嵌入式系统开发入门,Introduction of Embedded System Developing 延烨华,主要内容,基本概念 ARM微处理器 实时操作系统 嵌入式技术的发展现状和未来,1-1 嵌入式系统的概念,IEEE对嵌入式系统的定义： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant. “控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 嵌入式简单的讲就是把微处理器嵌入各种电子设备内部，实现设备的智能化。,goReader Internet eBook,Samsung AnyWeb Internet Screen Phone,eRemote Intelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital Album Digital Photo Album,1-2 一些典型的嵌入式系统应用实例,1-3 嵌入式系统的特点,系统内核小：一般应用于小型电子装置。 专用性强：软硬件结合紧密，针对硬件进行系统的移植。 系统精简：无系统软件和应用软件的明显区别。 高实时性的操作系统软件：固化存储，提高速度。 多任务的操作系统：合理调度多任务，RTOS开发平台。 专门的开发工具和环境。,2-1 嵌入式微处理器,X86系列 Motolora系列 ARM系列 MIPS系列 SH/HP-RISC等系列,2-1-1 X86系列,起源于Intel架构的8080，发展出286、386、486，直至现在的P4、Athlon和AMD的64位处理器。今天的Pentium和当初的8080使用相同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。 例：486DX；Geode SP1SC10；STPC。386EX和80188/186系列目前国内在工业控制、通信领域的应用很广。,2-1-2 Motorola系列处理器,Motorola公司是世界著名的处理器制造商，其CPU抗干扰能力强，适合工业控制/军方应用，MC68000微处理器占有美国军方市场的70%，由此可见其产品的可靠性和稳定性之高。另外QUICC系列通信处理器功能强大，在通信产品中获得广泛应用。,2-1-3 MIPS,Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 一种处理器内核的标准，由MIPS技术公司开发。 MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式32位、64位处理器的厂商。机顶盒设备、视频游戏机、Cisco路由器、激光打印机。,2-2 ARM系列微处理器,ARM（Advanced RISC Machines）是一个CPU内核。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费。 RISC：Reduced Instruction Set Computer ARM 公司作为16/32位处理器内核的提供者，拥有100多家半导体合作伙伴，ARM core是目前消费类电子市场中市场占有量第一的CPU体系。 随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位CPU研发能力的半导体公司进入这一行列。,2-2-1 ARM系列产品,ARM7：低功耗32位内核，考虑价位功耗。 实时环境：ARM7TDMI、 ARM7TDMI-S 开放平台：ARM720-T DSP运算，支持Java：ARM7EJ ARM9 ARM9E ARM10 SecurCore,2-2-2 典型产品,ATMEL公司 AT91系列：工业级应用。但缺乏LCD驱动等外围电路。 AT75/76系列：内置arm7/DSP双内核。 Cirrus logic公司 机顶盒/mp3/IA等专用SOC，有数模混合和视频/音频处理优势。EP7209，EP7211，EP7212等。,2-2-2 典型产品,NetScillon公司 ARM+NET系列芯片，关注嵌入式Internet解决方案。 Samsung公司： 集成度高，mp3/PDA/Internet应用。S3C4510，S3C44B0，S3C2400等。 Motorola公司： 最近推出龙珠MX1，使用了ARM内核。,2-3 ARM7TDMI的特点,T：16位Thumb压缩指令集。 D：支持在片调试，允许处理器响应调试请求暂停。 M：增强型乘法器，可将两个32位数相乘而直接产生64位结果。 I：嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持。,2-3 ARM7TDMI的特点,3级流水线： 取指译码执行。一般在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，第三条指令从存储器中取指。 存储器访问： 内核是冯诺依曼体系结构，使用单一32位数据总线传送指令和数据。 只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。 数据类型可以是：字节、半字和字。,2-3 ARM7TDMI的特点,存储器接口： 目的是使用存储器最少的情况下实现其潜能。 4种存储周期：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器传送周期。 嵌入式ICERT逻辑： ICE：In-Circuit Emulator（实时在线仿真） 提供集成的在片调试支持，利用其来编写断点或观察断点出现的条件。 ICERT逻辑通过JTAG（Joint Test Action Group）测试访问口进行控制。,2-4 S3C44B0X简介,ARM7TDMI内核，主频66MHz。 8KB缓存、外存储器控制器、LCD控制器。 4通道DMA、2通道UART、1个多主机I2C总线控制器。 5通道PWM定时器、1个内部定时器、实时时钟。 71通用I/O口、8个外部中断源、8通道12位ADC。 4种能量控制模式：正常、低、休眠和停止。