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1、嵌入式系统设计大学教程,第二章 嵌入式系统设计基本概念,主要内容,2.1嵌入式硬件系统 2.2嵌入式软件系统 2.3嵌入式系统的基本设计过程 2.4本教程选择的软硬件平台,2.1 嵌入式硬件系统,嵌入式系统的硬件系统是由嵌入式处理器、存储器、I/O接口电路、通信模块以及其他外部设备组成的。 嵌入式处理器是核心； 存储器是重要组成部分； 附属电路：如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、中断控制电路等； 嵌入式系统通常还包括人机交互界面，用于系统与用户的交互。,2.1.1 嵌入式处理器,嵌入式微处理器一般具备四个特点： 对实时和多任务有很强的支持能力； 具有功能很强的存储区保护功能； 可扩展
2、的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器； 嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mW甚至W级。,2.1.1 嵌入式处理器,嵌入式系统中的处理器通常分为四大类： 微处理器（Micro-Processor Unit，MPU） 微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP） 嵌入式片上系统（System On Chip，SoC）,2.1.1 嵌入式处理器,1. 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机
3、中的CPU。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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。,2.1.1 嵌入式处理器,2. 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成存储器（少量ROM/EPROM、RAM或两者都有）、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。,2.1.1 嵌入式处理器,2.
4、 嵌入式微控制器 和嵌入式微处理器相比，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。,2.1.1 嵌入式处理器,3. 嵌入式数字信号处理器 嵌入式数字信号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、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。,2.1.1 嵌入式处理器,4. 嵌入式片上系统 一般认为SoC具有以下特点： SoC应由可设计重用的IP核组成，IP核是具有复杂系统功能的能够独立出售的VLSI块； I
5、P核应采用深亚微米以上工艺技术； SoC中可以有多个MPU、DSP、MCU或其复合的IP核。,2.1.2 存储器,存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于存放计算机工作所必须的数据和程序。 嵌入式处理器在运行时，大部分总线周期都是用于对存储器的读/写操作，因此，存储器子系统性能的好坏将在很大程度上影响嵌入式系统的整体性能。,2.1.2 存储器,在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为三类： 随机存取的RAM; 只读的ROM; 介于两者之间的混合存储器。,2.1.2 存储器,嵌入式系统中常用的存储器类型,2.1.2 存储器,1.随机存储器(Random Access
6、 Memory，RAM) RAM能够随时在任一地址读出或写入内容。 RAM的优点是读/写方便、使用灵活； RAM的缺点是不能长期保存信息，一旦停电，所存信息就会丢失。 RAM用于二进制信息的临时存储或缓冲存储。,2.1.2 存储器,RAM主要有两大类存储设备，即静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。两者都是易失性存储器，它们之间的最大差别是存储于其中的数据的寿命。 SRAM的存储单元电路是以双稳态电路为基础的，因此状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。 DRAM的存储单元是以电容为基础的，电路简单，集成度高，功耗小，但DRAM即使不掉电也会因电容放电而丢失信息，需要定时刷新。,2.1
7、.2 存储器,2.只读存储器(Read-Only Memory，ROM) ROM中存储的数据可以被任意读取，断电后，ROM中的数据仍保持不变，但不可以写入数据。 ROM在嵌入式系统中非常有用，常常用来存放系统软件（如ROM BIOS）、应用程序等不随时间改变的代码或数据。 ROM存储器按发展顺序可分为：掩膜ROM、可编程ROM（PROM）和可擦写可编程ROM（EPROM）。,2.1.2 存储器,3. 混合存储器 混合存储器既可以随意读写，又可以在断电后保持设备中的数据不变。混合存储设备可分为三种： EEPROM NVRAM FLASH,2.1.2 存储器,（1）EEPROM EEPROM是电可
8、擦写可编程存储设备，与EPROM不同的是EEPROM是用电来实现数据的清除，而不是通过紫外线照射实现的。 EEPROM允许用户以字节为单位多次用电擦除和改写内容，而且可以直接在机内进行，不需要专用设备，方便灵活，常用作对数据、参数等经常修改又有掉电保护要求的数据存储器。,2.1.2 存储器,（2） NVRAM NVRAM通常就是带有后备电池的SRAM。当电源接通的时候，NVRAM就像任何其他SRAM一样，但是当电源切断的时候，NVRAM从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。 NVRAM在嵌入式系统中使用十分普遍，它最大的缺点是价格昂贵，因此，它的应用被限制于存储仅仅几百字节的系统关键信息
