第1章 單片機的基礎知識1

單片機原理與應用長沙理工大學電氣與信息學院

李鴻2024/1/191電氣與信息學院李鴻課程安排理論課:講述基本原理結構和方法實驗課:根據(jù)實驗指導書的要求自己完成參考書:單

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用李鴻主編

2024/1/192電氣與信息學院李鴻課程安排授課方式（總學時56）：46+10學時考核方式與成績

考試70%，平時+實驗30％

教師聯(lián)系方式

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綜合實驗樓，B510,D407室2024/1/193電氣與信息學院李鴻涉及內容嵌入式計算機系統(tǒng)的概念MCS-51的基本硬件結構程序設計定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)串行口存儲器接口設計2024/1/194電氣與信息學院李鴻第一章 嵌入式系統(tǒng)簡介第二章MCS-51單片機的結構第三章MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)第四章MCS-51系列單片機的程序設計第五章 MCS-51單片機的功能部件第六章MCS-51系列單片機接口技術第七章 單片機應用系統(tǒng)設計第八章單片機的C語言應用程序設計目錄第九章具有MCS-51內核的單片機簡介2024/1/195電氣與信息學院李鴻課程要求本課程是實踐性較強的課程。通過課程的學習，掌握軟件編程和硬件電路設計的方法，能夠進行單片機應用系統(tǒng)的設計、調試工作。2024/1/196電氣與信息學院李鴻緒論

－－嵌入式計算機系統(tǒng)2024/1/197電氣與信息學院李鴻緒論嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)并不是最近出現(xiàn)的新技術，只是隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，微控制芯片功能越來越強大。嵌入了微控制芯片的設備和系統(tǒng)越來越多，從而使得這種技術越來越引人注目。2024/1/198電氣與信息學院李鴻緒論嵌入式系統(tǒng)可以說是無處不在。從簡單的電子體溫計到飛機的自動導航系統(tǒng)都是典型的微處理器嵌入式控制的系統(tǒng)。2024/1/199電氣與信息學院李鴻緒論實時嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術以及各行業(yè)的具體應用相結合的產物，這就決定了它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。2024/1/1910電氣與信息學院李鴻緒論

嵌入式系統(tǒng)已廣泛用于信息家電、移動通信、手持信息設備以及工業(yè)控制等領域。2024/1/1911電氣與信息學院李鴻主要難題：緒論如何針對某個特定的要求，設計出功耗低、精度高、實時性好、抗干擾能力強、價格低的實時嵌入式系統(tǒng)，并使其成功的運轉以滿足用戶的需求。2024/1/1912電氣與信息學院李鴻第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)概論2024/1/1913電氣與信息學院李鴻§1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念與特點

一、嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）定義：

嵌入式系統(tǒng)是指用于實時控制、監(jiān)視、管理或輔助其他設備運行的設備，可以是專用或多用途（但一般具有可編程的特性）的設備，“嵌入”意味著這些系統(tǒng)本身與所控制和管理的系統(tǒng)融為一體的，是其中的一個有機組成部分，是各種控制系統(tǒng)的基本構造單元。2024/1/1914電氣與信息學院李鴻由上面的定義，可以看出嵌入式系統(tǒng)的一些特征：1.嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應用為目的的計算機系統(tǒng)。

電子計算機是為解決海量數(shù)值計算而發(fā)明和發(fā)展起來的。而微型機一旦進入對象體系中后，便失去了通用計算機的形態(tài)和功能，變成了形形色色的自動化系統(tǒng)。從而導致了現(xiàn)代計算機技術的兩大分支：通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)。2024/1/1915電氣與信息學院李鴻2.單片機是以嵌入式應用為唯一目的的典型的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式應用分微控制器（Micro－control—MCU）和嵌入式微處理器（EmbeddedMicroprocessor—MPU）應用兩種。微控制器即俗稱為單片機（SingleChipComputer），設計的目標就是面向控制，面向嵌入式應用的。2024/1/1916電氣與信息學院李鴻3.嵌入式系統(tǒng)的組成：

一般由：嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序等四個部分組成。通常，嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序（包括操作系統(tǒng)）和應用程序是渾然一體的。這些程序被編譯連接成一個可以執(zhí)行的二進制映象文件（image），并被固化在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)復位后自動執(zhí)行。2024/1/1917電氣與信息學院李鴻4.嵌入式系統(tǒng)的分類：按形式上可以分為三大類，即（1）系統(tǒng)級：

