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1、第14章 嵌入式应用系统,14.1 概述,嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域。 掌握目前流行的基于ARM架构的嵌入式微处理器的原理、设计方法及实例编程开发。具体的包括如何在嵌入式内核基础上扩展一个实用的嵌入式系统的硬、软件设计。如微处理器、存储系统、外设驱动及其应用程序接口的设计。从而达到能够独立完成一个嵌入式系统设计的要求。,14.1.1 嵌入式系统的定义,嵌入式系统被定义为：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、功耗严格要求的专用计算机系统。,14.1.2 嵌入式系统的结构,
2、嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，它主要包含三个部分，其基本结构如图所示。,1. 硬件平台,它是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。,2. 嵌入式操作系统,完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核比较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。,3. 嵌入式应用,运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。,硬件抽象层,硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供对硬件的直接操作。硬件抽象层的
3、引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。,14.1.3 嵌入式系统的特点,1嵌入式系统特点和要求 2嵌入式系统具有的产品特征 3嵌入式软件特征 软件要求固态化存储 软件代码要求高质量、高可靠性 系统软件的高实时性是基本要求 多任务操作系统,4嵌入式系统的发展趋势 可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向 所集成的部件越来越多 功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多,14.2 嵌入式应用系统的开发,14.2.1 确定嵌入式系统的需求 嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。在设计一个系统之前，必须
4、清楚在设计什么。在设计的最初阶段，获取这些信息，以此来设计系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常包括两个过程： 1)从客户那里收集系统的非形式描述（即用户需求）。 2)对需求进行提炼，得到系统的规格说明，规格说明里包含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。,14.2.2 设计系统的体系结构,嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口（API），向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。,1选择处理器 性能 工
5、具支持 技术指标 2选择嵌入式操作系统,14.2.3 相关外部设备的选择,在确定处理器和操作系统之后，根据整个系统应用需求就可以确定相关的外部设备，如FLASH，RAM，串口等等。经过以上需求分析和选型，可以构建完整的系统硬件架构和软件架构,14.3 构建嵌入式系统开发环境,14.4 嵌入式应用系统硬件设计,在嵌入式系统设计过程中，首先要进行硬件系统与软件系统的功能划分，以决定哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。 在具体的硬件设计中，应注意在设计硬件子系统时一般采用自顶向下方法，即将被设计系统的硬件先分成若干模块，再设计系统全部的框图。例如，CPU子系统、存储器子系统等。然后定义系统需要配
6、备哪些硬件接口，例如I/O端口、硬件寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配、处理器的运行速度等。,14.4.1 嵌入式系统的最小硬件系统设计,最小硬件系统是保证微处理器能够可靠工作所必须的基本电路。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。因此设计基于某种嵌入式处理器的最小硬件系统可以先熟悉处理器的构成和工作方式。嵌入式微处理器一般由一个MCU核和多个外围电路集成 。,1S3C2410-S微处理器介绍,S3C2410-S是ARM公司的16/32位RISC结构处理器，数据总线和地址总线分离的哈佛体系结构，是为手持设备设计的低功耗、高度集成的微处理器，采用272 引脚FBGA封装，内含一个
7、ARM920T内核和如下片内外围电路：1个LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示器）；SDRAM控制器；3个通道的UART；4个通道的DMA；4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟；8通道的10位ADC；触摸屏接口；I2C总线接口；1个USB主机接口、1个USB设备接口；2个SPI接口；SD接口和MMC卡接口；117个通用I/O口和24位外部中断源；8通道10位AD控制器，在时钟方面S3C2410-S也有突出特点，该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到203MHz。这个工作频率能够
8、使处理器轻松运行Windows CE(WinCE)、Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。UPLL产生实现主从USB功能的时钟。,2基于S3C2410-S微处理器的最小硬件系统设计,1)电源电路,电源是电子产品中的一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源IC。根据不同的工作原理可将电源分成3类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。,2)硬件复位电路,无论用户设计哪种嵌入式系统，总会涉及到复位电路。而复位电路的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。因为复位电路的作用是在系统上电或复位过程中，控制处理器的复位状态，这段时间内让CPU保
9、持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止处理器发出错误的指令、执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。 复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。另外，一些公司也推出了专用于复位的专用芯片。,3)JTAG(联合测试行动小组)接口电路,JTAG的主要功能有两种，或者说JTAG主要有两大类：一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；另一类用于调试，对各类芯片以及其外围设备进行调试。,4)存储器模块,存储器可分为只读存储器（ROM）、闪存（FLASH）、随机存取存储器（RAM）、光介质存储器和磁介质存储器。,3硬
10、件调试,在给目标系统加电之前，应该仔细检查电路板上所有元器件是否正确焊接，检查各电压等级的电源是否有短路，各种开关、跳线是否在正确的位置上。 通过ARM公司提供的开发工具ADS的集成开发环境，编写相关的应用程序，通过JTAG接口对微处理器进行进一步的调试与开发。,14.4.2 基于功能需求的系统扩展设计,1)USB HUB，将S3C2410-S的USB HOST扩展为4口，可以选择AT43301芯片。 2)双网卡NIC-2和NIC-1 3)RS485串行总线接 4)ADC接口设计 5)CAN总线电路,14.5 嵌入式应用系统软件设计,软件部分实际上就是编写的程序代码，代码的最终用途是命令硬件去
11、做人们希望它去做的事情。程序代码一般由高级程序设计语言（如C/C+）和处理器专用汇编指令编写而成，经过编译、链接、重定位，最终成为机器代码，存放到系统的存储器中。系统被加电以后，CPU便开始从存储器中逐条取出这些机器代码，并按照这些代码的要求进行工作。,1 硬件驱动层 2 系统软件层 3 操作系统层 4 图形用户界面系统 5 TCP/IP协议栈 6 文件系统,14.5.3 用户应用程序层,1嵌入式系统中的存储映射 在ARM体系结构中，系统复位后将跳转到地址0x00x处执行，该处存放的是复位异常中断的中断向量。对于嵌入式系统来说，在系统复位时RAM中是不存在代码和数据的。因此在系统复位时，地址0x00处应为ROM，即系统复位后应该首先从ROM开始执行。这时，根据系统在其后运行过程中地址0x00处存储器的类型。,2系统初始化 系统的初始化部分包括两个级别的操作：分别是系统运行环境初始化，应用程序初始化和系统运行环境初始化。,本章小结,本章主要介绍了嵌入式系统的基本概念、嵌入式系统的特点及结构、嵌入式系统开发步骤及如何构建嵌入式系统开发环境、嵌入式系统硬件设计和软件设计的基础知识，希望读者能够通过本章的学习，对嵌入式系统有个初步认识和了解，为继续深入学习相关专业知识打下良好基础。,
