嵌入式控制系统课件第章绪论.ppt

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1、嵌入式控制系统嵌入式控制系统2012-20132012-2013学年第一学期学年第一学期哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨工程大学自动化学院2联系方法主讲教师:黄 平地 址:42号楼126房间电 话:13936450801邮箱地址:单 位：自动化学院407教研室3课程目的n本课程介绍嵌入式系统的前沿技术和发展趋势，重点讲述基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台和嵌入式软硬件系统开发技术。4需要的基础知识n先导课程微机原理C语言数字电子技术n需要了解的基础知识了解微机原理的基本概念，能够使用汇编、C语言编程。5学时分配n课程属性：专业主干/任意选修n总学时数：32n讲课学时数：24n实验学时数：8n学分

2、：26课程大纲（32学时）课次学时形式内容12讲课绪论2-46讲课ARM微处理器体系结构5-64讲课ARM指令系统8-118讲课ARM硬件结构122讲课硬件电路与接口技术13-168实验实验时间：周二、周四时间：周二、周四 地点：地点：21B-0057n学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本原理；n掌握ARM的微处理器结构和指令系统以及嵌入式系统的分析与设计方法；n能够以嵌入式微处理器为核心，进行系统的设计与分析。期望大家的收获81.周立功 编著.ARM嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社2.参考资料：3.符意德 编著.嵌入式系统设计原理及应用.清华大学出版社4.杨宗德 编著.嵌入式ARM

3、系统原理与实例开发.北京大学出版社5.刘凯 编著.ARM嵌入式应用技术基础.清华大学出版社教材9n考核方式n平时上课表现（占20%）+笔试（80%）考核方式和评分标准101C H A P T E R绪论绪论11主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统的典型应用嵌入式系统的典型应用5 5嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程12嵌入式系统简介n处理器应用的三大领域n服务器市场n功能强n利润最大的市场n可用性强n可扩展性n桌面市场n最广阔的市场n嵌入式市场n潜力最大的市场13嵌入式系统简介n 一般定义n以应

4、用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。14nIEEE(电气和电子工程师协会)定义n嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。n通常执行特定功能n嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器n严格的时序和稳定性要求n全自动操作循环嵌入式系统简介15嵌入式系统简介n广义上讲

5、，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机系统。这些系统在完成较为单嵌入式系统。如各类单片机系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件和软件的能力有限，在实现复杂多作系统，管理系统硬件和软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。n从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统

6、，具有特定功能，用于特定独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。嵌入式系统。16嵌入式系统简介n发展历史发展历史 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3MP3和一个和一个PC104PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。系统。嵌入式系统已经有了嵌入式系统已经有了4 40 0多多年的发展历史，它是硬件和软年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。件交替发展

7、的双螺旋式发展。最早的单片机是最早的单片机是IntelIntel公司的公司的80488048，它出现在，它出现在19761976年年MotorolaMotorola同时推出了同时推出了68HC0568HC05，ZilogZilog公司推出了公司推出了Z80Z80系列，系列，这些早期的单片机均含有这些早期的单片机均含有256256字节的字节的RAMRAM、4K4K的的ROMROM、4 4个个8 8位位并口、并口、1 1个全双工串行口、两个个全双工串行口、两个1616位定时器。位定时器。17嵌入式系统简介n基于8位，16位，32位的嵌入式系统n微处理器飞速发展的结果是嵌入式系统成为一门学科。在嵌入

8、式系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软件设计的复杂性成倍增长。18嵌入式系统简介n典型的8位微处理系统nMCS-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多的微处理器。19嵌入式系统简介n典型的16位微处理系统nMCS-96系列单片机20嵌入式系统简介n典型的32位微处理系统nARM系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系列的处理器芯片很多，但大

9、都是已ARM微内核为核心的。英伟达 三星21n嵌入式系统设计要求n功耗低n嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。n低成本n包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。n多任务、多速率n系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。n系统内核小n由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。n比如ENEA公司的

