嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)第一章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 2 1.1 嵌入式系統(tǒng)概述 1.2 ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái) 1.3 嵌入式軟件開發(fā)流程1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用JTAG燒寫NAND Flash1.5 小結(jié)1.6 思考與練習(xí)本章課程：本章課程：31.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述 1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)1.1.4 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)4 嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用隨處可見，工業(yè)、軍事、宇宙、通信、運(yùn)輸、金融、醫(yī)療、氣象、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)

2、用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常由特定功能模塊和計(jì)算機(jī)控制模塊組成，主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成。它具有“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的三個(gè)基本要素。1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念5 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）面向特定應(yīng)用的特點(diǎn)，與“通用型”系統(tǒng)相比，滿足特定應(yīng)用的特定需求（2）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須進(jìn)行高效地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能（3）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。1

3、.1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念6（4）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片中或單片機(jī)本身，而不是存儲(chǔ)于磁盤中。（5）嵌入式開發(fā)的軟件代碼尤其要求高質(zhì)量、高可靠性。（6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備二次開發(fā)能力，即設(shè)計(jì)完成后用戶通常不能在該平臺(tái)上直接對(duì)程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行再次開發(fā)。廠家對(duì)產(chǎn)品固件（Firmware）進(jìn)行升級(jí)71.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般包括以下3個(gè)方面：硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。 應(yīng)用軟件嵌入式操作系統(tǒng)硬件設(shè)備嵌入式處理器/外圍設(shè)備

4、81.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件設(shè)備包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。嵌入式處理器嵌入式處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，它與通用處理器最大的區(qū)別在于，嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它將通用處理器中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。 ARM/PowerPC/MC68000/MIPS等外圍設(shè)備外圍設(shè)備是指嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲(chǔ)設(shè)備（如RAM、SRAM、Flash等）、通信設(shè)備（如RS-232接

5、口、SPI接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、無線通信等）和顯示設(shè)備（如顯示屏等）3類。 91.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對(duì)用戶的接口（如圖形界面、庫函數(shù)API等），向下提供與硬件設(shè)備交互的接口（硬件驅(qū)動(dòng)程序等），管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件依賴性、軟件固化性以及應(yīng)用專用性等方面，具有更加鮮明的特點(diǎn) 101.1.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，嵌入式應(yīng)用軟件在準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性等

6、方面要求較高盡可能地進(jìn)行代碼優(yōu)化，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本。111.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式Linux（Embedded Linux）是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或者單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux同Linux一樣，具有低成本、多種硬件平臺(tái)支持、優(yōu)異的性能和良好的網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。12另外，為了更好地適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的開發(fā)，嵌入式Linux還在Linux基礎(chǔ)上做了部分改進(jìn)：改善的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核盡量精簡(jiǎn)，去除內(nèi)核中用不到的功能模塊提高的系統(tǒng)實(shí)

7、時(shí)性131.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式Linux 版 本簡(jiǎn) 單 介 紹CLinux開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。RT-Linux由美國墨西哥理工學(xué)院開發(fā)的嵌入式Linux硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Embedix根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)的Linux發(fā)行版本。XLinux號(hào)稱是世界上最小的嵌入式Linux系統(tǒng)。采用了“超字元集”專利技術(shù)，使Linux內(nèi)核不僅能與標(biāo)準(zhǔn)字符集相容，還涵蓋了12個(gè)國家和地區(qū)的字符集。PoketLinuxPoketLinux由Agenda公司采用、作為其新產(chǎn)品“VR3 PDA”的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。紅旗嵌入式Linux由北京

8、中科院紅旗軟件公司推出的嵌入式Linux，它是國內(nèi)做得較好的一款嵌入式操作系統(tǒng)。Montavista linuxMontaVista Linux是MontaVista Software于1999 年開始推出的，專門面向嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)級(jí)操作系統(tǒng)。風(fēng)河linux 風(fēng)河公司（著名的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的廠商）一直致力于嵌入式linux方面的研究和開發(fā)。141.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II uC/OS-II是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、基于優(yōu)先級(jí)的可搶先的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。自從92年發(fā)布以來，在世界各地都獲得了廣泛的應(yīng)用，它是一種專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)核

