物聯(lián)網(wǎng)系列專業(yè)課程之單片機(jī)與嵌入式概述

1、單片機(jī)與嵌入式中智訊（武漢）科技有限公司嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺(tái)臺(tái)嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式定定義EmbeddedSystems的定義無(wú)無(wú)論是學(xué)學(xué)界或者者業(yè)界，都有相相當(dāng)多種種說(shuō)法，應(yīng)用的的范疇更更是遠(yuǎn)超超出一般般人的想想象根據(jù)英國(guó)國(guó)電機(jī)工工程師協(xié)協(xié)會(huì)的定定義：嵌嵌入式系系統(tǒng)為控制、監(jiān)監(jiān)視或輔輔助設(shè)備備、機(jī)器器或甚至工工廠運(yùn)作作的裝置置它具備了了下列的的特性：設(shè)計(jì)的目目的，在在于執(zhí)行行特定的的功能以微電腦腦與周邊邊構(gòu)成核核心嚴(yán)格的時(shí)時(shí)序與穩(wěn)穩(wěn)定度要要求全自動(dòng)操操作循環(huán)環(huán)嵌入式系系統(tǒng)為一一種計(jì)算算機(jī)軟件件與硬件件的綜合合體，特特別強(qiáng)調(diào)調(diào)量身定做做的原則

2、則，基于于某一種種特殊用用途上，針對(duì)這這項(xiàng)用途途開發(fā)出出截然同的系系統(tǒng)，是是所謂的的客制化(Customized)系統(tǒng)。嵌入式定定義總結(jié)：嵌嵌入式系系統(tǒng)是以以應(yīng)用為為中心，計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)為為基礎(chǔ)，并且軟軟硬件可可裁剪，適用于于應(yīng)用系系統(tǒng)對(duì)功功能、可可靠性、成本、體積、功耗有有嚴(yán)格要要求的專用計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)。廣義定義義：任何何一個(gè)非非計(jì)算機(jī)機(jī)的計(jì)算算系統(tǒng)嵌入式組組成嵌入式系系統(tǒng)一般般由嵌入入式硬件件和軟件件組成嵌入式硬硬件：微處理機(jī)機(jī)(Microprocessor)/微控制器器(Microcontroller)內(nèi)存(Memory)特殊用途途之集成成電路芯芯片(ASIC)輸入與輸輸出(Input/O

3、utput,I/O)接口與輸輸入與輸輸出裝置置軟件包括括：初始始化代碼碼及驅(qū)動(dòng)動(dòng)、嵌入入式操作作系統(tǒng)和和應(yīng)用程程序等，這些軟軟件有機(jī)機(jī)地結(jié)合合在一起起，形成成系統(tǒng)特特定的一一體化軟軟件。硬件應(yīng)用程序序圖形用戶戶接口通用接口口D/A文件系統(tǒng)統(tǒng)嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)HAL/BSP嵌入式微處理器器軟件A/DI/OROMSDRAM人機(jī)交互互接口應(yīng)用層OS層驅(qū)動(dòng)層硬件層從傳統(tǒng)計(jì)計(jì)算機(jī)到到嵌入式式嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)：Linux,windowsCE,資源有限限實(shí)時(shí)要求求：時(shí)間間確定性性成本要求求功耗要求求開發(fā)主要要專用工工具和特特殊方法法桌面操作作系統(tǒng)：Windows XP/7/10專用微處處理器：51，AVR

4、，PIC，MSP，ARM，DSP外圍接口口電路：IIC、UART、SPI、USB、LCD、MMCX86處理器嵌入式與與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)ARMEmbedded SolutionIntelligent Hardware / IoTCortex-M SeriesApplication Platform / MobileCortex-A Series全新嵌入式架構(gòu)：ARM Cortex-A & Cortex-M 萬(wàn)物智能互聯(lián)全新嵌入式架構(gòu)：ARM Cortex-A & Cortex-M 雙平臺(tái)讓萬(wàn)物智能互聯(lián)嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺(tái)臺(tái)嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式平平臺(tái)分

