嵌入式微處理器第1章嵌入式計算課件

1、第 1 章嵌入式計算2021/8/51第 1 章嵌入式計算2021/8/51主要內(nèi)容什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)設(shè)計方法學(xué)OOD&UML面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和統(tǒng)一建模語言舉例: 模型火車控制器2021/8/52主要內(nèi)容什么是嵌入式系統(tǒng)?2021/8/521、什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng): 任何一個非通用的具有可編程計算機的設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實例：打印機.手機.汽車: 發(fā)動機, 剎車, 儀表盤等.電視(機頂盒).家用電器.PC 鍵盤 .掌上電腦(PDA).嵌入式計算機與個人PC的區(qū)別：專用性和實時性2021/8/531、什么是嵌入式系統(tǒng)?嵌入式系統(tǒng): 任何一個非通用的具有可編嵌入式計

2、算機CPUmeminputoutputanaloganalog2021/8/54嵌入式計算機CPUmeminputoutputanaloga早期發(fā)展歷史1940年代: MIT Whirlwind ，第一臺實時操作系統(tǒng)的計算機；最初是用于飛機模擬器的控制。第一個微處理器是1970年代的 Intel 4004。 1972年，HP-35 計算器使用數(shù)個芯片來實現(xiàn)一個微處理器的功能。1970年代開始在汽車上使用基于微處理器的發(fā)動機控制技術(shù)?？刂朴推幕旌?，發(fā)動機的定時等等。多種工作模式的控制：加熱，爬坡等提供低排放，高的燃油效率。2021/8/55早期發(fā)展歷史1940年代: MIT Whirlwind

3、 ，第微處理器的分類微控制器: 包括I/O設(shè)備，存儲器。數(shù)字信號處理器 (DSP): 專門用于數(shù)字信號處理的微處理器。典型嵌入式的字長: 8-bit, 16-bit, 32-bit.2021/8/56微處理器的分類微控制器: 包括I/O設(shè)備，存儲器。2021/應(yīng)用廣泛簡單控制: 微波爐的面板等。Canon EOS 3 有3個微處理器。32-bit RISC CPU 用于自動對焦和光圈控制系統(tǒng)。模擬電視: 信道的選擇等。數(shù)字電視: 可編程 CPUs +硬連線邏輯 通信系統(tǒng)2021/8/57應(yīng)用廣泛簡單控制: 微波爐的面板等。2021/8/57汽車嵌入式系統(tǒng)高級汽車有近百個微處理器4-bit 微控

4、制器檢查安全帶的使用。微控制器控制儀表盤工作。16/32-bit 微處理器控制發(fā)動機。BMW 850i防抱死系統(tǒng) (ABS): 啟動剎車來降低打滑。自動穩(wěn)定控制 (ASC+T): 控制發(fā)動機來改善穩(wěn)性。ABS 被最早應(yīng)用- ASC+T 需要與已經(jīng)存在的 ABS 模塊交互。2021/8/58汽車嵌入式系統(tǒng)高級汽車有近百個微處理器2021/8/58BMW 850i 剎車控制系統(tǒng)剎車傳感器剎車傳感器剎車傳感器剎車傳感器ABS液壓泵2021/8/59BMW 850i 剎車控制系統(tǒng)剎車傳感器剎車傳感器剎車傳感器嵌入式系統(tǒng)的特點復(fù)雜的功能性。通常運行復(fù)雜的算法，或多個算法。手機，激光打印機。通常提供復(fù)雜的

5、用戶界面。實時操作。必須在期限內(nèi)完成操作。硬實時期限: 超過期限會產(chǎn)生錯誤。軟實時期限: 超過期限會降低性能。很多系統(tǒng)是多速率的: 必須在能用不同的速率處理操作。2021/8/510嵌入式系統(tǒng)的特點復(fù)雜的功能性。2021/8/510嵌入式系統(tǒng)的特點低制造成本。多數(shù)嵌入式系統(tǒng)是大規(guī)模生產(chǎn)的具有很低的制造成本。存儲容量和處理器能力夠用即可。低功耗。在電池供電的設(shè)備中功耗是很關(guān)鍵的。由小規(guī)模團(tuán)隊在嚴(yán)格的期限內(nèi)完成。半年的市場期限較多。2021/8/511嵌入式系統(tǒng)的特點低制造成本。2021/8/511為什么要使用微處理器？可選擇的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計: 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs), 定制邏輯（專用邏輯）