為各種類型的工控機，如STD工控機、工業(yè)PC等。例：將工控機嵌入到艦船上構成航行自動駕駛儀。（2）板級：

各種類型的帶CPU的主板。（3）器件級：

以單片機最為典型。2024/1/1918電氣與信息學院李鴻二、嵌入式系統(tǒng)的特點：1.系統(tǒng)的復雜性

據(jù)估計，大約有100～250億個嵌入式系統(tǒng)正在使用，分布在十分廣泛的范圍，幾乎所有的現(xiàn)代電子設備中都有嵌入式系統(tǒng)，功能各異，復雜程度可想而知。2024/1/1919電氣與信息學院李鴻2.系統(tǒng)的實時性

嵌入式系統(tǒng)多數(shù)與生產過程的實時控制相關。生產過程本身的特性往往決定了這類系統(tǒng)不可能隨意中斷正常的生產過程去進行測試或維修。多數(shù)造價昂貴的嵌入式系統(tǒng)也往往沒有備份系統(tǒng)，實時診斷的難度也相應增加。2024/1/1920電氣與信息學院李鴻3.系統(tǒng)的可靠性

嵌入式系統(tǒng)在一些關鍵系統(tǒng)的控制過程中得到廣泛應用（如：鋼鐵、石化等企業(yè)）。控制系統(tǒng)的任何微小的錯誤都可能導致整個生產過程的中斷和巨額的經(jīng)濟損失。嵌入式計算機隱藏在系統(tǒng)或設備中，用戶很難直接接觸控制，一旦工作就要求它可靠運行。嵌入式產品的使用人員多為非計算機專業(yè)人士，使用環(huán)境不定，往往條件惡劣（高溫、高濕、多塵、強電磁干擾等)。2024/1/1921電氣與信息學院李鴻4.系統(tǒng)的專用性

用途固定，通常執(zhí)行特定功能，用于特定設備，完成特定的任務。5.技術密集

是計算機技術、微電子技術和行業(yè)技術相結合的產物，必然是一個技術密集，不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。6.開發(fā)困難

嵌入式系統(tǒng)往往本身不具備自舉開發(fā)能力，必須要一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。其開發(fā)系統(tǒng)與實際運行的系統(tǒng)并不相同，需要交叉編譯系統(tǒng)和適當?shù)恼{試系統(tǒng)。2024/1/1922電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用

嵌入式系統(tǒng)已廣泛應用于信息家電、移動通信、手持信息設備以及工業(yè)控制等領域。用于實現(xiàn)對宿主設備的控制、監(jiān)視或管理。應用范圍十分廣泛，因此不存在所謂嵌入式系統(tǒng)的典型應用。2024/1/1923電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用2024/1/1924電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用1.制造與過程控制

自動化工廠、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人物流小車、機器人、加工中心、核電站、污水處理系統(tǒng)、發(fā)（變）電站、能源控制系統(tǒng)、石化企業(yè)的控制設備、建筑設備等。2024/1/1925電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用2.運輸

交通指揮系統(tǒng)、售票系統(tǒng)、航空、鐵路、公路運輸系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、檢票系統(tǒng)等。2024/1/1926電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用3.建筑設施

電力供應、備用電源、火警報警與控制系統(tǒng)、供熱與通風系統(tǒng)、電梯、車庫、安防系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視、溫濕度控制等。2024/1/1927電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用4.通信

電話交換機、衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（GPS）、移動電話等。5.辦公設備電話系統(tǒng)、傳真系統(tǒng)、復印機、照相機和攝像機、商用電腦、掌上電腦等。2024/1/1928電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用6.銀行和金融

自動柜員機、信用卡系統(tǒng)、驗鈔機、點鈔機、安全系統(tǒng)等。7.醫(yī)療診斷監(jiān)視系統(tǒng)心臟起搏器、理療控制系統(tǒng)、熱療機、X光設備、電磁成像系統(tǒng)等。2024/1/1929電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用8.家庭中的應用