5、類類嵌入式處處理器嵌入式片片上系統(tǒng)統(tǒng)SoC嵌入式DSP處理器DSP嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微處理器器MPU嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微控制器器一般以以一種微微處理器器的CPU為核心，芯片內(nèi)內(nèi)部集成成ROM/RAM/EPROM、FlashRAM、總線、總線邏邏輯、定定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗狗、I/O、串行口口、脈寬寬調(diào)制輸輸出、A/D、D/A等各種必必要功能能和外設(shè)設(shè)。嵌入式微微控制器器的典型型代表是是單片機(jī)機(jī)，常見見的是C51、AVR、MSP430、PIC、STM32（ARMCortex-M系列）等等。微控制器器的最大大特點(diǎn)是是單片化，體積小小，從而而使功耗和和成本下下降、可可靠性提

6、提高。微控制器器的片上外設(shè)設(shè)資源一般比較較豐富，適合應(yīng)用用于控制制領(lǐng)域。微控制器器是目前前嵌入式式系統(tǒng)工工業(yè)的主主流。常用MCU平臺(tái)比較較類別架構(gòu)總線主流型號(hào)開發(fā)環(huán)境說(shuō)明8051C518位AT89C51/STC89C51Keil簡(jiǎn)單，純IO，外設(shè)基本靠擴(kuò)展AVRRISC8位Atmega16aAVR Studio/IAR較高性能，外設(shè)豐富PICRISC8位PIC16F873MPLAB指令少，開發(fā)簡(jiǎn)單MSP430RISC16位MSP430F系列CCS/IAR較高性能，外設(shè)豐富STM32ARM32位STM32F系列Keil/IARARM Cortex架構(gòu)，主流MCU，高性能，可運(yùn)行微操作系統(tǒng)嵌入式微

7、微處理器器MPU嵌入式微微處理器器是由通通用計(jì)算算機(jī)中的的CPU演變而來(lái)來(lái)的。與計(jì)算機(jī)機(jī)處理器器不同，在實(shí)際際嵌入式式應(yīng)用中中，只保保留和嵌嵌入式應(yīng)應(yīng)用緊密密相關(guān)的的功能硬硬件，去去除其他他的冗余余功能部部分，這這樣就以以最低的的功耗和和資源實(shí)實(shí)現(xiàn)嵌入入式應(yīng)用用的特殊殊要求，主要特特點(diǎn)如下下：功耗低；處理器結(jié)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)擴(kuò)展；調(diào)試功能能豐富；支持實(shí)時(shí)時(shí)多任務(wù)務(wù)及操作作系統(tǒng)。目前主要要的嵌入入式處理理器類型型有ARMCortex-A系列、PowerPC、MIPS等。常見的MPU平臺(tái)及操操作系統(tǒng)統(tǒng)嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺(tái)臺(tái)嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式系系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8、計(jì)過程1234567第一階段段：產(chǎn)品品定義第三階段段：硬件件與軟件件劃分第五階段段：詳細(xì)細(xì)硬件設(shè)設(shè)計(jì)第二階段段：系統(tǒng)統(tǒng)建模第四階段段：迭代代設(shè)計(jì)與與選擇85第五階段段：詳細(xì)細(xì)軟件設(shè)設(shè)計(jì)第六階段段：硬件件與軟件件集成第七階段段：系統(tǒng)統(tǒng)測(cè)試第八階段段：系統(tǒng)統(tǒng)維護(hù)與與升級(jí)嵌入式硬硬件設(shè)計(jì)計(jì)嵌入式方方案選型型設(shè)計(jì)：性價(jià)比先進(jìn)性軟硬件資資料嵌入式硬硬件設(shè)計(jì)計(jì)流程：設(shè)計(jì)：方方案論證證-原理圖-Layout-樣板生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)試：硬硬件檢測(cè)測(cè)-軟硬件調(diào)調(diào)試生產(chǎn)：N次小批量量-批量嵌入式硬硬件功能能調(diào)試：電源、時(shí)時(shí)鐘復(fù)位、JTAG內(nèi)存、Flash總線、控控制器嵌入式軟軟件設(shè)計(jì)計(jì)宿主機(jī)仿真器評(píng)估板IDE開發(fā)環(huán)境境宿主