10、OSE实时OS，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。嵌入式系统简介22嵌入式系统简介n嵌入式系统设计要求n专用性强n嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。n同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。23嵌入式系统简介输入接口输入接口操作系统操作系统应用程序应用程序软件子系统软件子系统硬件子系统硬件子系统嵌入式系统组成输出接口输出接口外围设备外围设备24嵌入式系统简介n嵌入式外围设备n在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、I/O、调

11、试等功能的其它部件。n分类n存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。n接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、蓝牙（Bluetooth）、wifi、I2C、USB、Ethernet和普通并口。n显示类型：LCD和触摸屏等外围显示设备。25嵌入式系统简介n最小硬件系统26嵌入式系统与单片机、PC相比的

12、优势n采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：u性能方面：性能方面：采用采用3232位位RISCRISC结构微处理器，主频从结构微处理器，主频从30MHz30MHz到上到上GHzGHz，处理能力大大超出单片机系统，接近，处理能力大大超出单片机系统，接近PCPC机的水平，但体机的水平，但体积更小，能够真正地积更小，能够真正地“嵌入嵌入”到设备中；到设备中；u实时性方面：实时性方面：嵌入式控制器内嵌实时操作系统（嵌入式控制器内嵌实时操作系统（RTOSRTOS），能），能够完全保证控制系统的强实时性；够

13、完全保证控制系统的强实时性；u人机交互方面：人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面；输入方法多种多样；提供功能强大的图形用户界面；输入方法多种多样；u系统升级方面：系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（APIAPI）保证了）保证了系统能够快速升级和更新。系统能够快速升级和更新。27主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式

14、操作系统嵌入式系统典型应用嵌入式系统典型应用5 5嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程28嵌入式处理器分类n微处理器微处理器(Microprocessor Unit,MPU)n微控制器微控制器(Microcontroller Unit,MCU)n片上系统片上系统(System On Chip)29嵌入式微处理器30n目前主要的嵌入式处理器类型有目前主要的嵌入式处理器类型有MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列系列等等嵌入式微处理器31嵌入式微控制器n又称单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。n单片机芯片内部集成ROM/

15、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、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。n代表性的通用系列包括8051、MCS-96等。32嵌入式微控制器n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。降、可靠性提高。n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，因此称为微控制器。般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。33nSoC就是

16、System on Chip，SoC是一种基于IP（Intellectual Property知识产权）核嵌入式系统设计技术。n它结合了许多功能模块，将功能做在一个芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、3G、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。嵌入式片上系统(SoC)34主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统典型应

17、用嵌入式系统典型应用5 5嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程35使用嵌入式操作系统的优点n嵌入式操作系统优点n使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率。n充分发挥32位CPU多任务的潜力，实现多任务设计，能够充分利用硬件资源和实现资源共享。n实时性能够得到更好的保证。36嵌入式操作系统分类n按收费模式划分n商用型nVxworks,PlamOS,Symbian,WinCEnAndroid,WP,IO/Sn免费型nLinux,CLinux,C/OS-37主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统的典

18、型应用嵌入式系统的典型应用5 5嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程38嵌入式系统的应用领域嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制40嵌入式系统的应用n家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。41现代化家庭42主要内容1 13 32 24 4嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统应用及发展趋势嵌入式系统应用及发

19、展趋势5 5嵌入式系统的基本设计过程嵌入式系统的基本设计过程43嵌入式系统设计的主要步骤n以自顶向下的角度来看，系统设计从系统需求分析开始；第二步是规格说明，在这一步我们对需求设计的系统功能进行更细致地描述，这些描述并不涉及系统的组成；第三步是系统结构设计，在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计；第五步是系统集成，在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成，构造出所需的完整系统。需求分析规格说明体系结构设计构件设计系统调试与集成44需求分析与规格说明n在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设