,2-4 基于S3C44B0X微处理器 的嵌入式系统体系结构,3-1 嵌入式操作系统分类,商用型 VxWorks：火星车；支持多种处理器，使用最广泛。 Windows CE 3.0：掌上设备、无线设备。基于Windows背景，界面美观。内核需要至少200K的ROM。 Palm OS：3COM，Palm Computing掌上电脑公司；PDA。 pSOS：WindRiver公司。 OS-9：Microwave公司；灵活性和可升级性突出。,3-1 嵌入式操作系统分类,免费型 Linux：开放源码；内核小，效率高；易裁减；支持多种CPU和硬件平台；众多的开发工具；强大的技术支持；强大的网络功能；图像处理、文件管理、多任务支持。 C/OS：源码公开；可移植，C+汇编；可固化，成为产品的一部分；可剪裁；占先式，总是运行就绪条件下优先级最高的任务；多任务，8+56；可确定性，执行时间可知；任务栈；系统服务；中断管理，255层嵌套；稳定性与可靠性。,3-2 操作系统相关的概念,实时操作系统（RTOS）：物理进程的真实时间。先实时性，次效率。系统具有可确定性。 分时操作系统：多任务的管理。 多任务操作系统：多任务管理，任务间的同步与通信。 RTOS的工作状态：任时刻系统只有一个任务在运行态，各任务按级别分别获得对CPU的访问权。 运行：获得CPU权。 就绪：进入等待队列，通过调度转为运行。 挂起：移出任务等待队列，等待实时事件的唤醒。 休眠：被清除的任务。,3-3 C/OS操作系统的模块划分,外围设备硬件部分： LCD，USB通信，键盘，Flash存储器，时钟和日历。 驱动程序模块： 连接底层硬件和上层API函数的纽带，任何硬件的变化要随之改变硬件的驱动程序，不会影响API函数。 操作系统的API函数： 应用程序接口函数，模块，简化程序编写。统一标准。 实时操作系统的多任务管理： 多任务之间的调度与同步。,3-3 C/OS操作系统的模块划分,系统的消息队列： 系统消息传递机制，用于实现系统各任务之间、应用程序各任务之间、应用程序和系统各任务之间的通信。 系统任务： LCD刷新，键盘扫描等。 用户应用程序： 建立于主任务基础之上，通过调用系统API函数进行操作。任务之间的协调主要依赖于系统的消息队列。,3-4 C/OS的特点分析,占先式内核：高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。 基于优先级，不支持时间片轮转：任务的优先级就是任务的标识。进入就绪态的优先级最高的任务首先获得CPU使用权，其他任务才可被执行。“多任务，非多进程”。 在实时性方面有优势：保证重要任务优先占有CPU。 但，重要任务有限，难划分优先级；有时需要任务交替执行，多LCD。,3-4 C/OS的特点分析,共享资源提供保护：每一任务都是一个模块，在任务中添加代码时，无需考虑共享资源。对于共享资源，如串口，创建一信号量，初始化。某一任务欲使用该资源时，必须先申请得到这个信号量。一旦得到，只有使用完该资源，才会释放信号量。即使优先级更高的任务进入就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。 LCD正在显示信息，中断产生，中断服务程序需要显示其他信息。牺牲了系统实时性，延长了中断响应时间。对于未显示信息是报警信息的情况是致命的。“优先级反转”。了解系统非常必要。,3-4 C/OS的特点分析,可靠性：开发过程遇到困难，程序跑飞，死循环。看门狗，单步。 C/OS把整个程序分成多个任务，每个任务相对独立。设置超时函数，时间用完，交出CPU使用权，即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。 C/OS启动过程比较简单：内核和应用程序一起编译成一个文件，转换成HEX格式，写入Flash即可。,4-4 嵌入式系统的现状和未来,4-1 现状,“45年后，嵌入式智能工具将是PC和Internet之后最伟大的发明。”尼葛洛庞帝，Jan., 1999 20世纪90年代，嵌入式技术成为通信和消费类产品的共同发展方向。 数字电视广播（DVB）；数字音频广播（DAB）； 个人移动通信；手写文字输入；语音拨号上网； ATM；自动售货机；长虹ADSL产品，智能化网络化家电； 硬件方面：各大公司微处理器芯片，供学习研发用的开发包。巨大的市场需求提供了资金和技术力量。,4-1 现状,软件方面：相当成熟。国外：WindRiver、Microsoft、QNX、Nuclear。我国自主开发：DeltaSystem（科银京成公司）、Hopen（中科院）。网上有大量的免费资源。 嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。 5年来仅仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品就已经在美国产生了一个每年1500亿美元的新市场。 国内嵌入式应用开发很广，但在嵌入式开发工具、仪器设备的研究领域几乎是空白。,4-2 未来,嵌入式开发是一项系统工程：很多厂商在提供嵌入式软硬件的同时，将开发环境作为重点来推广。Samsung ARM7、ARM9芯片，开发板和支持包；Windows CE的Embedded VC+；VxWorks的Tornado。 网络化、信息化要求的提高使得单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。开发更强大的处理器，64位。要求芯片上集成更多的功能。接口（USB），总线（CAN BUS），多媒体。,4-2 未来,网络互联成为必然：硬件上提供网络通信接口；支持各种协议；提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件；系统内核支持网络模块，嵌入web浏览器，真正实现随时在线。 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。利用最低的资源实现最适当的功能。使用最佳的编程模型，不断改进算法。丰富的硬件知识+先进的嵌入式软件技术。 提供友好的多媒体人机界面：PDA。,图：嵌入式Internet应用,The End.,Thank you！,