9、。,2.1.2 存储器,（3）Flash Flash（闪速存储器，简称闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，一个扇区的字节可以在瞬间（与单时钟周期比较是一个非常短的时间）擦除。 Flash比EEPROM优越的方面是，可以同时擦除许多字节，节省了每次写数据前擦除的时间，但一旦一个扇区被擦除，必须逐个字节地写进去，其写入时间很长。,各种存储器特性的比较,2.1.2 存储器,5.嵌入式系统存储子系统的结构 在实际的嵌入式系统中，常常采用分级的方法来设计整个存储器子系统。把全部存储系统分为四级，它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增。 寄存器组 高速缓存 内存 外存,分级存储器系统,分
10、级存储器系统,2.1.2 存储器,6. 嵌入式系统中存储器的选择 当软件设计者编写好程序，并且ROM映像已经准备好以后，系统的硬件设计者就需要决定使用哪些类型的存储器设备，每一种设备的大小为多少。 为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本等。,2.1.3 外围设备,除了处理器和存储器，嵌入式系统硬件中还包含一些相关的硬件设备，称为外围设备。外设可分为两种类型，即内部外设和外部外设。 内部外设与处理器集成在同一块芯片上； 外部外设与处理器不在同一块芯片上。 根据外围设备的功能可
11、分为：通信接口、I/O设备、设备扩展接口、电源及辅助设备等。,2.1.3 外围设备,1.通信接口 嵌入式系统的通信接口可以分为有线传输和无线传输两种。 有线传输接口包括传统的RS-232接口（串行UART接口）、通用串行总线（USB）接口、快速数据传输接口IEEE 1394、CAN总线、以太网接口等； 无线传输接口包括红外线（IrDA）、GSM、GPRS与蓝牙接口等。,通信接口,（1）UART UART提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其他使用RS-232C接口的串行设备进行通信。 在嵌入式系统软件开发调试时，常常通过UART来进行各种输入/输出操作。,通信接
12、口,（2）USB接口 通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的计算机串行通信协议。 USB是一种快速的、双向的、低价的并且可以进行热插拔的新型串行接口技术，支持各种PC与外设之间的连接。,通信接口,（3）以太网接口 嵌入式系统中实现以太网接口有两种方法： 一是采用嵌入式处理器与网卡芯片的组合。该方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线实现，速度慢、可靠性不高，并且电路板布线复杂。 另一种方法是直接采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络
13、接口，如MII。处理器和网络数据交换通过内部总线实现，因此速度快，实现简单。,通信接口,（4）红外线 红外线收发模块主要由三部分组成，包括一个红外线发光二极管、一个硅晶PIN光电二极管和一个控制电路。 其中的红外线发光二极管就是发射红外线波的单元，发射的红外线波长在0.85到0.9微米之间，硅晶PIN光检二极管用于接收红外线信号，所接收到的信号会传送到控制电路中，再传送到嵌入式系统微处理器进行数据处理或数据存储。,通信接口,（5）蓝牙接口（Bluetooth） 蓝牙是一种低带宽、低功耗、近距离的传输协议。 蓝牙的工作在2.4022.480GHz频段，它采用了跳频扩频FHSS，在79个信道上每秒
14、钟1600次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒3200跳，有效地降低了干扰。 蓝牙模块主要由三部分组成：无线传输收发单元、基频处理单元以及数据传输接口。,通信接口,蓝牙模块架构图,2.1.3 外围设备,2. 输入/输出设备 嵌入式系统通常还包括输入/输出设备，用于系统与用户的交互。 嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏、语音识别、按键、键盘和虚拟键盘等，输出设备主要有LCD显示和语音输出。,输入/输出设备,（1）触摸屏 触摸屏按其技术原理可分为5类：矢量压力传感器式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。,输入/输出设备,电阻触摸屏的工作部分由三部分组成：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层
15、、电极。,输入/输出设备,电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO，最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。 当用户触摸电容屏时，手指会吸收一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。,输入/输出设备,电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。 这种触摸屏是安装在液晶显
16、示屏的后面，而普通的电阻式和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面，因此使用电感式触摸屏，输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的磨损，提高输入的灵敏度。,三种触摸屏技术的比较,输入/输出设备,（2）LCD接口 嵌入式系统中多数采用液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display），LCD是一种低成本、低功率的器件，既可显示文字，又可显示图像。 LCD显示器根据其工作原理可分为反射式、吸收式（又称透视式）LCD显示器。,输入/输出设备,反射式LCD的基本原理是：首先入射光线通过一个偏极化板，接着偏极化的光遇到液晶材料，如果激活液晶材料的部分区域，则LCD材料的分子整齐排列，使偏极化光能穿过LCD材料，否则光线无法通过，最后通过液晶材料的光线碰到一面镜子而反射回来，因此，激活的部分区域亮起来。,输入/输出设备,吸收式LCD的工作原理类似，但使用黑色表面而不使用镜子，该黑色表面在激活区域下面，可以吸收光线，因而显得比其他区域暗。,2.1.3 外围设备,3.设备扩展接口 扩展设备很多，但所采用的扩展接口却大同小异。 PC机内存卡国际联合会(PCMCIA) 建立一个省电、