20、计的最初阶段，我们应从用户那里收集系统功能的非形式描述，在此称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明，规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。n在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实际的期望，表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户的需求中整理形成正式的规格说明。45用户需求的格式n用户需求通常包括功能部分和非功能部分。非功能部分需求主要指：性能、价格、尺寸和重量、功耗等。右边表是一个在系统设计的初始阶段使用的

21、需求说明表格样本，该表格用简练、清晰的语句描述系统的基本需求。项项目目说说明明名称目的输入输出功能性能生产成本功耗尺寸和重量46GPS移动地图系统移动地图系统:示例示例项项目目说说明明名称GPS移动地图目的为司机等用户提供图形状的移动地图输入一个电源开关、5个操作按钮、GPS信号输入输出LCD显示器，分辨率为800480功能可接5种GPS接收器；三种用户可选的地图比例；总是显示当前经纬度性能0.25秒内即可更新一次屏幕，常温下工作生产成本1500元（人民币）功耗3000mAh电池供电应连续工作8小时，功耗约50mW尺寸和重量尺寸不大于20cm30cm，重量不大于0.25公斤GPS移动地图是一种

22、手持设备，该设备为用户（如为汽车驾驶员）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改变而改变。该设备从GPS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。针对用户的初步要求，我们编写出如右表所示的系统需求表。47描述规格说明的工具n规格说明应更精确地反映用户的需求，它是设计者在设计时必须明确遵循的要求。规格说明应小心编写，描述应足够清晰，不能有歧义，以便别人可以通过它来验证设计是否达到要求。规格说明中通常只描述系统应做什么，而不描述系统该怎么做。n描述规格说明的工具可采用统一建模语言（UML）。UML语言是一种面向对象的建模语言，它是软件工程课程中详细

23、讲解的内容。48体系结构设计 n系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能，它是系统整体结构的一个计划。右图以框图的形式描述了GPS移动地图的体系结构，图中展示了移动地图的主要操作和其间的数据流。框图仍很抽象，还没有规定软件完成什么，专用硬件完成什么，等等。但该图还是清楚地描述了许多功能，如需搜索地形图数据库、需显示地图、需接收GPS信号等。GPS接收 器信号搜 索引擎显 示控制显示器数 据库用 户接口49系统硬件体系结构 显示器显示控制器(含显缓)存储器GPS信号接收器CPUI/O接口50系统软件体系结构GPS接口程序数据库查询输入/输出控制程序显示控制定时器51构件设计 n体系结构设计

24、中告诉我们需要什么样的构件，而构件设计中就是设计或选择符合体系结构和规格说明中所需求的构件。构件通常既包括硬件，如FPGA、电路板等，也包括软件模块。n一些硬件构件是现成的。现成的硬件构件即有标准构件，也有专用构件，例如CPU芯片，存储器芯片等就是标准构件，而在移动地图中GPS接收器就是专用构件。同样地，软件构件也可利用标准软件模块，如地图数据库及数据库标准访问例程及函数。n更多的情况下，我们需要自己设计一些构件，即使采用标准的集成电路，也必须设计连接它们的印刷电路板，同时，需做大量的定制编程。当然，建立嵌入式软件模块时，必须确保系统实时性良好，并且在允许的范围内不占用更多的存储空间。在移动地

25、图这个例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心安排，以避免多次读取相同的数据。52系统调试与集成 n只有建立构件后，才能将它们合并得到一个可以运行的系统。当然在系统集成阶段并不是仅仅把所有的构件连接在一起就行，通常都会发现以前设计上的错误。在系统集成时按阶段构架系统，并每次只对一部分模块排错，能够更容易地发现并定位错误。我们必须确保在体系结构和各构件设计阶段尽可能按阶段集成系统，并相对独立地测试系统功能。系统集成时要准确定位出现的错误是非常困难的，在这一阶段，设计者的专业知识和经验将起很大的作用。53教学硬件平台ARMXSCALE PXA270实验系统实验系统