嵌入式控制系统原理及设计课件1-2 嵌入式控制系统
合集下载
第一章-嵌入式控制系统简介ppt课件(全)
独特的性能来满足不同应用领域的需求。 SecurCore系列专门为安全器
ARM7系列微处理器是低功耗的32位RISC处理器，适合用 于对价位和功耗要求较高的消费类产品。ARM7系列有如下 特点： ❖ ·具有嵌入式ICE—RT逻辑，调试开发方便。 ❖ ·极低的功耗，适合对功耗要求较高的产品，如便携式 产品。 ❖ ·能够提供0.9 MIPS（MIPS，每秒百万条指令）/MHz 的三级流水线结构。 ❖ ·对操作系统的支持广泛，如Windows CE、Linux、 PalmOS（最流行的掌上电脑操作系统）等。 ❖ ·指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列 兼容，便于用户的产品升级换代。 ❖ ·主频最高可达130MHz，高速的运算处理能力可胜任 绝大多数的复杂应用。
集。 ❖ ·支持32位的高速AMBA总线接口。 ❖ ·全性能的MMU，支持WindowsCE，
Linux，PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
❖ ·MPU支持实时操作系统。
❖ ·支持数据Cache（高速缓存）和指令 Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
❖ ARM9系列微处理器主要应用于无线设备， 仪器仪表，安全系统，机顶盒，高端打印机， 数字照相机和数字摄像机等。
1.1.2 嵌入式控制系统的设计方法
❖ 做为嵌入式控制器的单片机，不管是8位单片机还 是16位单片机或32位单片机，由于受其本身资源限 制，其应用程序都不能在其本身上开发。开发其应 用程序，还需要一台通用计算机，如常用的IBMPC机或兼容机，Mindows95/98/2000或XP操作系 统，256M以上内存，1G以上硬盘内存空间（运行 交叉编译环境ADS1.2最低配置）。我们也称这台 通用计算机为“宿主机”，称做为嵌入式控制器的 单片机为“目标机”。应用程序在“宿主机”上开 发，在“目标机”上运行。“目标机”和“宿主机” 之间利用计算机并口通过一台叫“仿真器”的设备 相连，程序可以从“宿主机”传到“目标机”，这 也叫程序下载，也可以从“目标机”
ARM7系列微处理器是低功耗的32位RISC处理器，适合用 于对价位和功耗要求较高的消费类产品。ARM7系列有如下 特点： ❖ ·具有嵌入式ICE—RT逻辑，调试开发方便。 ❖ ·极低的功耗，适合对功耗要求较高的产品，如便携式 产品。 ❖ ·能够提供0.9 MIPS（MIPS，每秒百万条指令）/MHz 的三级流水线结构。 ❖ ·对操作系统的支持广泛，如Windows CE、Linux、 PalmOS（最流行的掌上电脑操作系统）等。 ❖ ·指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列 兼容，便于用户的产品升级换代。 ❖ ·主频最高可达130MHz，高速的运算处理能力可胜任 绝大多数的复杂应用。
集。 ❖ ·支持32位的高速AMBA总线接口。 ❖ ·全性能的MMU，支持WindowsCE，
Linux，PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
❖ ·MPU支持实时操作系统。
❖ ·支持数据Cache（高速缓存）和指令 Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
❖ ARM9系列微处理器主要应用于无线设备， 仪器仪表，安全系统，机顶盒，高端打印机， 数字照相机和数字摄像机等。
1.1.2 嵌入式控制系统的设计方法
❖ 做为嵌入式控制器的单片机，不管是8位单片机还 是16位单片机或32位单片机，由于受其本身资源限 制，其应用程序都不能在其本身上开发。开发其应 用程序，还需要一台通用计算机，如常用的IBMPC机或兼容机，Mindows95/98/2000或XP操作系 统，256M以上内存，1G以上硬盘内存空间（运行 交叉编译环境ADS1.2最低配置）。我们也称这台 通用计算机为“宿主机”，称做为嵌入式控制器的 单片机为“目标机”。应用程序在“宿主机”上开 发，在“目标机”上运行。“目标机”和“宿主机” 之间利用计算机并口通过一台叫“仿真器”的设备 相连，程序可以从“宿主机”传到“目标机”，这 也叫程序下载，也可以从“目标机”
(嵌入式系统课件)1-2第二讲嵌入式系统原理
第二讲 嵌入式系统原理 第一部分 嵌入式系统组成
●概述：嵌入式系统的硬件及软件组成。 ●重点：嵌入式系统软硬特点。
●内容：1. 硬件组成 2. 软件组成 3. 嵌入式系统的开发方法
退出
硬件组成
以嵌入式处理器为中心的Soc/Sopc,配置存储器、I/O设备、
通信模块以及电源等必要的辅助部件组成。
1. 处理器
一般来说可以把嵌入式处理器分成以下4类：
① MPU（Micro Processor Unit）嵌入式微处理器；
Байду номын сангаас
② MCU（Micro Controller Unit）嵌入式微控制器；
