第2章 嵌入式系统硬件开发平台
嵌入式系统开发
嵌入式系统开发嵌入式系统是指内嵌在其他设备或系统中，实现特定功能的计算机系统。
它通常集成了硬件和软件，通过专门的开发平台进行开发和编程。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，如汽车、家电、医疗设备、通信设备等。
本文将围绕嵌入式系统开发展开，介绍嵌入式系统的基本原理、开发流程以及相关技术。
一、嵌入式系统的基本原理嵌入式系统的基本原理是将处理器、存储器、输入输出设备等硬件组件集成在一起，通过操作系统和应用程序实现特定的功能需求。
常见的嵌入式系统采用单片机或微处理器作为核心处理器，具有较小的体积和功耗。
嵌入式系统的设计需要考虑硬件平台的选择、外设的接口设计、系统调度和任务管理等方面。
同时，软件开发也是嵌入式系统的重要组成部分，包括操作系统的移植、设备驱动程序的编写以及应用程序的开发。
二、嵌入式系统开发流程嵌入式系统的开发流程包括需求分析、硬件设计、软件开发、集成测试和发布等环节。
下面将逐一介绍各个环节的内容。
1. 需求分析在嵌入式系统开发之前，需要明确系统的功能需求和性能要求。
通过与用户沟通和需求分析，确定硬件平台、输入输出设备和外部接口等方面的需求。
2. 硬件设计硬件设计是指基于嵌入式系统的功能需求，选择合适的处理器、存储器、外设等硬件组件，并进行相应的电路设计和PCB布局。
硬件设计需要考虑系统的稳定性、扩展性和功耗等因素。
3. 软件开发软件开发是嵌入式系统开发的关键环节。
首先，根据硬件平台的选择，进行操作系统的移植和配置。
然后，编写设备驱动程序，实现对外设的控制和数据交换。
最后，根据系统需求，开发应用程序，实现特定功能。
4. 集成测试集成测试是将硬件和软件进行整合，测试系统的功能和性能是否满足需求。
通过功能测试、性能测试和稳定性测试，发现并修复系统中的缺陷和问题。
5. 发布在集成测试通过后，将嵌入式系统制作成最终产品，进行出厂测试和质量控制。
然后，将产品发布给客户或上线市场。
三、嵌入式系统开发的相关技术嵌入式系统开发涉及到多个技术领域，下面将介绍几个重要的技术。
嵌入式系统开发过程PPT课件
2.4.4.2测试阶段-何时测试
1. 分布于开发的每个阶段——debug 2. 单元测试-小模块测试/调试 3. 回归测试
1. 只测试一遍是不够的。每次修改后都应当重新测 试以确认这些修改会不会无意中影响一些看似与 之无关的行为，这被称作回归测试。
2.4.2.6详细设计阶段-软件设计
1. 设计软件子系统
1. 总体设计、模块设计
2. 定义软件接口 3. 模块接口、函数接口
2.4.2.7详细设计阶段-检查设计
小项目
自己审查设计文档
中等项目
拿给同事朋友并向他们解释你的设计
大型项目-审查会
设计者应作一个更正式的报告。由于这是一个设 计审查会，召集一群人，主要由工程师组成，并 尽可能包括一些对项目有不同看法角度的成员， 如做市场的人员、最终用户
OEM板 7、其他。。。
2.4.1.3 对需求的结果进行检查
原因
需求分析阶段可能会发生错误-走弯路
目的
资料的全面性、工作的细致性
方法和内容
干扰的信息（多余） 漏掉的信息（缺少） 超前的信息（一些需要在设计阶段才提出的信息） 矛盾（相互制约） 模棱两可 无法实现
2.4.1.4 确定项目的约束条件
2.4.4 测试阶段
1、测试的原因 2、何时测试 3、测试内容 4、何时停止测试 5、选择测试用例 6、实时失败模式 7、评估测试的覆盖率 8、性能测试 9、维护和测试
2.4.4.1测试阶段-测试的原因
1. 开发过程中已经开始测试了——调试 2. 原因：
1. 在软件中找到错误（在这方面测试是惟一的方法） 2. 减少用户与公司的风险 3. 节约开发与维护成本 4. 提高系统的性能
2.4.2.8详细设计阶段-设计自动化
《计算机嵌入式系统基础》教案(全套)
《计算机嵌入式系统基础》教案(全套)计算机嵌入式系统基础教案（全套）概述本教案旨在介绍计算机嵌入式系统的基本知识和技能，并引导学生深入了解该领域的发展和应用。
通过理论授课和实践操作，学生将能够熟悉嵌入式系统的工作原理、硬件和软件组成，以及设计和开发嵌入式系统的基本步骤。
教学目标1. 了解嵌入式系统的定义、特点和应用领域。
2. 掌握嵌入式系统中的硬件平台和处理器架构。
3. 熟悉嵌入式系统的操作系统和编程语言。
4. 理解嵌入式系统的实时性和响应性要求。
5. 学会使用嵌入式系统开发工具和调试技术。
6. 能够设计和实现简单的嵌入式系统应用。
教学内容第一章：嵌入式系统概述- 什么是嵌入式系统？- 嵌入式系统的特点和应用领域。
- 嵌入式系统的发展历程和趋势。
第二章：嵌入式系统硬件平台- 嵌入式系统中常用的硬件平台和处理器架构。
- 嵌入式系统的主要外设和接口。
第三章：嵌入式系统操作系统- 嵌入式系统中常用的操作系统。
- 实时操作系统和非实时操作系统的区别。
- 嵌入式系统的任务调度和资源管理。
第四章：嵌入式系统编程语言- 嵌入式系统常用的编程语言和开发工具。
- C语言在嵌入式系统编程中的应用。
- 嵌入式系统硬件和软件的接口。
第五章：嵌入式系统设计和开发- 嵌入式系统设计的基本步骤和方法。
- 嵌入式系统开发中的工具和技术。
- 嵌入式系统调试和测试的方法。
第六章：嵌入式系统应用案例- 嵌入式系统在各个领域的实际应用案例。
- 嵌入式系统应用的未来发展方向。
教学方法本教案采用理论授课和实践操作相结合的教学方法，通过课堂讲解、案例分析和实验操作，帮助学生深入理解嵌入式系统的基本概念和原理，并培养学生的实践能力和解决问题的能力。
教学评价学生的评价将基于他们对嵌入式系统的理论掌握程度和实践操作的能力。
评价方法包括平时作业、实验报告和期末考试。