9、機(jī)開開發(fā)模式式PC、IDE開發(fā)環(huán)境境、仿真真器、評(píng)評(píng)估板、串口線線、網(wǎng)線線在線仿真真、Trace、LED、Printf查閱官方方例程掌握官方方軟件庫(kù)庫(kù)工具選型型掌握原理理圖閱讀數(shù)據(jù)據(jù)手冊(cè)嵌入式軟軟件設(shè)計(jì)計(jì)（Hal層）硬件層和和軟件層層之間為為中間層層，也稱稱為硬件件抽象層層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級(jí)級(jí)支持包包（BoardSupport Package，BSP）該層一般般包含相相關(guān)底層層硬件的的初始化化、數(shù)據(jù)據(jù)的輸入入/輸出操作作和硬件件設(shè)備的的配置等等功能HardwareIndependentSoftwareApplicationsI/OSystemFile

10、SystemRTOS LibrariesRTOS KernelTCP/IPStackHardwareAbstractionLayer:BSP &Device DriverSCSI DriverFlashDriverMMUDriverCacheDriverSerialDriverEthernetDriverDeviceDriverHardware嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺(tái)臺(tái)嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式最最小系統(tǒng)統(tǒng)與外設(shè)設(shè)MCU三軸加速速傳感器器溫濕度、超聲波波繼電器系統(tǒng)電源源模塊小車姿態(tài)態(tài)控制電機(jī)、可可調(diào)燈LCDRFID、指紋識(shí)識(shí)別語(yǔ)音識(shí)別別光線感應(yīng)應(yīng)煙霧

11、傳感感器霍爾磁感感應(yīng)雨滴傳感感器系統(tǒng)時(shí)鐘鐘多路ADCI2CGPIOUARTSPIDACPWM常用接口口技術(shù)數(shù)字量IOA/DPWM總線接口口顯示接口口數(shù)字量IO單片機(jī)接接口系統(tǒng)統(tǒng)：鍵盤輸入入、顯示示輸出、打印輸輸出、數(shù)數(shù)據(jù)采集集、伺服服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存存儲(chǔ)、數(shù)數(shù)據(jù)通信信等眾多功功能，皆皆通過I/O端口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)與MCU的信息交交互；某些特定定的傳感感器時(shí)序序需求，很多都都直接使使用數(shù)字字量IO來(lái)模擬接接入；復(fù)用性：部分IO可復(fù)用其其他功能能；驅(qū)動(dòng)能力力：不同同端口的的驅(qū)動(dòng)能能力不同同。A/DA/D轉(zhuǎn)換是把把模擬量量信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成與與其大小小成比例例的數(shù)字字信號(hào)；A/D的主要參參數(shù)（CC2530）：可選的抽

12、抽取率，這也設(shè)設(shè)置了分分辨率（7到12位）8個(gè)獨(dú)立的的輸入通通道，可可接受單單端或差差分信號(hào)號(hào)參考電壓壓可選為為內(nèi)部單單端、外外部單端端、外部部差分或或AVDD5產(chǎn)生中斷斷請(qǐng)求轉(zhuǎn)換結(jié)束束時(shí)的DMA觸發(fā)溫度傳感感器輸入入電池測(cè)量量功能PWM脈沖寬度度調(diào)制(PWM)，是英文文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈脈寬調(diào)制制，是利利用微處處理器的的數(shù)字輸輸出來(lái)對(duì)對(duì)模擬電電路進(jìn)行行控制的的一種非非常有效效的技術(shù)術(shù)，廣泛泛應(yīng)用在在從測(cè)量量、通信信到功率率控制與與變換的的許多領(lǐng)領(lǐng)域中。總線接口口-串口RS-232C總線是由由美國(guó)電電子工業(yè)業(yè)協(xié)會(huì)EIA于1969年修定的的一種串串行通信信

