嵌入式系统及应用 (2).pdf

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1、嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用第二讲嵌入式系统概述【课本1.21.5】嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.2 嵌入式系统的定义、发展简史、分类及特点嵌入式系统的定义、发展简史、分类及特点1.2.1 嵌入式嵌入式系统的系统的定义定义美国美国JackJack著的著的嵌入式词典嵌入式词典一书中给出的定义：一书中给出的定义：嵌入式嵌入式系统系统是一种计是一种计算机硬件和软件的组合算机硬件和软件的组合，也许还有机械装置也许还有机械装置，用于实现一个特定功能用于实现一个特定功能。在某在某些特定情况下些特定情况下，嵌入式系统是一个大系统或产品的一部分嵌入式系统是一个大系统或产品的一部分。该该词典给出的词典

2、给出的通通用计算机用计算机定义是：计算机硬件和软件的组合定义是：计算机硬件和软件的组合，用作通用计算平台用作通用计算平台。中国中国国家标准国家标准GB/GB/T T2203322033 嵌入式嵌入式系统术语系统术语给给出的定义：出的定义：嵌入式嵌入式系系统是置统是置入应用对象内部起信息处理和控制作用的专用计算机系统入应用对象内部起信息处理和控制作用的专用计算机系统。可以这样理解可以这样理解：嵌入式系统是：嵌入式系统是不以计算机面目出现的不以计算机面目出现的“计算机计算机”，它隐含它隐含在各类具体的产品之中在各类具体的产品之中，这些产品中的计算机程序起到了重要作用这些产品中的计算机程序起到了重要

3、作用。第第2 2页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用嵌入式系统举例：嵌入式系统举例：可以自行举出很多例子可以自行举出很多例子第第3 3页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.2.2 嵌入式嵌入式系统的由来及发展简史系统的由来及发展简史1嵌入式系统的嵌入式系统的由来由来通用计算机系统：通用计算机系统：计算机是因计算机是因科学家需要一个高速的计算科学家需要一个高速的计算工具而工具而于于1946年在美国产生年在美国产生的的。嵌入式计算机嵌入式计算机系统系统（嵌入式系嵌入式系统统）：是是因为通信因为通信、测控与数据传测控与数据传输等领域对计算机技术的输等领域对计算机

4、技术的需求而产需求而产生的生的。第第4 4页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用2嵌入式系统的发展简史嵌入式系统的发展简史1971年年，Intel公司推出了单芯片公司推出了单芯片4004微处理器微处理器，它它是世界上是世界上第一个商用微处理器第一个商用微处理器，这是这是嵌入式计算机的雏形嵌入式计算机的雏形。1976年年，Intel公司推出了世界上第一个单片公司推出了世界上第一个单片微型计算机微型计算机，将将如如ROM、RAM、定时器等定时器等CPU外部资源外部资源，与与CPU一起集成到一一起集成到一个硅片上生产的个硅片上生产的时代时代，至今至今8位位MCS-51单片机单片机还有

5、还有一定市场一定市场。1985年年，ARM原型原型出现于出现于英国英国，开创了嵌入式开创了嵌入式ARM时代时代。2018年左右年左右，RISC-V逐步进入嵌入式逐步进入嵌入式。至今至今，成为其嵌入式人工智能与物联网的成为其嵌入式人工智能与物联网的关键技术关键技术基础基础。第第5 5页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用3ARM简介简介ARM（Advanced RISC Machines）既可以认为是一个公司的名称既可以认为是一个公司的名称，也也可以认为是对一类微处理器的通称可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名称还可以认为是一种技术的名称。ARM公司成立于公司

6、成立于1990年年，ARM 的商业模式主要涉及的商业模式主要涉及 知识产权知识产权（Intellectual Property，IP）的设计和许可的设计和许可，不生产芯片不生产芯片。目前主要方向：目前主要方向：Cortex-M，微控制器系列微控制器系列，面向测控领域；面向测控领域；Cortex-A，应用处理器系列应用处理器系列，面向多媒体面向多媒体应用应用。第第6 6页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.2.3 嵌入式嵌入式系统系统的分类的分类1电子电子系统智能化类系统智能化类（微控制器类微控制器类）电子电子系统智能化类的嵌入式系统系统智能化类的嵌入式系统，主要用于工主要用