教材和参考资料- 教材：《嵌入式系统基础教程》- 参考资料：1.《嵌入式系统设计与开发》；2.《嵌入式系统原理与设计》以上是《计算机嵌入式系统基础》教案的基本框架，具体的教学内容和教学细节可根据实际情况进行调整和补充。
嵌入式系统硬件平台
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式 处理器类型有Am186/88 、386EX 、SC-400 、Power PC 、68000 、MIPS 、ARM/ StrongARM 系列等.
微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
嵌入式微控制器（2）
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富， 适合于控制，因此称为微控制器。
嵌入式微控制器（3）
由于MCU 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的
品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS251 、MCS-96/196/296 、P51XA 、C166/167 、68K 系列以及MCU 8XC930/931 、C540 、C541 ，并且 有支持I 2 C 、CAN-Bus 、LCD及众多专用MCU 和 兼容系列。
嵌入式系统硬件体系结构
嵌入式微处理器
嵌入式微控制器
典型代表：单片机这种８位的电子器件，目前 在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。
单片机芯片内部集成ROM/EPROM 、RAM 、 总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O 、 串行口、脉宽调制输出、A/D 、D/A 、Flash RAM 、EEPROM 等各种必要功能和外设
近来Atmel 推出的AVR 单片机由于其集成了FPGA
等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片 机获得更高的发展。
嵌入式DSP处理器(1)
《嵌入式系统开发与应用》教学教案
《嵌入式系统开发与应用》教学教案一、教学目标1. 了解嵌入式系统的概念、特点和应用领域。
2. 掌握嵌入式系统的基本组成和开发流程。
3. 学习嵌入式操作系统的基本原理和常用操作系统。
4. 掌握嵌入式系统编程方法和常用编程工具。
5. 培养学生的嵌入式系统设计和开发能力。
二、教学内容1. 嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统的定义1.2 嵌入式系统的特点1.3 嵌入式系统的应用领域2. 嵌入式系统的基本组成2.1 硬件平台2.2 软件系统2.3 中间件和驱动程序3. 嵌入式系统开发流程3.1 需求分析3.2 硬件选型和系统设计3.3 软件开发3.4 系统集成与测试3.5 产品发布与维护4. 嵌入式操作系统原理4.1 嵌入式操作系统的概念4.2 嵌入式操作系统的分类4.3 嵌入式操作系统的特点4.4 常用嵌入式操作系统介绍5. 嵌入式系统编程方法5.1 嵌入式编程语言5.2 嵌入式系统编程工具5.3 嵌入式系统编程规范5.4 嵌入式系统编程实例三、教学方法1. 讲授法：讲解嵌入式系统的基本概念、原理和开发流程。
2. 案例分析法：分析实际项目中的嵌入式系统设计和开发案例。
3. 实验法：动手实践，掌握嵌入式系统编程方法和工具。
4. 小组讨论法：分组讨论，培养团队合作能力。
四、教学资源1. 教材：《嵌入式系统开发与应用》2. 课件：教学PPT3. 实验设备：嵌入式开发板、编程器、仿真器等4. 在线资源：相关论文、博客、教程、论坛等五、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和讨论情况。
2. 作业完成情况：评估学生作业的质量和完成速度。
3. 实验报告：评估学生在实验过程中的操作能力和解决问题的能力。
4. 期末考试：测试学生对嵌入式系统开发与应用知识的掌握程度。
六、教学内容6. 嵌入式系统硬件平台6.1 微控制器(MCU)6.2 应用处理器(AP)6.3 系统级芯片(SoC)6.4 硬件选型的考虑因素7. 嵌入式系统软件系统7.1 固件编程7.2 嵌入式操作系统7.3 中间件与驱动程序开发7.4 软件开发工具与环境8. 嵌入式系统中间件与驱动程序8.1 中间件的概念与作用8.2 常用中间件介绍8.3 驱动程序的概念与开发8.4 设备驱动程序的框架9. 嵌入式系统项目开发流程9.1 需求分析与规格说明书编写9.2 硬件设计与选型9.3 软件设计与开发9.4 系统集成与测试9.5 项目管理与迭代10. 嵌入式系统案例分析与实践10.1 案例选择与分析10.2 系统设计与开发过程10.3 项目实施与调试10.4 项目报告与评审七、教学方法1. 案例分析法：通过分析具体的嵌入式系统项目案例，使学生了解项目开发的实际过程。
嵌入式系统概述ppt
Connecting SRAM
服务特 权
共享文档下载特权
VIP用户有效期内可使用共享文档下载特权下载任意下载券标价的文档（不含付费文档和VIP专享文档），每下载一篇共享文
档消耗一个共享文档下载特权。
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赠每的送次VI的发P类共放型的享决特文定权档。有下效载期特为权1自个V月IP，生发效放起数每量月由发您放购一买次，赠 V不 我I送 清 的P生每 零 设效月 。 置起1自 随5每动 时次月续 取共发费 消享放， 。文一前档次往下，我载持的特续账权有号，效-自
包权
人书友圈7.三端同步
一、嵌入式系统的定义
