嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程 課件 第1章 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)概述及項(xiàng)目分析

嵌入式設(shè)計(jì)與開發(fā)潘可賢QQ：55037984辦公室：明德318A課程目的理論與實(shí)踐相結(jié)合，使大家既能對(duì)嵌入式系統(tǒng)及開發(fā)有一個(gè)全景的把握，又能為深入理解嵌入式系統(tǒng)打下一定的基礎(chǔ)。了解嵌入式系統(tǒng)前沿發(fā)展趨勢(shì)，了解嵌入式技術(shù)研發(fā)的基本概念、方法和知識(shí)，獲得嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。課程的主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)分類、發(fā)展歷程、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、組成、發(fā)展趨勢(shì)。嵌入式軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)

了解嵌入式軟件的體系，了解嵌入式操作系統(tǒng)LINUX內(nèi)核、文件系統(tǒng),BOOTLOADER的概念，學(xué)會(huì)編寫，編譯，調(diào)試應(yīng)用程序，驅(qū)動(dòng)程序。課程的主要內(nèi)容ARM體系結(jié)構(gòu)

了解ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和特點(diǎn)，內(nèi)核分類和版本等內(nèi)容

。嵌入式微處理器平臺(tái)

了解ARM嵌入式處理器exynos4412的基本功能部件。實(shí)驗(yàn)參考資料嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社，田澤嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)，西安電子科技大學(xué)出版社，

夏靖波ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，清華大學(xué)出版社，杜春雷4412datasheet32位嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，機(jī)械工業(yè)出版社，張崙第1講

緒論嵌入式系統(tǒng)的定義IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)定義為：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants。嵌入式系統(tǒng)的定義

一個(gè)普遍被認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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。嵌入式系統(tǒng)的定義廣義：凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在完成較為單一的功能時(shí)具有簡(jiǎn)潔迅速的特點(diǎn)。但是由于沒有操作系統(tǒng)，管理系統(tǒng)硬件和軟件能力有限，特別是對(duì)于復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)。狹義：是指使用32位以上的嵌入式微處理器，具有嵌入式操作系統(tǒng)，完成特定功能的嵌入式系統(tǒng)。我們這里所說的嵌入式系統(tǒng)是指狹義上的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的演變單片機(jī)系統(tǒng)：自行編寫所有程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，有簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器＋嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、UCOS等＋GUI圖形界面；各種SoC+嵌入式操作系統(tǒng)+嵌入式Web設(shè)備server以及各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧＋GUI圖形界面＋無線模塊＝現(xiàn)代可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)通常是形式多樣、面向特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效，通常極其關(guān)注成本嵌入式系統(tǒng)是各學(xué)科結(jié)合的產(chǎn)物嵌入式系統(tǒng)得到多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)的支持嵌入式系統(tǒng)有實(shí)時(shí)性和可靠性的要求嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門工具和特殊方法通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)對(duì)比特征通用計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)形式和類型看得見的計(jì)算機(jī)。按其體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度和結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中、小型機(jī)和微機(jī)。看不見的計(jì)算機(jī)。形式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按應(yīng)用來分。組成通用處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線和外設(shè)。軟件和硬件相對(duì)獨(dú)立。集成度高：面向應(yīng)用的嵌入式微處理器，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。非標(biāo)準(zhǔn)化。外部接口復(fù)雜。軟件與硬件是緊密集成。開發(fā)方式開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)都是通用計(jì)算機(jī)采用交叉開發(fā)方式，開發(fā)平臺(tái)一般是通用計(jì)算機(jī)，運(yùn)行平臺(tái)是嵌入式系統(tǒng)。二次開發(fā)應(yīng)用程序可重新編制一般不能再編程嵌入式系統(tǒng)的組成外圍硬件嵌入式處理器操作系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境編譯下載和調(diào)試系統(tǒng)引導(dǎo)中間軟件硬件系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成實(shí)驗(yàn)板嵌入式處理器嵌入式處理器分類嵌入式微處理器

指計(jì)算機(jī)或嵌入式控制器的中央控制單元以及必要的功能邏輯電路，具有體積小、功耗低，成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要有PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器

俗稱單片機(jī)，一個(gè)微處理器和一些外圍設(shè)備共同集成封裝到一個(gè)電路。代表性的通用系列包括8051等，半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場(chǎng)份額。

嵌入式處理器分類SOC

一個(gè)處理器和其他外圍支持設(shè)備集成到一個(gè)芯片上，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)

。DSP

特別為了數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)的處理器，主要有數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面

。DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。硬件最小系統(tǒng)外圍硬件

外圍硬件是嵌入式系統(tǒng)處理器以外的硬件，它為系統(tǒng)提供了運(yùn)行條件和部分功能。

在運(yùn)行條件方面，最基礎(chǔ)的是時(shí)鐘和電源部件，它們不可能集成到處理器內(nèi)部，但它們對(duì)于處理器運(yùn)轉(zhuǎn)是必需的。他們與處理器、內(nèi)存構(gòu)成了硬件最小系統(tǒng)。

外圍硬件也將提供在系統(tǒng)中需要，但是微處理器內(nèi)部不具有的功能，主要分為存儲(chǔ)器設(shè)備、I/O設(shè)備和通信設(shè)備三大類。

