第三章嵌入式系統(tǒng)工程與應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)工程與應(yīng)用第三章嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程第一節(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程當(dāng)我們滿懷憧憬與希望跨入二十一世紀(jì)大門的時候，計算機技術(shù)也開始進入一個被稱為后PC技術(shù)的時代。區(qū)別于PC機，我們將非PC的計算機應(yīng)用系統(tǒng)稱之為嵌入式系統(tǒng)（Embeddedsystem）。

嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程圖3-1嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用舉例一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)可以稱為后PC時代和后網(wǎng)絡(luò)時代的新秀。與傳統(tǒng)的通用計算機，數(shù)字產(chǎn)品相比，利用嵌入式技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品有其自己的特點：（1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。（2）嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。一、基于嵌入式技術(shù)產(chǎn)品的特點嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（3）嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件高度結(jié)合的產(chǎn)物。（4）為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。（5）因為嵌入式系統(tǒng)往往和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。（6）嵌入式系統(tǒng)是典型的計算機系統(tǒng)，更是計算機應(yīng)用系統(tǒng)。二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)的組成軟硬兼施，互利互惠，融為一體，成為產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下4個特點：二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程1、對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。2、具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。3、可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)的最高性能的嵌入式微處理器。4、嵌入式微處理器必須功耗很低二、嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程早在80年代，國際上就有一些IT組織、公司，開始進行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)，主要表現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的核心——嵌入式微處理器的研發(fā)。為了搶占這個無限廣闊的市場，各大硬件廠商競相推出產(chǎn)品，包括Intel，F(xiàn)reeScale，NXP，AMD等公司均不甘示弱，幾乎每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程單片機作為最典型的嵌入式處理器，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機以體積小、功能強、可靠性好、性能價格比高等特點，已成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進步和開發(fā)機電一體化和智能化測控產(chǎn)品的重要手段。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來配置生產(chǎn)。目前ARM在手持設(shè)備市場占有90以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費用。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程DSP（digitalsignalprocessor）是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的處理器。DSP實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。三、單片機、ARM、DSP、FPGA的技術(shù)特點和區(qū)別嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程FPGA是英文FieldProgrammableGateArray（現(xiàn)場可編程門陣列）的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，并非是一種處理器。用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（一）嵌入式系統(tǒng)高級語言編程特點隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴大和嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS（RealTimeOperatingSystem）的廣泛使用，高級語言編程已是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的必然趨勢。高級語言編程具有許多優(yōu)勢。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（1）通用性強。（2）容易編程。（3）容易閱讀。（4）可移植性好。（5）可維護性好。（6）直接支持中斷管理。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程（二）C/C++、Java與嵌入式系統(tǒng)在小型嵌入式系統(tǒng)中，通常只有一個微處理器，并且其主要工作往往不是計算，而是控制，應(yīng)選擇控制能力較強的語言。在大型嵌入式系統(tǒng)中，往往會有多個微處理器或計算機并行工作，構(gòu)成多機系統(tǒng)。它們中有些工作于真正的嵌入式模式，有的則為純粹的信息處理。此時，對系統(tǒng)的編程就變得相當(dāng)復(fù)雜，不同的任務(wù)可能會用不同的語言編程。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的語言種類很多，但僅有少數(shù)幾種語言得到了比較廣泛的應(yīng)用如C/C++和Java等。C語言是由DennisRichie于1972年在AT&Bell實驗室研究成功并投入使用的系統(tǒng)編程語言。C++是由Bjarne

