嵌入式系统课件:ARM 第一讲嵌入式.ppt
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1、嵌入式系统技术嵌入式系统技术 主讲教师:李 东 深圳大学光电工程学院2022-1-192今日授课内容o 第一部分:第一部分:教学安排和要求教学安排和要求o 第二部分:嵌入式系统概述第二部分:嵌入式系统概述2022-1-193课程特点课程特点 本课程以本课程以ARM9微处理器微处理器S3C2410A为应用实例,介绍嵌为应用实例,介绍嵌入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特点:点:1、理论与实践相结合、理论与实践相结合2、软硬件结合、软硬件结合3、注重学以致用、工程动手能力的培养。、注重学以致用、工程动手能力的培养。2022-1-194
2、教学内容教学内容嵌入式系统技术嵌入式系统技术是本专业是本专业核心课程核心课程,教学内容包括:,教学内容包括: 嵌入式系统概论;嵌入式系统概论; ARM体系结构;体系结构; 嵌入式系统存储器结构与接口;嵌入式系统存储器结构与接口; 嵌入式系统输入输出接口技术;嵌入式系统输入输出接口技术; 嵌入式系统总线与通信接口;嵌入式系统总线与通信接口; 嵌入式操作系统介绍;嵌入式操作系统介绍; 嵌入式系统设计与开发;嵌入式系统设计与开发; 嵌入式系统应用实例分析。嵌入式系统应用实例分析。2022-1-195先修基础知识先修基础知识 模拟电路模拟电路 数字电路数字电路 计算机硬件基础计算机硬件基础 微机原理与
3、接口技术微机原理与接口技术 计算机操作系统计算机操作系统 C语言程序设计等语言程序设计等2022-1-196教材与参考书教材与参考书o 黄智伟等黄智伟等, ARM9嵌入式系统设计基础教程嵌入式系统设计基础教程. 北京航空航天北京航空航天大学出版社大学出版社o 王志英等王志英等,嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计. 高等教育出版社高等教育出版社o 杨刚等杨刚等, 嵌入式系统设计与实践嵌入式系统设计与实践. 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 o 符意德符意德, 嵌入式系统设计原理及应用嵌入式系统设计原理及应用. 清华大学出版社清华大学出版社o 2022-1-197教学目标(期望)
4、教学目标(期望) 掌握掌握嵌入式系统设计的基本原理、基本方法嵌入式系统设计的基本原理、基本方法; 熟悉熟悉ARM微处理器体系结构,掌握一套主流的开发工具微处理器体系结构,掌握一套主流的开发工具及其开发方法及其开发方法; 具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力; 为进一步研究和处理实际工程问题打下基础为进一步研究和处理实际工程问题打下基础。 2022-1-198考核方式考核方式 课堂表现课堂表现占总成绩占总成绩10 教学实验教学实验占总成绩占总成绩30 闭卷考试闭卷考试占总成绩占总成绩60上课时间:上课时间: 单周单周2下午下午5、6节节 周周4下午下午
5、5、6节节 实验时间和地点待定。实验时间和地点待定。2022-1-199今日授课内容o 第一部分:第一部分:教学安排和要求教学安排和要求o 第二部分:嵌入式系统概述第二部分:嵌入式系统概述2022-1-1910嵌入式系统概述嵌入式系统概述什么是嵌入式系统?什么是嵌入式系统?2022-1-1911生活中的嵌入式系统生活中的嵌入式系统2022-1-1912嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义o IEEE:“Device used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants”.o 从技术的角度定义
6、:以从技术的角度定义:以应用应用为中心、以为中心、以计算机技术计算机技术为基础、为基础、软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的体积、功耗严格要求的专用计算机系统专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技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。术与各个行业的具体应用相结合后的产物。2022-1-1913嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统2022-1-1914马达控制器车灯嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车
7、门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统2022-1-1915即使远在火星即使远在火星火星与地球,这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”,在2003年8月27日这一天,迎来6万年来“最亲密的接触”,火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。面对6万年才有一次的机会,科学家们积极行动起来从6月开始,先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星,而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来,开始了久违的火星之旅。“勇气号”火星探测器2022-1-1916嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成o 嵌入式系统一般
8、由嵌入式嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件和软件组成o 硬件系统一般由嵌入式微硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入处理器、存储器和输入输出部分组成,其中嵌入输出部分组成,其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件式微处理器是嵌入式硬件系统的核心。系统的核心。o 软件包括:初始化代码及软件包括:初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和驱动、嵌入式操作系统和应用程序等,这些软件有应用程序等,这些软件有机地结合在一起,形成系机地结合在一起,形成系统特定的一体化软件。统特定的一体化软件。2022-1-1917嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类用途用途o 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Micro Contr
9、oller Unit,MCU)o 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)o 嵌入式嵌入式DSP(Digital Signal Processor)o 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip)2022-1-1918嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称,它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、等各种必要功能和外设。嵌入式处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位
