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1、嵌入式系统应用,欧阳禹 OLD_OY163.COM,课程介绍,课程：嵌入式系统应用 学时：2 课程别：专业必修课 考核方式：卷面 主要参考教材 嵌入式系统实训教程,第一章 嵌入式系统概述,定义及描述： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入到对象体系中的专用计算机系统。 专用的智能电子设备。,嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是面向特定应用的 嵌入式系统是先进的计算机技术 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 为了提高执行速度和系
2、统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中 嵌入式系统本身不具备自举开发能力,第一章 嵌入式系统概述,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式系统应用无所不在,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式系统应用无所不在,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) Am186/86,386EX,SC400,Power PC, 51,6800,MIMP,ARM 嵌入式微控制器（单片机） (
3、Microcontroller Unit, MCU) 51系列；ARM 7 ，Cortex-M0 /M3 嵌入式DSP处理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) C5000 , C2000(DSC), TI达芬奇处理器,DSP56000 嵌入式片上系统(ESOC); (Embedded System On Chip，ESOP) 可编程片上系统(SOPC) (System On a Programmable Chip，EPSOP),第一章 嵌入式系统概述,嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入
4、式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的其增强点为： 功耗 工作温度 抗电磁干扰 可靠性 体积小、重量轻、成本低,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式微控制器（单片机） (MicroController Unit, MCU) 嵌入式微控制器芯片内部集成一般以： 某一种微处理器内核为核心； ROM、RAM； I/O 内部总线逻辑 片内I/O资源：定时/计数器、WDT ，RTC 片外I/O接口：GPIO、脉宽调制输出 PWM、 D/A、串行口、红外、A/D、LCD 外部总线逻辑接口：I2C、CAN，USB，SPI,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式DSP处理器 (Embedded Digital S
5、ignal Processor, EDSP) DSP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DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。 推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。,第一章
6、嵌入式系统概述,嵌入式片上系统 ( System On Chip) 随着半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI(超大规模集成电路)设计中一种标准的器件。 多处理器核 =SOC 例： INTEL Scale 系列既有ARM 10 内核，并集成了DSP核；并集成SRAM、AC97、LCD控制器，UART、红外等I/O接口，是INTEL公司的嵌入式片上系统（SOC）产品。,可编程片上系统(SOPC) (System On a Prog
7、rammable Chip，EPSOP),第一章 嵌入式系统概述,SOPC是Altera公司于2000年提出的一种灵活高效的SOC解决方案，SOPC利用可编程逻辑技术把整个电子系统集成在一个单片上，是一种特殊的嵌入式系统芯片。 与可编程逻辑器件一样，SOPC的设计也仅需完成前端设计，故其设计投入比较少，设计方法灵活，SOPC的系统功能可裁减、易扩充，结合了SOC和CPLD、FPGA的优点。 作为一种系统级芯片，SOPC具有低的设计成本和开发风险，从而获得广泛的应用。,第一章 嵌入式系统概述,可编程片上系统(SOPC),SOPC是一种可编程逻辑器件，与普通PLD相比，SOPC具有如下特点： 1至
8、少包含一个嵌入式处理器内核。 2具有一定容量的片内高速RAM。 3具有足够的片上可编程逻辑资源。 4. 具有处理器调试接口和编程接口。,第一章 嵌入式系统概述,除了嵌入处理器硬核的SOPC之外，基于FPGA的嵌入CPU软核的片上可编程系统的实现方法也得到广泛的应用，这类基于FPGA的嵌入式CPU软核比较常用的是Xilinx公司的8位嵌入式RISC处理器软核PicoBlaze、32位嵌入式RISC处理器软核MicroBlaze和Altera公司的NIOS软核。 Xilinx公司的Virtex系列FPGA（包括VirtexII、Virtex4和Virtex5）和Spartan III（包括Spar