6、.微處理器使用比定制邏輯更多的邏輯來實現(xiàn)一個功能。但是微處理器通常有更高的效率，因為：使用同樣的邏輯可以實現(xiàn)不同的功能。高速執(zhí)行指令。大設(shè)計團(tuán)隊來提高CPU的運行速度。高速發(fā)展的大規(guī)模集成電路技術(shù)。微處理器可以簡化產(chǎn)品的系列設(shè)計。2021/8/512為什么要使用微處理器？可選擇的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計: 現(xiàn)場可編程門陣功耗仍需要考慮對于低功耗的產(chǎn)品來說，定制邏輯是最好的實現(xiàn)方式。現(xiàn)代的微處理器提供降低功耗的功能。軟件設(shè)計技術(shù)也可以降低功耗。2021/8/513功耗仍需要考慮對于低功耗的產(chǎn)品來說，定制邏輯是最好的實現(xiàn)方式2、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)需要多少硬件？CPU的性能和存儲器的容量？如何滿足軟件運

7、行時限要求？高速的硬件或者靈活的軟件？如何降低功耗？關(guān)斷不需要的邏輯? 降低運算速度?能否正常工作？規(guī)格說明是否正確？是否滿足用戶需求？如何進(jìn)行實時的，實際數(shù)據(jù)的測試？可視性，可控制性？開發(fā)環(huán)境？2021/8/5142、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)需要多少硬件？2021/8/53、設(shè)計方法學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的一個過程。理解設(shè)計方法可以幫助你不遺漏任何要點。編譯器 、CAD工具、軟件工程工具等可用來：幫助自動操作方法中的步驟。跟蹤方法本身。2021/8/5153、設(shè)計方法學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的一個過程。2021/8/515需要考慮的設(shè)計目的功能。性能.總的速度，時限。用戶界面。生產(chǎn)成本。功耗其它要求（物理尺寸等）。

8、2021/8/516需要考慮的設(shè)計目的功能。2021/8/516設(shè)計過程中的抽象層次要求規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)集成自頂向下的方法自底向上設(shè)計實際的設(shè)計中兩種方法都有使用2021/8/517設(shè)計過程中的抽象層次要求規(guī)格說明體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)集成自頂向下逐步求精法在設(shè)計的每一階段，都必須：分析設(shè)計來決定設(shè)計如何滿足規(guī)格說明的要求。細(xì)化設(shè)計，增加細(xì)節(jié)。2021/8/518逐步求精法在設(shè)計的每一階段，都必須：2021/8/5181層:需求用戶想要的和期望得到的一個清楚的語言描述。 （要求系統(tǒng)做什么）可用幾種方式得到用戶的需求：直接與用戶交談；與市場代表交談；提供原型讓用戶評價。2021/8/5191層

9、:需求用戶想要的和期望得到的一個清楚的語言描述。2021功能性與非功能性的需求功能性的需求：功能需求指系統(tǒng)所必須實現(xiàn)的特定的功能、任務(wù)、行為。非功能性的需求：執(zhí)行一個功能所需要的時間；體積、重量等；功耗；可靠性；其它。2021/8/520功能性與非功能性的需求功能性的需求：2021/8/520需求表格2021/8/521需求表格2021/8/521例: GPS 移動地圖的需求移動地圖由GPS獲得位置數(shù)據(jù)，由本地數(shù)據(jù)庫得到地圖的圖形。lat: 40 13 lon: 32 19I-78Scotch Road2021/8/522例: GPS 移動地圖的需求移動地圖由GPS獲得位置數(shù)據(jù)，由GPS 移動

