ARM嵌入式系统的开发.ppt

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1、嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识第一章第一章嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识1 1嵌入式系统的定义和应用领域嵌入式系统的定义和应用领域2 2嵌入微处理器体系结构嵌入微处理器体系结构3 3嵌入微处理器的结构和类型嵌入微处理器的结构和类型4 45 5嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统的设计与开发嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点v嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程v嵌入式系统开发调试环境嵌入式系统开发调试环境1.5 1.5 嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统的设计与开发嵌嵌入入

2、式式系系统统基基础础知知识识v嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点v嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程v嵌嵌入式系统开发调试环境入式系统开发调试环境1.5 1.5 嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统的设计与开发嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识1.5.1 1.5.1 嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点 v1 1嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；嵌入式系统通常是面向特定应用的系统；v2 2嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余；衣、去除冗余；v3 3嵌入式系统设计需要交叉开发环境；嵌入式系统设计需要交叉开发环境；

3、v4 4嵌入式系统的程序需要固化；嵌入式系统的程序需要固化；v5 5嵌入式系统的软件开发难度较大；嵌入式系统的软件开发难度较大；v6 6嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软件包嵌入式系统还需要提供强大的硬件开发工具和软件包的支持，需要设计者从速度、功能和成本综合考虑。的支持，需要设计者从速度、功能和成本综合考虑。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v嵌入式系统的开发通常采用嵌入式系统的开发通常采用“宿主机宿主机/目标机目标机”方式方式。v宿主机（宿主机（HostHost）是一台通用的计算机，一般是是一台通用的计算机，一般是PCPC机。机。它通过串口或网络连接与目标机进行通信。它通过串口或

4、网络连接与目标机进行通信。v目标机（目标机（TargetTarget）常用在嵌入式系统的开发过程期间。常用在嵌入式系统的开发过程期间。目标机可以是嵌入式系统的实际运行环境，也可以是目标机可以是嵌入式系统的实际运行环境，也可以是能替代实际环境的仿真系统。能替代实际环境的仿真系统。交叉开发环境交叉开发环境-“宿主机宿主机/目标机目标机”方式方式嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识交叉开发环境交叉开发环境-“宿主机宿主机/目标机目标机”方式方式首首先先，利利用用宿宿主主机机上上丰丰富富的的设设备备资资源源以以及及良良好好的开发环境的开发环境来开发和仿真调试目标机上的软件。来开发和仿真调试目标机上的软

5、件。通通过过UARTUART接接口口或或EthernetEthernet接接口口将将交交叉叉编编译译生生成成的的目目标标代代码码传传输输并并下下载载到到目目标标机机上上，并并用用交交叉叉调调试试器器在在实实时时内内核核/操操作作系系统统或或监监控控程程序序的的支支持持下下进行实时分析和调试。进行实时分析和调试。最后，目标机在特定的环境下运行。最后，目标机在特定的环境下运行。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识嵌入式系统开发人员以应用专家为主嵌入式系统开发人员以应用专家为主v通用计算机开发人员一般是计算机科学或计算机通用计算机开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士；工程方面的专业人士

6、；v嵌入式系统则是要和各不同行业应用相结合，其嵌入式系统则是要和各不同行业应用相结合，其开发人员应是各应用领域专家。开发人员应是各应用领域专家。构件化构件化嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点v嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程v嵌入式系统开发调试环境嵌入式系统开发调试环境1.5 1.5 嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统的设计与开发嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识问题问题：功 能、性能要求价 格、开发 周 期 等约束设计：设计：选择 折衷 分析比较 计算 评价嵌入式系统嵌入式系统方法方法工具工具1.5.2嵌入式系统的设计流程嵌入式系统的设计流

7、程嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识1.5.2嵌入式系统的设计流程嵌入式系统的设计流程系统体系结构设计系统体系结构设计系统需求分析系统需求分析(规格说明书规格说明书)系统执行装置设计系统执行装置设计系统硬件结构设计系统硬件结构设计系统软件功能设计系统软件功能设计系统集成系统集成(联调联调)系统综合测试系统综合测试产品产品系统设计从系统需求分析系统设计从系统需求分析开始；开始；第二步是规格说明，在这第二步是规格说明，在这一步我们对需设计的系统一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述，功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的这些描述并不涉及系统的组成；组成；第三步是系统结构设计，第三步是系

