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嵌入式系统原理及接口技术_1.pdf

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嵌入式系统原理及接口技术_1 课程内容 1.绪论 2. ARM9体系结构 3. ARM9汇编语言 4. 4. 存储系统机制及存储器接口 Conclusion 5. 中断机制 6. GPIO端口 7. 3.定时部件 Challenges Forward 8. 通信网络接口 9. 人机接口技术 10. 嵌入式系统设计方法 1 绪论 •嵌入式系统的定义: 第一种定义是传统的定义形式,它把嵌入 式系统定义为:嵌入在其他设备中,起智能 控制作用的专用计算机系统。 第二种定义是目前比较流行 的定义形式,它把嵌入式系统定 义为:以应用为中心,以计算机 技术为基础,并且软硬件可裁剪, 软件固化的专用计算机系统。 •嵌入式系统的特征: (1)嵌入式系统与应用目标结合紧密,硬件组 (或称硬件裁剪)。 件需要定制 (2)嵌入式系统的软件组件也需要定制(或称 为软件裁剪)。 (3)嵌入式系统的所有软件组件均需要存储在 非易失存储芯片中,把运行代码写入非易失存储 芯片中的过程叫做“软件固化” (4)嵌入式系统相对于通用个人电脑来说,其硬 件、软件资源受限。 • 嵌入式系统的设计、开发方法与通用个人电脑的应用系统开发方法 相比较,也有以下几点不同: (1)需要软硬一体的设计理念。 在嵌入式系统设计阶段,设计者需要根据应用功能需求,结合成本、体积、 功耗等非功能性需求,综合考虑哪部分功能由硬件完成,哪部分功能由软件完 成,并在开发实施阶段,能根据硬件结构的具体情况,设计适应于该硬件结构 的软件。 (2)需要系统软件与应用软件融合设计。 系统软件通常是指管理及控制系统资源的那部分软件,而应用软件指的就 是具体完成用户功能的那部分软件。 (3)需要建立交叉开发环境。 宿主机 (PC机) 通信信道 目标机 嵌入式系统发展概况 *早在20世纪70年代初,随着微处理器的诞生,个人计算时代的到 来,就出现了嵌入式系统,只是那时的嵌入式系统,其应用领域主 要局限在工业控制和一些智能仪器仪表中。 *但是到了21世纪初,随着普适计算(又称泛在计算)理论的出现, 随着智能手机、物联网等各种应用产品或应用系统的涌现,嵌入式 系统已对信息技术(IT)产业产生了强有力的影响,改变了以通用 个人电脑为主的计算模式,使计算无处不在。 嵌入式系统硬件平台发展概况 • 嵌入式系统硬件平台的核心部件是各种类型的嵌入式微处理器,嵌入 式系统硬件平台是随着嵌入式微处理器芯片的发展而发展的。 在嵌入式系统的发展过程中,每个发展阶段均有 一些微处理器芯片作为这个阶段的主流芯片。其 中比较流行的有:  1、Z80、Intel8080、MC6800等。 上述3种微处理器芯片,在微处理器诞生 的早期阶段,即大约在二十世纪70年代中 期~90年代初期,被广泛地使用。 • 2、 MCS51系列单片机 *MCS51是Intel公司生产的一系列8位 数据宽度的微处理器统称。 *自二十世纪80年代,Intel公司推出 了MCS51系列单片机以来,该系列的 微处理器迅速在嵌入式系统中得到 了广泛的应用,并逐步取代了Z80等 微处理器的地位。  3、 DSP(数字信号处理器) *DSP微处理器是一系列适合完成数字 信号处理技术的微处理器芯片的统称。 *所谓的数字信号处理,指的是信号 (如:音频信号、视频信号)经过A/D 转换后的后续处理,主要有数字滤波、 编码解码等处理。 • 3、 ARM系列微处理器 *ARM系列微处理器也是一类微处理器芯片的统称, 它是指一类以ARM公司处理器核为中心的,集成了 许多外围专用功能部件的芯片。 *目前,主流的ARM系列微处理器的数据宽度为32位, 主频率在几百兆赫兹左右。它们在许多高端嵌入式 系统产品中得到广泛应用,如:智能手机、PDA、 GPS导航仪等。 *ARM系列微处理器根据其处理器核的架构不同,又 分成了许多子系列。目前的子系列主要有:ARM7系 列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、ARM11 系列、Cortex系列、XScale系列等。 嵌入式系统软件平台发展概况 *嵌入式操作系统作为软件平台在当今嵌入式系统开发中 显得越来越重要。 *复杂嵌入式系统的应用程序基于软件平台来进行开发的 优点: 1、提高开发效率,降低了应用程序的开发周期; 2、提高了应用软件的可靠性; 3、降低了嵌入式系统应用软件的开发难度。 *国内流行的几款嵌入式操作系统: 1、μC/OS-II(微控制器操作系统); 2、Linux(内核源码开放的操作系统)、Android操作系统; 3、Windows CE(微软公司推出的一种嵌入式操作系统); 4、VxWorks(风河公司推出的一种实时嵌入式操作系统)。 SOPC的概况 • SOPC是System on a Programmable Chip的缩写,中文 名称是可编程片上系统。 • 一个SOPC的实现是基于一个超大集成规模FPGA芯片上的, 这个FPGA芯片上通常集成有至少一个微处理器核(硬核 或者软核),以及片上总线、存储器、大量的可编程逻 辑阵列等。 • 国内使用的FPGA芯片主要是Xilinx公司和Altera公司提供 的。另外,ACTEL公司、Lattice公司、ATMEL公司等提供 的FPGA芯片在我国也有一些特定的行业在使用。 嵌入式系统的应用 • 嵌入式系统的应用领域是非常广泛的,已经渗透到了人们的日常生 活、工作、学习的各个方面。 • 不同的应用领域,其应用需求也是各种各样,因而,具体的嵌入式 系统产品的复杂度也就不同。 • 不同复杂度的嵌入式系统开发时,其开发方法和使用的开发工具也 是不同的。 • 下面从二个方面来介绍嵌入式系统的应用情况: 1、应用复杂度; 2、应用领域。 嵌入式系统应用复杂度 • 嵌入式系统应用复杂度指的是其应用功能需求的复杂程度, 同时也是指其应用软件开发的复杂程度。 • 从软件开发的复杂程度来看,我们可以把嵌入式系统的应 用分成以下三类: 1、第一类是:其应用功能需求可以编写为单任务的程序, 并且其显示要求不复杂(如:只需要显示字符以及简单的 图形),无联网功能要求或者联网功能要求不复杂(如: 联网采用RS-485总线即可)。这样一类应用需求,在企业生 产设备控制、智能测试仪表、医用仪器、智能小区等应用 领域比较多见。 • 第二类是:其应用功能需求通常需设计成多 任务的,需要较为复杂的图形显示界面,或 者需要以太网的联网等功能,但无需支持复 杂的数据管理功能(如:无需嵌入式数据 库),无需支持多媒体处理(如:无需处理 音频视频播放),无需支持高层网络应用 (如:无需联接因特网)。 • 这样一类应用需求,在飞行器控制器、机器 人控制器、图形化显示的智能仪器仪表等应 用领域比较多见。 • 第三类是:其应用功能需求通常需设计成多任务 的,需要丰富的图形人机操作界面,或者需要联 接因特网功能,或者需要复杂的数据管理功能。 这样一类应用需求,在智能终端、GPS导航仪、 通信设备等应用领域比较多见。 • 针对于第三类的应用需求,其应用程序的开发复 杂程度很大,通常需要构建一个嵌入式操作系统 平台,如:Linux、或Windows CE等,以便提高嵌 入式系统开发效率,减少开发周期。同时,采用 成熟的、具有许多第三方功能软件支撑的操作系 统平台,可以保证应用软件的安全性、可靠性。 嵌入式系统的应用领域 • 嵌入式系统的应用领域大致分成以下几个: • (1)工业控制 工业控制领域是嵌入式系统的传统应用领域, 也是当前嵌入式系统应用中最典型、最广泛的领 域之一。 (2)现代农牧业 现代农牧业是在传统农牧业基础上发展起来的, 是相对于传统的、人力手工生产的农牧业而言 的。现代农牧业采用了生物技术、信息技术以 及生理学原理等来组织生产,生产中通常都采 用了计算机管理及控制系统,使得农牧业生产 集约化、高效化,使得农牧业产品优质、高产。 • (3)智能交通及汽车电子 智能交通系统利用信息技术、传感器技术、 通信技术、控制技术等,对一个大范围内的 地面交通运输进行实时、准确、高效的综合 管理和控制,从而减少交通负荷和环境污染、 保证交通安全、提高运输效率。  (4)智能小区及智能家居 智能小区是指城市中由若干住宅楼群组成 的、采用计算机技术、自动控制技术、IC 卡技术、网络通信技术来构建其综合物业 管理系统的人居区域。 •(5)移动智能终端 移动智能终端包括智能手机、PDA、平板电脑等。中国拥有世界上最大 的手机用户群,智能手机已向着具有强大计算功能的方向发展,而不仅 仅只用于通信。