嵌入式系统：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，
其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、 功耗有严格约束的一种专用系统。
专用计算机系统(非PC智能电子设备)
以应用为中心
以计算机技术为基础
软件硬件可裁剪
适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求
嵌入式系统硬件
Power Supply Oscillation Circuit
Reset Circuit
Ports
Chip Board Ciruit
Prescaler
CPU CORE
Interrupt Controler
Timer DMA
CPU
I/O Port A/D
Connectong for Debugging
前言
课程设置的必要性 嵌入式系统涉及现代生活的方方面面 应用日趣复杂 微处理器技术长足发展 嵌入式软件技术成为核心
嵌入式系统软硬件设计与开发
系统实现与测试
硬件实现
根据硬件设计，制作电路板、搭建硬件平台 。
系统测试
进行功能测试、性能测试、稳定性测试等， 确保系统满足需求，性能达标。
软件实现
编写驱动程序、应用程序，并进行编译和链 接。
文档编写
编写嵌入式系统的使用手册、技术手册等文 档，便于用户和维护人员使用。
05 案例分析
智能家居控制系统
总结词
存储器是嵌入式系统中重要的组成部分，需要考虑存储容量、读写速度和稳定 性等因素。
详细描述
在存储器设计时，需要根据系统需求选择适当的存储器类型，如RAM、ROM、 Flash等。同时，还需要考虑存储器的容量、读写速度和稳定性，以确保系统的 正常运行和数据的安全性。
电源与接地设计
总结词
电源与接地设计是嵌入式系统稳定运行的基础，需要考虑电源的稳定性和抗干扰 能力。
任务切换
在多任务环境中快速切换任务，确保系统实时响应和高效运行。
任务同步与通信
实现任务之间的同步和数据交换，确保多个任务协同工作。
04 开发流程
系统需求分析
确定系统功能
根据项目需求，明确嵌入式系统的功
根据系统功能，设定性能指标，如实时性、可靠性、 功耗等。
C语言
广泛应用于嵌入式系统开发，具有高效、可 移植性强的特点。
C语言
适用于需要复杂数据结构和算法的嵌入式应 用，提供面向对象编程支持。
Assembly语言
针对特定硬件平台进行优化，直接控制硬件 操作，但可移植性差。
实时操作系统与任务调度
任务优先级
根据任务的重要性和紧急程度分配不同的优先级，确保关键任务 优先执行。
详细描述
在电源与接地设计时，需要选择适当的电源方案，并确保电源的稳定性和可靠性 。同时，还需要考虑接地的效果，以减少电磁干扰和信号噪声，提高系统的稳定 性。
第2章 嵌入式系统硬件开发平台(新)1
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
在32位RISC芯片中占据了领导地位。
合作伙伴包括了许多世界顶级的半导体公 司
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
i.MXL/MX21
LPC2000/300 0
PXA255/270
S3C2410/2440
AT91RM9200
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
而且ARM体系还采用了一些特别的技术，在保证高 性能的同时尽量减小芯片的体积，降低芯片的功 耗。这些技术包括： 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元 处理和移位处理。 MOV R0，R1，LSL #3 //R0=R1<<3 使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处 理。 LDR R0，[R1，R2，LSL #2] //将内存单元（R1+（R2<<2)）中的数据读取到 R0中，同时R1=R1+（R2<<2)
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
3、JTAG接口
• JTAG（Joint Test Action Group，联合 测试行动小组）是一种国际标准测试协议 （IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部 测试。
嵌入式系统及其应用
• 我们经常用简易 JTAG接口直接烧写 嵌入式系统Flash存 储器。这种烧写方式 是通过一根并口电缆 和一块信号转换集成 电路板以建立PC机与 开发板之间的通信。
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
2、嵌入式系统中的存储设备
（1）RAM、SRAM、DRAM • RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可 分为SRAM（静态存储器）和DRAM（动 态存储器）。 （2）Flash • Flash是一种非易失闪存，它具有和ROM 一样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是 目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器， 它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节 编程，具有低功耗、高密度、小体积等优 点。
第2章_嵌入式平台PXA255
32
Xsbase255开发系统----硬件资源
音频接口