每個家庭使用的嵌入式處理器約30～40個。一臺PC機中就可能使用了10來個嵌入式處理器。其他家電中，電冰箱、微波爐、洗衣機、錄像機、電子鐘、洗碗機、DVD播放機、電視機、音響設備、通用遙控器、電子玩具、電子寵物等。2024/1/1930電氣與信息學院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應用9.汽車中的嵌入式系統(tǒng)

汽車內部正迅速發(fā)展成為一個具有相當規(guī)模的局域網(wǎng)，如CAN（控制局域網(wǎng)）總線網(wǎng)絡。汽車中的GPS系統(tǒng)與電子導航系統(tǒng)（電子地圖）、防碰撞系統(tǒng)（安全氣囊）、油/氣比控制、車用電腦、音響、車燈、智能化的側視鏡。據(jù)資料介紹，S級的梅塞德斯轎車，每輛車內平均裝有64個微處理器。2024/1/1931電氣與信息學院李鴻§1.1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點和要求一、嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)

從某種意義上說，通用計算機行業(yè)的技術是壟斷的。當代的通用計算機工業(yè)被認為是由Wintel（Microsoft和Intel90年代初建立的聯(lián)盟）壟斷的工業(yè)。嵌入式系統(tǒng)則是一個分散的工業(yè)，充滿了競爭、機遇與創(chuàng)新，沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷市場。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎是以應用為中心的“芯片”設計和面向應用的軟件產品開發(fā)。2024/1/1932電氣與信息學院李鴻二、嵌入式系統(tǒng)具有的產品特征1.嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的。如果獨立于應用自行發(fā)展，則會失去市場。因此，嵌入式處理器的功能、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約。2024/1/1933電氣與信息學院李鴻2.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設

計，量體裁衣，去除冗余。3.嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機的結合在一起，它的升級換代也是和具體的產品同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。2024/1/1934電氣與信息學院李鴻4.嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性。一個體系結構一般要存在8～10年的時間。一個體系結構及其相關的片上外設、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應用產品是一套復雜的知識系統(tǒng)。因此，用戶和半導體廠商都不會輕易的放棄一種處理器。2024/1/1935電氣與信息學院李鴻5.嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在ROM中，其應用軟件生命周期也和嵌入式產品一樣長，常強調可繼承性和技術銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。2024/1/1936電氣與信息學院李鴻§1.1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點和要求三、嵌入式系統(tǒng)軟件的特征

嵌入式處理器的應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，其特征主要有：1.軟件要求固態(tài)化存儲。2.軟件代碼高質量、高可靠性：以減少程序二進制代碼的長度，提高執(zhí)行速度。2024/1/1937電氣與信息學院李鴻3.系統(tǒng)軟件（OS）的高實時性是基本要求在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵。這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。2024/1/1938電氣與信息學院李鴻4.嵌入式系統(tǒng)軟件一般需要RTOS開發(fā)平臺雖然嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有OS直接在“裸機”上運行，但是為了合理的調度多任務。利用系統(tǒng)資源系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性和可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。2024/1/1939電氣與信息學院李鴻四、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)的能力，設計完成后，用戶必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能方便的對其硬件、軟件進行調試與修改。2024/1/1940電氣與信息學院李鴻五、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應用專家為主

嵌入式系統(tǒng)要和各個不同行業(yè)的應用相結合，要求更多的計算機以外的專業(yè)知識，其開發(fā)人員往往是各個應用領域的專家。因此對開發(fā)工具的基本要求是易學、易用、高效、可靠。返回目錄下一節(jié)2024/1/1941電氣與信息學院李鴻嵌入式系統(tǒng)的特點：1.系統(tǒng)的復雜性2.系統(tǒng)的實時性3.系統(tǒng)的可靠性4.系統(tǒng)的專用性5.技術密集6.開發(fā)困難2024/1/1942電氣與信息學院李鴻第二節(jié)

嵌入式系統(tǒng)的硬件介紹

2024/1/1943電氣與信息學院李鴻§1.2.1 嵌入式系統(tǒng)微處理器的發(fā)展

一、嵌入式系統(tǒng)微處理器的分類與發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)微處理器在目前的嵌入式系統(tǒng)硬件設計上占了很大的影響力，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須要從琳瑯滿目的嵌入式系統(tǒng)微處理器中選擇一個最適當?shù)奈⑻幚砥鳟a品作為嵌入式系統(tǒng)控制核心，才能夠兼具低成本、高效率的產品優(yōu)勢。以微處理器在單一指令內所能處理的位數(shù)來衡量，嵌入式微處理器的發(fā)展可以分為以下幾個階段。2024/1/1944電氣與信息學院李鴻表1.2.1以位數(shù)來對嵌入式系統(tǒng)微處理器分類