13、接口標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；一般稱為為UART，串口；UART模式的操操作具有有下列特特點(diǎn)：8位或者9位負(fù)載數(shù)數(shù)據(jù)奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)驗(yàn)或者無(wú)無(wú)奇偶校校驗(yàn)配置起始始位和停停止位電電平配置LSB或者M(jìn)SB首先傳送送獨(dú)立收發(fā)發(fā)中斷獨(dú)立收發(fā)發(fā)DMA觸發(fā)總線接口口- 485RS-485是一種2線，半雙雙工，多多點(diǎn)通信信的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)；RS-485的電氣特特性：邏邏輯“1”以兩線間間的電壓壓差為+(26)V表示；邏邏輯“0”以兩線間間的電壓壓差為-(26)V表示。接接口信號(hào)號(hào)電平比比RS-232-C降低了，就不易易損壞接接口電路路的芯片片，且且該電平平與TTL電平兼容容，可方方便與TTL電路連接接；RS-485的數(shù)據(jù)最最高傳輸輸速

14、率為為10Mbps；RS-485接口是采采用平衡衡驅(qū)動(dòng)器器和差分分接收器器的組合合，抗共模模干擾能能力增強(qiáng)強(qiáng)，即抗抗噪聲干干擾性好好；RS-485最大的通通信距離離約為1219m，最大傳傳輸速率率為10Mbps，傳輸速速率與傳傳輸距離離成反比比，在100Kb/S的傳輸速速率下，才可以以達(dá)到最最大的通通信距離離，如果果需傳輸輸更長(zhǎng)的的距離，需要加加485中繼器?？偩€接口口- IICI2C總線是PHILIPS公司推出出的一種種串行總總線。它它是具備備多主機(jī)機(jī)系統(tǒng)所所需的包包括總線線裁決和和高低速速設(shè)備同同步等功功能的高高性能串串行總線線，是一一種近年年來(lái)應(yīng)用用較多的的串行總總線；I2C串行總線線只

15、有兩兩根信號(hào)號(hào)線,一根是雙雙向的數(shù)數(shù)據(jù)線SDA,一根是時(shí)時(shí)鐘線SCL；I2C總線是多多主機(jī)總總線；I2C總線為雙雙向IO總線，通通過上拉拉電阻接接正電源源。總線接口口- SPISPI串行總線線是Motorola公司推出出的一種種串行總總線技術(shù)術(shù)；SPI串行總線線是一種種四線同同步串行行技術(shù)，數(shù)據(jù)通通信從器器件選擇擇或片選選(CSB)為低時(shí)有有效。全全雙工，串行數(shù)數(shù)據(jù)同時(shí)時(shí)輸入輸輸出，1.05Mbps的最大主主機(jī)數(shù)據(jù)據(jù)傳輸速速率，總總線競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)保護(hù)；SPI串行總線線包含四四個(gè)信號(hào)號(hào)線：串串行數(shù)據(jù)據(jù)輸入(MOSI)、串行數(shù)數(shù)據(jù)輸入入(MOSI)、串行數(shù)數(shù)據(jù)輸出出(MISO)、串行時(shí)時(shí)鐘信號(hào)號(hào)(SCK

16、)、串行片片選信號(hào)號(hào)線(SS)?？偩€接口口- CANCAN總線是控控制器局局域網(wǎng)絡(luò)絡(luò)(ControllerArea Network, CAN)的簡(jiǎn)稱，CAN總線是由由德國(guó)BOSCH公司提出出，目的的是為了了解決汽汽車內(nèi)部部硬件信信號(hào)線的的復(fù)雜走走線，是是國(guó)際上上應(yīng)用最最廣泛的的現(xiàn)場(chǎng)總總線之一一；CAN總線采用用差分信信號(hào)傳輸輸，有很很強(qiáng)的錯(cuò)錯(cuò)誤檢測(cè)測(cè)能力，通信距距離遠(yuǎn)，因此被被用到一一些特殊殊的場(chǎng)合合，比如如汽車，廠礦等等干擾較較強(qiáng)的地地方；CAN為多主方方式工作作，網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上任一一節(jié)均可可在任意意時(shí)刻主主動(dòng)向網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上其其他節(jié)點(diǎn)點(diǎn)發(fā)送信信息，不不分主從從；CAN節(jié)點(diǎn)只需需通過對(duì)對(duì)報(bào)文的的標(biāo)志符符