PXA255处理器包含AC’97控制单元，支持音 频控制器(AC-link)，能通过串口传输数字音 频、调制调解器、音频输入、控制寄存器和 状态信息等。因为PXA255处理器内置了 AC’97控制器，需要外扩一个音频解码芯片。 Xsbase255外扩了Cirrus Logic CS4299用作 音频解码器。
27
Xsbase255开发系统
28
Xsbase255开发系统----硬件资源
项目 处理器 SDRAM Flash 以太网 声卡 显示 触摸屏 USB Host USB Slave PCMCIA 实时时钟 红外 CF MMC 描述 Intel XScale PXA255 400MHz Samsung 64Mbyte Intel strata flash 32MByte CS8900A 10BaseT AC’97 Stereo audio LG TFT LCD 6.4”( 640 * 480) ADS7843 touch screen 2 Slot 1 Slot 1 Slot Real time clock RTC4513 HDSL3600 1 Slot 1 Slot
MAC流水线
执行所有的乘/累加指令。它执行40位累加寄存器acc0和 能把指令值转化成普通的ARM 寄存器值。MAC不是真 正的一条流水线，指令的类型和资源决定它所需的周期 数。不会同时两条指令出现在MAC流水线上。当MAC在 处理一条指令的时候其他的指令不允许进出到M1中，除 非原来的指令在下一个周期中处理完成。MAC单元执行 开始于M1，接受2个32位操作数，N个周期后完成并返 回寄存器文件。
嵌入式系统硬件开发流程
嵌入式系统硬件开发流程1.需求分析：首先需要与客户或项目团队明确嵌入式系统的需求和功能。
根据需求，确定系统的输入输出接口、处理器类型、存储器需求和其他关键硬件组件。
2.系统设计：根据需求分析的结果，开始进行系统设计。
设计包括了整体体系结构的设计、硬件模块的设计以及各模块之间的接口设计。
在这个阶段，还需要确定系统的电源需求、尺寸和外壳设计等。
3.选择硬件平台：根据系统的需求和设计，选择合适的硬件平台。
硬件平台可以是单片机、FPGA、ARM等。
选择硬件平台时需要考虑功耗、性能、成本和开发工具的可用性等方面。
4.硬件原理图设计：根据系统的需求和设计，进行硬件原理图设计。
硬件原理图设计主要包括选择和连接各种硬件模块、设计电源电路和时钟电路等。
在设计过程中，需考虑信号完整性、电磁兼容性和热管理等问题。
5.PCB设计：将硬件原理图转化为PCB设计。
PCB设计包括在PCB上放置元件、连线布局和绘制电源层和地层等。
在设计过程中，还需考虑电磁兼容性和阻抗匹配等问题。
6.PCB制造：将PCB设计文件传输给PCB制造厂商，制造出实际的PCB板。
制造过程包括PCB板材的选择、蚀刻、钻孔、贴片、焊接和检查等。
7.原型测试：制造完成的PCB板与其他硬件模块进行组装，形成嵌入式系统原型。
通过连接电源，测试系统的各个功能和性能是否满足需求。
如发现问题，需要返工或重新设计。
8.硬件调试和优化：对原型进行硬件调试，包括调试电路连接的正确性、性能和稳定性等。
通过对系统的不断调试和优化，确保系统的稳定运行。
9.硬件验证和认证：对已调试和优化的嵌入式系统进行验证和认证。
验证过程包括功能验证、稳定性测试、可靠性测试等。
认证过程可能涉及到特定行业的标准和要求，如电磁兼容性认证等。
10.批量生产：通过验证和认证后，嵌入式系统可以进行批量生产。
在批量生产之前，需确保原材料的供应链和生产工艺的稳定性。
同时，还需考虑生产成本和交货时间等因素。
11.维护和升级：一旦嵌入式系统投入使用，可能会出现问题或有新需求。
《嵌入式系统》课程教学大纲
《嵌入式系统》课程教学大纲学分：3学时：64适用专业：电子信息、通信技术前导课程：电路分析基础、模拟电路、数字电路、高频电路、单片机原理、C语言后续课程：一、课程的性质和任务本课程围绕目前流行的32位ARM处理器和嵌入操作系统，讲述嵌入式系统的概念、软硬件组成、开发过程以及嵌入式应用程序和驱动程序的开发设计方法。
《嵌入式系统》是培养学生具有嵌入式系统的应用知识、嵌入式系统的初步分析能力和具有使用RTOS （实时操作系统）构成嵌入式系统的应用能力等方面的学科，是电子信息与计算机类或相关工科专业的一门专业课。
二、课程的教学基本要求本课程是一门综合性、实践性、应用性很强的专业课。
课程教学所要达到的目的是：使学生掌握嵌入式系统体系结构，嵌入式处理器结构（ARM架构为主），异常处理、系统控制过程、存储处理、ARM内部资源、各种I/O接口；嵌入式系统开发应用方法；实时多任务操作系统。
本课程将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。
三、教学内容和要求（一）理论教学内容和要求第一章：嵌入式系统的概况1、讲授内容：主要讲解嵌入式系统的定义、嵌入式系统的分类、嵌入式系统的组成及嵌入式系统的应用领域和发展趋势。
2、基本要求：使学生明确学习本课程的目的。
第二章：嵌入式系统的硬件基本知识1、讲授内容：1、ARM体系的硬件架构2、冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构3、RISC体系结构4、流水线技术2、基本要求：了解嵌入式系统的硬件基础。
第三章：嵌入式操作系统1、讲授内容：1、嵌入式操作系统的分类2、嵌入式操作系统的特点3、实时操作系统4、目前市场上流行的嵌入式操作系统2、基本要求：掌握嵌入式操作系统的分类和特点，明确实时操作系统的内核特点第四章：ARM架构的嵌入式微处理器1、讲授内容：目前基于ARM架构的嵌入式微处理器：I44B0，2410，LPC2000的架构及特点。
2、基本要求：要求掌握不同处理的的特点及使用场合。