Stroustrup

于1995年在Bell實驗室研制成功并投入使用的。Java語言是SunMicrosystems公司于1995年在Internet上發(fā)布的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。Java是網(wǎng)絡(luò)語言，而嵌入式系統(tǒng)則在功能、價格、體積、功耗、上市時間等方面有特殊要求。四、嵌入式系統(tǒng)高級編程語言嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程Java不僅是一門語言，更是一種思想。它將使軟件開發(fā)在設(shè)計風(fēng)格、設(shè)計方法、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計過程等方面發(fā)生根本性變化。它將成為軟件再實現(xiàn)的基礎(chǔ)，未來OS的核心，各種應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺和實現(xiàn)環(huán)境。但Java并不是萬能的，它有自己的應(yīng)用范圍，在網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、面向?qū)ο蟮膽?yīng)用、可視化操作、交互式應(yīng)用領(lǐng)域Java是優(yōu)秀的；但在實時控制領(lǐng)域，如火箭控制、傳感器控制、宇宙飛行器的方位控制等方面C或匯編語言依然是最佳選擇。五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程嵌入式系統(tǒng)工程是一門面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的綜合性系統(tǒng)工程，它涉及到嵌入式系統(tǒng)的通用技術(shù)和基本原理、嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方法等內(nèi)容。包括嵌入式系統(tǒng)的基本概念、開發(fā)原理及原則、軟件和硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的總體架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用技術(shù)及實例如表3-1所示。五、嵌入式系統(tǒng)工程及應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)嵌入式技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)工程在消費類電子產(chǎn)品中應(yīng)用，如AV產(chǎn)品在兵器和國防工業(yè)中應(yīng)用，如導(dǎo)彈技術(shù)在移動電話中應(yīng)用在安全系統(tǒng)中應(yīng)用，如智能監(jiān)控系統(tǒng)在智能家電中應(yīng)用在智能機器人中應(yīng)用在智能玩具中應(yīng)用在農(nóng)業(yè)技術(shù)中應(yīng)用在多媒體中應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)工程中應(yīng)用在車輛與交通工程中應(yīng)用在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如數(shù)控技術(shù)在智能金融器具中應(yīng)用在智能傳感器中應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用在智能儀器儀表中應(yīng)用在氣象預(yù)報中應(yīng)用在智能卡中應(yīng)用表3-1嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域單片機技術(shù)及應(yīng)用第二節(jié)一、單片機及應(yīng)用概述單片機技術(shù)及應(yīng)用一、單片機及應(yīng)用概述單片機技術(shù)及應(yīng)用二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉，這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機。一、單片機及應(yīng)用概述單片機技術(shù)及應(yīng)用單片機（Microcontrollor）是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的單片微型計算機。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。一、單片機及應(yīng)用概述單片機技術(shù)及應(yīng)用圖3-2單片機系統(tǒng)組成一、單片機及應(yīng)用概述單片機技術(shù)及應(yīng)用單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。單片機具有性能高、速度快、體積小、價格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強等突出優(yōu)點。單片機的設(shè)計目標(biāo)主要是增強“控制”能力，滿足實時控制(就是快速反應(yīng))方面的需要。因此，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨特之處，其最顯著的特點之一就是具有非常有效的控制功能。因此，單片機又常常被人稱為微控制器(MCU或μC)。單片機體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。二、典型單片機產(chǎn)品單片機技術(shù)及應(yīng)用二、典型單片機產(chǎn)品單片機技術(shù)及應(yīng)用當(dāng)今單片機產(chǎn)品琳瑯滿目，性能各異，但是8位內(nèi)核單片機仍占主要市場，比較流行的8位內(nèi)核單片機有基于MCS51及改進系列單片機，Atmel的AVR單片機、Microchip公司的PIC單片機和Motorola公司的68HC系列等。二、典型單片機產(chǎn)品單片機技術(shù)及應(yīng)用MOTOROLA是世界上最大的單片機廠商。其半導(dǎo)體部已經(jīng)分離出來，就是Freescale公司。MCS51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括眾多品種，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進行功能的增、減、改變而來的。INTEL公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，其中常用機型AT89C、AT89S系列是美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的片上Flash單片機。二、典型單片機產(chǎn)品單片機技術(shù)及應(yīng)用Microchip單片機是市場份額增長最塊的單片機。AVR是ATMEL于1997年由A及V先生共同研發(fā)的RISC單片機，AVR單片機吸取PIC及MCS51系列單片機的優(yōu)點，采用Harward結(jié)構(gòu)，工作于1MHz時性能高達1MIPS。二、典型單片機產(chǎn)品單片機技術(shù)及應(yīng)用16位嵌入式計算機具有較高性能的有FreeScale的DSP56800/E系列，凌陽的μ’nSPTM系列，Microchip公司的dsPIC30和dsPIC33系列，以及TI的TMS320系列DSP和MSP430系列單片機等。三、單片機發(fā)展趨勢單片機技術(shù)及應(yīng)用三、單片機發(fā)展趨勢單片機技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應(yīng)用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢。三、單片機發(fā)展趨勢單片機技術(shù)及應(yīng)用（一）低電壓與低功耗——CMOS化（二）高度集成——單片化（三）主流與多品種共存（四）生命周期長（五）8位、16位、32位單片機共同發(fā)展（六）單片機的速度越來越快（七）低噪聲與高可靠性技術(shù)（八）OTP與掩膜（九）MTP向OTP挑戰(zhàn)四、如何成為單片機開發(fā)高手單片機技術(shù)及應(yīng)用四、如何成為單片機開發(fā)高手單片機技術(shù)及應(yīng)用單片機應(yīng)用技術(shù)是實踐性很強的一門技術(shù)，有人說“單片機是玩出來的”，只有多“玩”，也就是多練習(xí)、多實際操作，才能真正掌握它。在沒有學(xué)會單片機之前應(yīng)該只去研究一種單片機，不要觀望，防止徘徊不前，一事無成。堅定信念后：四、如何成為單片機開發(fā)高手單片機技術(shù)及應(yīng)用首先，掌握單片機的應(yīng)用開發(fā)需要一個過程。其次，單片機的開發(fā)應(yīng)用還涉及到硬件擴展接口和各類傳感器，更重要的是必須盡可能地了解各學(xué)科中適應(yīng)單片機完成的控制項目以及控制過程。再次，學(xué)習(xí)單片機的C語言編程，是成為單片機高手的必經(jīng)之路。還有，軟件的開發(fā)是建立在硬件之上，軟硬件設(shè)計的巧妙結(jié)合是項目開發(fā)質(zhì)量保證的關(guān)鍵。最后，請不要做浮躁的單片機工程師。DSP技術(shù)及應(yīng)用第三節(jié)DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing，DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興交叉性前沿學(xué)科。數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來通信、計算機、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用（一）DSP系統(tǒng)構(gòu)成xa(t)

