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第14章嵌入式应用系统

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第第1414章章 嵌入式应用系统嵌入式应用系统 14.1 14.1 概述概述 n n 嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统 、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪 表等众多领域。表等众多领域。 n n 掌握目前流行的基于掌握目前流行的基于ARMARM架构的嵌入式微处理架构的嵌入式微处理 器的原理、设计方法及实例编程开发。具体的包器的原理、设计方法及实例编程开发。具体的包 括如何在嵌入式内核基础上扩展一个实用的嵌入括如何在嵌入式内核基础上扩展一个实用的嵌入 式系统的硬、软件设计。如微处理器、存储系统式系统的硬、软件设计。如微处理器、存储系统 、外设驱动及其应用程序接口的设计。从而达到、外设驱动及其应用程序接口的设计。从而达到 能够独立完成一个嵌入式系统设计的要求。能够独立完成一个嵌入式系统设计的要求。 14.1.1 14.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 n n 嵌入式系统被定义为:以应用为中心、以计算机嵌入式系统被定义为: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,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、功耗严格要求的对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。专用计算机系统。 14.1.2 14.1.2 嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构 n n 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统,嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统, 它主要包含三个部分,其基本结构如图所它主要包含三个部分,其基本结构如图所 示。示。 1. 1. 硬件平台硬件平台 n n 它是整个嵌入式操作系统和应用程序运它是整个嵌入式操作系统和应用程序运 行的硬件平台,不同的应用通常有不同行的硬件平台,不同的应用通常有不同 的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入 式系统的一个主要特点。式系统的一个主要特点。 2. 2. 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 n n 完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心 功能。具有内核比较精简、可配置、与高功能。具有内核比较精简、可配置、与高 层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统 具有相对不变性。具有相对不变性。 3. 3. 嵌入式应用嵌入式应用 n n 运行于操作系统之上,利用操作系统提供运行于操作系统之上,利用操作系统提供 的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同 的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 硬件抽象层硬件抽象层 n n 硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系 统进行交互,向操作系统提供对硬件的直统进行交互,向操作系统提供对硬件的直 接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌 入式操作系统的通用化。入式操作系统的通用化。 14.1.3 14.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 n n 1 1.嵌入式系统特点和要求.嵌入式系统特点和要求 n n 2 2.嵌入式系统具有的产品特征.嵌入式系统具有的产品特征 n n 3 3.嵌入式软件特征.