第一章嵌入式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

教材實驗指導(dǎo)書課后輔導(dǎo)：二教306室QQ：191458401zhangsx程安排/p/zhangsxnet作業(yè)實驗考勤考試課堂提問課程活動：論文、競賽、科研項目考試實驗時間安排實驗地點：辦公樓7層嵌入式實驗室

一二三四五六1-2

FPGA原理電科111-2實驗(10~17周)嵌入式系統(tǒng)電子111實驗(9~16周)3-4

FPGA原理電科111-22108嵌入式系統(tǒng)電子111-22108

嵌入式系統(tǒng)電子111-23504FPGA原理電子111-25506

5-6

FPGA原理電子112實驗(10~17周)FPGA原理電子111-23204

FPGA原理電科111-231047-8FPGA原理電子111實驗(10~17周)嵌入式系統(tǒng)電子111-23001

嵌入式系統(tǒng)電子112實驗(9~16周)9-10

嵌入式系統(tǒng)電子111-22604

/嵌入式系統(tǒng)相關(guān)網(wǎng)站山東工商學(xué)院電子信息系嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識張守祥zhangsx@第一章1.2嵌入式系統(tǒng)的組成1.1嵌入式系統(tǒng)概述主要內(nèi)容1.4嵌入式系統(tǒng)開發(fā)概述1.3嵌入式操作系統(tǒng)舉例1.5嵌入式程序設(shè)計和分析1.7數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.6C語言的位運算嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、研究和學(xué)習(xí)現(xiàn)狀1

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)最熱門的研究學(xué)習(xí)領(lǐng)域之一，有著廣大的學(xué)習(xí)研發(fā)用戶群和潛力巨大的市場。不僅有微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套的軟件開發(fā)包。2

嵌入式系統(tǒng)要和各個不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合，要求更多的計算機(jī)以外的專業(yè)知識，其開發(fā)人員往往是各個應(yīng)用領(lǐng)域的專家。因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求。3

目前底層系統(tǒng)和硬件平臺已經(jīng)相對比較成熟，實現(xiàn)各種功能的芯片應(yīng)有盡有，巨大的市場需求給我們提供了學(xué)習(xí)和開發(fā)嵌入式技術(shù)的機(jī)遇。zhangsx@8嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用9什么是嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是一種應(yīng)用系統(tǒng)，它至少包含一個可編程的計算機(jī)(通常是某種形式的微控制器、微處理器或數(shù)字信號處理芯片)，且使用該系統(tǒng)的人一般并未意識到該系統(tǒng)是基于計算機(jī)的。zhangsx@10嵌入式系統(tǒng)運行模式SoC傳感器執(zhí)行器人機(jī)界面上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式仿真器宿主機(jī)SoC傳感器執(zhí)行器人機(jī)界面zhangsx@13簡單的嵌入式應(yīng)用簡單的嵌入式應(yīng)用不需要使用操作系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)上電后，main函數(shù)將被調(diào)用，首先初始化，然后進(jìn)入循環(huán)直到系統(tǒng)停電或者出現(xiàn)重大錯誤。超級循環(huán)voidmain(void){

X_init();//初始化 While(1)X();//實現(xiàn)的功能}zhangsx@14簡單的嵌入式應(yīng)用開發(fā)過程簡單的嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程在個人電腦上配置交叉開發(fā)環(huán)境安裝開發(fā)板(評估板)和仿真器編寫程序，交叉編譯調(diào)試軟、硬件利用仿真器將軟件燒到開發(fā)好的系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場運行測試15復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)確定需求根據(jù)需求選擇合適的硬件硬實時/軟實時系統(tǒng)？什么處理器？哪些輔助硬件？選擇嵌入式操作系統(tǒng)選擇開發(fā)平臺編程語言、軟件開發(fā)工具實際的開發(fā)平臺包括硬件開發(fā)平臺、操作系統(tǒng)、編程語言以及軟件開發(fā)工具zhangsx@16編寫并優(yōu)化代碼一般在主機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化工作。代碼優(yōu)化主要在軟件執(zhí)行速度和軟件尺寸之間取得平衡，滿足嵌入式系統(tǒng)對速度和存儲空間的限制。在嵌入式開發(fā)中，一般需要避免使用大型的軟件庫，避免使用遞歸編程，減少堆棧的消耗。在模擬器或者開發(fā)板上調(diào)試復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)開發(fā)模式首先在通用計算機(jī)上編寫程序，然后通過交叉編譯生成目標(biāo)平臺上可以運行的二進(jìn)制代碼格式，最后再下載到目標(biāo)平臺上的特定位置上運行。