7、于工业控制业控制、汽车汽车电子电子、测控系统测控系统、数据采集等数据采集等，这类这类应用所使用的嵌入式处理器一般被称为微控制器应用所使用的嵌入式处理器一般被称为微控制器。这类嵌入式系统产品这类嵌入式系统产品，从形态上看从形态上看，更类似于早期更类似于早期的电子系统的电子系统，但内部计算程序起核心控制作用但内部计算程序起核心控制作用。开发方式：可以不使用操作系统开发方式：可以不使用操作系统，也可以使用也可以使用实时操作系统实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS)第第7 7页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.2.3 嵌入式嵌入式系统系统的

8、分类的分类2计算机应用延伸类计算机应用延伸类（应用处理器类应用处理器类）计算机应用计算机应用延伸类的嵌入式系统延伸类的嵌入式系统，主要用于平板主要用于平板电脑电脑、智能手机智能手机、电视机顶盒电视机顶盒、企业网络设备等企业网络设备等，这这类应用所使用的嵌入式处理器一般被称为应用处理器类应用所使用的嵌入式处理器一般被称为应用处理器（Application Processor），一般也称为多媒体应用处一般也称为多媒体应用处理器理器（MultimediaApplication Processor，MAP）。从从操作系统角度看操作系统角度看，计算机应用延伸类的嵌入式系计算机应用延伸类的嵌入式系统一般使

9、用非实时嵌入式统一般使用非实时嵌入式操作系统操作系统。第第8 8页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.2.4 嵌入式嵌入式系统系统的特点的特点这里这里从与通用计算机对比的角度来介绍嵌入式从与通用计算机对比的角度来介绍嵌入式系统的特点系统的特点。1嵌入式系统属于计算机系统嵌入式系统属于计算机系统，但不单独以通用计算机的但不单独以通用计算机的面目面目出现出现2嵌入式系统开发需要专用工具和特殊嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法方法3使用使用MCU设计嵌入式系统设计嵌入式系统，数据与程序空间采用不同存数据与程序空间采用不同存储储介质介质4开发嵌入式系统涉及软件开发嵌入式系统涉及软

10、件、硬件及应用领域的知识硬件及应用领域的知识第第9 9页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.3 嵌入式嵌入式系统的学习困惑、知识体系及学习建议系统的学习困惑、知识体系及学习建议1.3.1 嵌入式嵌入式系统的学习困惑系统的学习困惑初学者应该以一初学者应该以一个具体个具体MCUMCU为为蓝本蓝本，通过通过学习实践学习实践，获得嵌入式系统知识体系的获得嵌入式系统知识体系的通用知识通用知识，基本原则基本原则是：入门时间较快是：入门时间较快、硬件成本较少硬件成本较少、软硬件资料规范软硬件资料规范、知识要素知识要素较多较多、学习难度较低学习难度较低。这里回答三个可能的困惑这里回答三个可

11、能的困惑：（1 1）嵌入式系统学习困惑之一嵌入式系统学习困惑之一选择入门芯片：是微控制器还是应用处理器选择入门芯片：是微控制器还是应用处理器？微微控制器控制器（2 2）嵌入式系统学习困惑之二嵌入式系统学习困惑之二选择操作系统：选择操作系统：NOSNOS、RTOSRTOS或或EOSEOS。NOSNOS（3 3）嵌入式系统学习困惑之三嵌入式系统学习困惑之三硬件与软件：如何平衡硬件与软件：如何平衡？打好嵌入式系统打好嵌入式系统的硬件与软件基础的硬件与软件基础第第1010页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.3.2 嵌入式嵌入式系统的知识体系系统的知识体系以以MCUMCU为核心的嵌

12、入式系统应用产品设计为核心的嵌入式系统应用产品设计，需要有硬件需要有硬件、软件及行业领域的相关软件及行业领域的相关知识知识。硬件主要有硬件主要有MCUMCU的硬件最小系统的硬件最小系统、输入输出外围电路输入输出外围电路、人机接口设计人机接口设计。软件设软件设计有固化软件的设计计有固化软件的设计，也可能含也可能含PCPC软件的设计软件的设计。行业知识需要通过协作行业知识需要通过协作、交流与总结交流与总结获得获得。（1 1）掌握硬件最小系统与软件最小系统框架掌握硬件最小系统与软件最小系统框架。（2 2）掌握常用基本输出的概念掌握常用基本输出的概念、知识要素知识要素、构件使用方法及构件设计方法构件使