嵌入式软件特征 n n 软件要求固态化存储软件要求固态化存储 n n 软件代码要求高质量、高可靠性软件代码要求高质量、高可靠性 n n 系统软件的高实时性是基本要求系统软件的高实时性是基本要求 n n 多任务操作系统多任务操作系统 n n 4 4..嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 n n 可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是 一种明显的走向一种明显的走向 n n 所集成的部件越来越多所集成的部件越来越多 n n 功耗越来越低,和模拟电路结合越来越多功耗越来越低,和模拟电路结合越来越多 14.2 14.2 嵌入式应用系统的开发嵌入式应用系统的开发 n n 14.2.1 14.2.1 确定嵌入式系统的需求确定嵌入式系统的需求 嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、 面向应用的,市场应用是嵌入式系统开发的导向面向应用的,市场应用是嵌入式系统开发的导向 和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需 求。在设计一个系统之前,必须清楚在设计什么求。在设计一个系统之前,必须清楚在设计什么 。在设计的最初阶段,获取这些信息,以此来设。在设计的最初阶段,获取这些信息,以此来设 计系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常计系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常 包括两个过程:包括两个过程: 1) 1)从客户那里收集系统的非形式描述(即用户需求)。从客户那里收集系统的非形式描述(即用户需求)。 2)2)对需求进行提炼,得到系统的规格说明,规格说明里包对需求进行提炼,得到系统的规格说明,规格说明里包 含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。 14.2.2 14.2.2 设计系统的体系结构设计系统的体系结构 n n 嵌入式系统包含硬件和软件两部分:硬件嵌入式系统包含硬件和软件两部分:硬件 架构上以嵌入式处理器为中心,配置存储架构上以嵌入式处理器为中心,配置存储 器、器、I/OI/O设备、通信模块等必要的外设;软设备、通信模块等必要的外设;软 件部分以软件开发平台为核心,向上提供件部分以软件开发平台为核心,向上提供 应用编程接口(应用编程接口(APIAPI),向下屏蔽具体硬件),向下屏蔽具体硬件 特性的板级支持包特性的板级支持包BSPBSP。嵌入式系统中,软。嵌入式系统中,软 件和硬件紧密配合,协调工作,共同完成件和硬件紧密配合,协调工作,共同完成 系统预定的功能。系统预定的功能。 n n 1 1.选择处理器.选择处理器 n n 性能性能 n n 工具支持工具支持 n n 技术指标技术指标 n n 2 2.选择嵌入式操作系统.选择嵌入式操作系统 14.2.3 14.2.3 相关外部设备的选择相关外部设备的选择 n n 在确定处理器和操作系统之后,根据整个在确定处理器和操作系统之后,根据整个 系统应用需求就可以确定相关的外部设备系统应用需求就可以确定相关的外部设备 ,如,如FLASHFLASH,,RAMRAM,串口等等。经过以上,串口等等。经过以上 需求分析和选型,可以构建完整的系统硬需求分析和选型,可以构建完整的系统硬 件架构和软件架构件架构和软件架构 14.3 14.3 构建嵌入式系统开发环境构建嵌入式系统开发环境 14.4 14.4 嵌入式应用系统硬件设计嵌入式应用系统硬件设计 n n 在嵌入式系统设计过程中,首先要进行硬件系统在嵌入式系统设计过程中,首先要进行硬件系统 与软件系统的功能划分,以决定哪些功能用硬件与软件系统的功能划分,以决定哪些功能用硬件 实现,哪些功能用软件实现。实现,哪些功能用软件实现。 n n 在具体的硬件设计中,应注意在设计硬件子系统在具体的硬件设计中,应注意在设计硬件子系统 时一般采用自顶向下方法,即将被设计系统的硬时一般采用自顶向下方法,即将被设计系统的硬 件先分成若干模块,再设计系统全部的框图。例件先分成若干模块,再设计系统全部的框图。例 如,如,CPUCPU子系统、存储器子系统等。然后定义系子系统、存储器子系统等。然后定义系 统需要配备哪些硬件接口,例如统需要配备哪些硬件接口,例如I/OI/O端口、硬件端口、硬件 寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配 、处理器的运行速度等。、处理器的运行速度等。 