17、進(jìn)行濾濾波就可可以方便便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)對(duì)多點(diǎn)及及全局廣廣播等幾幾種傳送送接收方方式。顯示接口口嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺(tái)臺(tái)嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件Arduino -開源硬件件Arduino是一個(gè)開開放源碼碼電子原原型平臺(tái)臺(tái)，擁有有靈活、易用的的硬件和和軟件。Arduino基于單片片機(jī)/ARM微控制器器，可以以接收來(lái)來(lái)自各種種傳感器器的輸入入信號(hào)從從而做到到監(jiān)測(cè)環(huán)環(huán)境的效效果，并并通過控控制光源源，電機(jī)機(jī)以及其其他驅(qū)動(dòng)動(dòng)器來(lái)影影響其周周圍環(huán)境境Arduino的硬件原原理圖、電路圖圖、IDE軟件及核核心庫(kù)文文件都是是開源的的，在開開源協(xié)議范圍圍內(nèi)里可可

18、以任意意修改原原始設(shè)計(jì)計(jì)及相應(yīng)代碼碼。硬件低廉廉，軟件件免費(fèi)，入門簡(jiǎn)簡(jiǎn)單全球最流流行的開開源硬件件Arduino -開發(fā)環(huán)境境Arduino各種衍生生版本Arduino周邊外設(shè)設(shè)及作品品展示RaspberryPi（樹莓派派）-卡片電腦腦樹莓派由由英國(guó)的的慈善組組織“RaspberryPi基金會(huì)”開發(fā)，剛開始始為了學(xué)學(xué)生編程程而設(shè)計(jì)計(jì)。2012年3月，英國(guó)國(guó)劍橋大大學(xué)埃本本阿普頓（Eben Epton）正式發(fā)發(fā)售世界界上最小小的臺(tái)式式機(jī)，又又稱卡片片式電腦腦，外形形只有信信用卡大大小，卻卻具有電電腦的所所有基本本功能，這就是是RaspberryPi，中文譯譯名樹莓派。由于開源源和豐富富的外擴(kuò)擴(kuò)接

19、口而而吸引了了廣大的的學(xué)生和和玩家。RaspberryPi（樹莓派派）-卡片電腦腦RaspberryPi（樹莓派派）-操作系統(tǒng)統(tǒng)基于樹莓莓派的各各種項(xiàng)目目用樹莓派派打造一一個(gè)家庭庭影院把樹莓派派配置成成無(wú)線路路由器用樹莓派派搭建BT下載服務(wù)務(wù)器拿樹莓派派當(dāng)FTP文件服務(wù)務(wù)器在樹莓派派上搭建建代碼托托管服務(wù)務(wù)(SVN)用樹莓派派當(dāng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)收音機(jī)機(jī)播放FM電臺(tái)在樹莓派派上搭建建LNMP環(huán)境，作作為網(wǎng)站站服務(wù)器器基于Samba實(shí)現(xiàn)NAS系統(tǒng)（網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)儲(chǔ)中心）用樹莓派派實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)批量量自動(dòng)安安裝CentOS用樹莓派派建立家家庭媒體體中心在樹莓派派上搭建建LAMP服務(wù)在樹莓派派上獲取取美國(guó)天天氣預(yù)報(bào)報(bào)使用MarkdownOnRaspberryPi寫博客樹莓派制制作單雙雙休鬧鐘鐘用樹莓派派搭建Git私有服務(wù)務(wù)器用樹莓派派做VPN路由網(wǎng)關(guān)關(guān)樹莓派上上使用迅迅雷遠(yuǎn)程程下載樹莓派做做下載機(jī)機(jī)，Aria2！樹莓派下下搭建shadowsocks服務(wù)器空氣指數(shù)數(shù)之PM2.5顯示器（基于SAKS擴(kuò)