9、tan3A、Spartan3E和Spartan3）系列FPGA均支持基于嵌入式CPU软核的SOPC设计实现。,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式系统的发展趋势 复杂的嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面,第一章 嵌入式系统概述,存储器 纸带类介质存储（已基本淘汰）、磁带 磁盘（硬盘）存储器（外存） 半导体存储器(内存） RAM （Random Access Memory） 静态随机存储器，Static RAM（SRAM） 速度非常快，功耗低；但芯片结构复杂、成本昂贵 动态随机存储器，Dynam
10、ic RAM（DRAM） 速度相对慢，功耗高；但芯片结构简单、成本较低 ROM （Read Only Memory） ROM （Read-Only Memory） PROM（ Programmable Read-Only Memory）/One-Time Programmable (OTP)ROM EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) FLASH EEPROM （闪存）,第一章 嵌入式系统概述,EPROM (Erasa
11、ble Programmable Read-Only Memory)可擦可编程只读存储器，一种可以重复利用的可编程芯片。其内容始终不丢失，除非您用紫外线擦除它。一般给EPROM 编程或擦除内容时，需要用专用的设备。 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。既可实现ISP或IAP功能。 固件：在ROM中固化的程序叫固件 （Firmware ）,第一章 嵌入式系统概述,IAP（In-Applicat
12、ion Programming） 指MCU可以在系统运行中获取新代码并对自己的程序重新编程。IAP的实现相对要复杂，在实现IAP功能时，单片机内部一定要有两块存储区，一般一块被称为BOOT区，另外一块被称为存储区。单片机上电运行在BOOT区，如果有外部改写程式的条件满足，则对存储区的程序进行改写操作。如果外部改写程序的条件不满足，程式指标跳到存储区，开始执行放在存储区的程式，这样便实现了IAP功能。 总之：IAP技术是从结构上将Flash存储体映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将程序从一个存储体转向另一个。,第一章 嵌入式系统概述,应用 前向通道
13、数字信号 开关量 物理量(模拟信号A/D) 后向通道 数字信号 开关量 (D/A 模拟信号)物理量 声、光输出,第一章 嵌入式系统概述,前向通道-数据采集应用范例 传感器 物理量电压/电流量 信号调理 （信号转换） 滤波放大 光电隔离 抗干扰 多路开关和采样保持 资源复用、转换标定 转换 积分型特点：速度快，精度低（位） 逐次比较型 特点：速度慢，精度高（824位） 与MCU互联 串行 并行,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式编程语言 嵌入式系统高级编程语言概述 Ada语言 C语言 Java语言 常用嵌入式系统高级编程语言基本性能 与汇编语言或机器代码的接口 直接寻址 (I/O) 对硬件的访问和控
14、制 位操作 中断处理 异常事件处理,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式操作系统 嵌入式操作系统特点 任务调度、同步机制、中断处理、文件功能 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性； 占有更少的硬件资源； 高可靠性； 提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议(TCP/IP协议栈)及其他协议； 常要求具有实时性能(RTOS)。,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式操作系统 嵌入式实时多任务操作系统（RTOS） 系统响应时间(System response time )系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。 任务换道时间(Context-switching time)是任务之间切换而使用的时间。 中断延迟(
15、Interrupt latency )是计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式操作系统-C/OS II C/OS-II是一个应用于实时嵌入式应用的公开源代码的实时操作系统内核。 执行效率高 占用空间小 实时性能优良 公开源代码 可扩展性能等 最小内核可编译至2KB。C/OS-II已经移植到了几乎所有知名的CPU上。因为 C/OS-II 非常简单，只要有一个普通的 C 编译器，就能完成编译并运行该操作系统，因此，C/OS-II 首先在教学中得到了广泛应用。因为其简单及实时性好的特点，现在也有一些用户开始使用 C/OS-II 操作
16、系统开发正式的嵌入式产品。,第一章 嵌入式系统概述,嵌入式操作系统-Linux Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发者的强大技术后盾； Linux的内核小、功能强大、运行稳定、效率高； Linux易于定制剪裁，在价格上极具竞争力； Linux不仅支持X86芯片，还可以支持二三十种CPU，包括传统家电行业所使用的芯片，都开始做Linux的平台移植工作。也就是说，如果今天采用Linux环境开发产品，那么将来换CPU时就不会遇到困难 有大量的且不断增加的开发工具，为嵌入式系统的开发提供了良好的开发环境， 它沿习UNIX，遵循国际标准，可以方便地获得众多第三方硬、软件厂商的支持； Linux内核的结构在网络方面是非常完整的。它提供了包括十兆、百兆、千兆的以及网络，以及对无线网络、Token Ring(令版环网)、光纤甚至卫星的支持。在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面都非常出色。 Linux既