10、地圖的需求功能性：汽車上使用。顯示主要的道路和標(biāo)識。用戶界面： 顯示屏至少400 x 600像素的分辨率；最多三個按鍵；彈出式菜單。性能：地圖平滑滾動；在接通電源后系統(tǒng)啟動時間少于1秒；衛(wèi)星鎖定時間少于15秒。成本: 單個設(shè)備銷售$500。物理尺寸 /重量: 適合手持。功耗：四節(jié) AA電池可工作八小時。 2021/8/523GPS 移動地圖的需求功能性：汽車上使用。顯示主要的道路和標(biāo)GPS 移動地圖需求表格2021/8/524GPS 移動地圖需求表格2021/8/524 2層:規(guī)格說明系統(tǒng)更精確的描述：（系統(tǒng)要去做什么）不應(yīng)該包含一個特定的體系結(jié)構(gòu)；給這個體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程提供輸入。包括功能和非

11、功能的成分。規(guī)格說明應(yīng)該很明確。（有著用戶與開發(fā)者之間 合同的作用）UML (Unified Modeling Language)2021/8/525 2層:規(guī)格說明系統(tǒng)更精確的描述：（系統(tǒng)要去做什么）2021GPS 的規(guī)格說明應(yīng)該包括：從GPS接收到的數(shù)據(jù)格式；地圖數(shù)據(jù)；用戶界面；必須執(zhí)行以滿足用戶需求的操作；保持系統(tǒng)運行的后臺操作。2021/8/526GPS 的規(guī)格說明應(yīng)該包括：2021/8/5263層: 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計那些主要構(gòu)件去滿足規(guī)格說明的要求？硬件構(gòu)件：CPUs、外設(shè)等。軟件構(gòu)件：主要程序及其運行。功能規(guī)格與非功能規(guī)格都要考慮。2021/8/5273層: 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計那些主要構(gòu)件去

12、滿足規(guī)格說明的要求？202GPS 移動地圖框圖GPS接收機搜索引擎轉(zhuǎn)換器用戶界面數(shù)據(jù)庫顯示器2021/8/528GPS 移動地圖框圖GPS搜索引擎轉(zhuǎn)換器用戶界面數(shù)據(jù)庫顯示器GPS 移動地圖的硬件體系結(jié)構(gòu)GPS接收機CPU I/O面板顯示器幀緩沖器存儲器2021/8/529GPS 移動地圖的硬件體系結(jié)構(gòu)GPSCPU I/O面板顯示器GPS 移動地圖的軟件體系結(jié)構(gòu)位置數(shù)據(jù)庫搜索轉(zhuǎn)換器時鐘用戶界面像素2021/8/530GPS 移動地圖的軟件體系結(jié)構(gòu)位置數(shù)據(jù)庫搜索轉(zhuǎn)換器時鐘用戶界 4層: 硬件和軟件構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)告訴我們需要什么樣的構(gòu)件。構(gòu)件完成體系結(jié)構(gòu)中特定的任務(wù)。某些構(gòu)件中現(xiàn)成的，某些構(gòu)件要用現(xiàn)成

13、的構(gòu)件修改而來、其它一些要完全自己設(shè)計。2021/8/531 4層: 硬件和軟件構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)告訴我們需要什么樣的構(gòu)件。25層:系統(tǒng)集成把所有的構(gòu)件插在一起。很多問題都在這個階段產(chǎn)生。一個好的集成計劃可以更快的發(fā)現(xiàn)問題，盡可能早的去做功能測試。2021/8/5325層:系統(tǒng)集成把所有的構(gòu)件插在一起。2021/8/532系統(tǒng)建模需要語言來描述系統(tǒng)：在數(shù)個抽象層上都是很實用的；在團(tuán)體內(nèi)外都能夠被理解。框圖是一個開始，但不要包括所有的內(nèi)容。2021/8/533系統(tǒng)建模需要語言來描述系統(tǒng)：2021/8/5334、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計OOD面向?qū)ο蟮脑O(shè)計OOD：是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€通用稱謂。對象：現(xiàn)實世界中個體

