嵌入式系统第一讲教案.docx

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嵌入式系统第一讲教案

第________次课

摘要

授课题目（章、节）

第1章、1.1-1.2嵌入式系统概念、嵌入式处理器

教学主要内容及重点难点：

主要内容：

嵌入式系统的定义、组成、特点、应用，实时系统，嵌入式处理器

重点：

嵌入式系统的定义、嵌入式处理器

难点：

实时系统、嵌入式处理器

内容

本讲授课要点:

一、嵌入式系统的定义

二、嵌入式系统的组成

三、嵌入式系统的特点

四、嵌入式系统的应用

五、实时系统

六、嵌入式处理器

前言

1.课程设置的必要性

（1）嵌入式系统涉及现代生活的方方面面

（2）应用日趋复杂

（3）微处理器技术长足发展

（4）嵌入式软件技术成为核心

2.课程定位

（1）基础不同、课时有限

（2）介绍嵌入式系统设计理念

（3）嵌入式系统软硬件设计基础

3.课程目的

（1）本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势，重点讲述了基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统（linux）和嵌入式软硬件系统开发技术。

（2）采用理论学习和实践并重的教学方法，着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。

4.嵌入式系统如何学习

（1）学习ARM汇编，学习ARM架构

（2）学习ARM系统硬件设计方法

（3）学习一种实时操作系统

（4）嵌入式实时操作系统的软件设计方法

（5）找一块开发板来实践

5.课程安排

第1章嵌入式系统基础（4学时）

第2章嵌入式系统开发过程（2学时）

第3章ARM体系结构（8学时）

第4章ARM系统硬件设计基础（4+4学时）

第5章基于S3C2410的系统硬件设计（8+6学时）

第6章Linux操作系统基础（4学时）

第7章嵌入式Linux软件设计（6+4学时）

课程为考试课，考试成绩为平时成绩*30%+考试成绩*70%。

第1章嵌入式系统基础

1.1嵌入式系统概念

1.1.1嵌入式系统的定义

一般定义：

以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。

是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）。

嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。

（系统角度）。

广义定义:

任何一个非计算机的计算系统。

IEEE定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。

（1）通常执行特定功能

（2）嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器

（3）严格的时序和稳定性要求

（4）全自动操作循环

1.1.2嵌入式系统的组成

嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。

嵌入式系统的组成图

嵌入式系统的硬件组成图

1、嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。

嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中。

它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。

大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有1000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有ARM，MIPS，PowerPC，MC68000等。

2、外围设备

外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。

根据外围设备的功能可分为以下3类：

（1）存储器：

静态易失型存储器（RAM，SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失型存储器（Flash）。

其中，Flash以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。

（2）接口：

应用最为广泛的包括并口、RS-232串口、IrDA红外接口、SPI串行外围设备接口、I2C（InterIC）总线接口、USB通用串行总线接口、Ethernet网口等。

（3）人机交互：

LCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。

3、嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是用来管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等的软件模块集合。

嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是“实时操作系统”。

4、应用软件

嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。

嵌入式软件的特点如下：

（1）软件要求固态化存储。

（2）软件代码要求高质量、高可靠性。

（3）系统软件的高实时性是基本要求。

（4）多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。

1.1.3嵌入式系统的特点

（1）软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体；

（2）需要操作系统支持，代码小、执行速度快；

（3）专用紧凑，用途固定，成本敏感；

（4）可靠性要求高；

（5）多样性，应用广泛、种类繁多。

1.1.4嵌入式系统的应用

信息家电

智能玩具

军事电子

通信设备

移动存贮

工控设备

智能仪表

汽车电子

网络设备

消费电子

军事国防

电子商务

工业控制

嵌入式应用

1.1.5实时系统

实时系统（RealTimeSystem）是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统。

从输入到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接受的时限内。

实时系统通常具备以下重要的特性：

1．实时性

2．并行性

3．多路性

4．独立性

5．可预测性

6．可靠性

衡量实时性的指标

实时系统中主要通过3个指标来衡量系统的实时性，即：

响应时间（ResponseTime）：

指计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。

生存时间（SurvivalTime）：

指数据的有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。

吞吐量（Throughput）：

指在一段给定时间内，系统可以处理事件的总数。

吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。

实时系统的分类

根据响应时间可分为3种类型：

1．强实时系统

2．弱实时系统

3．一般实时系统

根据确定性可分为2种类型：

1．硬实时系统

2．软实时系统

1.2嵌入式处理器

嵌入式处理器分类：

（1）微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）

（2）嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU）

（3）DSP处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）

（4）片上系统（SystemOnChip，SOC）

1、嵌入式微控制器

又称单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。

单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。

另外还有许多半通用系列如：

支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；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。

微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，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，因此称为微控制器。

2、嵌入式微处理器

嵌入式微处理器（EmbeddedMicroProcessorUnit,EMPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的。

与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。

目前主要的嵌入式处理器类型有ARM、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC等。

3、嵌入式DSP处理器

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，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处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。

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。

1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。

在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。

有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。

Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。

PHILIPS公司今年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元，应用目标是大批量消费类电子产品。

4、嵌入式片上系统（SoC）

SoC就是SystemonChip，SoC是一种基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系统设计技术。

它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。

SOC可以分为通用和专用两类。

（1）通用系列包括Infineon（Siemens）的TriCore，Motorola的M-Core，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

（2）专用SOC一般专用于某个或某类系统中。

有代表性的产品是Philips的SmartXA

几种典型的嵌入式处理器：

1、ARM/StrongARM

ARM（AdvancedRISCMachines）公司是全球领先的16/32位RISC（精简指令集计算机）微处理器知识产权设计供应商。

ARM公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。

ARM已成为移动通信、手持设备和多媒体数字设备嵌入式解决方案的RISC标准。

ARM处理器有三大特点：

体积小、低功耗、低成本而高性能，16/32位双指令集，全球的合作伙伴众多。

2、MIPS

MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。

MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。

2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的新版本以及未来64位MIPS6420Kc处理器内核。

MIPS技术公司既开发MIPS处理器结构，又自己生产基于MIPS的32位/64位芯片。

为了使用户更加方便地应用MIPS处理器，MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPSIDF（IntegratedDevelopmentFramework），特别适用于嵌入式系统的开发。

3、PowerPC

PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。

PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。

目前PowerPC独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从25MHz到700MHz不等，它们的能量消耗、大小、整合程度和价格差异悬殊，主要产品模块有主频350~700MHzPowerPC750CX和750CXe以及主频400MHz的PowerPC440GP等。

嵌入式的PowerPC405（主频最高为266MHz）和PowerPC440（主频最高为550MHz）处理器内核可以用于各种集成的系统芯片（SOC）设备上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。

4、MC68K/Coldfire处理器

Apple机以前使用的就是Motorola68000（68K），比Intel公司的8088还要早。

但现在，Apple、Motorola公司已放弃68K而专注于ARM了。

5、x86处理器

x86系列处理器是最常用的，它起源于Intel架构的8080，发展到现在Pentium4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。

486DX是当时和ARM、68K、MIPS、SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。

现有基于x86的STPC高度集成系统。

总结：

这讲课主要讲解了嵌入式系统的定义、组成、应用、特点，然后讲述了实时系统的相关概念，最后对嵌入式处理器进行了详细的介绍，本书重点介绍了ARM嵌入式处理器的相关内容，在下次课我们将接着讲述嵌入式操作系统和嵌入式操作系统的内核。