嵌入式系统分析与设计(完整版)

– 普及应用的成本因素
嵌入式系统的特点
• 实时性和可靠性的要求
嵌入式系统的特点
• 操作系统可剪裁、轻量型、实时可靠、可 固化
嵌入式系统的特点
• 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法
嵌入式系统的应用
• 与通用计算机系统10:1的比率的应用
– 一部近年汽车：含3-50个微处理器，高档汽车 更多，BMW 7系轿车含67个微处理器。
• • • • 发动机控制系统ECU、传动控制系统TCU ABS、VSC、ESP ACC、APS… 车载电子设备：娱乐系统、GPS导航系统…
– 高端的液晶电视机含有若干个微处理器 – 物联网上的微处理器
发展和趋势
• 更高的集成度
– SoC(System On Chip) – 将具有更好系统管理功能的MCU与更强媒体处 理能力的DSP结合为单芯片
• DSP
嵌入式系统的发展
• DSP
– 数字信号处理器 – 与CPU(MCU)相比：
• 有更多的硬件运算单元
– 乘除法、矩阵
• 数字运算速度快 • 存储和外设管理相对简单
– 适合数字滤波器和媒体编解码算法的运算
• 音频、视频处理 • 智能仪表 • 调制解调器
嵌入式系统的发展
• 低功耗32位微处理器的产生
– 用于航天和航空器的自动控制设备
• 飞行器仪表 • 飞行器控制系统
嵌入式系统的发展
• 2。微处理器的产生促进了嵌入式系统的发展
– 8位微处理器的产生 – i8080/Z80处理器的产生推动了嵌入式系统的发展
• 1980-1990年，在总共生产的数10亿片的8位处理器中， 多数应用于嵌入式系统
– 主要用于：
嵌入式系统的定义
• 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导 体技术和电子技术与各个行业的具体应用 相结合后的产物。
通用计算机系统与嵌入式系统的比较
特征 形式和类型 • • 通用计算机 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和 结构规模等因素分为大、中 、小型机和微机。 • • 嵌入式系统 看不见的计算机。 形式多样，应用领域广 泛，按应用来分。
嵌入式系统的特点
• 形式多样、面向特定应用
– 硬件和软件都必须高效率地设计，避免冗余 – 低功耗的需求 – 低成本 – 高可靠
– 软件的一体化(OS&APP)
嵌入式系统的特点
• 多种类型的处理器和处理器体系结构
– MCU&DSP – MCU:
• ARM • MIPS • PowerPC •…
嵌入式系统的特点
– 发展历程、特点、应用领域 – 发展趋势
• 嵌入式系统的开发
• 硬件 • 软件
1-1 概述
• 无所不在的计算
• 后PC时代
– 互联网络 – 嵌入式互联（物联网）
嵌入式系统的定义
• 嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统 • 嵌入式系统
– 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。
– 8位处理器、需要写程序进去的产品
嵌入式系统的发展
• 单片机
– 又称微控制器(Microcontroller)(MCU) – 将嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、 A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM通 通集成到一个VLSI中, 制造出面向I/O设计的微 控制器，就是我们俗称的单片机。
SoC的片内外设
系统的片外设备
处理器（Processor） 芯片（SoC） 系统（System）
发展和趋势
• 更低功耗
– 微处理器的功耗指标：
• uA/Mhz • 等待功耗
– 传感器应用
发展和趋势
– 普遍的网络支持：
• 网络接口
– 以太网 – WiFi – WSN
• 网络协议栈
– – – – TCP/IP HTTP TFTP Zigbee
• 工业控制 • 仪器仪表 • 军事武器
嵌入式系统的发展
• 微处理器构成的嵌入式系统（以家电为例）
– 4位、8位、16位、32位处理器
• 简单的冰箱、洗衣机、微波炉、电视机（CRT电视）
– 80-90年代的发达国家的高端家电=2010年的家电下乡产品 – 4位处理器固化的专用嵌入式芯片
• 除了媒体播放器和LCD电视机以外的量产的智能家 电
• 共享同一体系结构，因此具有完整的应用 兼容性， • 支持传统的 ARM、Thumb® 指令集和新增 的高性能紧凑型 Thumb-2 指令集。
ARM处理器概述
Cortex-R 系列 • Cortex-R