9、，目前已經(jīng)被移植到40多種不同結(jié)構(gòu)的CPU上，運(yùn)行在從8位到64位的各種系統(tǒng)之上。 C/OS-II主要適合小型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。最小內(nèi)核可編譯至2KB，如果包含內(nèi)核的全部功能，編譯之后的C/OS-II內(nèi)核僅有6-10KB。C/OS-II的源代碼結(jié)構(gòu)合理清晰易讀，不僅成功應(yīng)用在眾多的商業(yè)項(xiàng)目中，而且被很多大學(xué)采納，作為教學(xué)的范例，同時(shí)也是嵌入式工程師學(xué)習(xí)和提高的絕好材料。單片機(jī)上應(yīng)用較多151.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種

10、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），它是在當(dāng)前市場(chǎng)占有率很高的嵌入式操作系統(tǒng)之一。VxWorks的實(shí)時(shí)性做得非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，使得它們?cè)斐傻难舆t很短。另外VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制，對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占（Linux 2.6內(nèi)核也采用了優(yōu)先級(jí)搶占的機(jī)制）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，這充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，并使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求。另外VxWorks具有高度的可靠性，從而保證了用戶工作環(huán)境的穩(wěn)定。同時(shí)，VxWorks還有完備強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，這也大大方便了用戶的使用。成本較高161.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)

11、幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)QNX QNX是一個(gè)分布式、嵌入式、可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它基本兼容POSIX規(guī)范，提供UNIX類的編譯器、調(diào)試器、X Window和TCP/IP等。QNX是一個(gè)微內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其核心僅提供進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程之間通信、底層網(wǎng)絡(luò)和中斷處理等4種服務(wù)，其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行。所有其它OS服務(wù)，都實(shí)現(xiàn)為協(xié)作的用戶進(jìn)程，因此QNX核心非常小巧，而且運(yùn)行速度很快。171.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE WINDOWS CE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)。Windows C

12、E的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Windows CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基干Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。它不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且用戶在Windows CE平臺(tái)上可以使用Windows上的編程工具（如Visual Studio等）、也可以使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面風(fēng)格，使絕大多數(shù)Windows上的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用。 181.1.3 幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)Palm OS Paml OS在PDA和掌上電腦有著很龐大的用戶群。Palm OS是Palm公司開發(fā)的專用于PDA上的一種操作系

13、統(tǒng)。雖然其并不專門針對(duì)于手機(jī)設(shè)計(jì)，但是Palm OS的優(yōu)秀性和對(duì)移動(dòng)設(shè)備的支持同樣使其能夠成為一個(gè)優(yōu)秀的32位手機(jī)操作系統(tǒng)。Palm OS最明顯的特點(diǎn)在精簡(jiǎn)，它的內(nèi)核只有幾千個(gè)字節(jié)，同時(shí)用戶也可以方便地開發(fā)定制，具有較強(qiáng)的可操作性。 19Android本課程對(duì)學(xué)習(xí)Android開發(fā)有較大幫助Windows PhoneIOS值得關(guān)注201.1.4 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)配有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信接口，支持TCP/IP協(xié)議簇，應(yīng)用軟件 小型化、低成本、低功耗 人性化的人機(jī)界面更方便的人機(jī)交互，多點(diǎn)觸摸、語音控制完善的開發(fā)平臺(tái) 211.2 ARM處理器硬件開發(fā)平臺(tái)處理器硬件開

14、發(fā)平臺(tái) 1.2.1 嵌入式處理器簡(jiǎn)介1.2.2 ARM處理器簡(jiǎn)介1.2.3 S3C2410處理器介紹 221.2.1 嵌入式處理器簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器 .按功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素，嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)可以分成下面幾類。嵌入式RISC微處理器 嵌入式CISC微處理器 指 標(biāo)RISCCISC指令集一個(gè)周期執(zhí)行一條指令，通過簡(jiǎn)單指令的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作；指令長(zhǎng)度固定指令長(zhǎng)度不固定，執(zhí)行需要多個(gè)周期流水線流水線每周期前進(jìn)一步指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序寄存器更多通用寄存器用于特定目的的專用寄存器Load/Store結(jié)構(gòu)獨(dú)立的Load和Store指令完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存

15、儲(chǔ)器之間的傳輸處理器能夠直接處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)23嵌入式微控制器將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者一部分集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，比如以MIPS或ARM核為核心，在芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、內(nèi)部總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O端口、串行端口等各種必要的功能和外設(shè)。與嵌入式微處理器相比，嵌入式微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，實(shí)現(xiàn)同樣功能時(shí)系統(tǒng)的體積大大減小。嵌入式微控制器的品種和數(shù)量較多，比較有代表性的通用系列包括Atmel公司的AT91系列、三星公司的S3C系列、Marvell公司的PXA系列等。241.2.2 ARM處理器簡(jiǎn)介ARM（Advanced RISC Mac