14、或事物的抽象表示， 是屬性和相關(guān)操作的封裝。= 狀態(tài) + 方法.對象的狀態(tài)對象屬性取值的集合。方法（操作）：提供給對象一個抽象的交互。 類:說明一系列擁有相同的屬性，操作，方法，關(guān) 系，行為的對象集.類包含屬性表和操作表，它們各自在類內(nèi)建立了一個命名空間。定義那種類型的所有對象交互的方法。2021/8/5344、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計OOD面向?qū)ο蟮脑O(shè)計OOD：是面向?qū)ο缶幊蘒MLUnified Modeling Language由Grady Booch 開發(fā)的（Rational 公司的首席工程師）目的：面向?qū)ο蟮?；可視的；在抽象的多個層次都適用。在設(shè)計的所有方面都有應(yīng)用價值。2021/8/535UM

15、LUnified Modeling Language20UML 對象d1: Displaypixels: array of pixelselementsmenu_itemspixels is a2-D array注釋對象名稱類名屬性無需顯示操作符，因為對于同一類的對象來說它們都是相同的 2021/8/536UML 對象d1: Displaypixels: arrayUML 類Displaypixelselementsmenu_itemsmouse_click()draw_box操作方法類名操作提供了類的實現(xiàn)與其它類的抽象交互。調(diào)用的操作如果有返回值，則為返回值類型列表。如果沒有返回值，則此特性

16、為空值。一個操作可以檢查或修改對象的狀態(tài)?？梢娦詫傩悦侯愋投嘀匦源涡蚩梢娦圆僮髅▍?shù)列表）：反回類型特征屬性2021/8/537UML 類Displaypixelsmouse_click(類與對象之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)association : 指對象之間通信，但沒有從屬關(guān)系。聚集aggregation: 較小的對象組成復(fù)雜的對象。組合combination : 是一種聚集類型，其中所有者不允許訪問構(gòu)件對象。泛化generalization : 允許我們通過其它的類定義類。一個較廣泛化的元素和一個較特殊的元素之間的類元關(guān)系。特殊化的元素完整的包含了廣泛化的元素，并含有更多信息 2021/8/538

17、類與對象之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)association : 指對象之間類的派生根據(jù)另外一個類來定義類。派生類繼承了基類的屬性和操作。 派生類 基類UML泛化2021/8/539類的派生根據(jù)另外一個類來定義類。 派生類 基類類派生案例Displaypixelselementsmenu_itemspixel()set_pixel()mouse_click()draw_boxBW_displayColor_map_display基類派生類UML泛化2021/8/540類派生案例Displaypixelspixel()BW_di多重繼承SpeakerDisplayMultimedia_display基類派生類2

18、021/8/541多重繼承SpeakerDisplayMultimedia_dmessagemsg: ADPCM_streamlength : integermessage setcount : integer0.*1contains# contained messages# containing message sets關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián): 描述類之間的關(guān)系。例如：關(guān)聯(lián)名稱2021/8/542messagemsg: ADPCM_streammessag鏈接鏈接: 描述對象之間的關(guān)系。例如：鏈接定義包含關(guān)系。messagemsg = msg1length = 1102messagemsg = msg2l

19、ength = 2114message setcount = 22021/8/543鏈接鏈接: 描述對象之間的關(guān)系。messagemsg = m行為描述現(xiàn)在考慮描述系統(tǒng)的行為：使用狀態(tài)機狀態(tài)機是展示狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的圖 ab狀態(tài)狀態(tài)名稱轉(zhuǎn)移2021/8/544行為描述現(xiàn)在考慮描述系統(tǒng)的行為：ab狀態(tài)狀態(tài)名稱轉(zhuǎn)移2021事件驅(qū)動狀態(tài)機一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)的改變由事件觸發(fā)。事件是某一種動作。狀態(tài)機在收到輸入時會改變狀態(tài)。事件可來自系統(tǒng)外也可來自系統(tǒng)內(nèi)。信號事件：異步事件。調(diào)用事件 ：同步的通信。時間事件 ：由時間激活的。2021/8/545事件驅(qū)動狀態(tài)機一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)的改變由事件觸發(fā)。事件是某

