含单处理器支持模块（pSOS+pSOS+）、多处理器）、多处理器支持模块（支持模块（pSOS+mpSOS+m）、文件管理器模块）、文件管理器模块（pHILEpHILE）、）、TCP/IPTCP/IP通信包（通信包（pNApNA）、流式通信模）、流式通信模块（块（OpENOpEN）、图形界面、）、图形界面、JavaJava、HTTPHTTP等。等。pSOSpSOS系系统不和硬件发生丝毫关系。用户在配置表中定义统不和硬件发生丝毫关系。用户在配置表中定义应用程序环境和相关硬件。应用程序环境和相关硬件。n nVxWorksVxWorks是是WindriverWindriver公司推出的实时、多任务操作公司推出的实时、多任务操作系统，是目前应用最广泛、市场占有率最高的商业系统，是目前应用最广泛、市场占有率最高的商业操作系统，能够支持操作系统，能够支持PowerPCPowerPC、68k68k、CPU32CPU32、SPARCSPARC、i960i960、x86x86、MIPSMIPS等多种等多种CPUCPU，也支持，也支持RISCRISC、DSPDSP技术技术 n nVxWorksVxWorks的内核的内核WINDWIND包括多任务调度、任务间的包括多任务调度、任务间的同步和进程通信、中断处理、看门狗及内存管理等同步和进程通信、中断处理、看门狗及内存管理等机制。该内核采用快速多任务切换、基于优先级的机制。该内核采用快速多任务切换、基于优先级的剥夺式和轮转式任务调度机制，并支持中断操作，剥夺式和轮转式任务调度机制，并支持中断操作，具有良好的实时性。通信方式有两种：具有良好的实时性。通信方式有两种：CPUCPU内部任内部任务间的通信通过内存共享、消息队列、旗语、事件务间的通信通过内存共享、消息队列、旗语、事件和管道实现；网络间的通信通过和管道实现；网络间的通信通过SocketSocket和远程程序和远程程序调度实现。在内存管理上采取虚拟内存管理机制，调度实现。在内存管理上采取虚拟内存管理机制，并支持内存共享。并支持内存共享。WINDWIND可同时对可同时对256256个优先的任个优先的任务进行调度。务进行调度。图图1-71-7VxWorksVxWorks系统结构图系统结构图n nQNXQNX（如图（如图1-81-8所示）是加拿大所示）是加拿大QNXQNX软件系统软件系统有限公司（有限公司（QSSLQSSL）的产品，是典型的商业化）的产品，是典型的商业化分布式实时操作系统。分布式实时操作系统。QNXQNX的主要特点是伸缩的主要特点是伸缩性和实时性。性和实时性。QNXQNX是一种基于客户是一种基于客户服务器结服务器结构的操作系统，由核心服务程序和可选的协同构的操作系统，由核心服务程序和可选的协同进程（如：文件系统管理器、进程管理器、设进程（如：文件系统管理器、进程管理器、设备管理器和网络管理器）组成。备管理器和网络管理器）组成。n n支持多种处理器，包括：支持多种处理器，包括：80X8680X86、PowerPCPowerPC、MIPSMIPS、SH4SH4、ARMARM、StrongARMStrongARM等芯片。等芯片。图图1-81-8QNXQNX系统框图系统框图 PalmOSPalmOS是是3COM3COM公司的专门为手持计算领域公司的专门为手持计算领域设计的设计的1 1个操作系统。个操作系统。PalmOSPalmOS拥有一个提供基本任务管理的抢占拥有一个提供基本任务管理的抢占式的多任务管理内核。存储器管理引入了虚拟式的多任务管理内核。存储器管理引入了虚拟文件系统（文件系统（VirtualFileSystemVirtualFileSystem）APIAPI接口来管理接口来管理相当于外存的部分存储器，包括了相当于外存的部分存储器，包括了VFSFileCreateVFSFileCreate、VFSFileOpenVFSFileOpen、VFSFileReadVFSFileRead、VFSFileWriteVFSFileWrite等操作接口。等操作接口。PalmOSPalmOS中，主要由中，主要由用户接口程序外壳（用户接口程序外壳（UIASUIAS，UserInterfaceUserInterfaceApplicationShellApplicationShell）负责管理正在运行的用户接）负责管理正在运行的用户接口程序。口程序。PalmOSPalmOS的内存和外存都集中在统一的内存和外存都集中在统一的随机存储器中。的随机存储器中。WindowsCEWindowsCE是微软公司推出的是微软公司推出的3232位嵌入式位嵌入式操作系统，特点是开发环境全面、模块化、实操作系统，特点是开发环境全面、模块化、实时性能、多媒体能力、网络和通信支持、高级时性能、多媒体能力、网络和通信支持、高级应用程序服务、很好的硬件支持和可定制的图应用程序服务、很好的硬件支持和可定制的图形设备界面。形设备界面。Windows CEWindows CE的组成部分主要有的组成部分主要有4 4个模块：内核模块；对象存储模块；图形、窗个模块：内核模块；对象存储模块；图形、窗口和事件子系统（口和事件子系统（GWESGWES）模块以及通信模块。）模块以及通信模块。