嵌入式微处理器系统及应用-Chapter4 SoC嵌入式微处理器系统.67页PPT
《嵌入式应用开发设计》课程教学大纲
《嵌入式应用开发设计》课程教学大纲课程名称：嵌入式应用开发设计英文名称：Design and Application Development of Embedded Systems课程编码：51610135学时/学分：46/2.5 ：课程性质：选修适用专业：计算机应用先修课程：计算机组成原理，计算机系统结构，操作系统原理，嵌入式操作系统，微型计算机原理及接口技术，单片机原理及应用。
一、课程的目的与任务本课程是一门涉及嵌入式计算机硬件、软件以及应用的综合性计算机课程。
本课程面向的学生主要是高年级本科生。
课程的目的是培养学生设计和实现嵌入式系统的能力。
本课程的任务是学习嵌入式计算机硬件软件构成，以及嵌入式系统的主流操作系统和软件开发技术。
本课程主要分为嵌入式体系结构、嵌入式操作系统、嵌入式软件开发。
嵌入式体系结构的教学主要围绕ARM体系结构进行，ARM体系结构在嵌入式领域占有相当大的比例，通过本课程的学习，使学生掌握ARM体系结构，ARM指令集、以及在ARM体系下的嵌入式编程。
二、教学内容及基本要求第一章嵌入式系统概述教学目的和要求：（1）主要介绍嵌入式系统的定义与基本概念，嵌入式系统的硬件/软件特点、嵌入式系统的类型及其发展过程；（2）嵌入式系统的基本设计过程与方法。
基本要求：介绍嵌入式系统的基本概念，硬件/软件特点，嵌入式系统的设计方发与过程。
教学难点和重点：嵌入式系统的特点；嵌入式系统硬件、软件的基本设计过程与方法。
教学方法和手段：课时安排：2学时第一节嵌入式系统简介1.1.1嵌入式系统的定义1.1.2发展历史1.1.3特点1.1.4实时性1.1.5市场1.1.6嵌入式系统组成第二节嵌入式处理器1.2.1嵌入式处理器分类1.2.2知识产权第三节嵌入式操作系统1.3.1嵌入式操作系统结构1.3.2嵌入式操作系统的有关基本概念1.3.3使用嵌入式操作系统的优缺点1.3.4嵌入式操作系统分类第四节嵌入式系统的典型应用1.4.1嵌入式系统的应用领域1.4.2嵌入式系统的应用实例第五节嵌入式系统的基本设计过程1.5.1嵌入式系统设计的主要步骤1.5.2需求分析与规格说明1.5.3体系结构设计1.5.4构件设计1.5.5系统调试与集成复习与作业要求：阅读教材的第一章，上网查阅对嵌入式系统的一般介绍。
微处理器与嵌入式系统
微处理器与嵌入式系统微处理器与嵌入式系统在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。
微处理器是现代电子设备中的核心部件，它具备高度集成、低功耗和高性能的特点。
而嵌入式系统是将微处理器与外部硬件、固件和软件相结合的系统，用于控制和执行特定任务。
本文将从微处理器的基本原理、嵌入式系统的设计和发展以及应用领域三个方面来探讨微处理器与嵌入式系统的关系和重要性。
一. 微处理器的基本原理微处理器是指将中央处理器（CPU）的主要功能集成在一个芯片上的电子器件。
它由运算器、控制器和寄存器组成，可以执行各种指令来完成计算和控制任务。
微处理器的基本原理是通过时钟发出的脉冲来调控内部电路的工作，将输入信号经过一系列的算术逻辑单元和存储单元的处理，最终得到输出结果。
微处理器的核心特性是高度集成，使得更多的功能可以被集成到一个芯片上，从而实现更小巧、高效的设计。
二. 嵌入式系统的设计和发展嵌入式系统是指将计算机技术应用于各种非计算机设备和应用领域的系统。
它的设计和发展与微处理器的发展密不可分。
随着微处理器的集成和性能的提升，嵌入式系统变得越来越小巧、高效。
嵌入式系统的设计从硬件和软件两个方面展开，硬件设计需要根据具体的应用需求选择合适的外部接口和外围设备，软件设计则需要根据应用进行特定的编程和调试。
三. 应用领域微处理器与嵌入式系统广泛应用于各个领域，以下列举几个常见的应用领域：1. 汽车电子：现代汽车内部集成了大量的嵌入式系统，包括引擎管理系统、车载娱乐系统等。
微处理器的高性能和可靠性保证了汽车的各项功能得以正常运行。
2. 智能家居：通过微处理器和各种传感器的联动，智能家居系统可以实现自动化控制、安全监控、能源管理等功能，提供更便捷、舒适、安全的居住环境。
3. 医疗设备：嵌入式系统在医疗设备中的应用越来越广泛，例如心脏起搏器、血糖仪等。
微处理器的高速计算和实时响应能力可以保证设备的准确性和稳定性。
4. 工业自动化：嵌入式系统在工业自动化中起着至关重要的作用，例如控制机器人的运动、监测生产线的状态等。
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。
嵌入式微处理器系统及应用-Chapter4 SoC嵌入式微处理器系统
4.2.1.3 MMU/MPU
• MMU是Memory Management Unit的简写，主 要用于对内存访问的控制和一些读写属性 的控制。通过MMU可以将物理内存地址映射 成系统所需要的逻辑地址，可以对内存区 域的读写进行保护，这样可以防止程序对 某些地址空间的非法访问。另外，还可以 控制内存区域的Cache和Buffer的属性。 MMU对CPU的实现来讲也是一个可选项，有 的CPU就没有MMU功能，例如：S3C3400A， PUC303XA，UPD65977等
4.2.1 处理器存储器子系统
• TCM（紧耦合内存）：TCM是一种快速的本地内存， 它对应了内存中特定的地址范围。 • MMU（内存管理单元）：能够控制内存的访问权限， 以及各内存区域的属性（是否可以被高速缓存、 是否能被缓冲），并提供虚拟地址到物理地址的 转换。 • MPU（内存保护单元）：比MMU的功能弱一些，能 够控制内存的访问权限，以及各内存区域的属性 （是否可以被高速缓存、是否能被缓冲），但不 提供虚拟地址到物理地址的转换。