20、mouse_clickleftorright: buttonx, y: position聲明abmouse_click(x,y,button)事件描述事例的類型信號事件2021/8/546leftorright: button聲cddraw_box(10,5,3,2,blue)事例的類型調(diào)用事件：時間事件：eftm(time-value)接收到一個請求，從而激活某個操作。 滿足一個時間表達(dá)式，進(jìn)入某狀態(tài)后經(jīng)過一定的時間，或者到達(dá)某個絕對時間后發(fā)生事件。 2021/8/547cddraw_box(10,5,3,2,blue)事例的類型例：狀態(tài)機找到鼠標(biāo)點擊區(qū)域得到菜單項信息調(diào)用過的菜單項找到對象

21、加亮顯示對象初始狀態(tài)停止?fàn)顟B(tài)mouse_click(x,y,button)/find_region(region)input/outputregion = menu/which_menu(i)call_menu(I)region = drawing/find_object(objid)highlight(objid)2021/8/548例：狀態(tài)機找到鼠標(biāo)得到菜單調(diào)用過的找到對象加亮顯示初始狀態(tài)停順序圖顯示隨時間操作的順序顯示多重對象行為之間的關(guān)系。m: Moused1: Displayu: Menumouse_click(x,y,button)which_menu(x,y,i)call_men

22、u(i)時間2021/8/549順序圖顯示隨時間操作的順序m: Moused1: Displ5、模型火車控制器控制臺電源接收機馬達(dá)ECCaddressheadercommand2021/8/5505、模型火車控制器控制臺電源接收機馬達(dá)ECCaddressh需求控制臺在一條軌道上能控制8輛火車。速度至少有63個等級。慣性控制調(diào)整響應(yīng)至少有8個等級。緊急停車按鍵。信息傳輸要有檢錯方案。2021/8/551需求控制臺在一條軌道上能控制8輛火車。2021/8/551需求表格2021/8/552需求表格2021/8/552概念性的規(guī)格說明在我們生成一個詳細(xì)的規(guī)格說明之前，我們將寫一個初始的，簡化的規(guī)格說

23、明。讓我們在UML和規(guī)格說明方面有一個實踐。概念性的規(guī)格說明可使我們更好地理解系統(tǒng)。在投入大量的精力之前通?？梢宰屛覀儼l(fā)現(xiàn)潛在的問題。從消息的定義開始，因為消息決定了控制器能做什么。 命令名稱 參 數(shù) ， set-speed 速度（正或負(fù)）set-inertia 慣性值（非負(fù)）estop 無2021/8/553概念性的規(guī)格說明在我們生成一個詳細(xì)的規(guī)格說明之前，我們將寫一消息的類commandset-inertiavalue: unsigned-integerset-speedvalue: integerestop2021/8/554消息的類commandset-inertiavalue: u:

24、console:train_rcvrset-inertiaset-speedset-speedset-speedestop:console:receiver1.n: command子系統(tǒng)的協(xié)同圖順序圖2021/8/555:console:train_rcvrset-inertia主要子系統(tǒng)的任務(wù)控制臺從面板上讀狀態(tài)格式化信息傳輸信息火車接收信息解釋信息控制火車2021/8/556主要子系統(tǒng)的任務(wù)控制臺2021/8/556控制臺系統(tǒng)的類圖consolepanelformattertransmitterreceiver*sender*11111111112021/8/557控制臺系統(tǒng)的類圖cons