8、统结构设计，在这一阶段以大的构件为在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的造，明确软、硬件功能的划分；划分；第四步是构件设计，它包第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电用硬件芯片选择及硬件电路设计；路设计；第五步是系统集成，在完第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出上进行系统集成，构造出所需的完整系统。所需的完整系统。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识p需求分析需求分析用户要求；用户要求；p规格说明规格说明做什么；做什么；p体系结构体系结构如何做

9、；如何做；GPS导航航仪GPSGPS导航仪是一种手持设备，该设备为用户（如汽车驾驶员）显示他当前导航仪是一种手持设备，该设备为用户（如汽车驾驶员）显示他当前所处位置周围的地图；显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的所处位置周围的地图；显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的改变而改变。该设备从改变而改变。该设备从GPSGPS上得到其位置信息，移动地图的显示看起来应上得到其位置信息，移动地图的显示看起来应类似纸张上的地图。类似纸张上的地图。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(1)(1)需求分析需求分析v作用作用使用户和设计者有效交流、沟通，明确设计目标使用户和设计者有效交流、沟通，明确设

10、计目标l设计者设计者 设计什么？有哪些要求？设计什么？有哪些要求？l用户用户 将得到的系统是什么样的？将得到的系统是什么样的？v目标目标形成需求文档形成需求文档v内容内容功能性需求功能性需求 做什么？做什么？l输入输入,输出输出,功能，功能，非功能性需求非功能性需求 其他属性其他属性l性能，价格，系统的尺寸和重量，功耗性能，价格，系统的尺寸和重量，功耗 v为了方便分析一个较大规模系统的需求时可以为了方便分析一个较大规模系统的需求时可以考虑使用填写一个简单的表格来确认需求考虑使用填写一个简单的表格来确认需求GPS导航仪系统导航仪系统:示例示例项项目目说说明明名称名称GPS导导航航仪仪目的目的为为

11、司机等用司机等用户户提供提供图图形状的移形状的移动动地地图图输输入入一个一个电电源开关、两个操作按源开关、两个操作按钮钮、GPS信号信号输输入入输输出出LCD显显示器，分辨率示器，分辨率为为400600功能功能可接可接5种种GPS接收器；三种用接收器；三种用户户可可选选的地的地图图比例；比例；总总是是显显示当前示当前经纬经纬度度性能性能0.25秒内即可更新一次屏幕，常温下工作秒内即可更新一次屏幕，常温下工作生生产产成本成本1500元（人民元（人民币币）功耗功耗四四节电节电池供池供电应连续电应连续工作工作8小小时时，功耗，功耗约约100mW尺寸和重尺寸和重量量尺寸不大于尺寸不大于20cm30cm

12、，重量不大于，重量不大于0.25公斤公斤嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(2)(2)规格说明规格说明v规格说明与需求的比较规格说明与需求的比较需求的提炼需求的提炼是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精是可用来创建体系结构的关于系统的更详尽、更精确、更一致的描述确、更一致的描述v目标目标形成规格说明书形成规格说明书v内容内容包含系统体系结构设计的足够信息包含系统体系结构设计的足够信息嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识手持手持GPS设备的规格说明设备的规格说明v 从从GPS卫星接收到的数据卫星接收到的数据v地理信息数据库地理信息数据库v用户界面用户界面v必须执行的满足客户需求的操作必须

13、执行的满足客户需求的操作v保持系统运行所需的后备动作，如对保持系统运行所需的后备动作，如对GPS接收模接收模块的操作块的操作嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3)(3)体系结构设计体系结构设计v体系结构是系统整体结构的一个规划和描述，体系结构是系统整体结构的一个规划和描述，设计完成之后用于构建整个体系结构的构件。设计完成之后用于构建整个体系结构的构件。v体系结构描述了系统如何实现所述的功能和非体系结构描述了系统如何实现所述的功能和非功能的需求，包括对硬件、软件和执行装置的功功能的需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。能划分以及系统的软件、硬件选型等。v一个好

