第一讲 嵌入式系统概述.pdf
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1、No.12007东南大学国家专用集成电系统工程技术研究中心刘昊2007nicky_嵌 入 式 系 统 概 论嵌 入 式 系 统 概 论No.22007课程介 绍课程介 绍?嵌入式系统嵌入式系统?嵌入式系统设计是现代电子电气、信息、自动控制,仪器仪表等产品开发基础嵌入式系统设计是现代电子电气、信息、自动控制,仪器仪表等产品开发基础,?科学技术发展,模糊了学科差别科学技术发展,模糊了学科差别?基础知识交叉,应用点不同:基础知识交叉,应用点不同:路由器路由器和和数控机床数控机床?是相关知识综合体现为产品价值的设计技术,综合多门学科的应用设计技术是相关知识综合体现为产品价值的设计技术,综合多门学科的应
2、用设计技术?知识知识能力能力?编译原理编译原理?高级C语言编程高级C语言编程?操作系统操作系统?计算机网络计算机网络?微处理器设计原理微处理器设计原理?通信原理通信原理?可编程逻辑器件可编程逻辑器件?电路,电子线路电路,电子线路?计算机体系结构(微机原理)计算机体系结构(微机原理)?C语言C语言相关知识先修课程相关知识先修课程No.32007课程流程:课程流程:选课选课理论课理论课专题实验专题实验项目实验项目实验测试和答辩测试和答辩10次讲座次讲座30学时(学时(10周)周)4次实验次实验12学时(学时(4周)周)自由选题自由选题18学时(学时(4周)周)课程计 划课程计 划嵌入式系统概论:理
3、论课嵌入式系统概论:理论课30学时学时2学分学分嵌入式系统设计:嵌入式系统设计:60学时学时3学分学分No.42007课程目标课程目标?解嵌入式系统的组成和基本原解嵌入式系统的组成和基本原?掌握一种处器内核及其指体系、汇编语言:掌握一种处器内核及其指体系、汇编语言:ARM7TDMI?掌握嵌入式系统的一般开发过程掌握嵌入式系统的一般开发过程基于基于ARM处器内核的交叉编译方法以及其开发工具:处器内核的交叉编译方法以及其开发工具:ADS1.2?掌握一种嵌入式操作系统:掌握一种嵌入式操作系统:学习学习UCOSII ,应用,应用Nucleus?培养学生的团队合作、综合创新能;?实现简单的嵌入式应用系统
4、No.52007 论 课 计 划 论 课 计 划?嵌入式系统概和基本组成嵌入式系统概和基本组成?嵌入式微处器原和嵌入式微处器原和ARM体系结构体系结构?ARM编程原和异常处编程原和异常处?ARM指集和汇编语言编程(作业一次)指集和汇编语言编程(作业一次)?嵌入式系统开发过程和调试原嵌入式系统开发过程和调试原?嵌入式系统硬件设计原嵌入式系统硬件设计原?基于基于SEP3203嵌入式微处器应用设计(作业一次)嵌入式微处器应用设计(作业一次)?嵌入式操作系统原嵌入式操作系统原?Nucleus 嵌入式操作应用嵌入式操作应用?安排安排2次上机实验课(集成电学院嵌入式系统实验室)次上机实验课(集成电学院嵌入
5、式系统实验室)?汇编实验汇编实验?C代码实验代码实验?复习 考试(开卷笔试)复习 考试(开卷笔试)No.62007本节课的内容本节课的内容?1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义?1.2 嵌入式系统的组成原嵌入式系统的组成原?硬件架构硬件架构?软件架构软件架构?开发过程开发过程?1.3 嵌入式系统设计的发展趋势嵌入式系统设计的发展趋势?SOC系统芯片应用系统芯片应用No.72007嵌入式系统的概嵌入式系统的概?“嵌入式智能工具将是PC机和因特网之后最伟大的发明”。美国著名未来学家尼葛庞帝美国著名未来学家尼葛庞帝?IEEE(国际电子电气工程师协会)定义:嵌入式系统是嵌入式系统是“控制、监视或者辅助
6、其它设备、机器或车间运的装置控制、监视或者辅助其它设备、机器或车间运的装置”Devices used to control,monitor、or assist theoperation of equipment、machinery or plants.?国内普遍认同的定义:以以特定应用特定应用为中心、以为中心、以计算机技术计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、功耗、成本、体积等严格约束的为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、功耗、成本、体积等严格约束的专用计算机系统专用计算机系统。?软件巨头微软在2002将嵌入式系统定义为:完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌
7、入式应用软件的计算机或计算装置。完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。嵌入式系统,是区别与第一类常见的计算机的第二类计算设备它是嵌入式到其他系统中的。嵌入式系统,是区别与第一类常见的计算机的第二类计算设备它是嵌入式到其他系统中的。No.82007嵌入式系统示嵌入式系统示(一一)No.92007嵌入式系统示(二)嵌入式系统示(二)No.102007嵌入式系统示(三)嵌入式系统示(三)No.112007计算机工业的分类计算机工业的分类?以往计算机分类:以往计算机分类:?大型计算机、中型机、小型机和微计算机大型计算机、中型机、小型机和微计算机?目前计算机分类:目前计算机
