《《单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计》-蔡方凯-电子教案 第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计》-蔡方凯-电子教案 第9章（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 嵌入式系统概述,9.1 嵌入式系统简介 9.2 嵌入式系统的应用领域 9.3 嵌入式系统的发展趋势,嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可以伸缩的，控制、监视或者辅助操作设备、机器的装置，它一般应该具备三项属性：,9.1 嵌入式系统简介 9.1.1什么是嵌入式系统,是一种专用设备而不是通用设备，一般执行特定的功能。 以微处理器和外围电路构成控制核心。 按照设定的程序自动操作，必要时也可人工介入。,嵌入式系统是软件和硬件的综合体，工业控制等领域的嵌入式系统往往还包含其它电气、机械辅助装置。整个综合体的设计目的在于满足某种特殊功能，比如通过电话网或者互联网实现对一台家电的
2、远程控制。,嵌入式系统至少应包含五个部分的软硬件：处理器、内存、输入设备、输出设备、操作系统、应用软件。 嵌入式系统常见于各类智能仪器仪表、自动化办公设备、家用电器设备、电子消费娱乐设备、自动化控制机械制造设备、智能医疗设备、有线无线的声光电通信设备等。 嵌入式系统可以分为硬件及软件两部分，其中硬件的设计包括单片机控制电路的设计、网络功能设计、无线通信设计及使用接口等等，嵌入式软件可分为操作系统和应用软件两大类。,嵌入式系统必须可对软硬件进行伸缩裁剪，满足实际系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。因此，一种较好的模式是先搭建一个通用的软硬件平台，然后在其上通过加载或者禁用开发出各种大同小异的系
3、统。目前的嵌入式系统的核心往往是一个有几KB到几百KB容量的微内核，对其可以比较方便的进行伸缩裁减处理。,嵌入式系统也必须满足计算机架构，一个标准通用计算机中必须包含的中央处理器、内存、I/O设备，在嵌入式系统中同样具有，只是芯片的种类、性能有所差异而已。,下面，我们以掌上电脑（PDA）为例，看看嵌入式系统的构成：,我们可以将PDA产品区分为五种： 电子记事本，具有内存、应用软件、外围辅助及通信模块。 个人数字助理，具有笔式输入手写辨识功能，可以协助处理个人信息管理及通信问题。 智能电子书，具有文章搜索功能，可浏览电子图书的文章、图片或语音资料，可使用CD-ROM，有些产品具有RF传输功能，可
4、以访问远程数据库中各类资料。 个人娱乐器，结合娱乐性软件。 个人通信仪，主要功能强调在无线通信，包括手机、寻呼机、传真、电子邮件及未来个人通信系统等。,嵌入式系统的硬件并不过分强调执行速度，而更注重功能稳定，因此硬件设计方面的技术并不像个人电脑那样，有较高的技术瓶颈，反而在软件方面，强调的是系统整合以及人性化的用户界面。,9.1.2嵌入式系统的特点,嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入
5、式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也很紧密。,嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合后的产物。这决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。,嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘
6、等载体中。 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的。,嵌入式系统的操作系统软件和应用软件设计往往融合在一起。 嵌入式软件的标准化与使用多任务操作系统往往同步进行。简单嵌入式系统的应用程序可以不依靠操作系统而独立运行；但在较为复杂的嵌入式系统设计中，为了合理调度多任务，利用系统资源、系统函数，开发者最好选配RTOS（Real-Time Operating System）开发平台。 遵循软件模块化设计原则，从软件工程化的角度全面优化可行性研究、需求分析、设计、维护等嵌入式系统软件的全部生命周期。,9.1.3嵌入式系统的分类,根据嵌入式系统的复杂
7、程度，可以将嵌入式系统分为以下四类： 1.包含单个简单微处理器的嵌入式系统 2.包含单个多功能微处理器的嵌入式系统 3.多功能交互式嵌入式系统 4.大型复杂并发控制嵌入式系统,9.1.4嵌入式微处理器,嵌入式产品应考虑两个重点问题，一个是软件，用以控制嵌入式系统的动作流程；另一个是硬件，硬件就像嵌入式系统的身躯一样，有手、头脑、眼睛等，这些掌控了嵌入式系统的先天功能。软件控制所有硬件的动作，硬件为软件控制提供支持。 在硬件设计中，嵌入式微处理器又占了极重要的地位，开发人员必须具有高超的选型能力才能从种类繁多的微处理器中选择一个最恰当的微处理器作为嵌入式系统的控制核心。,嵌入式微处理器依照发展的
8、顺序看，依次出现各种不同位数架构的产品，从具备单纯的中央处理器结构产品，有4位、8位、16位、32位到64位的微处理器，到目前很流行的整合型微处理器，例如整合网络、多媒体资料编解码等。 嵌入式微处理器可以分为两种，一种是微处理器内部包含单纯的中央处理器单元，称为一般用途微处理器，另一种将中央处理器、ROM、RAM及I/O等电路做到同一块芯片上，这种微处理器称为单片机控制器。,嵌入式微处理器最早的产品是4位的，可以用在一些简单的电子设备上，它具有比较小的累加器单元ALU，少量存储器及内存，简单的指令集架构。 8位的嵌入式微处理器首推Intel公司1973年开发成功的8080微处理器芯片。大部分的
9、8位微处理器有8位数据总线及16位地址总线，16位地址总线能够寻址64K字节的地址，8位数据总线可以更快捷的处理数据。,目前小型嵌入式系统仍然有很多是以8位的单片机微处理器为主要控制核心。其中具有划时代意义的，莫过于8051家族产品，由于其稳定的性能，完备的功能，低档的价格，目前仍被广泛使用。,Intel推出的8086可以看作通用16位微处理器的典范。 Intel推出的80386系列微处理器是32位微处理器，它延续了8086的基本架构，它的地址总线和数据总线均为32位宽，这样，在传输指令、数据的速度上，寻址能力上又进了一大步。 随着Intel推出奔腾系列的微处理器，64位嵌入式微处理器开始登上