14、的体系结构是设计成功与否的关键。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v作用作用实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划实现系统的蓝图，系统整体结构的一个计划v目标目标形成结构设计文档形成结构设计文档v内容内容系统分析系统分析系统软硬件整体结构的设计系统软硬件整体结构的设计软硬件划分软硬件划分标准构件和自行设计构件的确定标准构件和自行设计构件的确定v嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。软件工

15、程经常采用的方法。(3)(3)体系结构设计体系结构设计GPSGPS移动地图的体系结构移动地图的体系结构系统结构设计的目的是描系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的能，它是系统整体结构的一个计划。右图以框图的一个计划。右图以框图的形式描述了形式描述了GPSGPS移动地图的移动地图的体系结构，图中展示了移体系结构，图中展示了移动地图的主要操作和其间动地图的主要操作和其间的数据流。框图仍很抽象，的数据流。框图仍很抽象，还没有规定软件完成什么，还没有规定软件完成什么，专用硬件完成什么，等等。专用硬件完成什么，等等。但该图还是清楚地描述了但该图还是清楚地

16、描述了许多功能，如需搜索地形许多功能，如需搜索地形图数据库、需显示地图、图数据库、需显示地图、需接收需接收GPSGPS信号等。信号等。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识规格格说明明工作框工作框图细化化嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识GPS体系体系结构构硬件硬件结构构嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识21GPS体系体系结构构软件件结构构嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识3.2.3嵌入式系统软硬件协同设计技术嵌入式系统软硬件协同设计技术嵌入式系统软硬件协同设计技术与传统设计相比的特点：嵌入式系统软硬件协同设计技术与传统设计相比的特点：l描述硬件和软件使用统一的表示形式；描述硬件和软件使用

17、统一的表示形式；l硬件硬件/软件划分可选择多种方案，直到满足要求。软件划分可选择多种方案，直到满足要求。用户需求分析用户需求分析系统总体设计系统总体设计嵌入式系统嵌入式系统硬件开发硬件开发嵌入式系统嵌入式系统联调、测试、验证联调、测试、验证传统嵌入式系统设计方法传统嵌入式系统设计方法嵌入式系统嵌入式系统软件开发软件开发系统硬件系统硬件/软件划软件划分分(软硬件统一表示软硬件统一表示)软件软件综合综合嵌入式系统嵌入式系统联调、测试、验证联调、测试、验证嵌入式系统软硬件协同设计方法嵌入式系统软硬件协同设计方法硬件硬件综合综合系统功能描述系统功能描述接口接口综合综合嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识

18、识用户需求用户需求系统综合测试系统综合测试选择嵌入式处理器选择嵌入式处理器设计硬件平台设计硬件平台选择合适的选择合适的嵌入式操作系统嵌入式操作系统在操作系统上在操作系统上开发应用程序开发应用程序软件测试软件测试通过通过未通过未通过系统开发结束系统开发结束嵌入式系统设计开发流程嵌入式系统设计开发流程嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v包括：包括：硬件平台的选择硬件平台的选择：处理器、硬件部件：处理器、硬件部件软软件件平平台台的的选选择择：操操作作系系统统、编编程程语语言言、软软件件开开发发工具、硬件调试工具、软件组件工具、硬件调试工具、软件组件等。等。处处理理器器是是最最重重要要的的，同同时时

19、操操作作系系统统和和编编程程语语言言也也是是非非常常关关键键的的。处处理理器器的的选选择择往往往往同同时时会会限限制制操操作作系系统统的的选选择择，操操作作系系统统的的选选择择又又会会限限制制开开发发工工具具的的选选择。择。(3)(3)体系结构设计体系结构设计嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.1)(3.1)硬件平台的选择硬件平台的选择v处理器选择要考虑的主要因素有：处理器选择要考虑的主要因素有：处理器的性能处理器的性能 处理器的技术指标处理器的技术指标 功耗功耗 软件支持工具软件支持工具 处理器是否内置调试工具处理器是否内置调试工具 供应商是否提供评估板供应商是否提供评估板其其它它因因