10、、32位和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器(Embedded Micro Controller )特点特点:单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高;缺点缺点:MCU微控制器,总线宽度一般为4位、8位或16位,处理速度有限,一般在几个MIPS,进行一些复杂的应用很困难,运行操作系统就更难。2022-1-1919嵌入式微控制器嵌入式微控制器o 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多,比较有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、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约7
11、0的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核2022-1-1920嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processing Unit,EMPU)由通用计算机中的CPU发展而来,嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。同时,其在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 优点:优点:体积小、功耗低、成本低、可靠性高;缺点:缺点:片内周片电路不足,必须配备ROM,RAM,总线接口,各种外设接口等;2022-1-19
12、21嵌入式微处理器嵌入式微处理器o 嵌入式微处理器把嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及及I/O等做等做到同一个芯片上。到同一个芯片上。32位微处理器采用位微处理器采用32位的地址位的地址和数据总线,其地址空间达到了和数据总线,其地址空间达到了2324GB。目前。目前主流的主流的32位嵌入式微处理器系列主要有:位嵌入式微处理器系列主要有:n ARM系列系列n MIPS系列系列n PowerPC系列等。2022-1-1922ARM系列系列o ARM(Advanced RISC Machine)公司的公司的ARM微处理器微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的体系结构目前被公认为是嵌
13、入式应用领域领先的32位嵌入位嵌入式式RISC微处理器结构。微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了体系结构目前发展并定义了7种不同的版本。从版本种不同的版本。从版本1到版本到版本7,ARM体系的指令集功能体系的指令集功能不断扩大。不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器,虽然在实现处理器系列中的各种处理器,虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同,但只要支持相同的技术、应用场合和性能方面都不相同,但只要支持相同的ARM体系版本,基于它们的应用软件是兼容的。体系版本,基于它们的应用软件是兼容的。o 目前,目前,70%的移动电话、大量的游戏机、手持的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒
14、和机顶盒等都已采用了等都已采用了ARM处理器,许多一流的芯片厂商都是处理器,许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户,如的授权用户,如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。等公司。2022-1-1923MIPS系列系列o 美国斯坦福大学的美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的教授领导的研究小组研制的MIPS(Microprocessor without Interlocked Piped Stages,无互锁流水级的微处理器,无互锁流水级的微处理器)是世界上很流行的一是世界上很流行的一种种RISC处理器,其机制是处理器,其机制是尽量利用软件办法避免流
15、水线中尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题的数据相关问题。o 从从20世纪世纪80年代初期年代初期MIPS处理器发明到现在,处理器发明到现在,MIPS处理处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播播放等广泛的领域。放等广泛的领域。o 和和ARM公司一样,公司一样,MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动公司本身并不从事芯片的生产活动(只进行设计),不过其他公司如果要生产该芯片,则必(只进行设计),不过其他公司如果要生产该芯片,则必
16、须得到须得到MIPS公司的许可。公司的许可。2022-1-1924PowerPCo PowerPC是是Freescale(原(原Motorola)公司的产品。)公司的产品。PowerPC RISC处理器采用了处理器采用了超标量处理器设计超标量处理器设计和和调整内调整内存缓冲器存缓冲器,修改了指令处理设计,它完成一个操作所需的,修改了指令处理设计,它完成一个操作所需的指令数比指令数比CISC处理器要多,但完成操作的总时间却减少了。处理器要多,但完成操作的总时间却减少了。o PowerPC内核内核采用独特分支处理单元采用独特分支处理单元可以让指令预取效率可以让指令预取效率大大提高,即使指令流水线上
17、出现跳转指令,也不会影响大大提高,即使指令流水线上出现跳转指令,也不会影响到其运算单元的运算效率。到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了处理器设计了多级内存高速缓冲区,以便让那些正在访问(或可能会被多级内存高速缓冲区,以便让那些正在访问(或可能会被访问)的数据和指令总是存储在调整内存中。访问)的数据和指令总是存储在调整内存中。2022-1-1925嵌入式嵌入式DSP处理器处理器o DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,芯片内部处理器是专门用于信号处理方面的处理器,芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构,具有专门硬采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构,具有专
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