宿主機(jī)(Host)宿主機(jī)的軟硬件資源比較豐富，不但包括功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)（如Windows和Linux），而且還有各種各樣優(yōu)秀的開發(fā)工具（如WindRiver的Tornado、Microsoft的EmbeddedVisualC++等），能夠大大提高嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)速度和效率。

目標(biāo)機(jī)(Target)它可以是嵌入式應(yīng)用軟件的實際運行環(huán)境，也可以是能夠替代實際運行環(huán)境的仿真系統(tǒng)，但軟硬件資源通常都比較有限。嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)特點一般包括交叉編譯器、交叉調(diào)試器和系統(tǒng)仿真器，其中交叉編譯器用于在宿主機(jī)上生成能在目標(biāo)機(jī)上運行的代碼，而交叉調(diào)試器和系統(tǒng)仿真器則用于在宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)間完成嵌入式軟件的調(diào)試。嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)過程首先利用宿主機(jī)上豐富的資源和良好的開發(fā)環(huán)境開發(fā)和仿真調(diào)試目標(biāo)機(jī)上的軟件。然后通過JTAG、串口或以太網(wǎng)絡(luò)連接將交叉編譯生成的目標(biāo)代碼傳輸并裝載到目標(biāo)機(jī)上。并在監(jiān)控程序或者操作系統(tǒng)的支持下利用交叉調(diào)試器進(jìn)行分析和調(diào)試。最后目標(biāo)機(jī)在特定環(huán)境下脫離宿主機(jī)單獨運行。★

加快軟件開發(fā)進(jìn)度

★

降低硬件調(diào)試成本

★

降低學(xué)習(xí)入門門檻軟件仿真技術(shù)——軟件仿真的優(yōu)點zhangsx@21嵌入式系統(tǒng)的實時性嵌入式系統(tǒng)一般具有實時的特點。

所謂實時系統(tǒng)是指在這種系統(tǒng)中，一個優(yōu)先級高的任務(wù)能夠得到立即的、沒有延遲的服務(wù)，不需要等待任何其他優(yōu)先級低的任務(wù)，一旦它得到CPU的使用權(quán)，將一直執(zhí)行直到工作結(jié)束或者出現(xiàn)更高級別的進(jìn)程。為了滿足這樣的需求，嵌入式操作系統(tǒng)必須具有高效的中斷處理能力和高效的IO能力CPU CentralProcessingUnit 中央處理器DSP DigitalSignalProcessor 數(shù)字信號處理器MCU MicroControlUnit 微控制器MPU MicroProcessorUnit 微處理器

CPU、MCU、MPU、DSP的區(qū)別MCU適合不同信息源的多種數(shù)據(jù)的處理診斷和運算，側(cè)重于控制，由于對體積、功耗、成本、開發(fā)難度等因素考慮一般集成了片上外圍器件，速度不是很高。DSP運算能力強(qiáng)，擅長很多的重復(fù)數(shù)據(jù)運算。MPU是高度集成通用結(jié)構(gòu)的處理器。CPU、MCU、MPU、DSP的區(qū)別型號架構(gòu)資源價格(元)AT89S518051最高頻率33MHz4KBFlash128B內(nèi)部RAM

32個可編程IO引腳兩個16bit的計數(shù)器一個UART口

4STM32F103ARMCortex-M3最高頻率72MHz64KBFlash20KBSRAM

80個可編程IO引腳2個12bit的ADC7通道DMA控制器標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試口(SWD和JTAG)

