嵌入式系统设计大学教程 ch2 嵌入式系统设计基本概念.ppt
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1、嵌入式系统设计大学教程第二章第二章 嵌入式系统设计基本概念嵌入式系统设计基本概念主要内容2.1嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统2.2嵌入式软件系统嵌入式软件系统2.3嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程2.4本教程选择的软硬件平台本教程选择的软硬件平台 2.1 嵌入式硬件系统 嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。成的。嵌入式处理器嵌入式处理器是核心;是核心;存储器存储器是重要组成部分;是重要组成部分;附属电路附属电路:如时钟电路、复位电路、调试:如
2、时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、中断控制电路等;电路、监视定时器、中断控制电路等;嵌入式系统通常还包括嵌入式系统通常还包括人机交互界面人机交互界面,用,用于系统与用户的交互。于系统与用户的交互。2.1.1 嵌入式处理器 嵌入式微处理器一般具备四个特点:嵌入式微处理器一般具备四个特点:对实时和多任务有很强的支持能力;对实时和多任务有很强的支持能力;具有功能很强的存储区保护功能;具有功能很强的存储区保护功能;可扩展的处理器结构,以能迅速地扩展可扩展的处理器结构,以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器;出满足应用的高性能的嵌入式微处理器;嵌入式处理器的功耗必须很低,尤其是嵌入式处
3、理器的功耗必须很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,功耗只能为此,功耗只能为mWmW甚至甚至WW级。级。2.1.1 嵌入式处理器嵌入式系统中的处理器通常分为四大类:嵌入式系统中的处理器通常分为四大类:微处理器(微处理器(Micro-Processor UnitMicro-Processor Unit,MPUMPU)微控制器(微控制器(Micro-Controller UnitMicro-Controller Unit,MCUMCU)数字信号处理器(数字信号处理器(Digital S
4、ignal Digital Signal ProcessorProcessor,DSPDSP)嵌入式片上系统(嵌入式片上系统(System On ChipSystem On Chip,SoCSoC)2.1.1 嵌入式处理器1.嵌入式微处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。嵌入式微处理器具有体积小、重。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点,但是量轻、成本低、可靠性高的优点,但是在电路板上必须包括在电路板上必须包括ROM、RAM、总线、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性
5、,技术保密性也较差。统的可靠性,技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上,称为等安装在一块电路板上,称为单板计算单板计算机机。2.1.1 嵌入式处理器2.嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称嵌入式微控制器又称单片机单片机,顾名思义,顾名思义,就是将整个计算机系统集成到一块芯片就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成存储器理器内核为核心,芯片内部集成存储器(少量(少量ROM/EPROM、RAM或两者都有)或两者都有)、总线、总
6、线逻辑、定时、总线、总线逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能、串行口等各种必要功能模块。模块。2.1.1 嵌入式处理器2.嵌入式微控制器嵌入式微控制器和嵌入式微处理器相比,微控制器的和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大最大特点特点是单片化,体积大大减小,从而使是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。功耗和成本下降、可靠性提高。2.1.1 嵌入式处理器3.嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算算法,
