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1、嵌入式处理器原理及应用,桂盛霖 13882205728 shenglin_,课程简介,嵌入式系统有广泛的应用领域和应用前景，如数字电视、便携式终端、手机、工业控制、军事电子、汽车、航空航天、仪器仪表、家用电器等。而以嵌入式处理器为核心构建嵌入式应用系统是当今及未来嵌入式系统技术发展的主流。,课程简介,本课程讲授微处理器ARM的体系结构、指令系统及其汇编语言程序设计，SOC嵌入式处理器的内部结构、组成、特点、外围电路，嵌入式C语言程序设计的特点，以及ARM汇编语言和C语言的混合程序设计；了解嵌入式系统底层软件（包括系统启动加载软件、设备驱动软件等）的开发方法，并能利用嵌入式处理器进行软硬件的综合
2、设计和实现。,课程安排,学时数： 32学时 (第8周左右结束) 上机实验：8学时(第4-5周左右) 课外实验：提交实验报告和实验过程 课程考核包含平时作业、半期考试、课程实验、期末考试等四个部分： 平时作业10% + 半期考试10% + 课程实验20% + 期末考试60%,主要内容,1 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统的特点 3 嵌入式硬件系统的组成 4 嵌入式微处理器概述 5 主流的嵌入式微处理器 6 嵌入式系统的发展趋势,1 嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统的一般定义： 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的
3、专用计算机系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。,1 嵌入式系统的应用领域,通用计算机与嵌入式系统对比,1 嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化等领域。据欧盟统计： 2003年全球大概有80亿片嵌入式微处理器，2013年1月23日，市场研究公司IC Insights发布报告称，今年全球移动终端、PC、服务器和嵌入式设备使用的微处理器出货量，将增长到21.8亿片左右。 在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研制成本的50%；对于汽车工业，汽车电子在整车价值中的比
4、例逐年提高，将从1997年的20%提升到2010年的33-40%。,1 嵌入式系统的应用领域,在消费电子领域： 随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化方向发展； 高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视； 数码相机将代替传统的胶片相机； 固定电话今后会被IP电话所替代； 各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）将通过家庭通信、控制中心与Internet连接，实现远程控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。 转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教育等。,1 嵌入式系统的应用领域,在通信领域： 大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换机、路由器、IP交换机、传输设备等； 据预测
5、，由于互联的需要，特别是宽带网络的发展，将会出现各种网络设备如：ADSL Modem/Router等，其数将远远高于传统的网络设备； 它们基于32位的嵌入式系统、价格低廉，将为企业、家庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。 就宽带上网的网络设备ADSL Router而言，国外现在每月需要600K的数量。,1 嵌入式系统的应用领域,在工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等领域： 随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求的不断增长，需要对设备进行智能化、数字化改造，为嵌入式系统提供了很大的市场； 就汽车电子系统而言，目前的大多数高档轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。如BMW 7系列轿车，则平
6、均安装有63个嵌入式微处理器； 据预测，21世纪初美国接入Internet的汽车将有一亿辆。IC Insights报道2001年车载计算系统的市场规模是30亿美元，而2004年达到46亿美元，这些系统将成为所有新型轿车的标准设备。,1 嵌入式系统的应用领域,嵌入式计算机系统的应用示例汽车电子控制系统,主要内容,1 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统的特点 3 嵌入式硬件系统的组成 4 嵌入式微处理器概述 5 主流的嵌入式微处理器 6 嵌入式系统的发展趋势,2 嵌入式系统的特点,嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持 嵌入式系统通常有诸多
7、限制，如成本、体积、实时性和可靠性的要求等 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法,形式多样、面向特定应用,一般用于特定的任务或特定的领域，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。,得到多种类型的处理器支持,通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上
8、，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。 现在有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。,关注成本,嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。 嵌入式的系统成本包括: 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本,实时性和可靠性的要求,大多数
9、嵌入式系统都有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统也是多姿多彩的。 大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。 嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。 一般包括一个
10、实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。 高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离,开发需要专门工具和特殊方法,多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段： 产品定义 软件与硬件设计与实现 软件与硬件集成 产品测试与发布 维护与升级,开发需要专门工具和方法,由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。 该开发环境包括专门的开发工具（包括编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行：,主要内容,1 嵌入式系统的应用领域 2 嵌入式系统的特点 3 嵌入式硬件系统的组成
11、 4 嵌入式微处理器概述 5 主流的嵌入式微处理器 6 嵌入式系统的发展趋势,3 嵌入式硬件系统的组成,嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式系统的软件是由初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等软件有机地结合在一起形成系统特定的一体化软件。,3 嵌入式硬件系统的组成,嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，其基础是通用的微处理器，但是具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、工作温度宽、抗电磁干扰、可靠性强等特点，在集成度、体系结构、指令集、性能、功耗管理和成本等方面都有适应嵌入式系统应用的特性。,3 嵌入式硬
12、件系统的组成,回忆微处理器概念？ 微处理器Microprocessor =?处理器 Processor =？CPU？ Amicroprocessoris a processor that uses very small integrated circuitry, i.e. it itself is very small. Before the development and continued shrinking of IC devices a processor was a large machine about the size of a refrigerator. They had to
13、 be programmed manually and could only run one program at a time. When you wanted to run a different program you had to rewire the processor to reprogram it.,3 嵌入式硬件系统的组成,A CPU is the main processor inside a computer. It used to handle everything. Nowadays its left to handle only the most important
14、system functions, while other processors are specialized to handle other things. A good example is thegraphics processoror GPU. 20 years ago the CPU handled graphics with very little outside help. Now almost all of the work is taken care of by the GPU instead.All modern CPUs are microprocessors. A m
15、icroprocessor is simply a tiny processor, so all microprocessors are processors. But not all processors are microprocessors, and not all microprocessors are CPUs.,3 嵌入式硬件系统的组成,总线是CPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。,片内总线或内部总线：连接CPU内部各主要功能部件，以构成SoC,片外总线：SoC与存储器（RAM和ROM）和I/O接口之间进行信息交换的通道,数据总线Db
16、us,地址总线Abus,控制总线Cbus,按相对于CPU位置划分,按功能和信号类型,总线分类,3 嵌入式硬件系统的组成,嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中，从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线和片内总线 片外总线：PCI、ISA、AMBA的APB等 片内总线：AMBA的AHB和ASB、 AVALON、OCP、WISHBONE等,3 嵌入式硬件系统的组成,嵌入式系统存储器 嵌入式系统的存储器包括主存和外存。 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中，系统上电后在主存中的代码直接运行。主存储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。 有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言具有速度慢、价格低、容量大的特点。在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有DOC（Disk On Chip）、NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCar
