第1章嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 裘君Email QIUJUNNB ZJU EDU CNTEL 600MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 第1章嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式系統(tǒng)軟件嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 前言 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 在信息化社會(huì)中 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到我們生活的每一個(gè)角落 本章作為本書的開(kāi)篇 主要介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念和嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)方法 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 1系統(tǒng)系統(tǒng)是一種根據(jù)固定的計(jì)劃 程序或者規(guī)則進(jìn)行工作 組織或者執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)的方式 系統(tǒng)也是一種工作安排方法 其所有單元能夠按照一定的計(jì)劃或者程序裝配在一起 共同完成工作任務(wù) 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) ComputersasComponents PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesign 一書中指出 什么是嵌入式計(jì)算系統(tǒng) 如果不嚴(yán)格地定義 它是任何一個(gè)包含可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備 但是它本身卻不是一個(gè)通用計(jì)算機(jī) 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) EmbeddedMicrocontrollers 一書作者認(rèn)為 嵌入式系統(tǒng)是一種電子系統(tǒng) 它包含微處理器或者微控制器 但是我們不認(rèn)為它們是計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)隱藏或者嵌入在系統(tǒng)中 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng)英國(guó)電機(jī)工程師協(xié)會(huì)定義 嵌入式系統(tǒng)是控制 監(jiān)視或輔助某個(gè)設(shè)備 機(jī)器甚至工廠運(yùn)行的設(shè)備 它具備4個(gè)特征 用來(lái)執(zhí)行特定的功能 以微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備構(gòu)成核心 具有嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定度 全自動(dòng)操作循環(huán)工作 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng)還可以用以下文字總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng) 有計(jì)算機(jī)功能但又不稱為計(jì)算機(jī)的設(shè)備 它以應(yīng)用為中心 軟硬件可裁減 適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能 可靠性 成本 體積 功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 簡(jiǎn)單地說(shuō) 嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和硬件于一體 類似于PC中BIOS的工作方式 具有軟件代碼小 高度自動(dòng)化 響應(yīng)速度快等特點(diǎn) 特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器 相關(guān)支撐硬件 嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成 它是可獨(dú)立工作的 機(jī)器 或 器件 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) 圖1 1嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu) 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類小型嵌入式系統(tǒng)小型嵌入式系統(tǒng)采用一個(gè)8位或者16位的微控制器設(shè)計(jì) 硬件和軟件復(fù)雜度小 需要進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì) 為這些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)嵌入式軟件時(shí) 主要的編程工具是所使用的微控制器或者微處理器專用的編輯器 匯編器和交叉匯編器等 通常利用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)這些系統(tǒng)的軟件 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)中型嵌入式系統(tǒng)采用一個(gè)16位或者32位的微控制器 數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 或者精簡(jiǎn)指令集 RISC 計(jì)算機(jī)等設(shè)計(jì) 硬件和軟件復(fù)雜度都比較大 對(duì)于復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì) 可以使用如下的編程工具 RTOS 源代碼設(shè)計(jì)工具 模擬器 調(diào)試器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE 等 軟件工具往往還提供了硬件復(fù)雜性的解決和分析方法 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都非常復(fù)雜 需要可升級(jí)的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列 如FPGA CPLD等器件 它們用于邊緣應(yīng)用 在這些應(yīng)用中 需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì) 并且都集成到最終的系統(tǒng)中 然而它們又受到硬件單元所提供的處理速度 存儲(chǔ)器等資源的限制 為了解決時(shí)間問(wèn)題 提高系統(tǒng)運(yùn)行速度 可以在硬件中實(shí)現(xiàn)一部分軟件功能 例如加密和解密算法 TCP IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序等功能 當(dāng)然 系統(tǒng)中某些硬件資源的功能模塊同樣也可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) 這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具一般十分昂貴 有時(shí)還需要為這些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)編譯器或者重定目標(biāo)的編譯器等 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器 嵌入式微處理器一般具備4個(gè)特點(diǎn) 對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力 能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間 從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度 具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能 這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化 而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用 需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能 同時(shí)也有利于軟件診斷 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu) 以便能夠迅速地?cái)U(kuò)展?jié)M足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的功耗要求必須很低 尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備 對(duì)于靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此 功耗往往為mW甚至 W級(jí) 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 2 1嵌入式微處理器微處理器是一個(gè)集中取址和處理一組通用指令的單元 任何一個(gè)CPU必須包括一個(gè)控制單元和一個(gè)ALU單元 而嵌入式微處理器采用的是 增強(qiáng)型 通用微處理器 由于嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中 因而嵌入式微處理器在工作溫度 電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器高 根據(jù)實(shí)際嵌入式應(yīng)用要求 將嵌入式微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的主板上 只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的主板功能 這樣可以大幅度地減小系統(tǒng)的體積和功耗 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 2 1嵌入式微處理器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比 嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有體積小 重量輕 成本低 可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn) 但在其電路板上必須包括ROM RAM 總線接口 必要的外設(shè)等器件 由嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器 總線 外設(shè)等器件安裝在一塊電路主板上而構(gòu)成的系統(tǒng) 就是通常所說(shuō)的單板機(jī)系統(tǒng) 嵌入式微處理器目前主要有Am186 88 386EX SC 400 PowerPC 68000 MIPS ARM系列等 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 2 2嵌入式微控制器嵌入式微控制器又稱為單片機(jī) 它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中 嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心 根據(jù)某些典型的應(yīng)用 在芯片內(nèi)部集成了ROM EPROM RAM 總線 總線邏輯 定時(shí) 計(jì)數(shù)器 看門狗 I O 串行口 脈寬調(diào)制輸出 A D D A FlashRAM EEPROM等各種必要功能部件和外設(shè) 