4位

8位16位32位64位嵌入式微處理器（單片機型）

TMS1000COPS

8048/49/508051/52,Z86801/04/05

8096/9768200

ARMRISCcoreMIPS32BitsRISCcore

MIPS64BitsRISCcore嵌入式微處理器（一般用途型）

4004，40408085，Z8068026809650280868018680286Z8000

803868048668000/10/20/30/40

PentiumⅡ/Ⅲ

2024/1/1945電氣與信息學院李鴻二、CISC和RISC

兩種不同結構的微處理器：CISC—ComplexInstructionSetComputer

復雜指令集計算機RISC—ReducedInstructionSetComputer

精簡指令集計算機2024/1/1946電氣與信息學院李鴻RISC與CISC相比具有如下特點：1)．

使用相當少的指令類別及尋址方式2)．在單一執(zhí)行的周期內完成指令3)．

CPU中擁有更多的寄存器4)．

使用最優(yōu)的程序代碼編譯

由于RISC架構的CPU的硬件設計單純，成本低廉、省電效益佳等特點，深受嵌入式系統(tǒng)產品的歡迎。

2024/1/1947電氣與信息學院李鴻三、數(shù)字信號處理器（DSP）

即DigitalSignalProcess是專門處理數(shù)字信號數(shù)據(jù)的微處理器，基本上DSP是針對特定的任務而發(fā)展的一種微處理器。

DSP最重要的是大量的即時運算功能；最基本的運算功能是乘法與加法運算如：Σaibi

。DSP的內置硬件構架可以在很短的時間內處理如離散傅立葉轉換之類的復雜的加法和乘法問題。

2024/1/1948電氣與信息學院李鴻§1.2.2 嵌入式應用的開發(fā)設計技術

一、嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)的特征

嵌入式應用常將性能要求放在第一位

與通用計算機相比，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件更關注時間限制、性能約束和對外交互等問題。即它不但要求滿足功能要求，還要求滿足性能需求，甚至將性能需求放在第一位。

2024/1/1949電氣與信息學院李鴻2.性能要求體現(xiàn)在限定時間的約束或代碼大小的約束上，如：

一個處理算法能否滿足嚴格的時間約束，是否需要建造特殊的硬件來完成其任務？OS能否滿足高效的中斷處理、多任務和通信的要求？編程語言能否支持并發(fā)程序的設計，等等2024/1/1950電氣與信息學院李鴻3.結論：

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不僅要考慮軟件的設計，同時還要考慮硬件的設計，不但要考慮功能的設計，還要考慮性能的設計。

事實上，嵌入式系統(tǒng)的最大問題是設計問題，而不是實現(xiàn)問題。

2024/1/1951電氣與信息學院李鴻二.嵌入式系統(tǒng)設計的3個層次

1.第一層次：以PCBCAD軟件和ICE為主要工具的設計方法。

PCBCAD—印制板計算機輔助設計軟件和PROTEL99ICE—在線（聯(lián)機）仿真器。這是至今國內單片機應用系統(tǒng)開發(fā)人員一直沿用的方法：

2024/1/1952電氣與信息學院李鴻系統(tǒng)總體設計選購通用元器件功能檢驗設計電氣原理圖設計PCB板圖PCB板加工、焊接硬件調試模塊劃分流程(算法)設計編碼軟件聯(lián)調聯(lián)調“產品定型”硬件設計軟件設計2024/1/1953電氣與信息學院李鴻2.第二層次：以EDA工具軟件和EOS為開發(fā)平臺的設計方法。

EDA—電子設計自動化EOS—嵌入式實時操作系統(tǒng)

這是一種利用各種通用的可編程半定制邏輯器件來設計和制作部分專用的大規(guī)模集成電路（ASIC），然后將ASIC、可編程外圍器件、μc或μp在PCB板上布局、布線以構成系統(tǒng)的設計方法。

2024/1/1954電氣與信息學院李鴻其中關鍵是ASIC的開發(fā)與設計，即硬件設計人員從過去選擇和使用標準通用IC，逐步轉向自己設計和制作部分專用的IC器件。