7個定時器USB接口2個I2C接口3個UART2個SPI接口

20S3C2410ARM9最高工作頻率200MHzSDRAM控制器LCD控制器

4通道DMA控制器3個UART2個SPI1個I2C接口IIS音頻接口SDHOST接口2個USB接口8個10bitADC攝像頭接口45OMAP3530ARMCortex-A8+DSP最高工作頻率1G240MHz視頻處理單元支持多種協(xié)議的實時編解碼圖形處理單元

視音頻接口以太網(wǎng)接口DDR控制器USBUART、IrDA、I2C、SPI150單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的價格比較zhangsx@25帶操作系統(tǒng)與不帶操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)的區(qū)別一個處理芯片不運行操作系統(tǒng)，稱為裸板程序，這個程序直接在板子上運行；基于操作系統(tǒng)的程序，在“別人的基礎(chǔ)上”更快更方便地實現(xiàn)自己的功能。26voidled_init(void){GPBCON=GPB5_out;//將LED對應(yīng)的GPB5引腳設(shè)為輸出}voidled_on(void){GPBDAT&=~(1<<5);}voidled_off(void){GPBDAT|=(1<<5);}單片機(jī)LED驅(qū)動程序27

#defineDEVICE_NAME"leds"/*加載模式后，執(zhí)行”cat/proc/devices”命令看到的設(shè)備名稱*/

#defineLED_MAJOR231//主設(shè)備號/*應(yīng)用程序執(zhí)行ioctl(fd,cmd,arg)時的第2個參數(shù)*/

#defineIOCTL_LED_ON0

#defineIOCTL_LED_OFF1//用來指定LED所用的GPIO引腳

staticunsignedlongled_table[]={

S3C2410_GPB5,

S3C2410_GPB6,

S3C2410_GPB7,

S3C2410_GPB8,

};//用來指定GPIO引腳的功能：輸出

staticunsignedintled_cfg_table[]={

S3C2410_GPB5_OUTP,

S3C2410_GPB6_OUTP,

S3C2410_GPB7_OUTP,

S3C2410_GPB8_OUTP,

};LinuxLED驅(qū)動程序28

//*應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件/dev/leds執(zhí)行open(...)時，就會調(diào)用s3c24xx_leds_open函數(shù)

staticints3c24xx_leds_open(structinode*inode,structfile*file)

{

inti;

for(i=0;i<4;i++){//設(shè)置GPIO引腳的功能：本驅(qū)動中LED所涉及的GPIO引腳設(shè)為輸出功能

s3c2410_gpio_cfgpin(led_table[i],led_cfg_table[i]);

}

return0;

}LinuxLED驅(qū)動程序29LinuxLED驅(qū)動程序//應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件/dev/leds執(zhí)行ioclt(...)時，就會調(diào)用s3c24xx_leds_ioctl函數(shù)

staticints3c24xx_leds_ioctl(

structinode*inode,

structfile*file,

unsignedintcmd,

unsignedlongarg)

{

if(arg>4)

return-EINVAL;

switch(cmd){

caseIOCTL_LED_ON:

//設(shè)置指定引腳的輸出電平為0

s3c2410_gpio_setpin(led_table[arg],0);

return0;

caseIOCTL_LED_OFF:

//設(shè)置指定引腳的輸出電平為1

s3c2410_gpio_setpin(led_table[arg],1);

return0;

default:

return-EINVAL;

}

}30LinuxLED驅(qū)動程序/*這個結(jié)構(gòu)是字符設(shè)備驅(qū)動程序的核心

*當(dāng)應(yīng)用程序操作設(shè)備文件時所調(diào)用的open、read、write等函數(shù)，

*最終會調(diào)用這個結(jié)構(gòu)中指定的對應(yīng)函數(shù)

*/

staticstructfile_operationss3c24xx_leds_fops={

.owner=THIS_MODULE,/*這是一個宏，推向編譯模塊時自動創(chuàng)建的__this_module變量*/

.open=s3c24xx_leds_open,

.ioctl=s3c24xx_leds_ioctl,

};