– 快速 - 以高时钟频率获得高处理性能。 – 确定性 - 处理在所有场合都必须符合硬实时限 制。 – 安全 - 系统必须可靠且可信。某些系统将是安 全关键系统。 – 成本效益 - 在处理器及其内存系统中都具有竞 争力的成本和功耗。
• ARM
– 一种商标 – 一种处理器内核IP – 一家设计公司
• ARM IP系列
• ARM 是 32 位嵌入式微处理器的行业领先提供商，已推出各种各样基于通用架构 的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。 与业界最广泛的体系（拥有超过 750 个可提供芯片、工具和软件的合作伙伴）相 结合，已推出的一系列 20 多种处理器可以解决所有应用难题。 迄今为止，ARM 已生产超过 200 亿个处理器，是真正意义上的 The Architecture for the Digital World®（数字世界的架构）。
系列
处理器
说明
Cortex 替代 产品
ARM9
ARM7
面积最小、功耗最低的 ARM9 处理器是众 多实时类型应用的理想之选。通过可轻松 ARM968E-S Cortex-R4 从标准接口集成的紧密耦合内存，该处理 器可高效工作。 包含可选高速缓存接口以及完整的内存保 护单元的实时处理器。对于大部分代码位 于主存储器中的应用，该处理器非常有用， ARM946E-S Cortex-R4 它按需加载到高速缓存中，同时关键的异 常处理代码和数据仍本地保留在紧密耦合 内存中。 ARM926EJ-S 是入门级处理器，可支持完 全版操作系统，包括 Linux、Windows CE ARM926EJ-S Cortex-A5 和 Symbian。因此，该处理器是众多需要 完整图形用户界面的应用的理想之选。 该处理器是出色的重负荷处理器，适用于 Cortex-M3 ARM7TDMI-S 众多应用领域。该处理器通常用于手机， Cortex-M0 现在广泛用于移动和非移动应用领域。
二次开发性
•
应用程序可重新编制
•
嵌入式系统的组成
• 微处理器
• 外围接口设备 • 操作系统
– 多任务 – 实时操作系统
• 应用软件
– 应用特定的软件系统
嵌入式系统的发展
• 1。早期的计算机控制系统
– 1960年代的先进自动化控制系统
• PDP11控制的石油化工生产线 • 以小型计算机系统为核心 • 以多种仪表和控制接口组成的数字控制系统
• 处理器核心 • MCU集成接口
– 通用的嵌入式系统硬件的构成和接口技术
• 存储 • 网络 • 人机交互
– 相关接口的技术背景 – DataSheet的读法
• 参考资料：
– ARM公司官方站点： – ARM7TDMI-S(Rev 4)技术参考手册
ARM处理器概述
• 应用包括
ARM处理器概述
Cortex-R 系列
• 应用包括
ARM处理器概述
Cortex-M 系列
• Cortex-M
– Cortex-M 系列针对成本和功耗敏感的 MCU 和 终端应用:
• 智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、 大型家用电器、消费性产品和医疗器械
•
ARM处理器概述
• ARM 经典处理器
– ARM11、ARM9™ 和 ARM7™ 处理器系 列。 – 在全球范围内仍被广泛授权， – 应用领域高性价比的解决方案。
• 经典处理器的列表
系列
ARM11
Cortex 替代 产品 该处理器率先采用了多核技术，应用场合 Cortex-A9 ARM11MPCore 包括手机、导航设备以及智能本应用。 Cortex-A5 ARM1176JZ(F)-S 是经典 ARM 系列中的最 高性能单核处理器，它引入了 Cortex-A9 ARM1176JZ(F)TrustZone® 技术，主流品牌的手机、机 Cortex-A8 S 顶盒、数字电视、高端相框和其他众多应 Cortex-A5 用领域。 ARM1156T2(F)-S 是最高性能的实时经典 ARM1156T2(F)- ARM 处理器，Thumb®-2 指令集体系结构。 Cortex-R4 S 该处理器可以用于高性能确定性控制系统， 例如汽车、工业控制和机器人解决方案。 除扩展管道、频率和性能之外， ARM1136J(F)-S 在许多方面都与 ARM926EJ-S 相似。该处理器还引入了基 ARM1136J(F)-S Cortex-A5 本 SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据）指令来提高编解码 器性能，并提供可选浮点支持。 处理器 说明
组成
• 通用处理器、标准总线和外 设。 • 软件和硬件相对独立。
• 面向应用的嵌入式微处 理器，总线和外部接口 多集成在处理器内部。 • 软件与硬件是紧密集成 在一起的。
• 采用交叉开发方式，开 发平台一般是通用计算 机，运行 平台是嵌入式 系统。 一般不能再编程
开发方式
•
开发平台和运行平台都是通 用计算机
课程概述
• 课程实践：（分组自选+教师指导）