16、hines）有3種含義，它是一個(gè)公司的名稱，是一類微處理器的通稱，還是一種技術(shù)的名稱。ARM公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，其設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、低耗能的RISC芯片，并開發(fā)了相關(guān)技術(shù)和軟件。ARM處理器具有高性能、低成本和低功耗的特點(diǎn)，適用于嵌入式控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域。ARM公司本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM這種商業(yè)模式的強(qiáng)大之處在于其價(jià)格合理，它在全世界范圍的合作伙伴超過100個(gè)，其中包括許多著名的半導(dǎo)體公司。ARM公司專注于設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的芯片內(nèi)核耗電少，成本低，功能強(qiáng)，特有16/32位雙指令集。ARM已成為移動(dòng)

17、通信、手持計(jì)算和多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。ARM處理器的產(chǎn)品系列非常廣，包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore、Cortex等。每個(gè)系列提供一套特定的性能來滿足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能、體積的需求。SecurCore是單獨(dú)一個(gè)產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。251.2.2 ARM處理器簡(jiǎn)介表表1-3 ARM系列處理器屬性比較系列處理器屬性比較項(xiàng) 目ARM7ARM9ARM10ARM11流水線深度3級(jí)5級(jí)6級(jí)8級(jí)典型頻率（MHz）80150260335功耗（mw/ MHz）0.060.19（+Cache）0.5（+Cache）0.4（

18、+Cache）MIPS/ MHz0.971.11.31.2架構(gòu)馮諾伊曼哈佛哈佛哈佛乘法器83283216321632261. 3嵌入式軟件開發(fā)流程 1.3.1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)概述 1.3.2 嵌入式軟件開發(fā)概述 271.3.1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)概述 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要分為系統(tǒng)總體開發(fā)、嵌入式硬件開發(fā)和嵌入式軟件開發(fā)3大部分。 系統(tǒng)定義 可行性研究 需求分析 系 統(tǒng) 總 體 框 架 軟硬件劃分 處理器選定 操作系統(tǒng)選定 開發(fā)環(huán)境選定 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 硬件概要設(shè)計(jì) 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 硬件制作 硬件測(cè)試 軟件概要設(shè)計(jì) 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì) 軟件實(shí)現(xiàn) 軟件測(cè)試 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 硬件設(shè)計(jì)制作 軟硬件集成 功能性能測(cè)試

19、符合要求 No Yes 產(chǎn)品 28系統(tǒng)總體開發(fā)中，從功能與成本考慮進(jìn)行處理器選型開發(fā)環(huán)境的選擇291.3.2 嵌入式軟件開發(fā)概述 嵌入式軟件開發(fā)總體流程為圖1.15中“軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”部分所示，它同通用計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)一樣，分為需求分析、軟件概要設(shè)計(jì)、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)和軟件測(cè)試。其中嵌入式軟件需求分析與硬件的需求分析合二為一，故沒有分開畫出。嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)與通常軟件開發(fā)的區(qū)別主要在于軟件實(shí)現(xiàn)部分，其中又可以分為編譯和調(diào)試兩部分， 301.3.2 嵌入式軟件開發(fā)概述交叉編譯宿主機(jī)普通的計(jì)算機(jī)，搭建開發(fā)環(huán)境（交叉編譯），進(jìn)行交叉編譯目標(biāo)機(jī)通常稱目標(biāo)板，程序?qū)嶋H的運(yùn)行環(huán)境交叉編譯宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)硬件平臺(tái)差異，CPU/指令體系不同在宿主機(jī)上基于源代碼生成可以在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的程序交叉編譯器本身也是程序，是可以在宿主機(jī)上執(zhí)行的程序，其輸出是可以在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的代碼（對(duì)應(yīng)指令體系結(jié)構(gòu)）31321.3.2 嵌入式軟件開發(fā)概述交叉調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的交叉調(diào)試有多種方法，主要可分為軟件方式和硬件方式兩種。 調(diào)試器和被調(diào)試進(jìn)程運(yùn)行在不同的機(jī)器上，調(diào)試器運(yùn)行在PC機(jī)（宿主機(jī)），而被調(diào)試的進(jìn)程則運(yùn)行在各種專業(yè)調(diào)試板上（目標(biāo)板）。 調(diào)試器通過某種通信方式（串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、JTAG等）控制被調(diào)試進(jìn)程。 在目標(biāo)機(jī)上一般會(huì)具備某種形式的調(diào)試代理，