31LinuxLED驅(qū)動程序

//執(zhí)行insmod命令時就會調(diào)用這個函數(shù)

//

staticint__inits3c24xx_leds_init(void)

{

intret;

/*注冊字符設(shè)備

*參數(shù)為主設(shè)備號、設(shè)備名字、file_operations結(jié)構(gòu)；

*這樣，主設(shè)備號就和具體的file_operations結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來了，

*操作主設(shè)備為LED_MAJOR的設(shè)備文件時，就會調(diào)用s3c24xx_leds_fops中的相關(guān)成員函數(shù)

*LED_MAJOR可以設(shè)為0，表示由內(nèi)核自動分配主設(shè)備號

*/

ret=register_chrdev(LED_MAJOR,DEVICE_NAME,&s3c24xx_leds_fops);

if(ret<0){

printk(DEVICE_NAME"can'tregistermajornumber\n");

returnret;

}

printk(DEVICE_NAME"initialized\n");

return0;

}32LinuxLED驅(qū)動程序//執(zhí)行rmmod命令時就會調(diào)用這個函數(shù)

staticvoid__exits3c24xx_leds_exit(void)

{

/*卸載驅(qū)動程序*/

unregister_chrdev(LED_MAJOR,DEVICE_NAME);

}/*這兩行指定驅(qū)動程序的初始化函數(shù)和卸載函數(shù)*/

module_init(s3c24xx_leds_init);

module_exit(s3c24xx_leds_exit);zhangsx@33嵌入式系統(tǒng)硬件分類集成電路通用集成電路專用集成電路可編程集成電路74系列FPGA/CPLDASICSoCzhangsx@34嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)的處理器可以分為：微控制器MCU嵌入式微處理器MPU

數(shù)字信號處理器DSP

可編程芯片F(xiàn)PGA多核處理器MCU開發(fā)趨勢MCU發(fā)展給開發(fā)工具帶來的挑戰(zhàn)集成開發(fā)環(huán)境調(diào)試、跟蹤、分析工具軟件仿真技術(shù)圖形化開發(fā)工具高效編譯工具M(jìn)CU發(fā)展對工具的挑戰(zhàn)——MCU的發(fā)展趨勢而32位MCU市場增長速度超過了半導(dǎo)體市場其它部分的增長速度8位MCU市場的份額過去幾年時間里則有所下降16位MCU市場的份額增長幅度不大32位MCU的特性:■集成了復(fù)雜的模擬功能；■

大規(guī)模的內(nèi)存、高性能的內(nèi)核；■高度集成和軟件維護(hù)方面的優(yōu)勢；■在軟件編程維護(hù)方面比8位、16位MCU有著天然的優(yōu)勢；并且提供了更大的尋址空間和更高的處理器性能；■高性價比、低功耗。MCU發(fā)展對工具的挑戰(zhàn)——MCU的發(fā)展趨勢典型的32位MCU：Cortex-M3■哈佛結(jié)構(gòu)；■

1.25DMIPS/MHz和0.19mW/MHz；■

Thumb-2指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能；■單周期乘法指令和硬件除法指令；■內(nèi)置了快速的中斷控制器；■優(yōu)越的實時特性；■中斷間的延遲時間降到只需6個CPU周期；■低功耗模式喚醒的時間只需6個CPU周期；■與ARM7TDMI?相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45%?；贑ortex-M3的產(chǎn)品:LuminaryMicro公司的Stellaris系列ST公司的STM32系列……Keil

