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1、嵌入式系统原理及应用 电气教研室 廖京盛 13580026828,第1章 嵌入式系统概述 及ARM系列微处理器简介,3,航天工程的先驱、美国加州理工学院的冯卡门教授： 科学家研究已有的世界，工程师创造未有的世界,一个人的能力 不在于 学会了 多少知识 而在于 学会了 使用 多少知识,2018/10/18,3,4,爱逃课、爱淘课,世界一流大学的公开课 课程要求 MIT 算法导论 817 Stanford 人与计算机的互动 （开始） Stanford 编程方法学 16-21-28 只有提早觉醒的大学生才能找到好工作！http:/ 出勤率 10% (具有否决权) 作业 10% 实验和实验报告 10%
2、20% (具有否决权) Academic Honesty http:/www.courses.qut.edu.au/cgi-bin/WebObjects/Courses.woa/wa/selectUnitFromCourseDetails?courseID=14033&idunit=30939&strUnitOutlineSelect=ucQCF157%7Cuv1%7Cov51%7Cct13TP1%7Csn2011%7Cui,1.1 嵌入式系统简介,1.1.1 嵌入式系统定义 被称为“嵌入式系统设计的第一本教科书”，由美国普林斯顿大学电子工程系教授Wayne Wolf编著的Computers
3、as Components：Principles of Embedded Computing System Design一书中指出：“不严格地说，它是任意包含一个可编程计算机的设备，但这个设备不是作为通用计算机而设计的。因此，一台个人电脑并不能称之为嵌入式计算系统，。但是，一台包含了微处理器的传真机或时钟就可以算是一种嵌入式计算系统。” 一般认为该书中所说的嵌入式计算系统，就是我们通常所说的嵌入式系统，也称为嵌入式计算机系统。,7,也有把嵌入式系统称为：一种用于控制、监视或协助特定机器和设备正常运行的计算机。嵌入式系统目前被国内计算机界普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬
4、件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。,8,由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统明显的特点有： 嵌入式系统是一个专用计算机系统，有微处理器，可编程； 嵌入式系统有明确的应用目的； 嵌入式系统作为机器或设备的组成部分被使用。,1.1.2 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程与微处理器发展历程密切相关。虽然在1971年Intel公司生产出世界上第一片4位集成电路微处理器Intel 4004之前，也有许多计算机系统是作为某种专门的用途与具体产品结合在一起被使用，也被称为嵌入式系统，但是由于体积较大，使用不方便等原因并没有得到广泛的应用。,10,Inte
5、l 4004微处理器当时是为嵌入到计算器设计的。 20世纪70年代之后，处理器的位数从8位、16位、32位发展到64位。 可以将微处理器分为通用微处理器和专门用于嵌入式系统的专用微处理器。 嵌入式系统专用微处理器可以分为单片机、嵌入式微处理器、数字信号处理器和片上系统。,11,嵌入式系统发展历程中，出现过无操作系统控制的嵌入式系统，如8位单片机直接使用汇编语言或C语言编程；小型操作系统控制的嵌入式系统，如使用C/OS-II的系统；大型操作系统控制的嵌入式系统，如使用Windows CE的系统。,12,1.1.3 嵌入式系统应用举例,嵌入式技术无处不在各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、P
6、DA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。,13,嵌入式系统的应用领域,通信设备 汽车电子 数字消费类 工业控制 仪器仪表 数字医疗设备 信息家电,“嵌入”无处不在,14,嵌入式视频服务器,15,现代化家庭,16,智能玩具与机器人,17,嵌入式技术应用工业控制,工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础；,18,阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。,军事侦察,1
7、9,2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体.,反恐防暴,20,微型飞行器-“黑寡妇”,空中飞行器,21,嵌入式系统与机器人技术,图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和Windows CE）,基于Win CE的移动机器人平台,23,基于RTLinux的仿人机器人,高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通,基
8、于VXworks的火星探路者,25,2004年“勇气号”再次登陆火星,26,汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）CAN总线网络,VOLVO S80汽车的CAN总线网络,嵌入式应用汽车电子,27,嵌入式系统示例,汽车控制系统,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,28,1.1.4 嵌入式系统特点, 与应用密切相关 实时性 复杂的算法 制造成本 功耗 开发和调试 可靠性 体积,1.2嵌入式系统组成,1.2.1 嵌入式系统硬件组成举例 图1.1是某实验开发板的组成，使用了S3C2410A微处理器，微处理器内部集成了许多控制