8、分类:?超级计算机,大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机(嵌入式)超级计算机,大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机(嵌入式)亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中No.122007嵌入式系统的特征嵌入式系统的特征?和应用相结合,一定是在执特定的功能。嵌入式系统和通用计算机的关键区别就在于应用同。嵌入式系统的核心思想:面向应用嵌入式系统的核心思想:面向应用,隐蔽在应用表象后面的隐蔽在应用表象后面的“控制者控制者”!?以嵌入式微处器为核心:?和通用计算机具有类似的体系结构和通用计算机具
9、有类似的体系结构?其软件可大可小,简单如无操作系统的冰箱控制,复杂到飞控制系统150个嵌入式处器并处其软件可大可小,简单如无操作系统的冰箱控制,复杂到飞控制系统150个嵌入式处器并处?软件以固件(Firmware)的形式存在,系统全自动循环操作,严格的时序和稳定性要求No.132007嵌入式系统工业的特点嵌入式系统工业的特点?嵌入式系统工业是可垄断的高分散的工业嵌入式系统工业是可垄断的高分散的工业?PC由由WINTEL垄断垄断?嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片芯片”设计和面向应用的软件产品开发。设计和面向应用的软件产品开发。?面向用户、面向产品、面
10、向应用面向用户、面向产品、面向应用?升级换代也是和具体产品同步升级换代也是和具体产品同步,具有较长的生命周期具有较长的生命周期?软件和硬件结合紧密软件和硬件结合紧密?嵌入式嵌入式处器处器的发展也体现出稳定性的发展也体现出稳定性?普通处器普通处器18月月?嵌入式处器嵌入式处器810No.142007嵌入式系统开发的特点嵌入式系统开发的特点?开发环境开发环境?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?嵌入式系统本身具备自举开发能,采用嵌入式系统本身具备自举开发能,采用交叉编译交叉编译的方式的方式?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种逻辑分析仪、混合信号示
11、波器等。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种逻辑分析仪、混合信号示波器等。?开发特性开发特性?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 般是实时的。,但一 般是实时的。?嵌入式系统则同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运。嵌入式系统则同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运。?但为保证程序执的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质。需要选配但为保证程序执的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质。需要选配RTOS开发平台开发平台No.152007嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类?按表现形式分:(硬件范畴
12、)?芯片级嵌入(含程序或算法的处器)?模块级嵌入(系统中的某个核心模块)?系统级嵌入?按实时性要求分:(软件范畴)?非实时系统(PDA)?软实时系统(消费类产品)?硬实时系统(导引头等工业和军工系统)No.162007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?通用计算机的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。通用计算机的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。?嵌入式系统则是要和各个同业的应用相结合的,其开发人员往往是各个应用领域的专家。嵌入式系统则是要和各个同业的应用相结合的,其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠
13、、高效是基本要求。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。模块化模块化No.172007本节课的内容本节课的内容?1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义?1.2 嵌入式系统的组成原嵌入式系统的组成原?硬件架构硬件架构?软件架构软件架构?开发过程开发过程?1.3 嵌入式系统设计的发展趋势嵌入式系统设计的发展趋势?SOC系统芯片应用系统芯片应用No.182007嵌入式系统的组成模式嵌入式系统的组成模式?嵌入式系统是面向特定应用的计算机系统嵌入式系统是面向特定应用的计算机系统,具有和通用计算机类似的体系架构具有和通用计算机类似的体系架构:硬件硬件复杂嵌入式系统操作系统操作系统中间件中间件应用程
14、序应用程序硬件硬件简单嵌入式系统应用软件应用软件No.192007嵌入式系统完全架构嵌入式系统完全架构嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式处理器为核心的硬件平台硬件抽象层(硬件抽象层(HAL),硬件驱动程序),硬件驱动程序启动代码启动代码文件系统文件系统各种网络协议各种网络协议PPP,TCP/IPIEEE802.15嵌入式数据库嵌入式数据库多媒体编解码库其他中间件多媒体编解码库其他中间件操作系统内核操作系统内核:任务调度:中断管理:内存管理:任务同步和通信:时钟管理任务调度:中断管理:内存管理:任务同步和通信:时钟管理图形用户界面(图形用户界面(GUI)用户开发的各种应用程序用户开发的各种应用程