x(n)

y(n)

ya(t)前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號處理器D/A變換器模擬濾波器圖3-3典型的DSP系統(tǒng)一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣，然后進行A/D（AnalogtoDigital）變換將信號變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍。DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理，如進行一系列的乘累加操作（MAC）。（一）DSP系統(tǒng)構(gòu)成一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點：(1)接口方便(2)編程方便(3)穩(wěn)定性好(4)精度高(5)可重復(fù)性好(6)集成方便（二）DSP系統(tǒng)的特點一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法一般有以下幾種：(1)在通用的計算機（如PC機）上用軟件（如C語言）實現(xiàn)；(2)FPGA上實現(xiàn)；(3)用通用的單片機（如MCS-51、ARM系列等）實現(xiàn)；(4)用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)。第1種方法的缺點是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種方法存硬件實現(xiàn)，是數(shù)字信號處理實時應(yīng)用的最理想載體；第3種方法只適用于實現(xiàn)簡單的DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號處理的應(yīng)用打開了新的局面。（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程DSP算法設(shè)計軟硬結(jié)合實現(xiàn)方法設(shè)計硬件實現(xiàn)方法設(shè)計

實現(xiàn)

實現(xiàn)C語言硬件描述語言圖3-4DSP系統(tǒng)的設(shè)計流程一、DSP系統(tǒng)

DSP技術(shù)及應(yīng)用在設(shè)計DSP系統(tǒng)之前，首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運算序列、正式的符號或自然語言來描述。第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行高級語言的模擬。在完成第二步之后，接下來就可以設(shè)計實時DSP系統(tǒng)，實時DSP系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。DSP硬件和軟件設(shè)計完成后，就需要進行硬件和軟件的調(diào)試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運行。（三）DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用DSP型處理器概述，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：(1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；

(3)片內(nèi)具有快速

RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；

1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持；

(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；

(7)可以并行執(zhí)行多個操作；

(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。1.DSP型處理器概述二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用世界上第一個單片

DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的

S2811。1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。1980年，日本

NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用

DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。2.DSP處理器芯片的發(fā)展二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用2.DSP處理器芯片的發(fā)展表3-2TIDSP芯片發(fā)展比較表（典型值）年份

