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第1章 概述30249.ppt

1、嵌入式系统应用,参考教材,1 嵌入式技术基础与实践 王宜怀 清华大学出版社2 嵌入式系统及其开发应用 沈连丰 电子工业出版社,考试,1 平时成绩 30%2 考试成绩 笔试 40%实验 30%,主要内容,第1章 概述 HC08/S08/RS08 CPU 第2章 通用I/O口及第一个工程 第3章 串行通信接口(SCI) 第4章 键盘 第5章 显示器,第一章 概述,主要内容 嵌入式系统的含义与发展历史 嵌入式系统常用术语 嵌入式系统开发方法导引 嵌入式系统的特点与学习建议,1.1 嵌入式系统的含义与发展历史,IEEE(国际电机工程师协会)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

2、装置” .目前国内普遍认同的定义是: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。,1.1 嵌入式系统的含义与发展历史,1.1.1 嵌入式系统与单片机(1)嵌入式系统的由来计算机产生:因科学家需要一个高速的计算工具而产生。计算机应用领域的发展:数字计算逻辑运算与推理信息处理 通信工业控制 家用电器嵌入式系统(Embedded System)含义:面向测控对象,嵌入到实际应用系统中,实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。,(2)单片机的含义,单片机(Microcontroller Unit,MCU)

3、是单片微型计算机的简称,也称之为微控制器或嵌入式计算机(Embedded computer),即在一块芯片上集成了中央处理单元(CPU)、存储器(RAM/ROM等)、定时器/计数器及多种输入输出(I/O)接口的比较完整的数字处理系统。,目前典型的MCU内部框图,嵌入式系统通常有4种:工控机;数字信号处理器DSP;嵌入式微处理器(Embedded Processor);嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller,即单片机,简称MCU),它是最典型的、最广泛的嵌入式系统。,(3)MCU与嵌入式系统的关系,嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以

4、上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较高。与计算机处理器不同的是,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。 其中ArmStrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器,属于中档的价位。,嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU),和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大

5、减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称微控制器。 由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。近来Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。,嵌入

6、式微控制器(Microcontroller Unit, MCU),DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求,其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

7、至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP),工业控制: 工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统 交通管理:车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面 信息家电:冰箱、空调等的网络化、智能化 家庭

8、智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统 ,远程点菜器 POS网络及电子商务 公共卡,公共电话卡,自动售货机 环境工程与自然: 水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。 机器人,主要应用领域,智能家居,1.4 嵌入式系统的特点与学习建议 1.4.1 嵌入式系统的特点,嵌入式系统最主要特点是软件与硬件的结合,只有充分认识这个特点,才能学好嵌入式系统。1嵌入式系统资源受限(内核小) 嵌入式系统通常专用于某一特定应用领域,其硬件资源不会像普通计算机一样丰富,MCU的处理能力也比不上通用CPU。2嵌入式系统开发需要专用工

9、具和特殊方法 嵌入式系统不像通用计算机那样有了计算机就可以进行应用开发。其芯片本身不具备开发功能,必须要有一套与该MCU相配套的开发工具和开发软件。开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。 3嵌入式系统要求较高可靠性和稳定性 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起,与产品关系密切,升级换代也是和具体产品同步进行。而应用于一些关键性产品的嵌入式系统要求具有很高的可靠性和稳定性。,4嵌入式系统有实时约束 嵌入式系统有比较严格的实时性要求,对于外部事件的发生要能够及时的响应。 5嵌入式系统通常极其关注成本 在大多数情况下,需要注意的成本是系统

10、成本。如果使用高集成度的微控制器,就能节省许多印刷电路板面积,并能使用功率更小的电源,从而节约相当多的成本。 6嵌入式系统大多要求低功耗 许多嵌入式系统往往工作时间比较长,但是又无法像通用计算机那样有充足的电源供应,低功耗方式就成为嵌入式系统解决这对矛盾的有效途径。 7嵌入式系统专用性很强 嵌入式系统通常是用在特定应用领域,如嵌入在手机、电冰箱、空调、各种机械设备、智能仪器仪表中起核心作用,功能是专用的。 8嵌入式系统技术含量高 嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。其产品技术含量高,涉及多种学科,不容易开发,因此也不容易形成技术垄断。 9嵌入式系统具有很长生命

11、周期 嵌入式系统比通用计算机系统生命周期长,升级换代比通用计算机慢。,1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器,1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCU F8,开创了MCU的初级阶段。1978年,Zilog公司推出Z8 MCU。1980年,Intel公司在MCS-48的基础上,推出了MCS-51,它使MCU的应用跃上了一个新台阶。Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器,在1979年开始生产MCU MC6801,在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系列。二十世纪九十年代是MCU制造业大发展时期,这个时期的Motorol