RVDS、MDK

MPLABVisualDSP++

XilinxPlatformStudio

NiosIIIDE

Workbench

IAREWARM

MCU發(fā)展對工具的挑戰(zhàn)——工程師需要什么工具？MULTICodeWarrior怎么選擇？DynamicC高性能的編譯工具—三類編譯工具免費編譯工具—GCC工具商編譯工具—KeilC、WindRiverCompiler、IARCompiler……芯片設(shè)計商編譯工具—RVCT、MPISSDEGNUTools推薦—MCU開發(fā)工具IAREWARMKeilMDKzhangsx@41嵌入式操作系統(tǒng)分類硬實時系統(tǒng)確保系統(tǒng)中的關(guān)鍵任務(wù)在確定的時間得到響應(yīng)，不能有失敗的情況，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重后果軟實時系統(tǒng)設(shè)計的時候是有響應(yīng)時間要求的，但是偶爾某些任務(wù)的響應(yīng)時間超過這個限制也不會有嚴(yán)重的后果非實時系統(tǒng)無響應(yīng)時間的要求zhangsx@42嵌入式操作系統(tǒng)一覽zhangsx@43常見嵌入式操作系統(tǒng)(第一類）第一類以Wince、Linux、Android為代表屬于大型操作系統(tǒng)，擁有內(nèi)核任務(wù)調(diào)度、菜單界面、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、文件存儲、外設(shè)驅(qū)動等一系列完善的功能，但這類操作系統(tǒng)屬于非實時操作系統(tǒng)，往往用于辦公、娛樂、人機(jī)接口等對時間要求不高的場合。此外因為功能太完善，對硬件的要求很高，最低配置CPU需要ARM9200MHz，內(nèi)存需要32MByte，支持MMU內(nèi)存管理單元，標(biāo)配彩屏。zhangsx@44常見嵌入式操作系統(tǒng)（第二類）第二類以VxWorks為代表屬于功能豐富的嵌入式實時操作系統(tǒng)，功能豐富。往往用于高實時、高可靠的軍工、航空航天、工業(yè)自動化領(lǐng)域，對硬件要求也比較高。zhangsx@45常見嵌入式操作系統(tǒng)（第三類）第三類以uC/OS-II為代表只有一個搶占式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的任務(wù)內(nèi)核，此外還提供一些內(nèi)核管理的函數(shù)接口及必要的擴(kuò)展功能，其它的功能庫如菜單界面、網(wǎng)絡(luò)等都需要自己擴(kuò)展，這類操作系統(tǒng)主要應(yīng)用于中低端小型的項目中，成本要求高，需求多樣，但一般不是很復(fù)雜，實時性有要求，但不苛刻，往往都是消費類或者一般的工業(yè)自動化設(shè)備，比如白色家電的控制系統(tǒng)、小型監(jiān)控、傳感器的測試平臺、儀器儀表、小型工業(yè)自動化領(lǐng)域取代PLC，降低成本等。zhangsx@46uC/OSII免費的公開源碼實時操作系統(tǒng)內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度和管理、時鐘管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能最多支持64個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級可剝奪實時多任務(wù)內(nèi)核調(diào)度工作的內(nèi)容分為兩部分：最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹zhangsx@47內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求來設(shè)計實現(xiàn)的，相對比較簡單，可以滿足較高的實時性要求

但是沒有網(wǎng)絡(luò)功能和文件系統(tǒng)，對于像媒體播放、需要網(wǎng)絡(luò)和圖形界面支持的應(yīng)用就比較差uC/OSII幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹zhangsx@48幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹uC/OSIIWindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks嵌入式Linux幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹zhangsx@49VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks是風(fēng)河（WindRiver）公司開發(fā)的一款商用硬實時操作系統(tǒng)支持主流的32位CPU，包括x86、68K、PowerPC、MIPS、ARM等基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，由400多個相對獨立的，短小精悍的目標(biāo)模塊組成，可裁剪性和可配置性相當(dāng)出色幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹zhangsx@50VxWorks的評價Vxworks是一款非常出色的嵌入式實時操作系統(tǒng)，但是它是不公開源碼的商業(yè)化操作系統(tǒng)，價格比較高為追求系統(tǒng)的實時性而設(shè)計的，并不是以通用OS為設(shè)計目標(biāo)。去掉了一些OS模塊，因為這些模塊在某種程度上會影響系統(tǒng)的實時性（如在內(nèi)存管理中沒有采用頁面管理模式，采用的是平板式內(nèi)