嵌入式系统案例分析

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1、嵌入式系统案例分析学习目的及主要内容n学习目的：本章通过具体案例，阐述嵌入式系统产品的组成及设计与实现。n主要内容： 1. PDA 2. 水表智能抄表系统 3. AT91EB40A评估开发板 4. 信息家电 5. GPS接收机 6. 防火墙1 概述n嵌入式系统产品多种多样，应用在各行各业，如家用电器、工业控 制装置、军事装备等。q PDA（个人数字助理） q水表智能抄表系统 q基于Atmel AT91x40系列的评估板 q一种GPS接收机的设计q信息家电 2 PDAn1. PDA概述qPDA是Personal Digital Assistant的缩写，字面意思是“个人数字 助理”。它最早出现于

2、1993年，是由Apple公司推出的Newton Message Pad。此后，各种各样的PDA产品就大量涌现。q分类：n广义：掌上电脑n狭义：电子记事本 PDA硬件组成 q嵌入式处理器 q内存- ROM、RAM qLCD显示 q输入系统-笔输入q通信功能-接口q网络功能-无线、modem PDA的软件配置 a. 操作系统q3COM公司的PalmOSq微软的Windows CEq英国的Psion公司的操作系统Epoc32q其它：Linux应用软件 b. 应用软件q例：Microsoft推出了Pocket PC 2002软件包。该软件包在WinCE 3.0的基础上，集成了微软享誉全球的OFFIC

3、E软件（Pocket Office）和Internet浏览器（Pocket IE），并配备了强 大的多媒体功能（录音、Media Player、Reader等），使PDA同 时成为一部MP3播放机和一台掌上游戏机。 PDA的应用q普通应用q面向股民的股票分析系统q面向网络用户的上网软件和聊天系统q服务于医药卫生及保险等行业的医务和保险管理系统q警察PDA系统q工业组态工具PDA(有时称为手持终端)q其它：军事、与手机的结合等 发展趋势q彩色显示将迅速取代黑白显示，并且，彩色液晶的指标不断提高 ，真彩色和快的刷新速度将是彩色PDA显示屏的发展方向。q电池寿命将大大延长。q更大容量的内存，包括RA

4、M和FLASH。q随着手写识别技术和语音识别技术的进步，掌上电脑的输入将更 加方便。q大量应用软件的涌现使掌上电脑功能更强。q软调制解调器技术大量应用，掌上电脑与通信终端相结合。q软硬件接口标准化，异种掌上电脑联网更容易。q可能以车载电脑、GPS终端、智能家电控制器、智能卡读写器和机顶盒等各种面目出现在不同的消费电子市场。qPDA与移动通信终端（如手机）的紧密结合。q处理器的性能不断提高。 n2. PDA的硬件设计 硬件配置q处理器：32位EPSON S1C33000 MCU系列，RISC，最大60 MHz（3.3V）。q内存： 416 MBRAM，8MB Flashq显示：LCD，触摸屏，彩

5、色q接口：RS232快速串行接口，IRDA接口，USB接口，CF卡槽和Modem接口q声音：内置扬声器、麦克风以及功放q电源：电池 原理方框图设计 电路原理图设计 a. 处理器子系统1处理器子系统2处理器子系统3b. NAND Flash子系统 c. SDRAM子系统 d. USB接口 USB Host接口子系统USB device接口电路 e. 音频子系统 f. LCD接口和触摸屏接口 PCB图与制板 q一些电路板的EDA工具，具有自动布局和自动布线功能。当然，对于强大的EDA工具，我们可以使用这些自动功能；但是，对于普通的EDA工具，设计的电路板如果比较复杂（超过6层板）， 一般建议使用人

6、工布局和布线。q人工布局和布线，通常的做法是参照原理图进行布线，布线完成 后可以利用EDA软件工具对布线的结果进行设计规则检查（Design Rule Check，DRC），这种检查是原理图和PCB图的交叉检查 ，因此可靠性非常高。q根据PCB图就可制成所需的C33 PDA电路板（PCB）。PCB板制作完成后，需要对PCB版进行检查，通常PCB板的制造厂家会进行这一工序。为了可靠起见，研发时检查PCB的工艺也是必要的。n3. PDA的软件设计 PDA的软件系统分成系统软件和应用软件两部分，如下图所示。 软件配置q操作系统部分 q设备驱动程序 q网络部分 q应用软件部分 软件开发工作q板级支持包

7、的开发和操作系统的运行 q软件组件/模块的开发 q应用软件模块的开发 q软件组件的集成 关于应用软件开发的考虑 q成本 q领域 q可开发性 3 水表智能抄表系统n1. 水表智能抄表系统简 介q智能抄表系统总体结构如 右框图所示。q系统包括两大部分：公司 的数据库部分和操表员的操 表手机。 q工作原理如下：用户的机 械式水表改装成电子水表后 ，连接到装在楼底下的汇集 器上。 q操表手机是一个典型的嵌 入式系统。n2. 基于32位机S3C44B0X的抄表手机的设计 抄表手机的模块图如下图所示。n2. 基于32位机S3C44B0X的抄表手机的设计（ continued）S3C44B0X与LCD、SD

8、RAM、Flash、USB的连接图如下图所示 。4 AT91EB40A评估开发板AT91EB40A结构框图如下图所示。AT91EB40A评估开发板布局图如下图所示。 AT91R40008概述AT91R40008体系结构如下图所示。 电源电路与晶振电路 开发板的电源电路如下图所示。 EBI外部扩展接口与扩展I/O接口 EB40A评估板提供了两组外部接口以方便用户进行调试和二次开 发。 Flash存储器接口电路 系统Flash存储器接口电路如下图所示。 SRAM 系统SDRAM接口电路原理如下图所示。 串行接口电路 串行接口电路原理如下图所示。 JTAG接口电路JTAG接口的连接有两种标准：14针