處理器通過總線方式或GPIO方式擴(kuò)展外圍硬件。系統(tǒng)程序的下載嵌入式系統(tǒng)處理器ROM\FlashRAM電源時(shí)鐘(PC)主機(jī)JTAG下載燒寫調(diào)試串口／usb存儲(chǔ)器設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包括主存和外存。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在處理器可直接訪問的存儲(chǔ)空間即主存中。系統(tǒng)上電后在主存中的代碼直接運(yùn)行。主存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是速度快，一般采用ROM、EPROM、NorFlash、SRAM、DRAM、SDRAM等存儲(chǔ)器件。存儲(chǔ)器設(shè)備目前有些嵌入式系統(tǒng)除了主存外，還有外存。外存是處理器不能直接訪問的存儲(chǔ)器，用來存放各種信息，相對(duì)主存而言具有價(jià)格低、容量大的特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)中,外存的主要種類有NandFlash、SD卡、T-Flash卡、CompactFlash、SmartMedia、MemoryStick、MultiMediaCard、硬盤、eMMC等。

存儲(chǔ)器設(shè)備芯片種類讀寫方式擴(kuò)展方式功能和特點(diǎn)價(jià)格SRAM線性讀、寫地址數(shù)據(jù)總線運(yùn)行代碼可讀寫數(shù)據(jù)速度很快貴SDRAM線性讀、寫特殊內(nèi)存控制器的支持運(yùn)行代碼可讀寫數(shù)據(jù)便宜NORFLASH線性讀寫需要根據(jù)時(shí)序地址數(shù)據(jù)總線固化代碼和數(shù)據(jù)運(yùn)行代碼較貴NANDFLASH根據(jù)時(shí)序讀寫GPIO或者普通總線方式大規(guī)模可讀寫數(shù)據(jù)不能線性訪問便宜I/O設(shè)備鍵盤、LCD、觸摸屏、SPEAKER、MIC、攝像頭、各種傳感器等設(shè)備，完成與外界交互的數(shù)據(jù)的輸入輸出。

通信設(shè)備串口、藍(lán)牙、紅外、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、USB設(shè)備等。USBDEVICEUSBHOSTUSBOTGUSB設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：提供和通用計(jì)算機(jī)類似的網(wǎng)絡(luò)功能。嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：以嵌入式處理器為核心，

集成度高嵌入式操作系統(tǒng)

運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)和硬件配合密切。

具有微型化、可剪裁、實(shí)時(shí)性、高可靠性、易移植性等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)程管理進(jìn)程間通信中斷處理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件系統(tǒng)……操作系統(tǒng)單任務(wù)操作系統(tǒng)DOS分時(shí)操作系統(tǒng)桌面系統(tǒng)WindowsLinuxUnix實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS軟實(shí)時(shí)OS硬實(shí)時(shí)OS嵌入式LINUXWinceiOSRT-LINUXU/COSIIVxWORKSMac

OS流行的操作系統(tǒng)嵌入式開發(fā)分類硬件開發(fā)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)LINUX開發(fā)WINCE開發(fā)軟件開發(fā)應(yīng)用程序圖形界面驅(qū)動(dòng)開發(fā)必備基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)操作能力操作系統(tǒng)原理單片機(jī)基礎(chǔ)C語言基礎(chǔ)獨(dú)立解決問題能力硬件基礎(chǔ)開發(fā)需要專門工具和特殊方法由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，一般不具備自主開發(fā)能力，產(chǎn)品發(fā)布后用戶通常也不能對(duì)其中的軟件進(jìn)行修改，必須有一套專門的開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境包括專門的開發(fā)工具（包括設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、測(cè)試等工具），采用交叉開發(fā)的方式進(jìn)行，交叉開發(fā)環(huán)境如圖所示。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)以信息家電、移動(dòng)終端、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，提出新的挑戰(zhàn)：支持日趨增長的功能密度靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接輕便的移動(dòng)應(yīng)用多媒體的信息處理、低功耗、人機(jī)界面友好互動(dòng)支持二次開發(fā)和動(dòng)態(tài)升級(jí)等嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)面向應(yīng)用領(lǐng)域的、高度集成的、以32位嵌入式微處理器為核心的SOC（SystemOnChip）將成為應(yīng)用主流SoC給系統(tǒng)帶來高性能之外更多更重要的好處穩(wěn)定性、體積、散熱、功耗···

處理器外設(shè)存儲(chǔ)器I/O“Systemonboard”“Systemonchip”USB以太網(wǎng)memory嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)需要強(qiáng)大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

嵌入式操作系統(tǒng)將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，不斷采用先進(jìn)的操作系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的需求向:可適應(yīng)不同的嵌入式硬件平臺(tái)具有可移植、可伸縮、功能強(qiáng)大、可配置、良好的實(shí)時(shí)性、可靠性、高可用方向發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)嵌入式開發(fā)工具支持多種硬件平臺(tái)覆蓋嵌入式軟件開發(fā)過程各個(gè)階段高效高度集成的工具集方向發(fā)展RequirementAnalysisSoftwareDesignCodingTestRelease嵌入式軟件開發(fā)基本過程嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)，驅(qū)動(dòng)了大量新的應(yīng)用針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入系統(tǒng)必需配有通信接口，需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持。針對(duì)內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)要求，新一代嵌入式系統(tǒng)還需具備IEEE1