15、序开发工具包:编辑器调试器编译器链接器汇编器下载工具开发工具包:编辑器调试器编译器链接器汇编器下载工具No.202007嵌入式处理器嵌入式处理器可编程逻辑器件可编程逻辑器件存储器存储器电源模块解决方案电源模块解决方案人机接口人机接口嵌入式系统必备接插件嵌入式系统必备接插件PowerPC 微处理器微处理器ARM内核微处理器内核微处理器TMS320C6000系列系列DSPIntel公司公司 Xscale PXA255Microchip PIC24XXVirtexIIPlatform FPGA Virtex(E)系 FPGASpartan(XL)系FPGASpartanII(E)系FPGAXC95(
16、XL)系 CPLDCoolRunner系 CPLDVirtexIIPlatform FPGA Virtex(E)系 FPGASpartan(XL)系FPGASpartanII(E)系FPGAXC95(XL)系 CPLDCoolRunner系 CPLD嵌入式系统硬件构成嵌入式系统硬件构成XilinxTI Power Trend嵌入式电源方案MAXIM 电源芯片Liner 公司电源芯片NS 公司电源芯片TI Power Trend嵌入式电源方案MAXIM 电源芯片Liner 公司电源芯片NS 公司电源芯片怀特电子高可靠性存储器系IDT公司FIFO及双口RAMCypress公司高速SRAM系现代电子
17、公司SDRAM系Intel公司 大容Flash系怀特电子高可靠性存储器系IDT公司FIFO及双口RAMCypress公司高速SRAM系现代电子公司SDRAM系Intel公司 大容Flash系AMP公司接插件系列公司接插件系列AI公司公司PCB插座系列插座系列嵌入式系统的硬件构成嵌入式系统的硬件构成STN/TFT 液晶显示屏键盘/鼠标控制器芯片LED显示Philips,cirrus 公司 音频系ADI,TI公司 AD/DA系STN/TFT 液晶显示屏键盘/鼠标控制器芯片LED显示Philips,cirrus 公司 音频系ADI,TI公司 AD/DA系通信接口通信接口以太网接口芯片TI,MAXIM
18、 RS485/232芯片西门子等无线通讯模块以太网接口芯片TI,MAXIM RS485/232芯片西门子等无线通讯模块总线总线No.212007嵌入式视频服务器的架构嵌入式视频服务器的架构数码多媒体产品数码多媒体产品No.222007基于嵌入式处器的视频监控终端设计方案基于嵌入式处器的视频监控终端设计方案电源系统电源系统其他外设RJ45接口接口以太网以太网MACNOR FLASHSDRAM摄像头摄像头SA7111模拟视频信号模拟视频信号CCIR数字视频信号数字视频信号图像压缩图像压缩USB/GPRS无线传输模块无线传输模块叭录音CODEC时钟G4ARMARM7TDMI7TDMIAC97AC97
19、TIMERTIMERPWMPWMRS232RS232EMIEMI存储存储存储存储接口接口接口接口SPISPI、IICIICUSBCUSBCNo.232007嵌入式微处器的演变嵌入式微处器的演变CharacteristicsCharacteristicsCharacteristicsCharacteristicsCharacteristicsCharacteristicsCharacteristicsCharacteristics1980198019901990199619961998199868000Z80808680 x8680 x86CPU32CPU32680 x0680 x0i960i9
20、60MIPSMIPSSPARCSPARCColdFIREColdFIREAlphaAlphaSH 1/2/3SH 1/2/3ARMARMSPARCSPARCi960i960MIPSMIPSPentiumPentium80 x8680 x86PowerPCPowerPCCPU32CPU32680 x0680 x0100-500 Kips2 10 mHz1-2 Mips1.0 25 mHz10-25 Mips.5-.8 50-100 mHz10-200 Mips.2-.5 100-300 mHzSH 4/5SH 4/5SHSH-DSPDSPSH 1/2/3SH 1/2/3ARMARMSPARCSP
21、ARCi960i960MIPSMIPSPentiumPentium80 x8680 x86PowerPCPowerPCCPU32CPU32680 x0680 x0SA1500SA1500MAP1000MAP1000AltiVECAltiVECMercedMercedMCOREMCORESHARCSHARC563xx563xxLucentLucent1600016000C6xC6xSI 20SI 20TriCoreTriCoreNo.242007微处器微处器No.252007微控制器微控制器No.262007比较常见的嵌入式微处器比较常见的嵌入式微处器?X86系:系:Intel,AMD?386E
22、X,486,Pentium?CPU性价比好性价比好?开发简单开发简单,软件兼容性好软件兼容性好,软件资源丰富软件资源丰富?目前工业中大应用的目前工业中大应用的PC104单板机缺点单板机缺点:体积大体积大,功耗高功耗高,适用于工业控制领域适用于工业控制领域?Power PC系:系:FreeScale,IBM?高端通信设备高端通信设备(由器由器,基站基站)等核心处器等核心处器?开发工具完备开发工具完备,技术支持到位技术支持到位?产品线完备缺点产品线完备缺点:开发系统和芯片价格较高开发系统和芯片价格较高,适合于民品适合于民品?基于基于MIPS内核内核(RISC)的嵌入式微处器的嵌入式微处器?AMD
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