1982年

1992年

1999年

制造工藝

MIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz內(nèi)部RAM144字

1K字

32K字

內(nèi)部ROM1.5K字

4K字

16K字

價格

$150.00＄15.00$5.00~$25.00功耗

250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶體管數(shù)

50K500K

二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（1）按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。（2）按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。（3）按用途分3.DSP芯片的分類二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（1）DSP芯片的運算速度。1）指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位。2）MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間。3）FFT執(zhí)行時間：即運行一個N點FFT程序所需的時間。4）MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。5）MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作。6）MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。7）BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。4.DSP芯片的選擇二、DSP型處理器DSP技術(shù)及應(yīng)用（2）DSP芯片的價格（3）DSP芯片的硬件資源（4）DSP芯片的運算精度（5）DSP芯片的開發(fā)工具（6）DSP芯片的功耗（7）其他。除了上述因素外，選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。4.DSP芯片的選擇三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用DSP芯片的應(yīng)用主要有：(1)信號處理——如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等；(2)通信——如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、可視電話等；(3)語音——如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等；三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用(4)圖形/圖像——如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等；(5)軍事——如保密通信、雷達處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等；(6)儀器儀表——如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等；三、DSP技術(shù)應(yīng)用DSP技術(shù)及應(yīng)用(7)自動控制——如引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等；(8)醫(yī)療——如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護等；(9)家用電器——如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用單片機（MCU）和數(shù)字信號處理器（DSP）曾各自為營，但現(xiàn)在卻呈現(xiàn)出融合式的發(fā)展，為以最低成本完成各種消費類和工業(yè)類任務(wù)提供最佳解決方案?；旌闲彤a(chǎn)品的應(yīng)用可以分為不同的兩類，一類側(cè)重于DSP功能對完成主要任務(wù)極為重要的特殊應(yīng)用領(lǐng)域；第二類是為8位和16位單片機用戶提供向上發(fā)展途徑的通用應(yīng)用領(lǐng)域。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用MicrochipTechnology公司的dsPIC30系列和dsPIC33系列是具有DSP指令的高性能單片機，均具有30MIPS的性能，并可以在工業(yè)溫度范圍和擴展的溫度范圍內(nèi)工作。TexasInstruments公司的TMS320系列中的C2000系列也是典型混合型產(chǎn)品。Freescale公司的56800系列混合處理器在業(yè)界也有很高的聲譽。四、DSP和MCU的深度融合DSP技術(shù)及應(yīng)用AnalogDevices公司同樣將其Blackfin處理器定在達到高水平的處理能力上，其最近推出的產(chǎn)品包括時鐘速率高達750MHz的雙內(nèi)核器件。多內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)是在同一塊芯片上支持DSP任務(wù)和控制任務(wù)的另一種方法。嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用第四節(jié)嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用計算機是由硬件和軟件組成的，缺了任何一樣都無法運行。操作系統(tǒng)是現(xiàn)代電腦必不可少的系統(tǒng)軟件，是計算機的靈魂所在。現(xiàn)代的計算機都是通過操作系統(tǒng)來解釋人們的命令，從而達到控制電腦的目的。操作系統(tǒng)的理論是計算機科學(xué)中一個古老而又活躍的分支，而操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)則是軟件工業(yè)的基礎(chǔ)與核心。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用操作系統(tǒng)(OperatingSystem)是用戶和計算機之間的界面。一方面操作系統(tǒng)管理著所有計算機系統(tǒng)資源，另一方面操作系統(tǒng)為用戶提供了一個抽象概念上的計算機。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制并協(xié)調(diào)并發(fā)活動，具有一般操作的基本功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理，同時它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式操作系統(tǒng)是以庫的形式提供給用戶，用戶可以通過操作系統(tǒng)的