13、用方法及构件设计方法。（3 3）掌握若干嵌入式通信的概念掌握若干嵌入式通信的概念、知识要素知识要素、构件使用方法及构件设计方法构件使用方法及构件设计方法。（4 4）掌握常用应用模块的构件设计方法掌握常用应用模块的构件设计方法、使用方法及数据处理方法使用方法及数据处理方法。（5 5）掌握一门实时操作系统的基本用法与基本原理掌握一门实时操作系统的基本用法与基本原理。（6 6）掌握掌握嵌入式软硬件的基本调试方法嵌入式软硬件的基本调试方法。第第1111页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.3.3 基础基础阶段的学习建议阶段的学习建议（1 1）遵循遵循“先易后难先易后难，由浅入深由浅

14、入深”的原则的原则，打好软硬件基打好软硬件基础础。（2 2）充分理解知识要素充分理解知识要素、掌握底层驱动构件的使用掌握底层驱动构件的使用方法方法。（3 3）基本掌握底层驱动构件的设计方法基本掌握底层驱动构件的设计方法。（4 4）掌握单步跟踪调试掌握单步跟踪调试、打桩调试打桩调试、printfprintf输出调试等调输出调试等调试手段试手段。（5 5）日积月累日积月累，勤学好问勤学好问，充分利用本书及相关资源充分利用本书及相关资源。第第1212页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.4 微微控制器与应用处理器简介控制器与应用处理器简介1.4.1 MCU简介简介1 MCU的基本

15、含义的基本含义微控制器微控制器（MicrocontrollerMicrocontroller UnitUnit，MCUMCU）的的基本含义是：在一块芯片内集成了基本含义是：在一块芯片内集成了中央处理单元中央处理单元CPUCPU、存储器存储器（RAM/ROMRAM/ROM等等）、定时器定时器/计数器及多种输入输出计数器及多种输入输出（I/OI/O）接口的比较完整的数字接口的比较完整的数字处理系统处理系统。第第1313页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用2嵌入式系统与嵌入式系统与MCU的的关系关系以以MCUMCU为核心的系统是应用最广的嵌入式为核心的系统是应用最广的嵌入式系统系统

16、。3MCU出现之后测控系统设计方法发生的出现之后测控系统设计方法发生的变化变化测控系统是现代工业控制的基础测控系统是现代工业控制的基础，它包含信号检测它包含信号检测、处理处理、传输与控制等基本要传输与控制等基本要素素。在在MCUMCU出现之前出现之前，人们必须用模拟电路人们必须用模拟电路、数字电路实现测控系统中的大部分计算数字电路实现测控系统中的大部分计算与控制功能与控制功能，这样使得控制系统体积庞大这样使得控制系统体积庞大，易出故障易出故障。MCUMCU出现以后出现以后，测控系统设计测控系统设计方法逐步产生变化方法逐步产生变化，系统中的大部分计算与控制功能由系统中的大部分计算与控制功能由MC

17、UMCU的软件实现的软件实现。其他电子线其他电子线路成为路成为MCUMCU的外围接口电路的外围接口电路，承担输入承担输入、输出与执行动作等功能输出与执行动作等功能，而计算而计算、比较与判比较与判断等原来必须用电路实现的功能断等原来必须用电路实现的功能，可以用软件取代可以用软件取代，大大提高了系统的性能与稳定性大大提高了系统的性能与稳定性，这种控制技术称之为嵌入式控制技术这种控制技术称之为嵌入式控制技术。在嵌入式控制技术中在嵌入式控制技术中，核心是核心是MCUMCU，其他部其他部分依次展开分依次展开。第第1414页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.4.2 以以MCU为核心的

18、嵌入式测控产品的基本组成为核心的嵌入式测控产品的基本组成第第1515页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.4.3 MAP简介简介多媒体多媒体应用处理器应用处理器（MultimediaMultimedia ApplicationApplication ProcessorProcessor，MAPMAP）在在低功耗低功耗CPUCPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路。与与MCUMCU相比相比，MAPMAP主要特点有：主要特点有：工作频率工作频率高；硬件复杂度高；高；硬件复杂度高；软件开发需要选用一个嵌入式操作系统

19、；软件开发需要选用一个嵌入式操作系统；计算功能更强；计算功能更强；抗干扰性能较弱；价格高于抗干扰性能较弱；价格高于MCUMCU；较少用于直接控制；较少用于直接控制目标目标对象对象。MAPMAP是是伴随着便携式移动设备特别是智能手机而产生的伴随着便携式移动设备特别是智能手机而产生的。手机的技术核心是一个手机的技术核心是一个语音压缩芯片语音压缩芯片，称为基带处理器称为基带处理器，发送时对语音进行压缩发送时对语音进行压缩，接收时解压缩接收时解压缩，传输码率传输码率只是未压缩的几十分之一只是未压缩的几十分之一，在相同的带宽下可服务更多的用户在相同的带宽下可服务更多的用户。智能手机除智能手机除通信功能通