作為ASIC基礎的半定制邏輯器件經(jīng)歷了如下發(fā)展過程：

2024/1/1955電氣與信息學院李鴻PLA—可編程邏輯陣列；PAL—可編程陣列邏輯；GAL—通用陣列邏輯；CPLD—復雜可編程邏輯器件；FPGA—現(xiàn)場可編程門陣列。

發(fā)展的趨勢是：集成度、速度不斷提高；功能不斷增強；結構更合理；使用更方便、靈活。

2024/1/1956電氣與信息學院李鴻3.第三層次：以IP內核庫為基礎，用軟、硬件協(xié)同設計的設計方法。

*.IP（IntellectualProperty知識產權）內核模塊是一種預先設計好的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。

*.IP有三種不同的形式：

2024/1/1957電氣與信息學院李鴻

(1)軟IP內核（softIPcore）: 主要描述功能行為（behavior）提交給用戶的是經(jīng)過行為級設計優(yōu)化和功能驗證的HDL（硬件描述語言）文本。亦稱為虛擬器件。

2024/1/1958電氣與信息學院李鴻(2)硬IP內核（firmIPcore）：基于物理（physical）描述并經(jīng)過工藝驗證，是基于某種半導體工藝的物理設計，提供給用戶的是電路物理結構掩膜版圖和全套工藝文件，即可以拿了就用的全套技術。

2024/1/1959電氣與信息學院李鴻(3)固IP內核（firmIPcore）：完成結構（structure）描述，設計的深度介于軟IP內核和硬IP內核之間。提供給用戶的一般是門電路級網(wǎng)表。

軟IP內核、固IP內核、硬IP內核相當于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。

2024/1/1960電氣與信息學院李鴻常用的IP內核模塊有：

各種CPU（如：32/64位CISC/RISC結構的CPU）；

各種微控制器/單片機（8/16）；

32/64位DSP、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、USB、PCI、網(wǎng)絡單元、編譯器、編碼/解碼器、模擬器件模塊等。

2024/1/1961電氣與信息學院李鴻豐富的IP內核模塊庫為快速地設計專用集成電路和單片系統(tǒng)SOC（SystemOnChip）以盡快占領市場提供了基本保證。

從20世紀90年代開始的，由“集成電路”級設計不斷轉向“集成系統(tǒng)”級設計，目前已進入SOC設計階段。

2024/1/1962電氣與信息學院李鴻SOC的設計方法不是把系統(tǒng)所需要的所有的集成電路簡單地二次集成到1個芯片上，這樣實現(xiàn)的系統(tǒng)是不可能達到SOC所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標的。

一個最有效的途徑（高速、高可靠性）便是通過授權使用成熟優(yōu)化的IP內核模塊來進行設計集成和二次開發(fā)。

2024/1/1963電氣與信息學院李鴻4.三個層次的設計方法并行存在，各有應用范圍，不會簡單地用后者取代前者。

初級應用設計人員會以第一種方法為主，富有經(jīng)驗和一定條件的設計人員會以第二種方法為主；很專業(yè)且具有相當條件的設計人員會以第三種方法進行簡單的SOC的設計和應用。但所有的設計人員都可以應用大廠商推出的用第三種方法設計的專用SOC。

2024/1/1964電氣與信息學院李鴻復雜的SOC只有那些有相當?shù)哪芰蛯嵙Φ陌雽w大廠商才能設計和實現(xiàn)。

如：TI、philips、WINBOND和Atmel等廠商就是通過Intel授權，用其MCS-51的IP內核模塊結合自己的特長，開發(fā)出有個性的與IntelMCS-51兼容的單片機，如：P80CL51、AT89C51、AT89C2051、9058515、W78E516等。

2024/1/1965電氣與信息學院李鴻§1.2.3SOC嵌入式微處理器

一.定義

SOC（SystemOnChip）嵌入式微處理器，顧名思義，是單個芯片上構成的系統(tǒng)，它結合了許多功能模塊，做在一個芯片上。例如：DSP微處理器加通信接口單元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。2024/1/1966電氣與信息學院李鴻二.SOC嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點：

