第1章嵌入式系统基础知识精选文档.ppt
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1、第第1章嵌入式系统基础知识章嵌入式系统基础知识本讲稿第一页,共五十九页第一章 嵌入式系统基础知识1-1 1-1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述1-2 1-2 嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程内容提要内容提要:本讲稿第二页,共五十九页1-1 嵌入式系统概述一般定义嵌入式系统是将计算机直接嵌入至应用系统中,是信息技术IT的最终产品,可以创新出各种新型的应用产品。嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的
2、控制、监视或管理等功能。本讲稿第三页,共五十九页嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统本讲稿第四页,共五十九页嵌入式处理器嵌入式处理器l嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit,MPU)嵌入式微处理器可谓是通用计算机中CPU的微缩版。但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,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,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。l嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微
3、控制器的最大特点是单片化,常称为单片机。内部集成ROM/EPROM、RAM、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、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比,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,因此称微控制器。本讲稿第五页,共五十九页l嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)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
4、行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。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。l嵌入式片上系统 片上系统(SoC)需要使用硬件描述语言,综合时序设计,直接在器件库中调用各种通用IP内核,通过仿真后进行生产。SoC将在声音、图像、影视、网络等应用领域发挥重要作用。本讲稿第六页,共五十九页一、什么是单片机(嵌入式微控制器:一、什么是单片机(嵌入式微控制器:embedded microcontroller)单片机就是单片微型计算机单片机就是单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)。微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成微型计算机系统的
5、硬件部分通常由五部分组成:运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器存储器存储器本讲稿第七页,共五十九页这种计算这种计算机系统通机系统通常由多块常由多块印刷电路印刷电路板制成:板制成:多板机多板机 主板显卡显卡声卡声卡存储器接口存储器接口网卡网卡输入输出接口输入输出接口内存条内存条本讲稿第八页,共五十九页CPU芯片芯片内存条内存条存储器接口存储器接口存储器芯片存储器芯片输入输出接口输入输出接口输入输出接口输入输出接口芯片芯片定时计数器定时计数器芯片芯片A/D、D/A芯片芯片单板机 印刷电路板印刷电路板本讲稿第九页,共五十九页 单单 硅硅 晶晶 片片 CPU存储器存储器控制电路控制
6、电路定时器定时器时钟电路时钟电路I/O口口单片机在一块芯片体上集成了中央处理器在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器、随机存储器RAM、程、程序存储器序存储器ROM或或EPROM、定时器计数器、中断控制器以及串、定时器计数器、中断控制器以及串行和并行行和并行IO接口等功能部件,构成一个完整的微型计算机。接口等功能部件,构成一个完整的微型计算机。本讲稿第十页,共五十九页三种应用形态的比较:单单板机板机单单片机片机系系统统机(多板机)机(多板机)本讲稿第十一页,共五十九页实际讲述以9S12DG128为主本讲稿第十二页,共五十九页(1)体积小,重量轻;)体积小,重量轻;(2)可靠性高,运行
7、速度快,抗干扰能力强;)可靠性高,运行速度快,抗干扰能力强;(3)控制功能强,使用灵活,性价比高;)控制功能强,使用灵活,性价比高;(4)易扩展,易于开发;)易扩展,易于开发;(5)受集成度限制,片内存储器容量较小。)受集成度限制,片内存储器容量较小。单片机是应工业测控的需要而诞生的单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。单片机特点:单片机特点:本讲稿第十三页,共五十九页以单片机为核心的应用系统广泛应用于:以单片机为
8、核心的应用系统广泛应用于:信息家电类信息家电类移动终端类移动终端类通信类通信类汽车电子类汽车电子类工业控制类工业控制类本讲稿第十四页,共五十九页二、单片机系统的组成二、单片机系统的组成?本讲稿第十五页,共五十九页CPU(中央处理单元)(中央处理单元)lCPU(CentralProcessingUnit)。它是单片机的核心部件,包括运算器和控制器。l运算器既是算术逻辑单元ALU(ArithmeticlogicUnit),其功能是进行算术运算和逻辑运算。主要负责对信息的加工处理。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据,对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算,并将最后的结果送回存储器中,整个过程在控制