API（ApplicationProgrammingInterface）使用嵌入式操作系統(tǒng)。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用1.嵌入式操作系統(tǒng)基本功能（1）任務(wù)調(diào)度——就是決定該輪到哪個任務(wù)運行了。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度的，每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級；（2）任務(wù)管理——建立任務(wù)、刪除任務(wù)、改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級、掛起和恢復(fù)任務(wù)，以及獲得有關(guān)任務(wù)的信息；一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）時間管理——用戶提供定時中斷，也叫時鐘節(jié)拍來實現(xiàn)延時與超時控制等功能；（4）任務(wù)間的通信與同步——在實際系統(tǒng)的應(yīng)用中有時需要任務(wù)間的或中斷服務(wù)與任務(wù)間的信息傳遞，這種信息傳遞被稱為任務(wù)間的通信；（5）內(nèi)存管理——嵌入式操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中包含有整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，在一個系統(tǒng)中可以有多個內(nèi)存分區(qū)，用戶的應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中得到不同大小的內(nèi)存塊。一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用2.嵌入式操作系統(tǒng)特點（1）可裁減性——操作系統(tǒng)可定制、可裁減，以有效減少操作系統(tǒng)所需的存儲空間；（2）高可靠性——可靠性主要有兩個方面含義。一是硬件本身要連續(xù)穩(wěn)定運行；二是系統(tǒng)檢查出故障后要有保持安全狀態(tài)的能力；一、嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）實時性——實時性指系統(tǒng)對響應(yīng)時間的嚴(yán)格要求，指能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，能對外部的異步事件做出快速正確的響應(yīng)；（4）多任務(wù)操作系統(tǒng)——嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計過程包括如何把問題分割成多個任務(wù)，多任務(wù)的操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然要求；（5）可移植性——針對不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，都可以把系統(tǒng)內(nèi)核移植到不同的嵌入式處理器中。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用1.VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用2.WindowsCEWindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。它是一個完整的可攜式操作系統(tǒng)，Microsoft打算以此為基礎(chǔ)，發(fā)展廣泛的商業(yè)與消費設(shè)備，包括新的無線通訊設(shè)備、DVD播放器、InternetTV、數(shù)字信息裝置盒及網(wǎng)絡(luò)電話等。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用3.嵌入式Linux這是嵌入式操作系統(tǒng)的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點，據(jù)IDG預(yù)測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50%。二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用4.μC/OS-II

μC/OS-II是著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于8位、16位和32位單片機或DSP。

它的主要特點如下：（1）公開源代碼，很容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；（2）可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；