*.高密度—高集成度；*.低電壓、低功耗—利用改變內部工作電壓，降低芯片功耗；*.高速度—減少了各單元電路及電路板上的信號傳遞，整體上提高了μp的運行速度；*.高抗干擾性能—內嵌的線路，大大避免了外部電路板在信號傳遞時造成的損耗和干擾。2024/1/1967電氣與信息學院李鴻注1：

SOC并不是簡單的將所要的集成電路二次集成到一個芯片上，而是在全新理念上通過系統(tǒng)硬、軟件協(xié)同設計，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。

2024/1/1968電氣與信息學院李鴻注2：SOC與單片機的區(qū)別：SOC使單片機應用技術發(fā)生了革命性的變化：從選擇廠家提供的定制產品時代進入了由用戶自行開發(fā)設計器件的時代。(2)SOC設計中，設計者面對的不再是電路芯片，而是能實現(xiàn)設計功能的IP模塊庫，即SOC設計的觀念是：“設計自己的專用集成電路”。

2024/1/1969電氣與信息學院李鴻三.RISC結合DSP的SOC嵌入式系統(tǒng)微處理器

DSP—DigitalSignalProcessRISC—ReducedInstructionSetComputer

DSP的龍頭老大德州儀器公司倚仗性能優(yōu)越的DSP處理器稱霸世界DSP市場。最近推出的一項非常先進的SOC嵌入式系統(tǒng)微處理器技術，稱為OMAP。

2024/1/1970電氣與信息學院李鴻OMAP—OpenMultimediaApplicationPlatform開放式多媒體應用平臺，其構成為：DSP+RISC(ARM)+若干外圍電路模塊代表芯片為OMAP1510，其結構見圖:

2024/1/1971電氣與信息學院李鴻OMAP1510硬件結構框圖2024/1/1972電氣與信息學院李鴻主要應用于實時的多媒體影音數(shù)據(jù)處理、語音識別系統(tǒng)、因特網(wǎng)通信、無線通信與電子商務等。上圖中，DSP或ARM微處理器分別完成各自的操作或運算，兩者之間通過DSP/BIOSBridge接口交換數(shù)據(jù)。

2024/1/1973電氣與信息學院李鴻四.整合型嵌入式系統(tǒng)微處理器1.ARM公司ARMRISC架構微處理器

ARM公司是一家提供RISC架構嵌入式系統(tǒng)微處理器的公司，位于英國，成立于1990年11月。ARM公司既不生產芯片，也不銷售芯片，它只出售芯片技術授權。采用ARM技術IP核的微處理器遍及汽車、消費電子、成像、工業(yè)控制、海量存儲、網(wǎng)絡、安保和無線等各類產品市場。

2024/1/1974電氣與信息學院李鴻ARM嵌入式處理器是一種16/32位的高性能、低功耗的RISC芯片。世界上幾乎所有的主要半導體廠商都生產基于ARM體系結構的通用芯片，或在其專用芯片中嵌入ARM的相關技術。如：TI、Intel、Motorola、Atmel、Philips、Nec、Sharp、NS、Hynix……2001年基于ARM內核的處理器已占據(jù)了32位RISC芯片75％的市場份額，可以說ARM技術幾乎無處不在。

2024/1/1975電氣與信息學院李鴻ARMRISC架構微處理器系列目前主要分為幾個家族產品，分別為ARM7Thumb、ARM9Thumb、ARM10Thumb以及StrongARM等家族。其中StrongARM已有Intel公司取得專用授權，只能由Intel公司從事StrongARM架構微處理器的改進與生產。

2024/1/1976電氣與信息學院李鴻(1)ARM7Thumb系列

含ARM710T、ARM720T、ARM740T是一種以ARM7TDMI微處理器為運算核心的RISC架構的32位嵌入式系統(tǒng)微處理器。它面向中初級市場應用，強調價格與傳統(tǒng)的8位或16位的嵌入式系統(tǒng)微處理器相差不大，卻擁有32位CPU的執(zhí)行效率，很受市場的歡迎。

2024/1/1977電氣與信息學院李鴻ARM7Thumb家族的特性：

*.擁有32位的ALU、寄存器、移位寄存器；*.擁有32位的尋址模式；*.擁有32×8DSP乘法器，可以做數(shù)字信號處理；*.擁有16位的Thumb指令集。