4.1 SoC的概念
• 在SOC系统的设计中，大量可重复利用的IP是非常 重要的。 • ARM公司的RISC架构ARM Core、MIPS公司的 MIPS32/64 RISC Core、Freescale的PowerPC… 等，是目前市场上非常知名的嵌入式微处理器IP • 许多芯片设计厂商购买这些微处理器IP，再根据 目标处理器的类型、功能和市场（应用领域）的 定位，加上购买或自己设计的一些外设IP，就可 以快速地形成一个高度集成的SOC嵌入式微处理器。
– – – – 写缓冲（write buffer） 紧耦合内存（Tightly Coupled Memory） 内存管理/保护单元（MMU/MPU） 协处理器（coprocessor）
嵌入式系统原理及运用课程设计
摘要嵌入式系统开始于20世纪80年代单片机的使用。
嵌入式技术已经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。
本文论述了嵌入式系统概念、嵌入式处理器、嵌入操作系统和嵌入软件开发环境，解释了嵌入式系统组成中的各个部分。
嵌入式操作系统具有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中。
嵌入式系统设计带来了与传统系统设计全然不同的挑战。
嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。
广泛讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。
嵌入式系统可以通过各种无线形式和有线形式的网络连接方式实现它们之间的相互连接。
因此，在网络通信市场上极具生命力。
关键词嵌入式系统，嵌入式操作系统，μC/OS-ⅡABSTRACTThe Embedded system commenced with the use of SCM in 1980’s. The embedded technology has penetrated in every field. It’s inseparable with our daily life and it brings great convenience to people’s life and the industry.This paper discusses the concept of the embedded system, the embedded processor, the embedded operating system and the embedded software developing environment, explains the components of the embedded system.The embedded system has great compatibility. It can be used in MPU selected according to the application. The design of the embedded system brings the challenge witch is different with the traditional design.The embedded system has been an important component of the computer field. Universally speaking, all the private soft-hardware systems with MPU can be named with embedded system. The embedded systems can connect with each other through wireless and cable connecting way. Therefore, it is animate in the market of the communication networks.KEY WORDS Embedded system, Embedded operating system,μC/OS-Ⅱ目录第一章嵌入式系统概述 (1)1.1 嵌入式系统简介 (1)1.2 嵌入式系统的分类 (3)1.3 嵌入式系统设计的特点 (3)第二章嵌入式处理器 (5)2.1 嵌入式处理器简介 (5)2.2 常用嵌入式处理器 (6)第三章嵌入式操作系统 (7)3.1 嵌入式操作系统简介 (7)3.1.1 嵌入式操作系统的机制 (8)3.1.2 嵌入式操作系统的特点： (9)3.1.3 嵌入式操作系统的分类 (10)3.2 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统 (10)3.2.1 μC/OS-Ⅱ实时操作系统结构 (11)3.2.2 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的特点 (11)3.2.3 μC/OS-Ⅱ的移植 (13)第四章嵌入式系统编程语言 (15)4.1 嵌入式系统的高级语言特点 (15)4.2 嵌入式系统高级语言开发过程 (15)4.3 嵌入式系统编程与系统硬件 (17)4.3.1 存储器映射 (17)4.3.2 I/O映射 (18)结束语 (19)参考文献 (20)第一章嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统简介何谓嵌入式系统？根据英国电机工程师协会的定义所做的翻译，“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”。