二、幾種嵌入式操作系統(tǒng)比較嵌入式操作系統(tǒng)與電子設(shè)計應(yīng)用（3）可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少所需的存儲空間；（4）占先式，完全是占先式的實時內(nèi)核，即總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)；（5）多任務(wù)，可管理64個任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法；（6）可確定性，函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間具有其可確定性，不依賴于任務(wù)的多少；（7）實用性和可靠性，成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據(jù)。FPGA與SOC技術(shù)第五節(jié)一、引言FPGA與SOC技術(shù)一、引言FPGA與SOC技術(shù)集成電路的發(fā)展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進。隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)工藝技術(shù)的發(fā)展，器件特征尺寸越來越小，芯片規(guī)模越來越大，數(shù)百萬門級的電路可以集成在一個芯片上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數(shù)字電視芯片、DVD芯片等。一、引言FPGA與SOC技術(shù)SOC為各種應(yīng)用提供了一個新的實現(xiàn)技術(shù)。這種新的電子系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)促使工業(yè)界在近3年中發(fā)生了巨大的變化，為信息技術(shù)的應(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)，因此，完全可以稱之為SOC革命。同時，SOC也為單片機技術(shù)提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，使單片機應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。一、引言FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的重要特點之一，就是技術(shù)多樣性、智能多變性和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計性。SOC正是成為滿足現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的要求而產(chǎn)生的現(xiàn)代應(yīng)用電子技術(shù)。SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，是技術(shù)發(fā)展的必然，是IC產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)SOC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說來，SOC稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù)，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SOC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SOC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)OC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。SOC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面：其一是它的構(gòu)成，其二是它形成過程。二、SOC及其特點FPGA與SOC技術(shù)系統(tǒng)級芯片SOC是在單片上實現(xiàn)全電子系統(tǒng)的集成，具有以下幾個特點：（一）系統(tǒng)功能集成是SOC的核心技術(shù)（二）固件集成是SOC的基礎(chǔ)設(shè)計思想（三）嵌入式系統(tǒng)是SOC的基本結(jié)構(gòu)（四）IP是SOC的設(shè)計基礎(chǔ)（五）速度高、時序關(guān)系嚴(yán)密（六）采用超深亞微米(UDSM)、納米集成電路的設(shè)計理論和技術(shù)（七）外部可以對芯片進行編程三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)具體地說，SOC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)、SOC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、超深亞微米電路實現(xiàn)技術(shù)等，此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究，是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD(CompexProgrammableLogicDevice)和FPGA(FieldProgrammableGateArry)是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的兩類可編程專用集成電路（Application-SpecificIntegratedCircuit，ASIC）（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)由于結(jié)構(gòu)和工藝的改進，可編程ASIC芯片上包含的資源越來越豐富，可實現(xiàn)的功能越來越強，它們已成為當(dāng)今實現(xiàn)電子系統(tǒng)集成化的重要手段。Altera、Xilinx、Lattice、和Actel等公司是全球著名的可編程邏輯器件供應(yīng)商。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件，有很多共同特點，但由于CPLD和FPGA結(jié)構(gòu)上的差異，具有各自的特點，特比較如下：（1）CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA更適合于完成時序邏輯。（2）CPLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（3）在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。（4）FPGA的集成度比CPLD高，具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)。（5）CPLD比FPGA使用起來更方便。（6）CPLD的速度比FPGA快，并且具有較大的時間可預(yù)測性。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（7）在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或Flash存儲器編程，編程次數(shù)可達1萬次，優(yōu)點是系統(tǒng)斷電時編程信息也不丟失。（8）CPLD保密性好，F(xiàn)PGA需要外部配置，保密性差。（9）一般情況下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明顯。（一）CPLD與FPGA三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)SOC可采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)實現(xiàn)。開發(fā)新型SOC器件需要解決的幾個關(guān)鍵問題包括：新的設(shè)計工具、先進的工藝技術(shù)及半導(dǎo)體IP。盡管在技術(shù)上十分先進，基于ASIC的SOC產(chǎn)業(yè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，甚至?xí)虼穗y以完全發(fā)揮潛力，以下列舉其面臨的一些問題和挑戰(zhàn)：（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)（1）系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加（2）上市時間壓力更大（3）產(chǎn)品生命周期更短（4）多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)并存（5）可用于不同產(chǎn)品的設(shè)計靈活性較差（6）可重配置及現(xiàn)場升級性能缺乏。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)在，基于FPGA的SOC可以解決以前基于ASIC的SOC無法完成的任務(wù)和挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場升級、減少產(chǎn)品上市時間、滿足不斷出現(xiàn)和更新的標(biāo)準(zhǔn)要求。（二）FPGA與SOC三、FPGA與SOC設(shè)計FPGA與SOC技術(shù)基于FPGA的SOC設(shè)計可用于多種場合，其中從ASIC向FPGA轉(zhuǎn)型中受益最多的應(yīng)用包括：（1）通信及網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)及無線基礎(chǔ)設(shè)施。（2）數(shù)據(jù)處理：服務(wù)器及存儲設(shè)備。