25、olepanelformattert控制臺類的任務(wù)面板：描述模擬按鍵和接口硬件。格式化程序： 將按鍵設(shè)置轉(zhuǎn)換成比特流。發(fā)射機： 給火車發(fā)數(shù)據(jù)。2021/8/558控制臺類的任務(wù)面板：描述模擬按鍵和接口硬件。2021/8/5火車系統(tǒng)類train settrainreceivercontrollermotorinterfacedetector*pulser*11.t11111111112021/8/559火車系統(tǒng)類train settrainreceivercon火車類的任務(wù)接收機： 數(shù)字化來自鐵軌的信號?？刂破鳎?解釋接收到的指令并作出控制決定。脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生馬達(dá)所需求的信號。2021/8/5

26、60火車類的任務(wù)接收機： 數(shù)字化來自鐵軌的信號。2021/8/5詳細(xì)的規(guī)格說明現(xiàn)在可以把概念性的規(guī)格說明的細(xì)節(jié)加上：更多的類；操作草擬一個規(guī)格說明可以幫助我們理解系統(tǒng)中的基本關(guān)系。2021/8/561詳細(xì)的規(guī)格說明現(xiàn)在可以把概念性的規(guī)格說明的細(xì)節(jié)加上：2021火車速度控制火車由脈沖寬度調(diào)制來控制：V+-周期2021/8/562火車速度控制火車由脈沖寬度調(diào)制來控制：V+-周期2021/8控制臺的物理對象類圖knobs*train-knob: integerspeed-knob: integerinertia-knob: unsigned-integeremergency-stop: boolea

27、npulser*pulse-width: unsigned-integerdirection: booleansender*send-bit()detector*read-bit() : integer2021/8/563控制臺的物理對象類圖knobs*train-knob: in面板和馬達(dá)接口類圖面板類定義控制為面板上的每一個控制定義一個操作new-settings() 使用set-knobs操作改變調(diào)節(jié)器的設(shè)置。馬達(dá)接口類定義馬達(dá)持續(xù)狀態(tài)的速度。paneltrain-number() : integerspeed() : integerinertia() : integerestop()

28、: booleannew-settings()motor-interfacespeed: integer2021/8/564面板和馬達(dá)接口類圖面板類定義控制paneltrain-numTransmitter 和 receiver 類Transmitter: 為每種要發(fā)送的消息提供一個行為。接收機功能提供操作方法：探測接收新的信息，判決類型，讀取參數(shù)。transmittersend-speed(adrs: integer, speed: integer)send-inertia(adrs: integer, val: integer)set-estop(adrs: integer)receive

29、rcurrent: commandnew: booleanread-cmd()new-cmd() : booleanrcv-type(msg-type: command)rcv-speed(val: integer)rcv-inertia(val:integer)2021/8/565Transmitter 和 receiver 類TransmFormatter 類formattercurrent-train: integercurrent-speedntrains: integercurrent-inertiantrains: unsigned-integercurrent-estopntra

30、ins: booleansend-command()panel-active() : booleanoperate()Formatter 類保存了當(dāng)前所有火車的控制設(shè)置。operate()操作執(zhí)行基本的格式化任務(wù)。2021/8/566Formatter 類formattercurrent-trControl input 類使用軟面板來顯示每個火車目前的面板設(shè)置。改變火車的編號：必須改變軟面板的設(shè)置來反映目前火車的速度等參數(shù)。控制速度/慣性參數(shù)/緊急停車：讀取面板上的參數(shù)，檢查變化，執(zhí)行指令。2021/8/567Control input 類使用軟面板來顯示每個火車目前的控制輸入順序圖:knob

31、s:panel:formatter:transmitter改變速度/慣性/緊急停車改變火車編號change incontrolsettingsread panelpanel settingspanel-activesend-commandsend-speed,send-inertia.send-estopread panelpanel settingsread panelpanel settingschange intrainnumberset-knobsnew-settings2021/8/568控制輸入順序圖:knobs:panel:formatter:Formatter operate 操作（狀態(tài)圖）空轉(zhuǎn)update-panel()send-command()panel-active()新火車編號其它2021/8/569Form