嵌入式硬件开发
嵌入式硬件开发1. 简介嵌入式硬件开发是指在嵌入式系统中设计、开发和测试硬件部分的过程。
嵌入式系统是一种特定功能的计算机系统，通常作为独立设备或嵌入到其他设备中，随时执行特定任务。
嵌入式硬件开发涉及到硬件电路的设计、原型制作以及与软件的协同工作。
2. 嵌入式硬件开发流程嵌入式硬件开发通常遵循以下步骤：（1）需求分析：明确嵌入式系统的功能需求和性能要求，根据需求确定硬件开发的方向。
（2）电路设计：根据需求分析，进行电路设计，包括选择适当的芯片、电路图设计、布局设计等。
（3）原型制作：使用专业的电路板制作工具，根据电路设计图制作原型电路板。
（4）硬件调试：将原型电路板与相关设备连接，进行硬件调试，测试电路的稳定性和性能。
（5）系统集成：将硬件开发的电路板与相应的软件进行集成，确保硬件与软件的协同工作。
（6）功能测试：对嵌入式系统进行全面的功能测试，验证硬件与软件的正确性和稳定性。
（7）优化改进：根据测试结果和用户反馈，对硬件进行优化改进，提升系统的性能和可靠性。
3. 嵌入式硬件开发的关键技术（1）电路设计：嵌入式硬件开发离不开电路设计，包括芯片选择和电路图设计等。
合理选择芯片，并进行精确的电路图设计，能够提高嵌入式系统的性能。
（2）PCB设计：PCB（Printed Circuit Board）是嵌入式硬件的核心部分，设计良好的PCB可以提高电路的稳定性和可靠性。
（3）信号完整性：高速信号传输会受到信号完整性的影响，通过合理布局和电路设计，可以减小信号完整性问题对系统性能的影响。
（4）嵌入式系统与外设的接口设计：嵌入式系统通常需要与外部设备进行通信，设计合理的接口和协议能够确保系统的稳定性和与外设的正常通信。
（5）功耗管理：在嵌入式设备中，功耗是一个重要的考虑因素。
通过合理设计和优化，减小功耗可以延长设备的使用时间。
4. 常见的嵌入式开发工具和平台（1）软件开发工具：常用的嵌入式软件开发工具有Keil MDK、IAR Embedded Workbench等。
周立功ARM培训PPT(全套)
适用于计算中心等较大 的计算机系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中 实时操作系统是我 们介绍的重点
周立功单片机
1.3 嵌入式操作系统
• 实时操作系统的特点
IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具 备以下的几点: 异步的事件响应 切换时间和中断延迟时间确定 优先级中断和调度 抢占式调度 内存锁定 连续文件 同步
第1章 嵌入式系统概述
周立功单片机
第1章 目录
1. 嵌入式系统 2. 嵌入式处理器 3. 嵌入式操作系统
周立功单片机
第1章 目录
1. 嵌入式系统 2. 嵌入式处理器 3. 嵌入式操作系统
周立功单片机
1.1 嵌入式系统
• 概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变 还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有 自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就 有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使 汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。
周立功单片机
1.3 嵌入式操作系统
• 基本概念
——前后台系统
对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无 限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计， 例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处 理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在 停机状态，所有事都靠中断服务来完成。
周立功单片机
1.3 嵌入式操作系统
• 概述
多道批处理操作系统 监 控 程 序 操 作 系 统 分时操作系统 实时操作系统 时 间 先 后
适用于计算中心等较大 的计算机系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中
嵌入式系统软硬件设计与开发
嵌入式系统软硬件设计与开发随着科技的发展，嵌入式系统逐渐被应用于各种领域，如智能家居、智能机器人、智能车辆等。
嵌入式系统具有体积小、功耗低、成本低等优点，其硬件和软件系统设计的好坏直接影响着整个系统的可靠性和性能。
因此，本文将从嵌入式系统的软硬件设计和开发两个方面着手，探讨如何设计出优秀的嵌入式系统。
一、硬件设计1.硬件平台的选择在嵌入式系统的设计中，选择一个合适的硬件平台是十分重要的。
硬件平台的选择不仅需要考虑成本和性能，还需要考虑系统的应用场景、功能需求等。
在硬件平台的选择过程中，还需要考虑是否符合标准接口规范，比如USB、I2C等常见的接口规范。
2.电源设计嵌入式系统的电源设计也是一个关键问题。
电源设计需要考虑的主要因素包括电压值、电流大小、功耗等。
此外，还需要确保电源稳定性，并在电源保护方面做好相应的工作，比如过流保护、反向保护等。
3.信号处理设计信号处理是硬件设计中的一个重要环节。
对于数字信号的处理，需要采用适当的FPGA、DSP等处理器来完成。
在设计过程中，需要考虑信号处理器的采样率、精度、算法、存储器等因素，并在设计时充分考虑系统的延迟、速度等因素。
4.接口设计接口设计也是硬件设计中的一大难点。