（3）消費類電子產(chǎn)品：數(shù)字機頂盒、數(shù)字電視和個人攝像機。（二）FPGA與SOC四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)微處理器是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中的主流技術(shù)，特別是在工業(yè)和民用的獨立電子系統(tǒng)中，單片機起著系統(tǒng)核心的作用。由于單片機系統(tǒng)特有的固件特性，使單片機在SOC技術(shù)中占有重要的地位。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)（一）SOC中的嵌入式技術(shù)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)形成了常用的、獨特的嵌入式結(jié)構(gòu)。目前，單片機已經(jīng)成為CPU和其他輔助電路而形成的。單片機已經(jīng)成為IP庫中的重要成員，而其嵌入式結(jié)構(gòu)正是SOC的一種重要實現(xiàn)技術(shù)和方法。用SOC設(shè)計單片機系統(tǒng)嵌入式結(jié)構(gòu)，為設(shè)計者提供了現(xiàn)有技術(shù)所無法比擬的優(yōu)越條件。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)（二）SOC中單片機系統(tǒng)優(yōu)化目前在單片機應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分實際上并不能叫做單片機。因為許多應(yīng)用中需要形成單片機的外部系統(tǒng)總線。因此，單片機資源的充分利用和避免形成外部總線，往往是單片機應(yīng)用設(shè)計的主要追求目標(biāo)。換句話說，優(yōu)化問題是單片機應(yīng)用中的一個重要問題。四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)圖3-6不同單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法框圖四、SOC技術(shù)與處理器技術(shù)深度融合FPGA與SOC技術(shù)概括地說，SOC使單片機應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，這個變化就是應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，從選擇廠家提供的定制產(chǎn)品時代進入了用戶自行開發(fā)設(shè)計器件的時代。這標(biāo)志著單片機應(yīng)用的歷史性變化，一個全新的單片機應(yīng)用時代已經(jīng)到來。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，使用硬件語言設(shè)計CPLD/FPGA成為一種趨勢。硬件描述語言（HarewareDescribeLanguage，HDL）是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。目前，這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進行設(shè)計。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)現(xiàn)在，隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)，軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計變得越來越重要。硬件描述語言為適應(yīng)新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、CynlibC++等等。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、CynlibC++、CLevel等等。雖然各種語言各有所長，但業(yè)界對到底使用哪一種語言進行設(shè)計，卻莫衷一是，難有定論。目前最主要的硬件描述語言是VHDL和VerilogHDL。而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設(shè)計流程中實現(xiàn)級和系統(tǒng)級都具有各自的用武之地。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設(shè)計項目，他們愿意選擇哪種方案?結(jié)果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和CLevel設(shè)計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)為Verilog辯護者認(rèn)為，開發(fā)一種新的設(shè)計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認(rèn)為，系統(tǒng)級芯片SOC快速增長的復(fù)雜性需要新的設(shè)計方法；C語言的贊揚者認(rèn)為，Verilog是硬件設(shè)計的匯編語言，而編程的標(biāo)準(zhǔn)很快就會是高級語言，CynlibC++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Superlog的捍衛(wèi)者認(rèn)為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設(shè)計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進化，而不是一場革命。五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)1.VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）早在1980年，因為美國軍事工業(yè)需要描述電子系統(tǒng)的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發(fā)。1987年，由IEEE（InstituteofElectricalandElectro-nicsEngineers）將VHDL制定為標(biāo)準(zhǔn)。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)2.VerilogHDLVerilogHDL是在1983年，由GDA（GateWayDesignAutomation）公司的PhilMoorby首創(chuàng)的。VHDL發(fā)展的較早，語法嚴(yán)格，而VerilogHDL是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語言，語法較自由。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)3.SystemC隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，SOC已經(jīng)成為當(dāng)今集成電路設(shè)計的發(fā)展方向。SystemC是由Synopsys公司和CoWare公司積極響應(yīng)目前各方對系統(tǒng)級設(shè)計語言的需求而合作開發(fā)的。（一）幾種代表性的HDL語言五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)1.了解HDL的可綜合性問題HDL有兩種用途：系統(tǒng)仿真和硬件實現(xiàn)。2.用硬件電路設(shè)計思想來編寫HDL學(xué)好HDL的關(guān)鍵是充分理解HDL語句和硬件電路的關(guān)系。3.語法掌握貴在精，不在多30%的基本HDL語句就可以完成95%以上的電路設(shè)計。（二）學(xué)習(xí)HDL的幾點重要提示五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)（1）文本編輯：用任何文本編輯器都可以進行，也可以用專用的HDL編輯環(huán)境。（2）功能仿真：將文件調(diào)入HDL仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確。（3）邏輯綜合：將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達式和信號的連接關(guān)系。（三）HDL開發(fā)流程五、硬件描述語言FPGA與SOC技術(shù)（4）布局布線：將.edf文件調(diào)入PLD廠家提供的軟件中進行布線，即把設(shè)計好的邏輯安放到PLD/FPGA內(nèi)。（5）時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗證電路的時序。（也叫后仿真）（6）編程下載：確認(rèn)仿真無誤后，將文件下載到芯片中。（三）HDL開發(fā)流程嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——

