嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

1、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 提提 要要嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機的基本組成單片機的基本組成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程什么是單片機什么是單片機單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用定義嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系內(nèi)部的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)處理器處理器存儲器存儲器輸入輸入輸出輸出操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序軟件軟件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)硬件硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)p一般由四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 嵌入式處理器 外圍硬件設(shè)備 嵌入式操作系統(tǒng) 用戶應(yīng)用程序n在設(shè)計簡單的應(yīng)用程序時在設(shè)計簡單的應(yīng)用程序時, ,可以不

2、使用操作系可以不使用操作系統(tǒng)統(tǒng), ,但在設(shè)計較復(fù)雜的程序時但在設(shè)計較復(fù)雜的程序時, ,可能就需要一個可能就需要一個操作系統(tǒng)來管理和控制存儲器、多任務(wù)和各種操作系統(tǒng)來管理和控制存儲器、多任務(wù)和各種資源等資源等. .n實時嵌入式系統(tǒng)其最大特點就是程序的執(zhí)行具實時嵌入式系統(tǒng)其最大特點就是程序的執(zhí)行具有確定性。有確定性。C/OSC/OS和和C LinuxC Linux是廣泛應(yīng)用的實是廣泛應(yīng)用的實時嵌入式操作系統(tǒng)，而時嵌入式操作系統(tǒng)，而WindowsCE2.0WindowsCE2.0就是一個就是一個多任務(wù)分時系統(tǒng)。多任務(wù)分時系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)軟件平臺嵌入式系統(tǒng)軟件平臺嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的

3、定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機的基本組成單片機的基本組成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程什么是單片機什么是單片機Lecture2 Page 7微控制器開發(fā)技術(shù)Freescale and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. Freescale Semiconductor, Inc. 2005汽車電子汽車電子消

4、費電子消費電子工業(yè)控制工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線通訊無線通訊應(yīng)用場合Lecture2 Page 8微控制器開發(fā)技術(shù)汽車電子汽車電子n車身電子產(chǎn)品：接入與遠程控制，車身控制，載荷控制n安全：氣囊，ABS，半主動懸掛，電子助力，輪胎壓力監(jiān)控，電能轉(zhuǎn)向nDIS：音響，語音控制，DISn車輛網(wǎng)絡(luò)：LIN，CAN，藍牙電話，聲控n傳動控制：發(fā)動機，傳動控制，燃油噴射Lecture2 Page 9微控制器開發(fā)技術(shù)工業(yè)控制工業(yè)控制n樓宇控制：三表，電力線載波，語音控制，電梯n照明系統(tǒng)：熒光照明，固態(tài)照明n制造：機械手，現(xiàn)場總線，不間斷電源n醫(yī)療器械：心電監(jiān)護器械n零售終端： 磁卡讀卡器，ATMn安全：指紋

5、識別，OCR，語音識別Lecture2 Page 10微控制器開發(fā)技術(shù)消費類電子消費類電子n家用電器：洗碗機，洗衣機，電視。n手持電子：藍牙耳機，游戲機，PDAn娛樂產(chǎn)品：數(shù)碼音樂，CD，DC，DVn計算機外圍：LCD，Mouse，KeyboardLecture2 Page 11微控制器開發(fā)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用n路由器，IP電話，DSL調(diào)制解調(diào)器，n無線網(wǎng)關(guān)，接入設(shè)備，nATM交換機，n光纖路由產(chǎn)品，Lecture2 Page 12微控制器開發(fā)技術(shù)無線通訊無線通訊nBluetoothnWiFinZigbeenRFnGSM+CDMA+3GLecture2 Page 13微控制器開發(fā)技術(shù)Micro

6、controller Manufactures嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機的基本組成單片機的基本組成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程什么是單片機什么是單片機運算器運算器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器存儲器存儲器微型計算機系統(tǒng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的硬件部分通常由五部分組成微型計算機系統(tǒng)的硬件部分通常由五部分組成:n微型計算機的應(yīng)用形態(tài)可以分為：微型計算機的應(yīng)用形態(tài)可以分為：n多板機（系統(tǒng)機）多板機（系統(tǒng)機） n單板機單板機 n單片機單片機這種計算這種計算機系統(tǒng)通機系統(tǒng)通常由常由多塊多塊印刷電路印刷電路板板制