20、素素：生生产产规规模模、开开发发市市场场的的目目标标、软软件对硬件的依赖性。件对硬件的依赖性。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2)(3.2)软件平台的选择软件平台的选择v操作系统的选择操作系统的选择v编程语言的选择编程语言的选择v集成开发环境的选择集成开发环境的选择v硬件调试工具的选择硬件调试工具的选择嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2.1)(3.2.1)操作系统的选择操作系统的选择 操作系统本身所提供的开发工具。操作系统本身所提供的开发工具。操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统的内存要求。操作系统的内存要求。开开发发人人员员是是否否熟熟悉悉

21、此此操操作作系系统统及及其其提提供供的的系统系统APIAPI。操操作作系系统统是是否否提提供供硬硬件件的的驱驱动动程程序序，如如网网卡驱动程序等。卡驱动程序等。操作系统的是否具有可剪裁性。操作系统的是否具有可剪裁性。操作系统的实时性能。操作系统的实时性能。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2.2)(3.2.2)编程语言的选择编程语言的选择 通用性。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。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2.3)(3.2.3)集成开发环境集成开发环境IDEIDEv考虑的因素考虑的因素:系统系统调试器调试器的功能。的功能。支支持

22、持库库函函数数。与与选选择择硬硬件件和和操操作作系系统统的的原原则一样：除非必要，尽量采用标准的则一样：除非必要，尽量采用标准的 glibcglibc。编译器开发商是否持续编译器开发商是否持续升级编译器升级编译器。连连接接程程序序是是否否支支持持所所有有的的文文件件格格式式和和符符号号格式。格式。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2.4)(3.2.4)软件组件的选择软件组件的选择v授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严授权软件组件的费用一般都很高，但大都经过严格的测试，可靠性高，调试时间短。反之免费组格的测试，可靠性高，调试时间短。反之免费组件。件。v现在也有一些免费的自由软件组件

23、，它们的性能、现在也有一些免费的自由软件组件，它们的性能、可靠性也很好。因此开发人员在选择的时候要加可靠性也很好。因此开发人员在选择的时候要加以权衡，确定哪种方案更好。以权衡，确定哪种方案更好。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识(3.2.5)(3.2.5)系统集成和测试系统集成和测试v在系统的硬件构件和软件构件建立起来后，将硬件在系统的硬件构件和软件构件建立起来后，将硬件构件、软件构件和执行装置集成在一起才能得到构件、软件构件和执行装置集成在一起才能得到一个可以运行的系统。一个可以运行的系统。v分阶段架构整个系统并且正确运行事先选择好的测分阶段架构整个系统并且正确运行事先选择好的测试程序。试

24、程序。v嵌入式系统的软件测试与通用软件的测试相似，分嵌入式系统的软件测试与通用软件的测试相似，分为单元测试和系统的集成测试。为单元测试和系统的集成测试。v常用有常用有黑盒测试黑盒测试和和白盒测试白盒测试两种测试方法。两种测试方法。黑盒测试黑盒测试功能测试功能测试白盒测试白盒测试结构测试结构测试嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v早期修正简单错误早期修正简单错误v在体系结构和各构件设计阶段按阶段测试在体系结构和各构件设计阶段按阶段测试v系统集成时产生的错误一般难以定位，可加入系统集成时产生的错误一般难以定位，可加入恰当的调试工具来简化系统集成中的问题。恰当的调试工具来简化系统集成中的问题。v系

25、统集成阶段就是一种挑战系统集成阶段就是一种挑战(3.2.5)(3.2.5)系统集成和测试系统集成和测试嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点v嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程v嵌入式系统开发调试环境嵌入式系统开发调试环境1.5 1.5 嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统的设计与开发嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v通用计算机具有完善的人机接口界面通用计算机具有完善的人机接口界面v嵌入式系统本身不具备自主开发能力嵌入式系统本身不具备自主开发能力v这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各