14.4.1 14.4.1 嵌入式系统的最小硬件系统设嵌入式系统的最小硬件系统设 计计 n n 最小硬件系统是保证微处理器能够可靠工最小硬件系统是保证微处理器能够可靠工 作所必须的基本电路。嵌入式系统的核心作所必须的基本电路。嵌入式系统的核心 部件是各种类型的嵌入式处理器。因此设部件是各种类型的嵌入式处理器。因此设 计基于某种嵌入式处理器的最小硬件系统计基于某种嵌入式处理器的最小硬件系统 可以先熟悉处理器的构成和工作方式。嵌可以先熟悉处理器的构成和工作方式。嵌 入式微处理器一般由一个入式微处理器一般由一个MCUMCU核和多个外核和多个外 围电路集成围电路集成 。。 1 1..S3C2410-SS3C2410-S微处理器介绍微处理器介绍 n n S3C2410-SS3C2410-S是是ARMARM公司的公司的16/3216/32位位RISCRISC结构处理器,数据总线和地结构处理器,数据总线和地 址总线分离的哈佛体系结构,是为手持设备设计的低功耗、高度址总线分离的哈佛体系结构,是为手持设备设计的低功耗、高度 集成的集成的微处理器微处理器,采用,采用272 272 引脚引脚FBGAFBGA封装,内含一个封装,内含一个ARM920TARM920T 内核和如下片内外围电路:内核和如下片内外围电路:1 1个个LCDLCD控制器(支持控制器(支持STNSTN和和TFTTFT带带 有触摸屏的液晶显示器);有触摸屏的液晶显示器);SDRAMSDRAM控制器;控制器;3 3个通道的个通道的UARTUART;; 4 4个通道的个通道的DMADMA;;4 4个具有个具有PWMPWM功能的计时器和功能的计时器和1 1个内部时钟;个内部时钟;8 8 通道的通道的1010位位ADCADC;触摸屏接口;;触摸屏接口;I2CI2C总线接口;总线接口;1 1个个USBUSB主机接口主机接口 、、1 1个个USBUSB设备接口;设备接口;2 2个个SPISPI接口;接口;SDSD接口和接口和MMCMMC卡接口;卡接口;117117 个通用个通用I/OI/O口和口和2424位外部中断源;位外部中断源;8 8通道通道1010位位ADAD控制器,在时钟控制器,在时钟 方面方面S3C2410-SS3C2410-S也有突出特点,该芯片集成了一个具有日历功能也有突出特点,该芯片集成了一个具有日历功能 的的RTCRTC和具有和具有PLL(MPLLPLL(MPLL和和UPLL)UPLL)的芯片时钟发生器。的芯片时钟发生器。MPLLMPLL产产 生主时钟,能够使处理器工作频率最高达到生主时钟,能够使处理器工作频率最高达到203MHz203MHz。这个工作。这个工作 频率能够使处理器轻松运行频率能够使处理器轻松运行Windows Windows CE(CE(WinCEWinCE) )、、LinuxLinux等操作等操作 系统以及进行较为复杂的信息处理。系统以及进行较为复杂的信息处理。UPLLUPLL产生实现主从产生实现主从USBUSB功功 能的时钟。能的时钟。 2 2.基于.基于S3C2410-SS3C2410-S微处理器的最小硬微处理器的最小硬 件系统设计件系统设计 1) 1)电源电路电源电路 n n 电源是电子产品中的一个组成部分,为了使电路电源是电子产品中的一个组成部分,为了使电路 性能稳定,往往需要稳定电源。设计者要根据产性能稳定,往往需要稳定电源。设计者要根据产 品的要求来选择合适的电源品的要求来选择合适的电源ICIC。根据不同的工作。根据不同的工作 原理可将电源分成原理可将电源分成3 3类:线性稳压电源、开关稳类:线性稳压电源、开关稳 压电源及电荷泵电源。压电源及电荷泵电源。 2)2)硬件复位电路硬件复位电路 n n 无论用户设计哪种嵌入式系统,总会涉及到复位无论用户设计哪种嵌入式系统,总会涉及到复位 电路。而复位电路的好坏,直接影响到整个系统电路。而复位电路的好坏,直接影响到整个系统 工作的可靠性。因为复位电路的作用是在系统上工作的可靠性。因为复位电路的作用是在系统上 电或复位过程中,控制处理器的复位状态,这段电或复位过程中,控制处理器的复位状态,这段 时间内让时间内让CPUCPU保持复位状态,而不是一上电或刚保持复位状态,而不是一上电或刚 复位完毕就工作,防止处理器发出错误的指令、复位完毕就工作,防止处理器发出错误的指令、 执行错误操作,同时可以提高电磁兼容性能。执行错误操作,同时可以提高电磁兼容性能。 n n 复位电路主要有四种类型:(复位电路主要有四种类型:(1 1)微分型复位电路)微分型复位电路 ;(;(2 2)积分型复位电路;()积分型复位电路;(3 3)比较器型复位电)比较器型复位电 路;(路;(4 4)看门狗型复位电路。另外,一些公司也)看门狗型复位电路。另外,一些公司也 推出了专用于复位的专用芯片。推出了专用于复位的专用芯片。 