接口的设计需要充分考虑接口电路的设计、信号质量、接口电平等因素。
比如，对于USB接口，需要考虑USB控制器的选型、物理层信号电路的设计、电压/电流传输速率等因素。
二、软件设计1.软件开发环境软件的开发环境是软件设计中的一个重要因素。
通常情况下，嵌入式系统的软件设计需要采用专门的集成开发环境（IDE），比如Keil、IAR等。
在选择IDE时，需要考虑到其适应性、易用性、功能齐全性等因素。
2.软件架构设计嵌入式系统的软件架构设计是软件设计中的一个关键点。
软件架构的设计需要根据硬件平台和应用情况来确定，其目的在于将软件模块划分为适当的结构，并确定各个模块之间的关系。
在设计软件架构时，需要充分考虑模块的粒度、接口、功能等因素。
《嵌入式系统设计》教学大纲
《嵌入式系统设计》教学大纲嵌入式系统设计是计算机科学与技术领域的一个重要分支，主要研究如何设计和开发嵌入在其他设备或系统中的计算机系统。
嵌入式系统设计涉及到硬件和软件的相互协作，涵盖了多个学科和技术领域，包括计算机体系结构、操作系统、嵌入式软件开发、嵌入式系统测试等。
本课程将对嵌入式系统设计的相关知识和技能进行系统的讲解和实践操作，旨在培养学生的嵌入式系统设计与开发能力。
一、课程目标1.了解嵌入式系统的概念、特点、应用领域和发展趋势；2.掌握嵌入式系统设计的基本原理和方法；3.学习使用常见的嵌入式系统设计工具和开发环境；4.培养嵌入式系统设计与开发能力，能够独立完成基本的嵌入式系统设计项目。
二、教学内容第一章嵌入式系统概论1.嵌入式系统的概念和特点2.嵌入式系统的应用领域和发展趋势3.嵌入式系统设计的基本要求和步骤第二章嵌入式系统硬件设计1.嵌入式系统的硬件平台和体系结构2.嵌入式系统的处理器选择和嵌入式开发板3.嵌入式系统的外设接口和通信接口设计4.嵌入式系统的电源和封装设计第三章嵌入式系统软件设计1.嵌入式系统开发环境和常用软件工具2.嵌入式系统的软件开发过程和方法3.嵌入式系统的软件编程语言和开发框架4.嵌入式系统的操作系统选择和驱动程序开发第四章嵌入式系统测试与调试1.嵌入式系统的测试原理和策略2.嵌入式系统的测试工具和方法3.嵌入式系统的调试技术和工具4.嵌入式系统的性能调优和优化方法三、教学方法1.理论授课：通过讲解嵌入式系统的相关概念、原理和方法，培养学生的理论知识；2.实践操作：通过实验和实际项目，让学生亲自动手操作和实践，加深对嵌入式系统设计的理解和掌握；3.讨论交流：通过小组讨论和大班互动，促进学生之间的交流和合作，共同解决问题；4.课程项目：学生可以选择一个与嵌入式系统设计相关的项目进行深入研究和实践，提高综合应用能力。
四、考核方式1.平时成绩：包括课堂表现、实验报告和讨论参与等；2.期末考试：对理论知识的掌握程度进行考核；3.课程项目：对学生的综合能力进行考核；4.考勤情况：根据学生的出勤情况进行评定。
嵌入式综合课程设计
嵌入式综合课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解嵌入式系统的基本概念、结构和功能，掌握相关硬件和软件知识。
2. 使学生掌握嵌入式编程的基本方法，能运用所学知识进行简单的嵌入式系统设计。
3. 帮助学生了解嵌入式系统在现实生活中的应用，认识到科技发展的趋势。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力，提高编程实践技能。
2. 培养学生的团队协作能力，学会在项目中合理分工、共同推进项目进度。
3. 培养学生的创新思维和动手能力，能够运用所学知识进行嵌入式系统的设计与制作。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对嵌入式系统的兴趣，培养他们探究未知、勇于创新的科学精神。
2. 培养学生热爱科学、热爱祖国的情感，认识到科技发展对国家的重要性。
3. 引导学生树立正确的价值观，明白科技发展应服务于人民、造福社会。
本课程结合学科特点、学生年级及教学要求，注重理论与实践相结合，以项目为导向，培养学生的嵌入式系统设计和编程能力。
课程目标具体、可衡量，旨在帮助学生全面掌握嵌入式知识，提升实践技能，培养良好的情感态度价值观。
为确保教学效果，课程目标将分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 嵌入式系统概述：介绍嵌入式系统的基本概念、发展历程、应用领域及发展趋势。
教材章节：第一章 嵌入式系统概述内容安排：1课时2. 嵌入式系统硬件：讲解嵌入式系统的硬件组成，包括处理器、存储器、输入输出接口等。
教材章节：第二章 嵌入式系统硬件内容安排：3课时3. 嵌入式系统软件：介绍嵌入式操作系统、编程语言及软件开发工具。
教材章节：第三章 嵌入式系统软件内容安排：3课时4. 嵌入式编程：讲解嵌入式编程的基本方法、技巧和实例。
教材章节：第四章 嵌入式编程内容安排：4课时5. 嵌入式系统设计与实践：以项目为导向，进行嵌入式系统的设计与制作，包括硬件选型、软件编程和系统调试。
教材章节：第五章 嵌入式系统设计与实践内容安排：6课时6. 嵌入式系统应用案例分析：分析典型嵌入式系统应用案例，了解其在现实生活中的应用。
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2、嵌入式系统中的存储设备
（1）RAM、SRAM、DRAM • RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可 分为SRAM（静态存储器）和DRAM（动 态存储器）。 （2）Flash • Flash是一种非易失闪存，它具有和ROM 一样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是 目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器， 它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节 编程，具有低功耗、高密度、小体积等优 点。
