嵌入式技术基本概念课件

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1、机电控制基础与实践,（需求，应用，市场） 王田苗 丑武胜 北京航空航天大学 机器人研究所,典型嵌入式系统基本组成硬件,典型嵌入式系统基本组成软件,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,2、嵌入式系统的定义,嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM

2、、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定 时 器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。,1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。 随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、De

3、lta OS等嵌入式操作系统。 今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。,IEEE定义,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系

4、统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,一般定义,“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”,嵌入式系统定义要素,专用计算机系统(非PC智能电子设备) 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 知识集成应用系统（CSEA） 技术密集资金密集 高度分散不可垄断 面向应用不断创新,嵌入式系统的分类,按表现形式分： （硬件范畴） 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入 按实时性要求分： （软件范畴） 非实时系统（P

5、DA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）,嵌入式硬件平台及分类,嵌入式处理器系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件 嵌入式软件系统 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application）,嵌入式处理器,嵌入式处理器的发展趋势 经济性（成本） 微型化（封装、功耗） 智能化（功能、速度） 嵌入式处理器的分类和现状 微控制器（MCU） 微处理器（MPU） 数字信号处理器（DSP） 混合处理器和片上系统（SOC） 可编程片上系统（SO

6、PC）,硬件设计工具（EDA工具）,系统级设计工具 Cadence的SPW System View 模拟电路系统仿真工具 Pspice EWB PCB设计工具 Protel PADs 的Power PCB & Tool Kit Mentor的Expedition & Tool Kit 可编程逻辑器件设计工具 Mentor FPGA Advantage & ModelSim Xilinx Foundation ISE & Tool Kit 各种综合和仿真第三方工具,从硬件方面目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。 从单片机、DSP到

7、FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类 ：,嵌入式微处理器分类,（1）、嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。,微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富

8、，适合于控制，因此称为微控制器。,由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。 近来Atmel推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。,（2）、嵌入式数字信号处理器（DSP）,DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分

9、析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，8038680387 与计算机处理器不同的是，在实际

10、嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,（3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等,SoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、D

11、SP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是万用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,（4）、嵌入式片上系统(System On Chip),SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,典型的嵌入式微处理器（MPU）,1ARM/S

12、trongARM ARM（Advanced RISC Machines）公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。 ARM公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。 ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。 ARM处理器有三大特点： 1). 小体积、低功耗、低成本而高性能； 2). 16/32位双指令集； 3). 全球众多的合作伙伴。,ARM,ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。 其中ARM7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗

13、敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及适用于开放平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。 ARM7主要在PDA、手持仪器仪表，ARM9、ARM10主要在NC、TFT。,MIPS,MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages MIPS技术公司 它是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。 MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初， MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。 1999年，MIP

14、S公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。,MIPS的定位很广 在高端它有64位的20Kc家族，在低端市场有SmartMIPS。 如果您有一台机顶盒设备，那很可能就是基于MIPSTM的；如果您有一台视频游戏机，或许他就是基于MIPS的；你的电子邮件或许就是通过基于MIPS芯片的Cisco路由器来传递的；您的公司所使用的激光打印机也有可能使用着基于MIPS的64位处理器。,PowerPC,PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多。 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到

15、桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。,基于PowerPC架构的处理器有： IBM公司开发的PowerPC 405 GP是一个集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。 Motorola MPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC）设备，Apple是唯一采用RISC架构的PC。 通信处理器和单硅成分内的显示控制器，低能源、便携式、图象捕捉和个人通信设备。,x86,x86系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于intel架构的8080。 直到现在Pentium 4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。

16、 486DX是当时和AMR，68K，MIPS和SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。,68K,68K/Coldfire Motorola 68000(68K)是 Apple 2以前使用的就是68000，比INTEL的8088还要早。 但现在，Apple、Motorola 已放弃68k专注于ARM了。 CISC是个人电脑CPU常用的，Intel、AMD、VIA都采用了CISC指令集 只有Apple电脑中的PowePC使用了RISC架构。 因为CISC指令数量少，执行效率更高，而且当时的CPU时钟频率不同，没有牵涉到现在的超标量和超流水线的问题。RISC是精减指令集，它每条指令长度都一样，有利于减化译码结构，减少处理器的晶体管数量，,嵌入式软件平台及分类,实时操作系统（RTOS）,RTOS的基本特征： 高效的任务管理 1.支持多任务 2.优先级管理 3.任务调度：基于优先级的抢占式调度、时间片轮转调度的算法 4.支持快速而确定的上下文切换 快速灵活的任务间通信 1.信号量：二进制、互斥、计数器 2.通信机制：消息队列、管道等 高度的可剪裁性 动态链接与部件增量加