10、舞台，并成为高级嵌入式系统喜欢采用的控制核心。,随着嵌入式系统的迅猛发展，采用精简指令集（RISC）的微处理器越来越多。与以前的复杂指令集（CISC）相比，精简指令集有如下特点： 使用相当少的指令及寻址方式；程序控制尽量采用软件架构实现；在一个机器周期内完成指令；微处理器内嵌了更多的寄存器；总线结构先进，取指令译码指令可以并行进行；针对有规律且常用的指令解码和数据处理。,在处理大量复杂、多变的运算问题上，采用CISC的微处理器运行的指令数会远远少于RISC，但在处理简单问题上，RISC比CISC有优势，因此，硬件设计单纯、成本低、效率高的RISC在面向专用、不会面对大量复杂多变问题的嵌入式系统
11、中得到了广泛应用，例如，ARM RISC Core目前比较热门，它是一种低功耗，支持Java的内核。,应用在嵌入式系统中另一种重要的微处理器是数字信号处理器，它对某些特殊数字信号的处理能力很强，如计算有限冲击响应、无限冲击响应、离散傅立叶变换、离散余弦变换等与图像、声音压缩解压有关的运算处理、数据加密。 数字信号处理器的硬件构架不同于一般性用途的微处理器，它的基本运算功能是乘法和加法，它一般包含一个加法器和一个乘法器，而一般性用途微处理器的核心单元仅有一个加法器。,数字信号处理器的另一个不同之处是它的总线一般采用先进哈佛结构，支持流水线指令处理，支持多重存储器空间，比如TMS320LC549就
12、支持224K*16b的多重存储器空间，其运算能力达到66/80MIPS的水平。 下图给出一个在嵌入式高速加密设备中应用数字信号处理器的图示例子，其中存储器IDT70V92795是双端口高速存储器：,9.1.5嵌入式系统选型指南,选择嵌入式操作系统时，可遵循以下原则： 市场进入时间：目前现成资源最多的是WinCE。使用WinCE能够很快进入市场。用WinCE+X86做产品是在做减法，去掉你不要的功能，能很快出产品，但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。 可移植性：良好的软件移植性应该可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。软件的通用性和软件的性能通常是矛盾的。,可利用资源：产品开发是以快速
13、、低成本、高质量的推出适合用户需求的产品为目的的。集中精力研发出产品的特色，其他功能尽量由操作系统附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源对于选型很重要。Linux和WinCE都有大量的资源可以利用。 系统定制能力：用户需求千差万别的，硬件平台也不一样，对系统的定制能力提出了要求。Linux在定制能力方面具有优势。随着Wince 3.0原码的开放，以及微软在嵌入式领域力度的加强，其定制能力会有所提升。,成本：成本需要综合权衡-如硬件设备的选型、人员投入、公司管理和与其它合作伙伴的共同开发之间的沟通等多方面影响。 中文内核支持：由于操作系统多数是采用西文方式，是否支持双字节编码方式，是否遵
14、循GBK，GB18030等各种国家标准，是否支持中文输入与处理，是否提供第三方中文输入接口是针对国内用户的嵌入式产品的必需考虑的重要因素。,上面提到用WinCE+x86做产品是减法；另外一种做法是加法，利用家电行业的硬件解决方案（绝大部分是非x86的）加以改进，加上嵌入式操作系统，再加上应用软件。加法的优势是成本低，特色突出，缺点是产品研发周期长，难度大，需要深入了解硬件和操作系统。如果选择这种做法，Linux是一个好选择。,9.2 嵌入式系统的应用领域,1.信息电器 信息电器是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品。具有信息服务功能，如：网络浏览、视频点播、文字处理、电子
15、邮件、个人事物管理等。 2.移动计算设备 包括手机，PDA，掌上电脑等各种移动设备。PDA与手机已呈现融合趋势。用掌上电脑(或PDA)上网，人们可以随时随地获取信息。,3.网络设备 包括路由器、交换机、Web server、网络接入盒等各种网络设备。嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已成为嵌入式Internet时代的关键和核心技术。 4.工控、仿真、医疗仪器等 我国的工业生产需要完成智能化数字化改造、自动控制等，为嵌入式系统提供了很大的市场，目前有大量嵌入式控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油勘探等领域。,5.交通管理 在车辆导航、车辆定位、车
16、辆调度方面，内置GPS定位模块、GSM通信模块的移动定位系统在运输业得到了广泛的应用。 6.楼宇小区智能控制管理系统 在智能楼宇中，中央空调、照明、给排水、排风、电梯监视、周界监视、室内监视、游泳池温控、门禁控制等等，处处可以看到嵌入式系统。在智能小区中，水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗、紧急报警系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查。,7.POS及ATM网络 公共交通无接触智能卡系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、ATM机、POS机在生活中越来越普及。 8.环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、水土质量监测、地震活动监测、气象监测、水土空气污染监测等，在很多环境恶劣的地区，智能化的嵌入式系统将代替工作人员实现无人值守自动运行。,另外，嵌入式系统还广泛应用于兵器工业、DNA检测与分析处理、安全系统、WAP、机器人技术、科技农业、光学系统、模糊控制、卫星通信网、数控技术、纳米技术、国防等等领域。,9.3嵌入式系统的发展趋势,互联网时代嵌入式产品，对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用