嵌入式原理及应用
实时性和可靠性
确保嵌入式系统能够按时响应， 以及在不可预测的环境下保持 稳定运行。
嵌入式系统的通信技术
1
串口通信
通过串行接口传输数据，常用于与外设进行通信。
2
无线通信
利用无线技术如蓝牙、Wi-Fi、LoRa等实现远程控制和数据传输。
3
总线通信
使用总线协议如I2C、SPI、CAN等实现多个设备之间的通信。
嵌入式系统的数据处理
传感器数据处理
从传感器读取数据，并进行处 理、滤波、校准等操作。
算法运算
使用数学算法和数据结构对数 据进行处理、计算和决策。
图像处理
对图像进行分析、处理和识别， 如计算机视觉技术。
嵌入式系统在智能家居中的应用
1 智能家居安全系统
通过嵌入式系统实现智能门锁、监控摄像头等设备的远程控制和监控。
2 智能家电控制
利用嵌入式系统实现对电灯、窗帘、空调等家电的智能控制和自动化管理。
3 环境监测与调控
嵌入式系统可以实时监测室内温度、湿度、空气质量等参数，并自动调节环境。
嵌入式系统在智能交通中的应用
智能交通信号控制
利用嵌入式系统实现智能 交通信号灯的优化调度和 交通流控制。
车辆定位与导航
通过嵌入式GPS系统实时 监测车辆位置，并为驾驶 员提供导航和路况信息。
嵌入式原理及应用
嵌入式系统是现代科技领域中重要的一部分。本演示将介绍嵌入式系统的概 念、特点、设计和应用领域，以及其未来发展趋势。
嵌入式系统的分类
硬实时和软实时系统
区别于响应时间要求，硬实时和软实时系统 在嵌入式系统中都扮演着重要的角色。
嵌入式操作系统
用于控制硬件资源和提供软件开发环境的操 作系统，如Linux、RTOS等。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
微处理器的存储器系统
03
嵌入式系统设计
专用性
嵌入式系统通常针对特定的应用进行设计和优化。
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它被嵌入到设备中，以控制、监视或帮助操作该设备。
实时性
嵌入式系统需要能够在特定的时间内响应外部事件或执行特定任务。
指令集
指令中操作数的有效地址的确定方式。
寻址方式
指令在存储器中的表示方式。
指令格式
指令在二进制代码中的表示方式。
指令编码
微处理器的指令集体系结构
高速缓存（Cache）：用于存储经常访问的数据，提高数据访问速度。
主存储器（Main Memory）：用于存储程序和数据，是微处理器可以直接访问的存储器。
控制系统中的微处理器
微处理器具有运算速度快、集成度高、可编程性强等优点，能够提高控制系统的稳定性和可靠性。
微处理器在控制系统中的优势
微处理器在控制系统中的应用
通信系统中的微处理器微处理器 Nhomakorabea通信系统中主要用于信号处理、协议转换、数据加密等功能，保障通信的稳定性和安全性。
微处理器在通信系统中的优势
微处理器具有高速的数据处理能力和灵活的可编程性，能够满足通信系统的复杂需求。
硬件设计
根据系统设计，编写嵌入式系统的程序和固件。
软件设计
02
01
03
04
05
嵌入式系统的设计流程
04
微处理器在嵌入式系统中的应用
1
2
3
微处理器在控制系统中发挥着核心作用，通过接收输入信号，经过处理后输出控制信号，实现对被控对象的精确控制。
(完整版)嵌入式系统及其应用
(完整版)嵌入式系统及其应用-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN嵌入式系统及其应用1嵌入式系统的定义根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2 嵌入式系统的技术特点嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。
嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点。
（1）嵌入式处理器嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。
嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。
在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。
（2）微内核结构大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。
内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。
一些桌面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。
内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦（3）任务调度在嵌入式系统中，任务即线程。
大多数的嵌入式操作系统支持多任务。
多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间切换、调度。
每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。