20、信功能外外还有数码还有数码相机相机、音乐音乐、视频视频图像等图像等功能功能，基带处理器已经没有能力处理这些新加的基带处理器已经没有能力处理这些新加的功能功能，视频视频、音乐的处理音乐的处理的的方法与语音方法与语音不一样不一样，语音只要能听懂语音只要能听懂，达到传达信息的达到传达信息的目目的即可的即可，视频要求亮丽的彩色图像视频要求亮丽的彩色图像，动听的立体声伴音动听的立体声伴音，为了为了实现这些功能实现这些功能，需要另需要另外一个协处理器专门处理这些信号外一个协处理器专门处理这些信号，它就是它就是MAPMAP。第第1616页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.5 嵌入式嵌入

21、式系统常用术语系统常用术语1.5.1 与与硬件相关的术语硬件相关的术语1封装封装3动态可读写动态可读写随机存储器随机存储器（DRAM）与与静态可读写随机存储器静态可读写随机存储器封装封装（SRAM）4只读存储器只读存储器5闪速闪速存储器存储器（Flash）6模拟量与开关模拟量与开关量量2印刷电路板印刷电路板第第1717页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.5.3 与与功能模块相关的术语功能模块相关的术语1通用输入通用输入/输出输出GPIO（第第4章章）2模数转换模数转换ADC与数模转换与数模转换DAC（8.2节节、8.3节节）3脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器PWM（7.3节节

22、）4看门狗看门狗（11.2节节）5液晶显示液晶显示6发光二极管发光二极管7键盘键盘第第1818页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.5.2 与与通信相关的术语通信相关的术语1并行并行通信通信（同时发送多位同时发送多位）2串行通信串行通信UART（第第6章章）一位一位发送一位一位发送3串行外设串行外设接口接口SPI（9.1节节）4集成电路互联集成电路互联总线总线I2C（9.2节节）5通用串行通用串行总线总线USB（本书不涉及本书不涉及）6控制器控制器局域网局域网CAN（10.1节节）7边界扫描测试边界扫描测试协议协议JTAG（工厂测试芯片用工厂测试芯片用）8串行线调试串行线调

23、试技术技术SWD（不书芯片内不书芯片内BIOS，通过该方式写入芯片内部通过该方式写入芯片内部Flash中中）第第1919页页 共共2020页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用本章小结本章小结嵌入式系统是隐含嵌入式系统是隐含在各类在各类具体产品之中起核心控制作用的微型计算机；按照应用范围具体产品之中起核心控制作用的微型计算机；按照应用范围可分为可分为电子系统电子系统智能化的微智能化的微控制器控制器类和类和计算机应用计算机应用延伸的应用延伸的应用处理器处理器类；与通用计算机类；与通用计算机相比相比，嵌入式系统不嵌入式系统不单独以通用计算机的面目单独以通用计算机的面目出现出现，其开发其开发需要专用工

24、具和特殊方法需要专用工具和特殊方法，通常数据通常数据与程序空间采用不同存储介质与程序空间采用不同存储介质，涉及涉及软件软件、硬件及应用领域的知识等硬件及应用领域的知识等。建议初建议初学者使用一种微控制器作为学者使用一种微控制器作为入门入门芯片芯片，不使用操作系统不使用操作系统，打打好底层驱动的使用方法好底层驱动的使用方法、设设计方法等软硬件基础计方法等软硬件基础。需要掌握需要掌握单步单步跟踪跟踪、打桩打桩、printfprintf输出等输出等调试手段调试手段。以以MCUMCU为核为核心的系统是应用最广的嵌入式系统心的系统是应用最广的嵌入式系统，是现代测控系统的核心是现代测控系统的核心。MAPMAP的的开发开发方法接近方法接近PCPC。要了解要了解嵌入式嵌入式系统的硬件系统的硬件、通信通信、功能模块等方面的功能模块等方面的术语术语。学习关键点是认真阅读课本积极实践学习关键点是认真阅读课本积极实践，采用札记与三遍读书方式采用札记与三遍读书方式，第一遍把书读厚第一遍把书读厚、第二遍把书读薄第二遍把书读薄，第三遍高度梳理凝练总结第三遍高度梳理凝练总结。第第2020页页 共共2020页页