26、种逻辑分析仪、混合信号示波器等。以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。v通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一，但一般不是实时的；般不是实时的；v嵌入式系统应用程序可以没有操作系统，直接在芯片上嵌入式系统应用程序可以没有操作系统，直接在芯片上运行；运行；v为保证应用程序执行实时性、可靠性，减少开发时间，为保证应用程序执行实时性、可靠性，减少开发时间，保障软件质量，需选配保障软件质量，需选配RTOS开发平台。开发平台。与通用计算机开发环境的区别与通用计算机开发环境的区别嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识v开发环境并不是嵌入式系统产品

27、的一部分，但是它在开发环境并不是嵌入式系统产品的一部分，但是它在嵌入式系统的产品的开发过程中起着至关重要的作用。嵌入式系统的产品的开发过程中起着至关重要的作用。不同嵌入式系统的开发环境差异是很大的。不同嵌入式系统的开发环境差异是很大的。嵌入式系统程序的交叉开发嵌入式系统程序的交叉开发嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识1、建立开发环境、建立开发环境设计生产编译器链接器调试器IDE操作系统软件开发与测试评估板仿真器逻辑分析仪边界扫描测试仪示波器嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识371、建立开发环境、建立开发环境搭建硬件平台搭建硬件平台连接好目标板、调试器与开连接好目标板、调试器与开发主机发主机

28、安装软件开发环境安装软件开发环境如如ADS V1.2ADS V1.2安装调试器驱动程序安装调试器驱动程序嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识38常用嵌入式系统软件开发工具常用嵌入式系统软件开发工具v面向硬件的开发工具面向硬件的开发工具如如ADSv嵌入式操作系统开发嵌入式操作系统开发如如GCCv面向特定操作系统的应用开发工具面向特定操作系统的应用开发工具如如Turnado嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识39ADS1.2软件环境开发流程软件环境开发流程嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识40嵌入式操作系统开发嵌入式操作系统开发vGCC系列工具系列工具v嵌入式操作系统多用嵌入式操作系统多用C/C

29、+开发，因此，要编译开发，因此，要编译操作系统内容，一般都使用操作系统内容，一般都使用GCC系列工具。系列工具。vGCC可以用来编译可以用来编译uClinux、Linux、ECOS、uC/OS-II等操作系统。等操作系统。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识面向特定操作系统的应用工具面向特定操作系统的应用工具vWinCE应用软件开发：如果选用的操作系统为应用软件开发：如果选用的操作系统为WinCE，则应用软件需要选择，则应用软件需要选择WinCE的的EmbededVC开发环境。开发环境。vSymbian应用程序开发：如果开发应用程序开发：如果开发Symbian手机手机应用程序，则应用程序，则S

30、ymbian应用程序开发选择的是应用程序开发选择的是Symbian的的C/C+集成开发环境。集成开发环境。vLinux应用程序开发：如果开发的是应用程序开发：如果开发的是Linux应用应用程序，则选择的开发工具是程序，则选择的开发工具是Linux程序开发工具程序开发工具（GCC/G+/GDB/Makefile）。）。嵌嵌入入式式系系统统基基础础知知识识2、几种常用的嵌入式调试方法、几种常用的嵌入式调试方法v指令集模指令集模拟拟器器一种利用一种利用PC机端的仿真开机端的仿真开发软发软件模件模拟调试拟调试的方法。的方法。v驻驻留留监监控控软软件件驻驻留留监监控程序运行在目控程序运行在目标标板上，板

31、上，PC机端机端调试软调试软件可通件可通过过并口、串口、网口与之交互，以完成程序并口、串口、网口与之交互，以完成程序执执行、存行、存储储器器及寄存器及寄存器读读写、断点写、断点设设置等任置等任务务v在在线线仿真器仿真器使用仿真使用仿真头头代替目代替目标标板上的板上的CPU，可以完全仿真，可以完全仿真ARM芯片的行芯片的行为为。但。但结结构构较较复复杂杂，价格昂，价格昂贵贵，通常用于，通常用于ARM硬件开硬件开发发中中vJTAG仿真器仿真器通通过过ARM芯片的芯片的JTAG边边界界扫扫描口与描口与ARM核核进进行通信，行通信，不占用目不占用目标标板的板的资资源，是目前使用最广泛的源，是目前使用最广泛的调试调试手段手段 ARM JTAG实时仿真器实时仿真器