9、器的指挥下有条不紊地进行。l控制器是CPU的神经中枢,一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。所起作用是完成取指令、将指令译码形成各种微操作并执行指令,同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。本讲稿第十六页,共五十九页?本讲稿第十七页,共五十九页数据存储器与程序存储器数据存储器与程序存储器数据存储器(RAM:RandomAccessMemory)在单片机中,用随机存取的存储器(RAM)来存储数据,暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等,所以称之为数据存储器。程序存储器(ROM:ReadOnlyMemory)单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中,因为
10、不再改变,所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。本讲稿第十八页,共五十九页?本讲稿第十九页,共五十九页A/D和和D/A转换模块转换模块l将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC,AnalogtoDigitalConverter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,DigitaltoAnalogConverter)。本讲稿第二十页,共五十九页?本讲稿第二十一页,共五十九页定时器定时器/计数器模块计数器模块l计数概念的引入从选票的统计谈起:画“正”。这就是计数。生活中计数的例程处处可见。例:录音机上的计数器、家里面用的电度
11、表、汽车上的里程表等等。l定时器计数器简称定时器,其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等,是单片机中最常用、最基本的部件之一。l单片机中的定时器和计数器是一个东西,只不过计数器是记录的外界发生的事情,而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。本讲稿第二十二页,共五十九页?本讲稿第二十三页,共五十九页串行通讯模块串行通讯模块串行通信和并行通信串行通信和并行通信 计算机1 GND 计算机2 GND并行通信 计算机1 GND 计算机2 GND发送接收串行通信并行通信,即数据的各位并行通信,即数据的各位并行通信,即数据的各位并行通信,即数据的各位同时同时同时同时传送;传送;传送;传送
12、;串行通信,即数据串行通信,即数据串行通信,即数据串行通信,即数据一位一位一位一位一位一位一位一位顺序传送。顺序传送。顺序传送。顺序传送。本讲稿第二十四页,共五十九页并并 行行 数数 据据 传传 送送串串 行行 数数 据据 传传 送送原原 理理各数据位同时传送各数据位同时传送数据位按位顺序进行数据位按位顺序进行优优 点点传送速度快、效率高传送速度快、效率高最少只需一根传输线即可完成:成本低最少只需一根传输线即可完成:成本低缺缺 点点数据位数数据位数传输线根数:成本高传输线根数:成本高速度慢速度慢应应 用用传送距离传送距离30米,用于计算机内部米,用于计算机内部几米几千公里,用于计算机与外设之间
13、几米几千公里,用于计算机与外设之间本讲稿第二十五页,共五十九页l串行通信是将数据的各位一位一位地依次传送。适合于计算机之间、计算机与外部设备之间的远距离通信。l串行通信从传输方式分为:单工方式、半双工方式、全双工方式。l从接收方式来说,串行通信有两种方式:异步通信方式、同步通信方式。本讲稿第二十六页,共五十九页串行通信制式:串行通信制式:单工单工单工单工(a)(a)(a)(a)、半双工半双工半双工半双工(b)(b)和和和和全双工全双工全双工全双工(c)(c)(c)(c)(simplex half duplex full duplex)(simplex half duplex full dupl
14、ex)(simplex half duplex full duplex)(simplex half duplex full duplex)发送器A站接收器B站单工通信(a)发收A站发收B站发收A站收发B站(b)(c)1、半双工半双工 每次只能有一个站发送。每次只能有一个站发送。2、完全双工、完全双工 两个站都能同时发送称完全双工。两个站都能同时发送称完全双工。本讲稿第二十七页,共五十九页串行通信的分类:串行通信的分类:异步异步异步异步(Asynchronous Communication)(Asynchronous Communication)(Asynchronous Communicati
15、on)(Asynchronous Communication)同步同步同步同步(Synchronous Communication)(Synchronous Communication)(Synchronous Communication)(Synchronous Communication)异步通信的双方需要两项约定:异步通信的双方需要两项约定:1.1.字符格式:字符格式:一帧字符位数的规定:数据位,校验位,起始位和停止位。一帧字符位数的规定:数据位,校验位,起始位和停止位。2.2.波特率波特率(位位/秒秒)和传送速率的规定:和传送速率的规定:例:例:要求每秒传送要求每秒传送120120个字
16、符,每帧为个字符,每帧为1010位。位。解:解:B=12010=1200B=12010=1200波特波特 每位每位0.83ms0.83ms 数据位数据位传送输率传送输率=1208=960=1208=960位位/秒秒(二二)同步通信:同步通信:以一串字符为一个传送单位,字符间不加标识位,在一串字符开始以一串字符为一个传送单位,字符间不加标识位,在一串字符开始 用用同步字符同步字符标识,硬件要求高,通讯双方须标识,硬件要求高,通讯双方须严格同步严格同步。(一一)异步通信:异步通信:以字符为传送单位用以字符为传送单位用起始位起始位和和停止位停止位标识每个字符的开始和结束字标识每个字符的开始和结束字
17、符,间隔不固定,只需字符传送时同步即可。符,间隔不固定,只需字符传送时同步即可。异步通讯常用格式:一个字符帧异步通讯常用格式:一个字符帧同步字符CRC字符开始终止数据块本讲稿第二十八页,共五十九页1、因通信时(有干扰)信号要衰减,所以常采用、因通信时(有干扰)信号要衰减,所以常采用RS232电电平负逻辑,拉开平负逻辑,拉开“0”和和“1”的电压档次,以免信息出的电压档次,以免信息出错:错:TTL正逻辑:正逻辑:“0”:0 2.4V;“1”:3.6V+5V;高阻:高阻:2.4V3.6V。TTL电平直接传输距电平直接传输距离一般不超过离一般不超过1.5米。米。RS232负逻辑:负逻辑:“0”:+5
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