為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求 對(duì)功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁減定制 使得一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品 每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都相同 主要的不同在于存儲(chǔ)器 外設(shè)的配置和功能的設(shè)置等方面 這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配 從而減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗和成本 看門狗 又叫watchdogtimer 是一個(gè)定時(shí)器電路 一般有一個(gè)輸入 叫喂狗 一個(gè)輸出到MCU的RST端 MCU正常工作的時(shí)候 每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端 給WDT清零 如果超過(guò)規(guī)定的時(shí)間不喂狗 一般在程序跑飛時(shí) WDT定時(shí)超過(guò) 就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCU 是MCU復(fù)位 防止MCU死機(jī) 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán) 或者說(shuō)程序跑飛 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 2 3嵌入式DSP處理器在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中 各種數(shù)字信號(hào)處理算法往往相當(dāng)復(fù)雜 一般結(jié)構(gòu)的處理器無(wú)法實(shí)時(shí)地完成這些運(yùn)算功能 由于DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì) 使其特別適合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理 在數(shù)字濾波 FFT 快速傅里葉變換 譜分析等方面 DSP算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域 DSP應(yīng)用正逐步從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能 過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器 嵌入式DSP處理器有兩類 DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化 EMC 電磁兼容性 改造 增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器 TI的TMS320C2000 C5000等屬于此范疇 在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器 例如Intel的MCS 296和Infineon的TriCore系列 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 2 3嵌入式片上系統(tǒng)隨著EDA 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 的推廣和大規(guī)模集成電路 LargeScaleIntegratedCircuit VLSI 設(shè)計(jì)的普及化 以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展 可以在一塊硅片上集成實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的系統(tǒng) 這就產(chǎn)生了SOC技術(shù) 各種通用處理器內(nèi)核可以作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) 而嵌入式系統(tǒng)外設(shè)也成為了VLSI設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件 可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的VHDL Verilog等硬件語(yǔ)言描述保存在器件庫(kù)中 供用戶設(shè)計(jì)選擇使用 用戶根據(jù)需求定義應(yīng)用系統(tǒng) 通過(guò)開(kāi)發(fā)工具仿真 調(diào)試 驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的應(yīng)用系統(tǒng)后 就可以將設(shè)計(jì)文檔等資料提交給半導(dǎo)體工廠制作樣品 這樣除某些無(wú)法集成的功能器件以外 整個(gè)嵌入式系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)均可集成到一塊或幾塊芯片中 應(yīng)用系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)將變得越來(lái)越簡(jiǎn)潔 這對(duì)于減小整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的體積和功耗 提高可靠性等方面都非常有利 1 3嵌入式系統(tǒng)軟件 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一部分 是嵌入式系統(tǒng)的核心 嵌入式系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)給定系統(tǒng)的應(yīng)用軟件 處理器執(zhí)行指令代碼和處理數(shù)據(jù) 有效 準(zhǔn)確地完成指定工作任務(wù) 在設(shè)計(jì)的最后階段 這些指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)被放置到存儲(chǔ)器中 用于執(zhí)行完成相應(yīng)的工作 目前 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)都會(huì)使用高級(jí)語(yǔ)言 例如C C 和JAVA等 其中C語(yǔ)言選用得最多 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件 它是嵌入式系統(tǒng) 包括硬 軟件系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的重要組成部分 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件 系統(tǒng)內(nèi)核 設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口 通信協(xié)議 圖形界面 標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等 嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn) 如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源 能夠硬件虛擬化 使得開(kāi)發(fā)人員從復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái) 能夠提供庫(kù)函數(shù) 驅(qū)動(dòng)程序 工具集以及應(yīng)用程序等 與通用操作系統(tǒng)相比較 嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性 硬件的相關(guān)依賴性 軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有更為突出的特點(diǎn) 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 4 1嵌入式操作系統(tǒng)的種類一般情況下 嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類 一類是面向控制 通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 如WindRiver公司的VxWorks ISI的pSOS QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX ATI的Nucleus FreeScale的MQX等 另一類是面向消費(fèi)電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 這類產(chǎn)品包括個(gè)人數(shù)字助理 PDA 移動(dòng)電話 機(jī)頂盒 電子書 WebPhone等 MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) DIY四軸飛行器 讓車輪和鍵盤都飛起來(lái)基于飛思卡爾MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的智能灑水系統(tǒng)基于AtmelARM芯片的嵌入式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)解決方案uCOSII26路ADC采集系統(tǒng)PatrickEdwardsDaughertySPIRI 馬蜂窩 模式的清潔機(jī)器人愛(ài)板網(wǎng) 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 4 2嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段 第一階段是無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段 是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng) 同時(shí)具有與監(jiān)測(cè) 伺服 指示設(shè)備相配合的功能 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ) 以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng) 第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段 是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng) 第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng) 這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段 目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外 但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電 工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切 嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái) 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 4 3使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛 尤其在功能復(fù)雜 系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得越來(lái)越重要 首先 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS 提高了系統(tǒng)的可靠性 其次 RTOS提高了開(kāi)發(fā)效率 縮短了開(kāi)發(fā)周期 再次 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 1 4 4實(shí)