支持包括支持包括X86X86、SH3/4SH3/4、ARM/StrongARMARM/StrongARM、PowerPCPowerPC和和MIPSMIPS体系结构的体系结构的3232位位CPUCPU等在内的等在内的多个处理器系列，并为支持的处理器系列提供多个处理器系列，并为支持的处理器系列提供完整的系统库。完整的系统库。C/OS-C/OS-（MicroControllerOperatingSystemMicroControllerOperatingSystem）是由美国人是由美国人JeanJ.LabrosseJeanJ.Labrosse开发的实时嵌入式操开发的实时嵌入式操作系统，它只是一个实时操作系统的内核，全作系统，它只是一个实时操作系统的内核，全部核心代码只有部核心代码只有8.3kB8.3kB，只包含了进程调度、时，只包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间的通信与同步等基钟管理、内存管理和进程间的通信与同步等基本功能，没有包括本功能，没有包括I/OI/O管理、文件系统、网络等。管理、文件系统、网络等。其进程调度是按抢占式多任务系统设计的，系其进程调度是按抢占式多任务系统设计的，系统可同时管理统可同时管理6464个任务，每个任务对应一个优个任务，每个任务对应一个优先级。其中先级。其中4 4个优先级最高和个优先级最高和4 4个优先级最低任个优先级最低任务为系统保留，其余务为系统保留，其余5656个供应用程序支配。个供应用程序支配。LinuxLinux内核小巧灵活，易于裁减，这使得它很内核小巧灵活，易于裁减，这使得它很适合嵌入式系统的应用，支持多种体系结构，适合嵌入式系统的应用，支持多种体系结构，如如X86X86、ARMARM、MIPSMIPS、ALPHAALPHA、SPARCSPARC等，等，具有完善的网络通讯、图形、文件管理机制。具有完善的网络通讯、图形、文件管理机制。LinuxLinux是自由的操作系统，它的开放源码使是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大的自由度。用户获得了最大的自由度。Lynx Real-time SystemsLynx Real-time Systems的的LynxOSLynxOS是一个分是一个分布式、嵌入式、可扩展的实时操作系统；遵循布式、嵌入式、可扩展的实时操作系统；遵循POSIX.1a,POSIX.1bPOSIX.1a,POSIX.1b和和POSIX.1cPOSIX.1c标准。支持线标准。支持线程概念，提供程概念，提供256256个全局用户线程优先级等。个全局用户线程优先级等。提供三大类功能：接口、函数库和部件库。提供三大类功能：接口、函数库和部件库。1.3.3嵌入式系统发展趋势嵌入式系统发展趋势n n未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法、优化编译选用最佳的编程模型和不断改进算法、优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如又需要发展先进嵌入式软件技术，如JavaJava、WebWeb和和WAPWAP等。等。1.4嵌入式系统设计概述嵌入式系统设计概述1.4.1嵌入式系统总体设计原则嵌入式系统总体设计原则 n n处理器的选择处理器的选择 要考虑的主要因素有：处理性要考虑的主要因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等。置调试工具、供应商是否提供评估板等。n n软件平台的选择软件平台的选择 可以从以下几点进行考虑：可以从以下几点进行考虑：操作系统提供的开发工具；操作系统向硬件接操作系统提供的开发工具；操作系统向硬件接口移植的难度；操作系统的内存要求；开发人口移植的难度；操作系统的内存要求；开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的员是否熟悉此操作系统及其提供的APIAPI。n n编程语言的选择编程语言的选择 主要考虑以下因素：通用性主要考虑以下因素：通用性、可移植性程度可移植性程度、执行效率执行效率、可维护性可维护性。n n集成开发环境集成开发环境 应考虑以下因素：应考虑以下因素：IDEIDE支持的支持的库函数库函数、系统调试器的功能系统调试器的功能。1.4.2构造印制电路板构造印制电路板 电路板的设计主要分三个步骤：设计电路原电路板的设计主要分三个步骤：设计电路原理图、生成网络表、设计印制电路板理图、生成网络表、设计印制电路板。图图1-91-9电路板设计三步骤电路板设计三步骤设计时要注意以下几点：设计时要注意以下几点：n n减少高频噪声减少高频噪声 n n充分考虑电源对单片机的影响充分考虑电源对单片机的影响 n n注意晶振布线注意晶振布线 n n布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声声 n n使用电源监控及看门狗电路使用电源监控及看门狗电路 n n印制板工艺抗干扰印制板工艺抗干扰 1.4.3 有关调试工具和调试有关调试工具和调试常用的硬件调试工具有以下几种：n n实时在线仿真器（ICE，In-CircuitEmulator）n n逻辑分析仪n nROM仿真器n n在线调试OCD或在线仿真（on-chipemulator）