7、编译效率较高,指令执行速度也较法,编译效率较高,指令执行速度也较高。高。在数字滤波、在数字滤波、FFT、谱分析等方面、谱分析等方面DSP算算法正在大量进入嵌入式领域,法正在大量进入嵌入式领域,DSP应用正应用正从在通用单片机中以普通指令实现从在通用单片机中以普通指令实现DSP功功能,过渡到采用嵌入式能,过渡到采用嵌入式DSP。2.1.1 嵌入式处理器4.嵌入式片上系统嵌入式片上系统一般认为一般认为SoC具有以下特点:具有以下特点:SoC应由可设计重用的应由可设计重用的IP核组成,核组成,IP核是具有复杂系统功能的能够独立出核是具有复杂系统功能的能够独立出售的售的VLSI块;块;IP核应采用深亚
8、微米以上工艺技术;核应采用深亚微米以上工艺技术;SoC中可以有多个中可以有多个MPU、DSP、MCU或其复合的或其复合的IP核。核。2.1.2 存储器存储器的存储器的物理实质物理实质是一组或多组具备数据是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路,用输入输出和数据存储功能的集成电路,用于存放计算机工作所必须的数据和程序。于存放计算机工作所必须的数据和程序。嵌入式处理器在运行时,大部分总线周期嵌入式处理器在运行时,大部分总线周期都是用于对存储器的读都是用于对存储器的读/写操作,因此,存写操作,因此,存储器子系统性能的好坏将在很大程度上影储器子系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的响
9、嵌入式系统的整体性能整体性能。2.1.2 存储器在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为三类:三类:随机存取的随机存取的RAM;只读的只读的ROM;介于两者之间的混合存储器。介于两者之间的混合存储器。2.1.2 存储器嵌入式系统中常用的存储器类型嵌入式系统中常用的存储器类型 2.1.2 存储器1.随机存储器随机存储器(Random Access Memory,RAM)RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。能够随时在任一地址读出或写入内容。RAM的的优点优点是读是读/写方便、使用灵活;写方便、使用灵活;RAM的的缺点缺点是不能长期保存信息,一旦停电,是不能长期保
10、存信息,一旦停电,所存信息就会丢失。所存信息就会丢失。RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。2.1.2 存储器RAM主要有两大类存储设备,即静态主要有两大类存储设备,即静态RAM(SRAM)和动态)和动态RAM(DRAM)。两者都)。两者都是易失性存储器,它们之间的最大差别是存储于是易失性存储器,它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。其中的数据的寿命。SRAM的存储单元电路是以双稳态电路为的存储单元电路是以双稳态电路为基础的,因此状态稳定,只要不掉电,基础的,因此状态稳定,只要不掉电,信息就不会丢失。信息就不会丢失。DRAM的存储单元是以电容为基础
11、的,电的存储单元是以电容为基础的,电路简单,集成度高,功耗小,但路简单,集成度高,功耗小,但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息,即使不掉电也会因电容放电而丢失信息,需要定时刷新。需要定时刷新。2.1.2 存储器2.只读存储器只读存储器(Read-Only Memory,ROM)ROM中存储的数据可以被任意读取,断电中存储的数据可以被任意读取,断电后,后,ROM中的数据仍保持不变,但不可中的数据仍保持不变,但不可以写入数据。以写入数据。ROM在嵌入式系统中非常有用,常常用来在嵌入式系统中非常有用,常常用来存放系统软件(如存放系统软件(如ROM BIOS)、应用)、应用程序等不随时间改变的
12、代码或数据。程序等不随时间改变的代码或数据。ROM存储器按发展顺序可分为:存储器按发展顺序可分为:掩膜掩膜ROM、可编程可编程ROM(PROM)和和可擦写可擦写可编程可编程ROM(EPROM)。2.1.2 存储器3.混合存储器混合存储器混合存储器既可以随意读写,又可以在断混合存储器既可以随意读写,又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种:设备可分为三种:EEPROMNVRAMFLASH 2.1.2 存储器(1)EEPROMEEPROM是电可擦写可编程存储设备,与是电可擦写可编程存储设备,与EPROM不同的是不同的是EEPROM是用电来实是用电