12、a、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等一批企业开发一批性能优越的MCU,极大地推动了MCU的应用。目前MCU正向大容量、高性能化;小容量、低价格化;外围电路内装化等几个方向快速发展,应用领域也不断地扩大。,1.1.2 MCU的发展简史,1.1.3 MCU在我国的应用与教学简况,二十世纪八十年代前后,单片机在我国开始应用,各理工科院校陆续开设了有关课程。在教学及应用上,Zilog 公司生产的Z80CPU成为我国工业控制的主流,以Z80为CPU组成的TP801单板机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。二十世纪八十年代末至九十年代初,我国的工业控制领域开始转向使用Inte

13、l公司生产的MCS-51。从1999年开始,Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列,已经对我国的单片机应用产生积极的影响。本书即以HC08系列单片机及HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。,1.2 嵌入式系统常用术语,1.2.1 与硬件相关的术语 封装:封住集成电路所用的塑料、金属或陶瓷包装。常用的封装形式可分为通孔封装和贴片封装两大类。通孔封装有:单列直插(SIP)、双列直插(DIP)、Z字型直插式 (ZIP)等。贴片封装主要有:小外形封装(SOP)、紧缩小外形封装(SSOP)、四方扁平封装(QFP)、薄方

14、封装(LQFP)等。 印刷电路板(PCB,Printed circuit board):印刷电路板是组装电子元件用的基板,是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。它的主要功能是提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑;实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接(信号传输)或电绝缘;为自动装配提供阻焊图形,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。,1.2.1 与硬件相关的术语,动态可读写随机存储器(DRAM,Dynamic Random Access Memory):静态可读写随机存储器(SRAM,Static Random Access Memory):只读存

15、储器(ROM,Read Only Memory):ROM有固定ROM、可编程ROM(PROM)和可擦除ROM(EPROM)三种。闪速存储器(Flash Memory):是一种快速的E2PROM。模拟信号:时间连续、数值也连续的物理量,如温度、压力、流量等。数字信号:是一种二值信号,用两个电平(来表示两个逻辑值)。,1.2.2 与通信相关的术语,并行通信:将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。数据的各位同时由源到达目的地。适合近距离、高速通信。常用有4位、8位、16位、32位等同时传输 串行通信:数据在单线上按时间先后一位一位地传送,其优点是节省传输线,但是数据传送速度较慢。在嵌入式系统中

16、,串行通信一词一般特指用串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)与RS232芯片连接的通信方式。I2C、USB等也是串行通信,但它们有专用名词。串行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)I2C(Inter Integrated Circuit):I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接MCU及其外围设备。,通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)控制器局域网(CAN,Control Area Network):它是一种全数字、全开放的现场总线控制网络。背景调试模式(B

17、DM,Background Debug Mode): 背景调试模式是Freescale半导体公司提出的一种调试接口,开创了片上集成调试资源的趋势。边界扫描测试协议(JTAG,Joint Test Action Group):该协议由国际联合测试行动组开发,提供一种串行扫描路径。JTAG能获取芯片寄存器等内容,或者测试遵守IEEE规范的器件之间引脚连接情况。,1.2.3 与功能模块相关的术语,普通输入/输出(GPIO,General Purpose I/O)A/D与D/A:A/D转换模块的功能是将电压信号转换为对应的数字信号。D/A转换则是将数字信号转换为电压信号。 脉冲宽度调制器(PWM,Pu

18、lse Width Modulator):PWM是一个D/A转换器,可以产生一个高电平和低电平之间重复交替的输出信号,这个信号就是PWM信号。看门狗(Watch Dog):为防止程序跑飞而设计的一种自动定时器。当程序跑飞时,由于无法正常执行清看门狗定时器,定时器会溢出使系统程序复位。 液晶显示(LCD,Liquid Crystal Dispaly)发光二极管(LED,Light Emitting Diode),中断:指中央处理器CPU正在处理某件事情的时候,外部发生了某一事件,请求CPU迅速去处理,CPU暂时中断当前的工作,转入处理所发生的事件,处理完后,再回到原来中断的地方,继续原来的工作,

19、这样的过程称为中断。 实时操作系统RTOS (Real Time Operating System):指的是一种操作环境,运行于嵌入式系统上,并在可预测的时间间隔内,程序能对特定的事件做出反应。 中断服务程序:响应特定中断而运行的一段程序。这段程序所在的地址称为中断向量。 C/OS-II:是一个可移植和可裁剪的抢占式多任务实时操作系统,并且开放源代码,在嵌入式系统中得到广泛的应用。 临界区(Critical Section):RTOS中使用的一个术语,它是指一段必须按次序执行的代码,并且不能被中断,否则程序有可能无法正常运行。,1.2.4 与嵌入式软件相关的术语,1.3 嵌入式系统开发方法导引,1.3.1 嵌入式产品的一般构成 一个以MCU为核心的比较复杂嵌入式产品或实际嵌入式应用系统,包含模拟量的输入、模拟量的输出,开关量的输入、开关量的输出及数据通信的部分。,嵌入式应用系统框图,1基本输入/输出分析 2MCU的选择 3选择评估系统并对与MCU相关的硬件进行初步评估 4设计并制作硬件系统 5进行硬件系统的模块测试 6软件系统设计 7系统测试 8进一步工作,1.3.2 嵌入式产品的一般开发方法,

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