嵌入式系統(tǒng)與智能機器人第六節(jié)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人應(yīng)該說人類是最聰明、最有智慧的群體。但我們也應(yīng)看到人類存在的不足。我們的祖先就曾幻想過人類應(yīng)具有順風(fēng)耳和千里眼，可以聽世界上的一切聲音，可以看世界上的一切事物；可以有三頭六臂，甚至成為千手觀音；可以上天入地，力大無比。如今，機器人幫助人類實現(xiàn)了很多夢想，但是，機器人的本領(lǐng)不會超過人類，因為機器人是人類發(fā)明、創(chuàng)造的，人類是機器人的主人。機器人是嵌入式應(yīng)用的典型應(yīng)用領(lǐng)域。一、什么是機器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人一、什么是機器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人實際意義上的機器人，應(yīng)該是“能自動工作的機器”。有的功能很簡單，有的功能就復(fù)雜得多。機器人通常具有3個基本特征。是不是機器人，只需看一看它是否具備以下3個特征：（1）身體：是一種物理狀態(tài)，具有一定的形態(tài)。（2）大腦：控制機器人的程序。（3）動作：任何機器人都有一定的動作表現(xiàn)。一、什么是機器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人在1967年日本召開的第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義：一個定義是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器?！绷硪粋€定義是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器。一、什么是機器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人1988年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人學(xué)是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象?！?987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機?！币弧⑹裁词菣C器人嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。”二、機器人的分類嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人二、機器人的分類關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人分類名稱說

明操作型機器人能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。程控型機器人按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教再現(xiàn)型機器人通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。適應(yīng)控制型機器人機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。學(xué)習(xí)控制型機器人機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。表3-3機器人的分類三、機器人對外界信息的感知嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人三、機器人對外界信息的感知所有的機器人都裝有傳感器，用于為機器人提供輸入。一些傳感器很像我們?nèi)祟惖母杏X器官，能夠“看到”或“感覺到”外界環(huán)境的變化。一個機器人的控制程序主要取決于以下幾種因素：（1）使用的傳感器類型和數(shù)量。（2）傳感器的安裝位置。（3）可能的外部激勵。（4）需達到的活動效果。（5）可編程積木式。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人三、機器人對外界信息的感知通常，機器人只能簡單地“做”我們談?wù)摍C器人的“動作”時，就知道人類是怎么理解機器人這一概念的。簡單地說，機器人的“動作”就是：“機器人做什么”。機器人通常是用來完成需要人自己來做的一些工作。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人三、機器人對外界信息的感知機器人必須有“手”，這樣它才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”動作?！笆帧辈粌H是一個執(zhí)行命令的機構(gòu)，它還應(yīng)該具有識別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”?，F(xiàn)在，機器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指、腕、肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如地伸縮擺動，手腕也會轉(zhuǎn)動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西的重量，可以說已經(jīng)具備了人手的許多功能。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人（一）機器人的手三、機器人對外界信息的感知人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取的，能否造出“人工眼”讓機器也能像人那樣識文斷字和看東西，這是智能自動化的重要課題。關(guān)于機器識別的理論、方法和技術(shù)，稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程。機器識別系統(tǒng)與人的視覺系統(tǒng)類似，由信息獲取、信息處理與特征抽取以及判決分類等部分組成。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人（二）機器人的眼睛三、機器人對外界信息的感知1.機器認(rèn)字2.機器識圖3.機器識別物體嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人（二）機器人的眼睛三、機器人對外界信息的感知機器人的鼻子也就是用氣體自動分析儀做成的?，F(xiàn)在利用各種原理制成的氣體自動分析儀已經(jīng)有很多種類，廣泛應(yīng)用于檢測毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監(jiān)察環(huán)境等方面。這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現(xiàn)象有關(guān)，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計算機組合起來，就可以做成機器人的嗅覺系統(tǒng)了。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)舉例 ——嵌入式系統(tǒng)與智能機器人（三）機器人的鼻子三、機器人對外界信息的感知機器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機來做的。被送到太空去的遙控機器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機。用一種叫做鈦酸鋇的壓電材料做成的“耳朵”比人的耳