Thumb是將ARM指令集的一個子集重新編碼而形成的一個指令集，即將部分32位的ARM指令壓縮成16位而得到密度更高的代碼。使用Thumb指令集可以以16位的系統(tǒng)開銷得到32位的系統(tǒng)性能。

2024/1/1978電氣與信息學院李鴻(2)ARM9Thumb系列

使用ARM9TDMI處理器內核，包括ARM920T、ARM922T和ARM940T，3種類型。

ARM920T與ARM940T微處理器核心架構如下圖所示2024/1/1979電氣與信息學院李鴻ARM940T微處理器核心架構圖4K字節(jié)指令快取內存4K字節(jié)數(shù)據(jù)快取內存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫入緩沖器AMBA總線處2024/1/1980電氣與信息學院李鴻ARM920T微處理器核心架構圖

4K字節(jié)指令快取內存4K字節(jié)數(shù)據(jù)快取內存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫入緩沖器AMBA總線處EMI接口2024/1/1981電氣與信息學院李鴻(3)ARM10Thumb系列針對更強大的多媒體市場及更有效率的即時數(shù)據(jù)處理等用途所設計的ARMRISC64位架構微處理器。包括：

ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S3種類型。最高頻率為300MHZ，具有32K字節(jié)的數(shù)據(jù)快取內存（DCache）和32K字節(jié)的指令快取內存（ICache）。2024/1/1982電氣與信息學院李鴻ARMRISC嵌入式微處理器的應用范圍：*.無線通信設備如：移動電話、筆記本電腦、Internet設備等。*.數(shù)字消費設備如：機頂盒、MP3和MPEG4播放器等。*.成像設備如：激光打印機、數(shù)碼照相機和攝像機等。*.工業(yè)控制如：馬達控制（運動控制器芯片）和能量控制等。*.汽車、通信和信息系統(tǒng)等。2024/1/1983電氣與信息學院李鴻最具代表性的為SA1110是采用ARMV4設計出來，具有以下功能：（4）StrongARM微處理器家族共包含有4種不同的微處理器：StrongARM110、SA1100、AS1110、SA1111均為32位。2024/1/1984電氣與信息學院李鴻1）總線工作頻率最高可達100MHZ2）含有16KB的指令快取內存（CACHES）3）含有8KB的數(shù)據(jù)快取內存（CACHES）4）提供一個外圍裝置控制模塊，用來控制與SA1110相連的外圍設備，如：LCD顯示器、USB控制器、紅外線（IrDA）控制器、UART等。5）支持各種協(xié)議的控制接口如：MotorolaSPI、NationalMicroWire、TISynchronousSerial、以及PhillipsUCB1100與UCB1200protocol等。2024/1/1985電氣與信息學院李鴻StrongARM主要應用在掌上電腦，如：Compaq公司的IPAQH3630、大眾公司的LEOE300等。2024/1/1986電氣與信息學院李鴻§1.2.4嵌入式微處理器的技術進步集成了越來越多的部件，如：定時器、比較器、A/D、D/A、串行口、WatchDog、LCD控制器、CAN網(wǎng)路控制模塊。也有采用三核（TnCore）結構，一片內含有三個CPU，各負其責。一、內部結構的進步2024/1/1987電氣與信息學院李鴻二、功耗、封裝的進步設置了多種降低功耗的方式，如：等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等，如Philips公司的P87LPC762單片機，空閑時消耗電流為1.5mA，封裝大量采用貼片工藝，以大量減小體積。2024/1/1988電氣與信息學院李鴻三、電源電壓的進步擴大了電源電壓的范圍，使得微處理器在較低電壓上仍然能工作，是目前的發(fā)展目標之一，一般單片機可在3.3～5.5V，有一些可達到2.2～6V的指標。Motorola的8位MCUHCS08系列，工作電壓為1.8V，而性能卻與許多16位MCU相當。

2024/1/1989電氣與信息學院李鴻四、制造工藝的進步基本上采用CMOS技術，大多采用0.6μm以上的光刻工藝，個別公司如：Motorola已采用了0.35μm甚至0.25μm技術，大大提高了CPU芯片內部密度和可靠性。