在未来,新的移动、手持式设备将会得到极大的发展, 通过这些设备实现人们可以随时随地进行互联访问 (6)军事领域 嵌入式系统最早出现在20世纪70年代的 武器控制中,后来用于军事指挥控制和通 信系统,所以军事国防历来就是嵌入式系 统的一个重要应用领域。现在各种武器控 制(如火炮控制、导弹控制和智能炸弹的 制导、引爆),以及坦克、军舰、战斗机、 雷达、通信装备等陆海空多种军用装备上, 都可以看到嵌入式系统的影子。 嵌入式系统开发工具 • 嵌入式系统的开发,通常需要构造一个交叉编译环境(即建立宿主 机—目标机的开发架构)。 宿主机 (PC机) 通信信道 目标机 宿主机通常是通用个人电脑(即PC机),其上要 运行开发工具软件,目标机即是嵌入式系统。 嵌入式系统的开发工具主要包括:工程项目管理 器、编辑器、编译/连接器、调试器、模拟器、 分析工具、建模工具等软件工具,以及一些必要 的硬件调试、观测设备,如:JTAG接口仿真器、 逻辑分析仪、示波器等。 • 通常,开发工具软件供应商会把多种工具软件集成在一起,构成一 个高效的、图形化的嵌入式系统开发平台,这个开发软件平台通常 被称为嵌入式系统的集成开发环境(英文缩写IDE)。也就是说,集 成了代码编写功能、分析功能、编译功能、调试功能等工具软件的 开发软件包,都可被称为集成开发环境。 • 集成开发环境主要有: 1、Keil集成开发环境; 2、ADS集成开发环境; 3、RVDS集成开发套件; 4、GNU开发工具套件; 5、PB集成开发环境; 6、Eclipse集成开发环境。 Keil集成开发环境 • Keil集成开发环境是Keil Software公司推出的,主 要是针对于以MCS-51系列单片机芯片或其兼容 芯片为硬件平台核心的、采用C语言开发其程序 的开发工具软件包。 • 2007年ARM公司收购了Keil公司,通过这次收购, Keil集成开发工具开始向32位微处理器工具软件 市场进军,先后推出了Keil μVision3和Keil μVision4工具软件包。 ADS1.2集成开发环境 • ADS(ARM Developer Suite)是以ARM微处 理器为核心的嵌入式系统软件开发工具包, 它于1993年推出。ADS1.2版本在早期是使 用非常广泛的ARM环境下的软件开发工具, 目前还继续在某些场合使用。 • ADS1.2开发工具,适合于无操作系统环境 下的应用程序开发,以及适合于基于 μC/OS-II操作系统的应用程序开发。 RVDS集成开发环境 • RVDS(RealView Development Suite)集成开发套件(或称为RVDS 集成开发环境),是ARM公司推出的,基于ARM系列CPU进行开 发的工具套件。它支持全系列ARM架构的微处理器开发。 • RVDS汇聚了Eclipse系列开发工具中优良的源代码编辑与管理工具, 以及Realview系列开发工具中优良的编译、调试工具。 • RVDS开发工具与ADS1.2开发工具比较而言,其编译器的编译效率 更高。 GNU开发工具 • GNU是GNU’S Not Unix首字母的组合,是一种常用于开发基于Linux操 作系统的嵌入式软件的工具套件简称。该工具套件是由Richard Stallman提出的GNU计划中的几个开源的工具组成,包括编译器、连 接器以及文本编辑器、语法除错等工具。 • GCC是GNU开发工具套件中的核心工具软件,是一种针对Linux操作 系统环境下的内核及应用程序的编译工具,它能将C语言、C++语言、 汇编语言编写的源程序以及库文件编译连接成执行文件。 • GDB是GNU开发工具套件中的程序调试工具。 PB集成开发环境 • PB集成开发环境,是微软公司提供给嵌入 式系统开发者从事Windows CE操作系统定 制的开发工具。 • 开发者可以通过它来修改Windows CE操作 系统的内核,裁剪系统功能,并进行编译、 调试,完成Windows CE操作系统的移植工 作。设计者还可以利用它来完成驱动程序 的开发。 Eclipse集成开发环境 • Eclipse是著名的跨平台的自由集成开发环境。最初主要用来Java语言 开发,但可以通过插件使其作为其他语言,比如:C++的开发工具。 • Eclipse的本身只是一个框架平台,但是众多插件的支持使得Eclipse 拥有其他功能相对固定的IDE软件很难具有的灵活性。

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