9、器、接口和设备，微处理器芯片外部连接了一些设备、控制器和接口。,30,31,1.2.2 嵌入式系统软件组成简介 图1.2 嵌入式系统软件组成,32,图1.2中板级支持包（Board Support Package，BSP）和硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL），与PC机的基本输入/输出系统（Basic Input Output System，BIOS）相似。不同的嵌入式微处理器、不同的硬件平台或不同的操作系统，BSP/HAL也不同。 如果设计的产品不要求实时性，可以选择非实时操作系统。,33,1.3 嵌入式微处理器,1.3.1 嵌入式微处理器分类 按处理器的应用
10、领域，广义上将其分为4类，如图1.3所示。,34, 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit，EMU），通常也称微控制器（Micro Controller Unit，MCU）或单片机。,35, 嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP），有时也简称DSP，是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器。嵌入式DSP是对普通DSP的系统结构和指令系统进行了特殊设计，使其更适合DSP算法、编译效率更高、执行速度更快。嵌入式DSP有两个发展来源，一是DSP的处理器经过单片化、EMC
11、（电磁兼容）改造、增加片内外设而成；二是在通用单片机或SOC（片上系统）中，增加DSP协处理器。,36,嵌入式DSP在数字滤波、FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）、频谱分析等仪器上，使用较为广泛。,37, 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU），也称嵌入式微处理器单元。 嵌入式微处理器通常可以分为以下2类。 通用微处理器,38, 嵌入式微处理器这类微处理器是专门为嵌入式应用而设计的，通常狭义上所讲的嵌入式微处理器就是专门指这种类型的微处理器。,39, 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统（Embedd
12、ed System On Chip，ESOC），简称SOC，有时也写作SoC。,40,1.3.2 主流嵌入式微处理器介绍, ARM/StrongARM ARM是英文Acorn RISC Machine的缩写，Acorn是英国剑桥的一个计算机公司，1985年开发出第一代ARM RISC处理器原型。 1990年，Acorn将公司名称改为Advanced RISC Machine Limited（先进RISC机器公司），缩写仍为ARM。ARM公司的32位嵌入式RISC处理器，在低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域占据领先地位。,41,ARM公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（
13、Intellectual Property ，IP）设计供应商，ARM公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC处理器、外围和系统芯片技术给合作伙伴，使他们能够用这些技术生产各具特色的芯片。ARM公司并不生产芯片，而是通过转让设计许可证，由合作伙伴生产各种型号的微处理器芯片。目前ARM的合作伙伴在全世界已经超过100个，许多著名半导体公司与ARM公司有着合作关系。,42, MIPS MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的缩写，意思为内部无互锁流水线微处理器。MIPS也是一种处理器的内核标准。MIPS体系结构具有良好的可
14、扩展性，并且能够满足超低功耗微处理器的需求。,43,MIPS处理器源于20世纪80年代初，由美国斯坦福大学电机系Hennessy教授领导的研究小组研制出来。MIPS计算机公司1984年成立于硅谷。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。MIPS技术公司是一家设计和制造高性能、高档次的嵌入式32/64位微处理器的公司，在RISC处理器方面占有重要地位。,44,近年来，MIPS公司开发了高性能、低功耗的32位处理器内核MIPS32 24KE系列，产品广泛用于机顶盒、DVD刻录机、MODEM、IP电话、数码相机、蜂窝电话、视频游戏机、路由器、激
15、光打印机、复印机、扫描仪等产品。 2007年，MIPS公司推出了MIPS32 74K内核产品，是当时嵌入式市场运行速度最快的处理器内核，主频速度为1GHz。,45, PowerPCPowerPC微处理器早期由IBM、Motorola和Apple公司共同投资开发，生产了PowerPC 601（1994年）、602（1995年）、604（1995年）和620（1997年）。此后PowerPC微处理器由IBM公司和Motorola公司分别生产。,46,迄今为止，Motorola公司共生产了6代产品，它们是G1、G2、G3、G4、G5和G6，Motorola公司生产的PowerPC微处理器芯片产品编号
16、前有“MPC”前缀，如G5中的MPC855T，G6中的MPC860DEMPC860P等。 2004年，Motorola公司分拆半导体部门，组建了新公司Freescale（飞思卡尔），由该公司继续MPC微处理器的技术支持和新产品研发。,47,目前，IBM公司的PowerPC微处理器芯片产品有4个系列，分别是4XX综合处理器、4XX处理器核、7XX高性能32位微处理器和9XX超高性能64位微处理器。 PowerPC系列微处理器的品种较多，既有通用处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围也非常广泛，从高端工作站、服务器到桌面计算系统，从消费类电子产品到大型通信设备，都有着广泛的应用。,48, 其他嵌入式微处理器 Intel公司基于x86处理器核的嵌入式微处理器Geode SP1SC10、Motorola公司的68xxx、Compaq公司的Alpha、HP公司的PARISC、Sun公司的Sparc等嵌入式微处理器也有着广泛的应用。,