3)JTAG(3)JTAG(联合测试行动小组联合测试行动小组) )接口接口 电路电路 n n JTAGJTAG的主要功能有两种,或者说的主要功能有两种,或者说JTAGJTAG主要主要 有两大类:一类用于测试芯片的电气特性有两大类:一类用于测试芯片的电气特性 ,检测芯片是否有问题;另一类用于调试,检测芯片是否有问题;另一类用于调试 ,对各类芯片以及其外围设备进行调试。,对各类芯片以及其外围设备进行调试。 4)4)存储器模块存储器模块 n n 存储器可分为只读存储器(存储器可分为只读存储器(ROMROM)、闪存)、闪存 ((FLASHFLASH)、随机存取存储器()、随机存取存储器(RAMRAM)、)、 光介质存储器和磁介质存储器。光介质存储器和磁介质存储器。 3 3.硬件调试.硬件调试 n n 在给目标系统加电之前,应该仔细检查电在给目标系统加电之前,应该仔细检查电 路板上所有元器件是否正确焊接,检查各路板上所有元器件是否正确焊接,检查各 电压等级的电源是否有短路,各种开关、电压等级的电源是否有短路,各种开关、 跳线是否在正确的位置上。跳线是否在正确的位置上。 n n 通过通过ARMARM公司提供的开发工具公司提供的开发工具ADSADS的集成的集成 开发环境,编写相关的应用程序,通过开发环境,编写相关的应用程序,通过 JTAGJTAG接口对微处理器进行进一步的调试与接口对微处理器进行进一步的调试与 开发。开发。 14.4.2 14.4.2 基于功能需求的系统扩展设计基于功能需求的系统扩展设计 n n 1)USB HUB1)USB HUB,将,将S3C2410-SS3C2410-S的的USB HOSTUSB HOST扩扩 展为展为4 4口,可以选择口,可以选择AT43301AT43301芯片。芯片。 n n 2)2)双网卡双网卡NIC-2NIC-2和和NIC-1 NIC-1 n n 3)RS4853)RS485串行总线接串行总线接 n n 4)ADC4)ADC接口设计接口设计 n n 5)CAN5)CAN总线电路总线电路 14.5 14.5 嵌入式应用系统软件设计嵌入式应用系统软件设计 l软件部分实际上就是编写的程序代码,代码的最终用途 是命令硬件去做人们希望它去做的事情。程序代码一般 由高级程序设计语言(如C/C++)和处理器专用汇编指 令编写而成,经过编译、链接、重定位,最终成为机器 代码,存放到系统的存储器中。系统被加电以后,CPU 便开始从存储器中逐条取出这些机器代码,并按照这些 代码的要求进行工作。 n n 1 1 硬件驱动层硬件驱动层 n n 2 2 系统软件层系统软件层 n n 3 3 操作系统层操作系统层 n n 4 4 图形用户界面系统图形用户界面系统 n n 5 TCP/IP5 TCP/IP协议栈协议栈 n n 6 6 文件系统文件系统 14.5.3 14.5.3 用户应用程序层用户应用程序层 n n 1 1.嵌入式系统中的存储映射.嵌入式系统中的存储映射 在在ARMARM体系结构中,系统复位后将跳转到地址体系结构中,系统复位后将跳转到地址 0x00x0x00x处执行,该处存放的是复位异常中断的中处执行,该处存放的是复位异常中断的中 断向量。对于嵌入式系统来说,在系统复位时断向量。对于嵌入式系统来说,在系统复位时 RAMRAM中是不存在代码和数据的。因此在系统复中是不存在代码和数据的。因此在系统复 位时,地址位时,地址0x000x00处应为处应为ROMROM,即系统复位后应,即系统复位后应 该首先从该首先从ROMROM开始执行。这时,根据系统在其开始执行。这时,根据系统在其 后运行过程中地址后运行过程中地址0x000x00处存储器的类型。处存储器的类型。 n n 2 2.系统初始化.系统初始化 系统的初始化部分包括两个级别的操作系统的初始化部分包括两个级别的操作 :分别是系统运行环境初始化,应用程序:分别是系统运行环境初始化,应用程序 初始化和系统运行环境初始化。初始化和系统运行环境初始化。 本章小结本章小结 n n 本章主要介绍了嵌入式系统的基本概本章主要介绍了嵌入式系统的基本概 念、嵌入式系统的特点及结构、嵌入念、嵌入式系统的特点及结构、嵌入 式系统开发步骤及如何构建嵌入式系式系统开发步骤及如何构建嵌入式系 统开发环境、嵌入式系统硬件设计和统开发环境、嵌入式系统硬件设计和 软件设计的基础知识,希望读者能够软件设计的基础知识,希望读者能够 通过本章的学习,对嵌入式系统有个通过本章的学习,对嵌入式系统有个 初步认识和了解,为继续深入学习相初步认识和了解,为继续深入学习相 关专业知识打下良好基础。关专业知识打下良好基础。
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