9、接口（见表1）和20针接口（ 见 表2）。 表1引 脚名 称描 述1,13VCC接电源2,4,6,8,10,14GND接地3nTRST测试 系统复位信号5TDI测试 数据串行输入7TMS测试 模式选择9TCK测试时钟11TDO测试 数据串行输出12NC空 JTAG接口电路（continued）表2 引 脚 名 称 描 述 1 VTref 目标板参考电压 ，接电源 2VCC 接电源 3nTRST 测试 系统复位信号 4,6,8,10,12,14,16,18,20 GND 接地 5TDI 测试 数据串行输入7TMS 测试 模式选择 9TCK 测试时钟 11RTCK 测试时钟 返回信号 13TDO

10、测试 数据串行输出 15nRESET 目标系统复位 17、19NC 空5 信息家电n1. 信息家电概述q概述n大型计算机（贵族时代）n微机（平民时代）n信息家电（普通消费品）q两个方面n智能化-集成了嵌入式处理器n网络化-与internet的连接q目标n提高人们的生活品质n2. 信息家电的主要功能和特点 信息家电的主要功能q播放数字视频节目。q支持多协议的Internet功能，具有良好的Web性能，使家中设备 良好地实现Internet共享。q支持多家电网络协议的家庭网络控制中心功能，提供足够的宽带 通信服务接口，同时还应当能够对家用电器实施各种有效的控制机制。q具有家庭信息服务器的功能，为家

11、庭事务管理提供必要的数据服务，最终完成家庭购物、办公、交互教学、视频点播等全方位应用。 信息家电的特点q处理器发展趋向低成本、高集成度、高性能、低功耗。 q整合数字与模拟的处理技术。 q较PC更强调通信能力。 q利用软件增加产品的差异性。 q应用领域的不断扩大，新市场、新产品的不断涌现。 信息家电的特点q处理器发展趋向低成本、高集成度、高性能、低功耗。 q整合数字与模拟的处理技术。 q较PC更强调通信能力。 q利用软件增加产品的差异性。 q应用领域的不断扩大，新市场、新产品的不断涌现。 n3. 信息家电的分类 q可访问Internet的移动电话 q具有自学习与记忆功能的厨房家电 q掌上电脑 q

12、机顶盒 q交互式电视 q带硬盘的电视机或家电 n4. 信息家电的硬件平台 q片上系统（SoC） q嵌入式芯片 qWebchip n5. 信息家电的结构 q硬件系统 n数据处理核心 n存储器 n外部设备接口 n其他外部设备 q软件系统 n设备驱动程序层 n操作系统层 n逻辑资源层 n中间层 n应用层 n6. 嵌入式Linux在信息家电上的优势q嵌入式Linux开发信息家电产品的优势 q嵌入式Linux在信息家电上的应用开发前景 n与硬件芯片的紧密结合 n开放的源代码 6 GPS接收机n1. GPS概述GPS技术的研究人员都在研究如何利用GPS接收机在高动态环境 下 进行精确定位，同时降低接收机的

13、成本。但是直到现在，许多民用 GPS 接收机的实时动态性能和定位精度还是不高。q原因-处理器的性能不高。n高性能的处理器成本较高q采用ARM处理器-本例n2. GPS接收机-方框图原理框图n3. 操作系统平台的选择qNucleus PlusqSDT2.51或ADS1.2q仿真器等n4. 性能考虑q处理速度：AT91M40800qMIPS/MHz：180mW40MHz，3.3Vq功耗7 防火墙n1. 技术发展q包过滤技术q代理技术q状态监视技术n2. 产品形式q普通的计算机+防火墙软件q专用防火墙-嵌入式系统n3. 硬件组成qCPU/MPU：计算处理来自系统的所有指令。qROM：用于存放系统启动

14、、初始化、自检和基本操作系统程序。qFLASH MEMORY：用于存放操作系统映像，包括网络模块等。qNVRAM：用于存放配置文件，掉电后文件依然存在。qRAM：程序代码的运行空间和公共缓存区。q以太网口：与以太网络进行数据通信的接口。qUART：用于提供给用户一个配置管理接口，即通常所说的CONSOLE（控制台）口。n4. 性能参数小结n应用案例分析n信息家电的发展趋势思考题1. 通过本章介绍的PDA，进行市场和技术调查，请列举目前市场上 PDA产品，它们的功能、配置、应用场合，根据它们的技术参数，分析 它们的实现思路和实现方法。并且对应于一个市场定位或行业定位， 给出一个PDA的简要设计方案。 2. 本章介绍了一种水表智能抄表系统的设计，你认为它有什么局限性 ？如何改进设计？（从提高自动化水平和降低自来水公司的运营费用 方面考虑。） 3. 通过调研（杂志或Internet等媒体），你能否分析出一种嵌入式系统 产品会有很大的市场或应用，并说明你的理由。 4. 通过调研，你认为开发一种新的嵌入式系统产品需要多长时间？提示：从以下3个方面考虑： 产品属于哪一类应用？民用、工业、军用等。 新产品开发还是老产品的升级。 市场上是否有类似的产品作为参考。 5. 手机是一种典型的嵌入式系统产品，你认为手机的硬件电路由哪几 部分组成？软件由哪几部分组成？