7、成：制成： 主板顯卡顯卡聲卡聲卡存儲器接口存儲器接口網(wǎng)卡網(wǎng)卡輸入輸出接口輸入輸出接口內(nèi)存條內(nèi)存條CPU多板機多板機CPUCPU芯片芯片內(nèi)存條內(nèi)存條存儲器接口存儲器接口存儲器芯片存儲器芯片輸入輸出接口輸入輸出接口輸入輸出接口輸入輸出接口芯片芯片定時計數(shù)器定時計數(shù)器芯片芯片A/D、D/A芯片芯片 印刷電路板印刷電路板單板機單板機 單單 硅硅 晶晶 片片 CPU存儲器存儲器控制電路控制電路定時器定時器時鐘電路時鐘電路I / O口口一塊芯片一塊芯片體上集成了中央處理器體上集成了中央處理器CPU、隨機存儲器、隨機存儲器RAM、程序存儲器程序存儲器ROM或或EPROM、定時器計數(shù)器、中斷控制、定時器計數(shù)器

8、、中斷控制器以及串行和并行器以及串行和并行IO接口等功能部件，接口等功能部件，構(gòu)成一個完整的構(gòu)成一個完整的微型計算機。微型計算機。單片機單片機單片機就是單片機就是單片微型計算機單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer)。n它從外觀上看，與普通的集成電路或芯片毫無差別。與普通芯片不同的是，單片機芯片內(nèi)集成了一般微機系統(tǒng)所具有的主要組成部件。n概括的講：一塊芯片就是一臺計算機。 三種應(yīng)用形態(tài)的比較三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ：n單板機單板機n單片機單片機n系統(tǒng)機（多板機）系統(tǒng)機（多板機）n1)系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于通用通用計算機，主要計算機，主要用于用于數(shù)據(jù)

9、處理數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計。、辦公自動化及輔助設(shè)計。n2)2)單片機單片機（嵌入式應(yīng)用）（嵌入式應(yīng)用）屬于屬于專用專用計算機，主計算機，主要用于智能儀表及傳感器、智能家電、智能辦公要用于智能儀表及傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等系統(tǒng)。設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等系統(tǒng)。（1）體積小，重量輕；）體積小，重量輕；（2）可靠性高，運行速度快，抗干擾能力強；）可靠性高，運行速度快，抗干擾能力強；（3）控制功能強控制功能強，使用靈活，性價比高；，使用靈活，性價比高；（4）易擴展，易于開發(fā)；）易擴展，易于開發(fā)；（5）受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較小。）受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較

10、小。單片機是應(yīng)單片機是應(yīng)工業(yè)測控工業(yè)測控的需要而誕生的的需要而誕生的,它的結(jié)構(gòu)與指令功能它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的,故又稱故又稱單片微控制器。單片微控制器。MCU (Microcontroller Unit)。單片機特點：單片機特點：嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的定義及體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機的基本組成單片機的基本組成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程什么是單片機什么是單片機內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊CPU（

11、中央處理單元）（中央處理單元） 運算器運算器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器存儲器存儲器lCPU（Central Processing Unit）l它是單片機的核心部件運算器控制器l運算器既是算術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic logic Unit)，l其功能是進行算術(shù)運算和邏輯運算。l主要負責對信息的加工處理。運算器不斷地從存儲器中得到要加工的數(shù)據(jù)，對其進行加、減、乘、除及各種邏輯運算，并將最后的結(jié)果送回存儲器中，整個過程在控制器的指揮下有條不紊地進行。 n控制器是CPU的神經(jīng)中樞n用于對指令進行解釋，控制邏輯運算單元的運行，同時控制計算機的各個部件有條不紊地工作。內(nèi)部總線

12、CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊單片機工作支撐模塊單片機工作支撐模塊l電壓調(diào)整器電壓調(diào)整器l時鐘時鐘l復(fù)位發(fā)生模塊復(fù)位發(fā)生模塊l看門狗看門狗l時鐘監(jiān)視器等時鐘監(jiān)視器等內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊?數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器n數(shù)據(jù)存儲器（RAM：Random Access Memory ） 在單片機中，用隨機存取的存儲器（RAM）來存儲數(shù)據(jù)，暫存運行期間的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、緩沖和標志位等，所

13、以稱之為數(shù)據(jù)存儲器。n程序存儲器（ROM：Read Only Memory ） 單片機的應(yīng)用中常常將開發(fā)調(diào)試成功后的應(yīng)用程序存儲在程序存儲器中，因為不再改變，所以這種存儲器都采用只讀存儲器ROM的形式。n RAM的特點是可讀也可寫，但是斷電后立即消失，所以，它只是用來暫存數(shù)據(jù)。nROM在單片機正常運行模式下，存儲器是只能讀不能寫的。只有在特殊模式下，才能將程序?qū)懙絉OM中。目前單片機中使用的只讀存儲器是Flash閃速存儲器，簡稱閃存。n與其他存儲器相比，與其他存儲器相比，F(xiàn)lashFlash具有以下特點：具有以下特點：非易失。不同于SRAM和DRAM，F(xiàn)lash不需要任何數(shù)據(jù)刷新機制，也不需要