13、来实现数据的清除,而不是通过紫外线照射现数据的清除,而不是通过紫外线照射实现的。实现的。EEPROM允许用户以字节为单位多次用电允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容,而且可以直接在机内擦除和改写内容,而且可以直接在机内进行,不需要专用设备,方便灵活,常进行,不需要专用设备,方便灵活,常用作对数据、参数等经常修改又有掉电用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。保护要求的数据存储器。2.1.2 存储器(2)NVRAMNVRAM通常就是带有后备电池的通常就是带有后备电池的SRAM。当电源接通的时候,当电源接通的时候,NVRAM就像任何其就像任何其他他SRAM一样,但是当电源切断
14、的时候,一样,但是当电源切断的时候,NVRAM从电池中获取足够的电力以保持从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。其中现存的内容。NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍,在嵌入式系统中使用十分普遍,它最大的缺点是价格昂贵,因此,它的它最大的缺点是价格昂贵,因此,它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息。关键信息。2.1.2 存储器(3)FlashFlash(闪速存储器,简称闪存)是不需要(闪速存储器,简称闪存)是不需要Vpp电压信号的电压信号的EEPROM,一个扇区的,一个扇区的字节可以在瞬间(与单时钟周期比较是字节可以在瞬间(与单时钟周期比较是一个非
15、常短的时间)擦除。一个非常短的时间)擦除。Flash比比EEPROM优越的方面是,可以同优越的方面是,可以同时擦除许多字节,节省了每次写数据前时擦除许多字节,节省了每次写数据前擦除的时间,但一旦一个扇区被擦除,擦除的时间,但一旦一个扇区被擦除,必须逐个字节地写进去,其写入时间很必须逐个字节地写进去,其写入时间很长。长。各种存储器特性的比较存储器存储器类型类型易失易失性性可重复可重复编程编程擦除大小擦除大小最大擦除最大擦除次数次数成本成本(/字节)字节)速速 度度SRAM是是是是字节字节无限制无限制高高快快DRAM是是是是字节字节无限制无限制适中适中适中适中只读只读ROM 否否否否不能擦除不能擦
16、除无无低低快快PROM否否用编程器用编程器可写一次可写一次不能擦除不能擦除无无适中适中快快EPROM否否是是整个芯片整个芯片有限制有限制*适中适中快快EEPROM 否否是是字节字节有限制有限制*高高读取快,擦除和读取快,擦除和写入慢写入慢Flash否否是是扇区扇区有限制有限制*适中适中读取快,擦除和读取快,擦除和写入慢。重编程写入慢。重编程需要需要SRAM。NVRAM否否是是字节字节无限制无限制高高(SRAM+电池电池)快快2.1.2 存储器5.嵌入式系统存储子系统的结构嵌入式系统存储子系统的结构在实际的嵌入式系统中,常常采用分级的在实际的嵌入式系统中,常常采用分级的方法来设计整个存储器子系统
17、。把全部方法来设计整个存储器子系统。把全部存储系统分为四级,它们在存取速度上存储系统分为四级,它们在存取速度上依次递减,而在存储容量上逐级递增。依次递减,而在存储容量上逐级递增。寄存器组寄存器组高速缓存高速缓存内存内存外存外存分级存储器系统 分级存储器系统分级存储器系统 2.1.2 存储器6.嵌入式系统中存储器的选择嵌入式系统中存储器的选择当软件设计者编写好程序,并且当软件设计者编写好程序,并且ROM映像映像已经准备好以后,系统的硬件设计者就已经准备好以后,系统的硬件设计者就需要决定使用哪些类型的存储器设备,需要决定使用哪些类型的存储器设备,每一种设备的大小为多少。每一种设备的大小为多少。为嵌
18、入式系统选择存储器类型时,需要考为嵌入式系统选择存储器类型时,需要考虑一些设计参数,包括微控制器的选择、虑一些设计参数,包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐写入的耐久性以及系统总成本等。久性以及系统总成本等。2.1.3 外围设备除了处理器和存储器,嵌入式系统硬件中除了处理器和存储器,嵌入式系统硬件中还包含一些相关的硬件设备,称为外围设还包含一些相关的硬件设备,称为外围设备。外设可分为两种类型,即内部外设和备。外设可分为两种类型,即内部外设和外部外设。外部外设。内部外设内部外设与处理
19、器集成在同一块芯片上;与处理器集成在同一块芯片上;外部外设外部外设与处理器不在同一块芯片上。与处理器不在同一块芯片上。根据外围设备的功能可分为:通信接口、根据外围设备的功能可分为:通信接口、I/O设备、设备扩展接口、电源及辅助设备设备、设备扩展接口、电源及辅助设备等。等。2.1.3 外围设备1.通信接口通信接口嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输和无线传输两种。和无线传输两种。有线传输接口有线传输接口包括传统的包括传统的RS-232接口(串接口(串行行UART接口)、通用串行总线(接口)、通用串行总线(USB)接口、快速数据传输接口接口、快速数据传输接口IE
