嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)

第1章概述第2章ARM及其編程模型第3章ARM指令集第4章嵌入式程序設計第5章C/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)第6章嵌入式最小系統(tǒng)設計第7章部件工作原理與開發(fā)實例第8章基于C/OS-Ⅱ的程序設計第9章ARM嵌入式開發(fā)工具第10章ARM9處理器嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)第1章概述1嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)

第1章概述嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)

第1章概述2本章提要

1.1嵌入式系統(tǒng)

1.2嵌入式系統(tǒng)的組成

1.3嵌入式系統(tǒng)的主要應用領域

1.4嵌入式處理器

1.5嵌入式操作系統(tǒng)

1.6嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)本章提要1.1嵌入式系統(tǒng)31.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義一般定義：

以應用為中心，計算機技術為基礎，軟硬件可剪，以適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。本質定義：

嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1976年，Intel公司推出了MCS-48單片機，只有1KBROM和64KBRAM。1980年，Intel公司對MCS-48單片機進行了全面完善，推出了8位MCS-51單片機。1984年，Intel公司又推出了16位8096系列并將其稱之為嵌入式微控制器。此外，為了高速、實時地處理數(shù)字信號，1982年誕生了首枚數(shù)字信號處理芯片DSP。20世紀90年代后，伴隨著網(wǎng)絡時代的來臨，網(wǎng)絡、通信、多媒體技術得以發(fā)展，基于硬件底層的單線程程序的單片機已經(jīng)很難滿足這些領域的要求。32位微處理器面向嵌入式系統(tǒng)的高端應用，由于速度快、資源豐富、本身的復雜性、可靠性等，得到了廣泛的需求。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史1976年，Intel公司5嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的，應用的多樣性決定了硬件平臺的多樣性。大多嵌入式系統(tǒng)都有實時性要求，在高端應用中，為滿足應用需求、增強可靠性和便于開發(fā)，往往要有實時多任務操作系統(tǒng)的支持。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。功耗、成本和可靠性對嵌入式系統(tǒng)有特別重要的意義。嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用6嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機的結合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行的，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品進入市場后具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)，充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新，是一個可以大有作為的行業(yè)。嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)71.2嵌入式系統(tǒng)的組成硬件

處理器/微處理器、存儲器、I/O接口及輸入/輸出設備軟件

嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序1.2嵌入式系統(tǒng)的組成硬件8嵌入式系統(tǒng)的架構處理器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)應用程序軟件結構硬件結構嵌入式系統(tǒng)的架構處理器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)應用程序軟件結構9嵌入式系統(tǒng)的硬件組成電源模塊時鐘模塊復位外圍電路微處理器MPUFlashRAMROM

外設USBLCD鍵盤其他嵌入式系統(tǒng)的硬件組成電源模塊時鐘模塊復位外圍電路微處理器Fl10嵌入式系統(tǒng)的軟件組成1.嵌入式操作系統(tǒng)2.嵌入式應用軟件3.硬件抽象層HAL4.板級支持包BSP5.設備驅動程序6.操作系統(tǒng)的應用程序接口函數(shù)API嵌入式系統(tǒng)的軟件組成1.嵌入式操作系統(tǒng)11嵌入式軟件的主要特點軟件要求固化存儲。軟件代碼要求高質量、高可靠性。系統(tǒng)軟件（OS）的高實時性是基本要求。嵌入式系統(tǒng)軟件需求實時多任務操作系統(tǒng)開發(fā)平臺（RTOS）。在嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，采用C語言將是最佳的選擇。嵌入式軟件的主要特點軟件要求固化存儲。121.3嵌入式系統(tǒng)的主要應用領域嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡設備消費電子軍事國防電子商務網(wǎng)絡工業(yè)控制其他······1.3嵌入式系統(tǒng)的主要應用領域嵌入式應用信息家電智能玩具軍13嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域14

PDA可視電話

機器人

SONY機器狗

嵌入式系統(tǒng)的應用領域PDA15嵌入式技術在電子通訊中的應用手機、小靈通、智能手機、3C合一……嵌入式技術在電子通訊中的應用手機、小靈通、智能手機、3C合一16信息家電的應用信息家電的應用17信息家電——數(shù)字機頂盒信息家電——數(shù)字機頂盒18信息家電——消費電子信息家電——消費電子19SAN公司的信息家電產(chǎn)品SAN公司的信息家電產(chǎn)品20

嵌入式技術在汽車電子中的應用VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡—（18個嵌入式控制模塊）—CAN總線網(wǎng)絡嵌入式技術在汽車電子中的應用VOLVOS80汽車的CA21阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發(fā)揮了很好作用。嵌入式技術在軍事方面的應用阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像22嵌入式系統(tǒng)——高性能武器平臺的基礎嵌入式系統(tǒng)——高性能武器平臺的基礎23嵌入式Internet應用嵌入式Internet應用24嵌入式系統(tǒng)與機器人技術圖：卡耐基梅隆大學和瑞士EPFL研制的機器人控制器（采用卡西歐PDA和WindowsCE）