第2章 嵌入式系统硬件开发平台
第2章 嵌入式系统硬件开发平台
• • • • 2.1 相关基础知识 2.2 嵌入式系统硬件平台 2.3 ARM微处理器体系 2.4 微处理器结构
2.1
相关基础知识
嵌入式系统的组成
应用程序 操作系统 软件结构
存储器
硬件结构 输入 输出
处理器
1、微处理器
• 中央微处理器，简称CPU，它是计算机中 最重要的一个部分，它决定嵌入式系统的 主要功能特性。CPU又由运算器和控制器 两大部分组成。
（1）总线时序协议
• 同步时序： • 总线上所有事件共用同一时钟脉 冲进行操作过程的控制，所有事件都 在时钟周期的开始发生。 • 异步时序： • 操作由源或目的模块发出的特定 信号确定。双方相互提供联络信号。
（2）异步时序协议的握手协议
• 握手协议是总线异步时序的基本构件。 • 握手协议数据传送过程的4个周期：
图2.几个部分：处理器 内核、地址总线、数据总线、控制总线、 片上I/O接口电路及辅助电路（如时钟、复 位电路等）。 • 嵌入式处理器可以分为3类： 嵌入式微处理器、 嵌入式微控制器、 嵌入式DSP（Digital Signal Processor， 数字信号处理器），
2、S3C2410微处理器
2.4.3 XSCALE微处理器结构
本章小结
• 本章首先简单介绍了嵌入式系统相关的基 础知识，这些知识和概念在以后学习嵌入 式系统设计时都要用到。之后介绍了嵌入 式系统硬件平台的基本组成，并对ARM系 列微处理器作了简介。 • 本章重点要掌握嵌入式系统硬件平台的组 成，这是学习和应用嵌入式系统的基础。
2、ARM微处理器体系
• • • • • • • － ARM7系列 － ARM9系列 － ARM9E系列 － ARM10E系列 － SecurCore系列 － Inter的Xscale － Inter的Strong ARM
3、哈佛总线体系结构
图2.8 冯· 诺依曼结构
图2.9 哈佛结构
4、ARM微处理器的特点
Flash分为 NOR Flash、NAND Flash两种。
• NOR Flash的特点是在芯片内执行，可以 直接读取芯片内储存的数据，因而速度比 较快。应用程序直接在Flash内运行，不必 把代码读到系统RAM中运行。 • NAND Flash不能直接在Flash内运行应用 程序，需要将数据复制到RAM中运行。 • NAND Flash的特点是容量大。
2.4微处理器的结构
2.4.1 RISC体系结构 和ARM设计思想
1、RISC体系结构
• 在CISC指令集的各种指令中，其使用频率 却相差悬殊，大约有20％的指令被反复使 用，占整个程序代码的80％。而余下的80 ％的指令却不经常使用，在程序设计中只 占20％。 • RISC结构优先选取使用频率最高的简单指 令，避免复杂指令；将指令长度固定，指 令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑 为主。
3、总线
• 总线（BUS）是接口电路与CPU或者接口 电路与I/O外部设备之间连接的主要形式， 是各功能部件之间传送信息的公共通路。 • 采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各 部件之间的通信线，这组公共信号线就称 为总线。
通信协议
• 通信协议是指通信双方的一种约定。约定 包括对数据格式、同步方式、传送速度、 传送步骤等问题做出统一规定，通信双方 必须共同遵守。 • （1）总线时序协议 • （2）异步时序协议的握手协议 • （3）总线仲裁方式 • （4）总线标准
•
外部设备也有寄存器，是一种存储单 元，其物理结构跟内存单元不一样，但作 用跟内存单元一样，都能保存信息。 在设计时，给外部设备的每个寄存器 都分配一个地址，CPU可以根据地址访问 某个寄存器，则该寄存器发生相应的动作： 或接收数据总线上的数据（对应于写操 作），或把自己的数据送到数据总线上 （对应于读操作）。当CPU访问某个寄存 器时，同一个外设的其他寄存器和其他外 设的寄存器由于没有CPU的指令不会发生 动作。
I/O接口电路的位置
• CPU对外设I/O端口物理地址的编址方式有 两种： • 一种是I/O映射方式（I/O－mapped）； • 另一种是内存映射方式（Memory－ mapped）。 • 具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。
5、中断
• 中断方式是指，当外部设备准备与CPU进 行数据传输时，外部设备首先向CPU发出 中断请求，CPU接收到中断请求并在一定 条件下，暂时停止原来的程序并执行中断 服务处理程序，执行完毕以后再返回原来 的程序继续执行。
• （1）体积小、低功耗、低成本、高性能； • （2）支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令 集，能很好的兼容8/16 位器件； • （3）大量使用寄存器，指令执行速度更快； • （4）大多数数据操作都在寄存器中完成； • （5）寻址方式灵活简单，执行效率高； • （6）指令长度固定。
2.4.2 ARM9微处理器结构的最小 系统设计
1、什么是最小系统
• 嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作 的，需要一些必要的外围元器件给它提供 基本的工作条件。 • 一个 ARM 最小系统一般包括： （1） ARM 微处理器芯片， （2） 电源电路、复位电路，晶振电路， （3） 存储器（ FLASH 和 SDRAM ）， （4） UART（RS232及以太网）接口电路。 （5） JTAG 调试接口。