2024/1/1990電氣與信息學院李鴻五、嵌入式系統(tǒng)與Internet的連接

使嵌入式設備能與Internet連接已成為一種趨勢，它要求專門為嵌入式微控制器設備設計網(wǎng)絡服務器，并通過標準網(wǎng)絡瀏覽器進行過程控制。 如：DVD播放機可以撥號進入Internet的電影數(shù)據(jù)庫直接獲得音像資料。GPS（全球定位系統(tǒng)）正越來越多地集成于各類汽車之中。2024/1/1991電氣與信息學院李鴻六、實現(xiàn)嵌入式設備Internet網(wǎng)絡化的三種方法

關鍵是在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議―傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際包協(xié)議，是Internet網(wǎng)的標準。1）專用的TCP/IP協(xié)議棧軟件包：

如VxWorks實時操作系統(tǒng)（美）、DeltaOS（中）中均有支持TCP/IP協(xié)議的模塊。

2024/1/1992電氣與信息學院李鴻2）通過網(wǎng)關實現(xiàn)TCP/TP:

這種網(wǎng)關在重型網(wǎng)絡協(xié)議（如Internet）和輕型網(wǎng)絡協(xié)議（如RS-232、RS-485、Modem等）之間充當一個中間媒體的角色。3）在硬件上實現(xiàn)TCP/TP：例：Atmel公司的AVR（先進的精簡指令計算機系統(tǒng)）的嵌入式Web服務器可設計成通過以太網(wǎng)接口上網(wǎng)。2024/1/1993電氣與信息學院李鴻第三節(jié)嵌入式實時操作系統(tǒng)2024/1/1994電氣與信息學院李鴻§1.3.1嵌入式RTOS簡介嵌入式軟件是嵌入式產品的核心，開發(fā)嵌入式系統(tǒng)需要一個支持實時多任務的操作系統(tǒng)(RTOS)內核來支持。

目前在國內大多數(shù)的嵌入式軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，而沒有采用商品化的RTOS，因此在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時無法將操作系統(tǒng)軟件與應用軟件分開處理，導致再次開發(fā)時都要特別定制系統(tǒng)軟件和應用軟件，開發(fā)的代價太大，成本過高。

2024/1/1995電氣與信息學院李鴻解決方法是使用一個RTOS內核，這是一個高效率的實時多任務內核。在內核上設計了不同的API接口，這些是應用程序開發(fā)的基礎。因此，RTOS也是一個軟件開發(fā)平臺。

2024/1/1996電氣與信息學院李鴻一、RTOS的定義

RTOS（RealTimeOperatingSystem）是一種用于實時系統(tǒng)中的計算機操作系統(tǒng)。即一個能在指定的時間內完成系統(tǒng)功能和對外作出響應的系統(tǒng)。2024/1/1997電氣與信息學院李鴻從表現(xiàn)看，RTOS是實時嵌入式系統(tǒng)中運行的一端背景程序。應用程序則是運行在這個基礎之上的多個任務。RTOS根據(jù)各個任務的要求進行資源的管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。RTOS根據(jù)各任務的優(yōu)先級來動態(tài)的切換各個任務，保證對實時性的要求。與傳統(tǒng)的循環(huán)控制體系結構相比，這種體系結構是一個很大的改進。2024/1/1998電氣與信息學院李鴻從性能上看，RTOS與普通的OS的主要區(qū)別是在“實時”二字上。在實時計算中，系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結果，而且依賴于結果產生的時間。因此實時系統(tǒng)可定義為“一個能在指定時間內完成系統(tǒng)功能和對內部或外部作出響應的系統(tǒng)”。2024/1/1999電氣與信息學院李鴻二、RTOS的必要性1.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設計方法：選擇元器件－>設計印刷電路板－>編制系統(tǒng)軟件和應用軟件－>調試－>定型。缺點：存在這諸多不穩(wěn)定因素和安全隱患；不便于升級；軟件難以共享等。

2024/1/19100電氣與信息學院李鴻2.實時嵌入式系統(tǒng)的功能不斷增強，嵌入式CPU檔次越來越高，位數(shù)由八位、十六位到三十二位甚至是六十四位。3.軟件的設計越來越復雜，包括：多個任務的管理與調度、多中斷的嵌套處理、大容量內存的管理以及圖形用戶界面、網(wǎng)絡連接、多CPU通信等。2024/1/19101電氣與信息學院李鴻綜上可見，必須要依靠一定的OS內核，且是實時OS內核去統(tǒng)一管理和調度多任務；實現(xiàn)任務之間的通信；實時的內存動態(tài)