嵌入式系統(tǒng)與機器人技術圖：卡耐基梅隆大學和瑞士EPFL研制的25智能機器人智能機器人26基于WinCE的移動機器人平臺基于WinCE的移動機器人平臺27基于WinCE的機器人裝配平臺基于WinCE的機器人裝配平臺28基于RTLinux的仿人機器人

高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通

基于RTLinux的仿人機器人高48cm

重:6k29基于VXworks的火星探路者基于VXworks的火星探路者302004年“勇氣號”再次登陸火星2004年“勇氣號”再次登陸火星311.4嵌入式處理器

嵌入式處理器分類：嵌入式處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式微處理MCU嵌入式數(shù)字信號處理器EDSP嵌入式片上系統(tǒng)SoC1.4嵌入式處理器嵌入式處理器分類：嵌入式32嵌入式處理器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.32位處理器在興起2.處理器IP（知識產(chǎn)權）3.可編程處理器嵌入式處理器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.32位處理器在興起331.5嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)分類面向控制、通信等領域的實習操作系統(tǒng)

WindRiver公司的VxWorks、ATI的Nucleus、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ISI的pSOS等面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng)

WinCE、Linux等1.5嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)分類34實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)的兩種類型

硬件實時系統(tǒng)和軟件實時系統(tǒng)在實時多任務系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信?；趦?yōu)先級的內(nèi)核的2種類型

不可剝奪型的和可剝奪型內(nèi)核實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)的兩種類型35不可剝奪型內(nèi)核（非占先式Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒低優(yōu)先級任務釋放CPU使用權TIME不可剝奪型內(nèi)核（非占先式Non-Preemptive)低優(yōu)36可剝奪型內(nèi)核（占先式Preemptive)低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒高優(yōu)先級任務得到CPU使用權TIME可剝奪型內(nèi)核（占先式Preemptive)低優(yōu)先級任務37嵌入式操作系統(tǒng)的特點1.可裁剪2.強實時性3.統(tǒng)一的接口4.操作方便、簡單、提供友好的圖形用戶界面GUI5.提供強大的網(wǎng)絡功能6.穩(wěn)定性，弱交互性7.固化代碼8.良好的移植性嵌入式操作系統(tǒng)的特點1.可裁剪38VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點是：可靠性、實時性和可裁減性。它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。大多數(shù)的VxWorksAPI是專有的，火星機器人。目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver39NucleusNucleus實時操作系統(tǒng)是AcceleraterTechnology公司開發(fā)的嵌入式RTOS，產(chǎn)品只需一次性購買Licenses就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼，并且免產(chǎn)品版稅。Nucleus的另一大好處是程序員不用寫B(tài)SP。Nucleus的特點是：對CPU的支持能力比較強，支持當前流行的大多數(shù)RISC、CISC、DSP處理器。NucleusPLUS采用了軟件組件的方法，每個組件具有單一而明確的目的。NucleusPLUS除提供功能強大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。Nucleus得到許多第三方工具廠商和方案提供商的支持。如ARM、Lauterbach、TI、Infineon、高通、IAR等。NucleusNucleus實時操作系統(tǒng)是Accelerat40WindowsCE

MicrosoftWindowsCE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優(yōu)先權、多任務的操作系統(tǒng)。WindowsCE操作系統(tǒng)的基本核心需要至少200KB的ROM。它支持Win32API的子集，支持多種的用戶界面硬件，同時提供熟悉的開發(fā)模式和工具。WindowsCE有5個主要的模塊：內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊、通信模塊WindowsCE

MicrosoftWindowsC41嵌入式Linux自由免費軟件Linux是一個類似于Unix的操作系統(tǒng)。優(yōu)點：Linux是由很多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。Linux支持所有標準的因特網(wǎng)協(xié)議。Linux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。傳統(tǒng)的嵌入式程序調試和調試工具是用在線仿真器（ICE）實現(xiàn)的。Linux具有廣泛的硬件支持特性。不足：實時性是嵌入式操作系統(tǒng)的基本要求。Linux內(nèi)核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起編譯連接。Linux需要占用較多存儲器。提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待的。嵌入式Linux自由免費軟件Linux是一個類似于Unix的42QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品。QNX是在X86體系上面開發(fā)出來的，這和別的RTOS不一樣，別的好多RTOS都是從68K的CPU上面開發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上面來的。QNX是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關標準，由于QNX具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設備（手掌電腦、手機）、GPS設備的實時操作系統(tǒng)使用。QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品。43C/OS-ⅡC/OS-Ⅱ是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪的多任務實時內(nèi)核。（第5章詳細介紹