14、維持工作電壓。可更新。在各種溫度條件下，可擦寫次數(shù)在10萬次以上，存儲數(shù)據(jù)可以保持10年以上。支持在線編程。允許單片機內(nèi)部的程序去改寫Flash。這一技術(shù)大大增加了單片機的應(yīng)用范圍和使用的方便性。內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊?通用通用I/O模塊模塊l所謂普通的I/O，即Input/Output基本的輸入輸出。l作為普通輸入引腳，MCU內(nèi)部程序可以讀取該引腳，知道該引腳是“1”（高電平）還是“0”（低電平），即開關(guān)量輸入。l作為普通輸出引腳，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出“1”或“0”，即開關(guān)量輸出

15、。l單片機上一般集成了多個I/O（Input/Output）接口l其中有通用并行I/O口（一般每口8個外部引腳）以及SCI、PWM、I2C、CAN等專用子系統(tǒng)。l復(fù)位后一般所有I/O引腳默認設(shè)置為通用I/O輸入，當專用子系統(tǒng)激活后，自動變更為專用功能。 內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊?A/D和和D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊l單片機可處理的信息均是數(shù)字量1和0。l單片機應(yīng)用中，有時需處理的信息不是數(shù)字量，而是一些隨時間連續(xù)變化的模擬量（時間連續(xù)、幅值連續(xù)），甚至是一些非電量，如溫度、壓力等。首先將非電的

16、模擬信號變成模擬的電信號，這要通過各種傳感器來完成。把要處理的模擬電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的電信號，這需要模擬(Analog)與數(shù)字(Digital)轉(zhuǎn)換電路。l將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。（A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，Analog to Digital Converter）lA/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。l將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器或DAC，Digital to Analog Converter）lD/A轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量的器件。D/

17、A轉(zhuǎn)換器基本上由4個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運算放大器、基準電源和模擬開關(guān)。DA轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器被控對象執(zhí)行機構(gòu)被控參數(shù)CPU內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊?串行通訊模塊串行通訊模塊n在計算機系統(tǒng)中，CPU和外部通信有兩種通信方式：并行通信和串行通信。 計算機1 GND 計算機2 GND并行通信 計算機1 GND 計算機2 GND發(fā)送接收串行通信n 串行通訊：一條信息的各位數(shù)據(jù)被串行通訊：一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位逐位按順序傳送的通按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。訊方式稱為串行通訊。 并并 行行

18、 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 傳傳 送送串串 行行 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 傳傳 送送原原 理理各數(shù)據(jù)位同時傳送各數(shù)據(jù)位同時傳送數(shù)據(jù)位按位順序進行數(shù)據(jù)位按位順序進行優(yōu)優(yōu) 點點傳送速度快、效率高傳送速度快、效率高最少只需一根傳輸線即可完成：成本低最少只需一根傳輸線即可完成：成本低缺缺 點點數(shù)據(jù)位數(shù)數(shù)據(jù)位數(shù)傳輸線根數(shù)：成本高傳輸線根數(shù)：成本高速度慢速度慢應(yīng)應(yīng) 用用傳送距離傳送距離30米，用于計算機內(nèi)部米，用于計算機內(nèi)部幾米幾千公里，用于計算機與外設(shè)之間幾米幾千公里，用于計算機與外設(shè)之間內(nèi)部總線CPU單片機工作支撐模塊數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器定時/計數(shù)器模塊串行通訊接口A/D轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊通用I/O模塊其他模塊?定時器定時

19、器/計數(shù)器模塊計數(shù)器模塊l在測量控制系統(tǒng)中，常需要有實時時鐘和計數(shù)器，在測量控制系統(tǒng)中，常需要有實時時鐘和計數(shù)器，實現(xiàn)實現(xiàn)l定時定時（或延時）控制（或延時）控制l對外界事件進行對外界事件進行計數(shù)計數(shù)。l生活中計數(shù)的例程處處可見。例：錄音機上的計數(shù)器、家里面用的電度表、汽車上的里程表等。l定時器計數(shù)器簡稱定時器，其作用主要包括產(chǎn)生各種時標間隔、記錄外部事件的數(shù)量等，是單片機中最常用、最基本的部件之一。 l單片機中的定時器和計數(shù)器是一個東西，只不過計數(shù)器是記錄的外界發(fā)生的事情，而定時器則是由單片機供給一個非常穩(wěn)定的計數(shù)源。l對外部輸入信號的計數(shù)功能。l定時功能。定時器/計數(shù)器的定時功能也是通過計數(shù)實現(xiàn)的，它的計數(shù)脈沖是由單片機的片內(nèi)振蕩器，即為對機器周期計數(shù)。脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM ）模塊）模塊nPWM（Pulse Width Modulate）即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動機驅(qū)動、D/A 變換等場合有著廣泛的應(yīng)用。周期指上圖中