20、EE 1394、CAN总线、以太网接口等;总线、以太网接口等;无线传输接口无线传输接口包括红外线(包括红外线(IrDA)、)、GSM、GPRS与蓝牙接口等。与蓝牙接口等。通信接口(1)UART UART提供了提供了RS-232C数据终端设备接口,数据终端设备接口,这样计算机就可以和调制解调器或其他这样计算机就可以和调制解调器或其他使用使用RS-232C接口的串行设备进行通信。接口的串行设备进行通信。在嵌入式系统软件开发调试时,常常通过在嵌入式系统软件开发调试时,常常通过UART来进行各种输入来进行各种输入/输出操作。输出操作。通信接口(2)USB接口接口通用串行总线(通用串行总线(Univer
21、sal Serial Bus,USB)是)是1995年年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的计算机等公司联合制定的一种新的计算机串行通信协议。串行通信协议。USB是一种快速的、双向的、低价的并且是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术,可以进行热插拔的新型串行接口技术,支持各种支持各种PC与外设之间的连接。与外设之间的连接。通信接口(3)以太网接口)以太网接口嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法:嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法:一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。该方法通用性强,不受处理器的限制,
22、但是,该方法通用性强,不受处理器的限制,但是,处理器和网络数据交换通过外部总线实现,处理器和网络数据交换通过外部总线实现,速度慢、可靠性不高,并且电路板布线复杂。速度慢、可靠性不高,并且电路板布线复杂。另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口,如通用的网络接口,如MII。处理器和网络数。处理器和网络数据交换通过内部总线实现,因此速度快,实据交换通过内部总线实现,因此速度快,实现简单。现简单。通信接口(4)红外线)红外线 红外线收发模块主要由三部分组成,包括红外线收发模块
23、主要由三部分组成,包括一个红外线发光二极管、一个硅晶一个红外线发光二极管、一个硅晶PIN光光电二极管和一个控制电路。电二极管和一个控制电路。其中的其中的红外线发光二极管红外线发光二极管就是发射红外线就是发射红外线波的单元,发射的红外线波长在波的单元,发射的红外线波长在0.85到到0.9微米之间,微米之间,硅晶硅晶PIN光检二极管光检二极管用于接用于接收红外线信号,所接收到的信号会传送收红外线信号,所接收到的信号会传送到到控制电路控制电路中,再传送到嵌入式系统微中,再传送到嵌入式系统微处理器进行数据处理或数据存储。处理器进行数据处理或数据存储。通信接口(5)蓝牙接口()蓝牙接口(Bluetoot
24、h)蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。输协议。蓝牙的工作在蓝牙的工作在2.4022.480GHz频段,它采频段,它采用了跳频扩频用了跳频扩频FHSS,在,在79个信道上每秒个信道上每秒钟钟1600次跳频,查寻状态时,跳变速率次跳频,查寻状态时,跳变速率为每秒为每秒3200跳,有效地降低了干扰。跳,有效地降低了干扰。蓝牙模块主要由三部分组成:无线传输收蓝牙模块主要由三部分组成:无线传输收发单元、基频处理单元以及数据传输接发单元、基频处理单元以及数据传输接口。口。通信接口蓝牙模块架构图蓝牙模块架构图 2.1.3 外围设备2.输入输入/输出设备输出设备嵌
25、入式系统通常还包括输入嵌入式系统通常还包括输入/输出设备,用输出设备,用于系统与用户的交互。于系统与用户的交互。嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等,语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等,输出设备主要有输出设备主要有LCD显示和语音输出。显示和语音输出。输入/输出设备(1)触摸屏)触摸屏 触摸屏按其技术原理可分为触摸屏按其技术原理可分为5类:矢量压力类:矢量压力传感器式、电阻式、电容式、红外线式传感器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。和表面声波式。输入/输出设备电阻触摸屏电阻触摸屏的工作部分由三部分组成:两的工作部分由三部
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