• 若希望两边亮，中间暗，则：
PD7 PD6 PD0 0 1 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1
1
1
1
1
1
0
• 十六进制编码为：7EH。
2.2 嵌入式系统硬件平台
2.2 嵌入式系统硬件平台
• 嵌入式微处理器芯片自己是不可能独立工 作的，需要必要的外围设备给它提供基本 的工作条件。所谓嵌入式硬件平台由嵌入 式处理器和嵌入式系统外围设备组成，其 结构如图2.5所示。
（1）嵌入式微控制器
微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从 而使功耗和成本下降、可靠性提高。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此 称为微控制器。
（2）嵌入式DSP处理器
• DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统 结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、 频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。 • DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的 DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等 由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。 在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运 算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通 信和计算机方面。 • 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的 TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和 Siemens的TriCore也有各自的应用范围。
PD1 PD0 1 0
用二进制数表示为：11111110。 用十六进制编码 ，其值为：FEH 。
• 再如，要彩灯L8发光，其余均不发光，则 有： 则可以表示为以下对应值： PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 0 1 1 1 1 1 1 1 • 用二进制数表示为：01111111。 • 十六进制编码为：7FH。
3、JTAG接口
• JTAG（Joint Test Action Group，联合 测试行动小组）是一种国际标准测试协议 （IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部 测试。
• 我们经常用简易 JTAG接口直接烧写 嵌入式系统Flash存 储器。这种烧写方式 是通过一根并口电缆 和一块信号转换集成 电路板以建立PC机与 开发板之间的通信。
嵌入式微处理器分类
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式处理器
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上系统 (System On Chip)
（1）嵌入式微控制器
• 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这 种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍 然有着极其广泛的应用。
• 单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、总 线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串 行口、脉宽调制(PWM)输出、A/D、D/A、 Flash R0M、EEPROM等各种必要功能和外 设。
4、I/O端口
• I/O端口又称为I/O接口，它是微处理器对外 控制和信息交换的必经之路，是CPU与外 部设备连接的桥梁，它在CPU与外部设备 之间起信息转换和匹配的作用。I/O端口有 串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传 送一位二进制数信息，而并行I/O端口一次 能传送一组二进制数信息。
• 图2.3
2、ARM设计思想
• 1、ARM微处理器被设计成较小的核，降低功耗， 延长电源的使用时间。 • 2、存储量有限，这就要求嵌入式系统需要使用高 密度代码。 • 3、嵌入式系统对成本敏感，一般选用速度不高， 成本较低的存储器，以降低系统成本。 • 4、ARM内核不是一个纯粹的RISC体系结构，这 是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。 • 对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不 单纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功 耗和成本。
2、寄存器
• 所谓寄存器（register），是CPU内部 用来存放数据的一些小型存储区域， 用于暂时存放参与运算的数据和运算 结果。