③ 嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor）； ④ 嵌入式片上系统（SOC）。
⑤
2. 存储器：SRAM、SDRAM、E2PROM、FLASH
⑥
3. 通信接口：RS-232、USB、IrDA、SIO、I2C、IIS、
GPIO、以太网口
退出
●概述：嵌入式系统的硬件及软件组成。 ●重点：嵌入式系统软硬特点。
●内容：1. 硬件组成 2. 软件组成 3. 嵌入式系统的开发方法
退出
硬件组成
以嵌入式处理器为中心的Soc/Sopc,配置存储器、I/O设备、
通信模块以及电源等必要的辅助部件组成。
1. 处理器
一般来说可以把嵌入式处理器分成以下4类：
① MPU（Micro Processor Unit）嵌入式微处理器；
Байду номын сангаас
② MCU（Micro Controller Unit）嵌入式微控制器；
③ 嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor）； ④ 嵌入式片上系统（SOC）。
⑤
2. 存储器：SRAM、SDRAM、E2PROM、FLASH
⑥
3. 通信接口：RS-232、USB、IrDA、SIO、I2C、IIS、
GPIO、以太网口
退出
嵌入式操作系统原理.ppt
程序映像
存放在磁盘上的可执行文件的代码和数据的集合称为可执行映 象(Executable Image)，即程序
当一个程序（可执行映象）装入系统中运行时，它就形成了一 个进程
进程映像
进程是由正文段(text)、用户数据段(user segment)和系统数据 段(system segment)组成的一个动态实体。
Linux进程调度方法
Linux进程调度采用动态优先级法，调度 对象是可运行队列，
可运行队列中优先级大的进程首先得到 CPU投入运行。
进程在运行中，counter的代表进程的动 态优先级。
Linux采取了加权的方法来保证实时进程 优先于普通进程。
进程调度时机
时机1．进程状态发生变化时。
Linux调度分析
Linux进程的状态变化
进程状态
运行态：进程正在使用CPU运行的状态。处于运行态的进程又称为 当前进程（current process）
可运行态：进程已分配到除CPU外所需要的其它资源，等待系统把 CPU分配给它之后即可投入运行
等待态：又称睡眠态，它是进程正在等待某个事件或某个资源时所 处的状态。 等待态进一步分为可中断的等待态和不可中断的等待 态。处于可中断等待态的进程可以由信号(signal)解除其等待态。 处于不可中断等待态的进程，一般是直接或间接等待硬件条件。 它只能用特定的方式来解除，例如使用唤醒函数wake_up()等
嵌入式操作系统原理
嵌入式LINUX操作系统开发
体系结构概览 进程与调度管理 内存管理 文件系统 系统调用
体系结构概览
体系结构概览
内核的功能
进程控制(process management) 内存管理(Memory management) 文件系统管理(Filesystem management) 设备驱动程序(Device control) 网络(Networking)
存放在磁盘上的可执行文件的代码和数据的集合称为可执行映 象(Executable Image)，即程序
当一个程序（可执行映象）装入系统中运行时，它就形成了一 个进程
进程映像
进程是由正文段(text)、用户数据段(user segment)和系统数据 段(system segment)组成的一个动态实体。
Linux进程调度方法
Linux进程调度采用动态优先级法，调度 对象是可运行队列，
可运行队列中优先级大的进程首先得到 CPU投入运行。
进程在运行中，counter的代表进程的动 态优先级。
Linux采取了加权的方法来保证实时进程 优先于普通进程。
进程调度时机
时机1．进程状态发生变化时。
Linux调度分析
Linux进程的状态变化
进程状态
运行态：进程正在使用CPU运行的状态。处于运行态的进程又称为 当前进程（current process）
可运行态：进程已分配到除CPU外所需要的其它资源，等待系统把 CPU分配给它之后即可投入运行
等待态：又称睡眠态，它是进程正在等待某个事件或某个资源时所 处的状态。 等待态进一步分为可中断的等待态和不可中断的等待 态。处于可中断等待态的进程可以由信号(signal)解除其等待态。 处于不可中断等待态的进程，一般是直接或间接等待硬件条件。 它只能用特定的方式来解除，例如使用唤醒函数wake_up()等
嵌入式操作系统原理
嵌入式LINUX操作系统开发
体系结构概览 进程与调度管理 内存管理 文件系统 系统调用
体系结构概览
体系结构概览
内核的功能
进程控制(process management) 内存管理(Memory management) 文件系统管理(Filesystem management) 设备驱动程序(Device control) 网络(Networking)
嵌入式控制系统课件-嵌入式控制系统课件(总)
嵌入式系统概述
1.1嵌入式系统 1.2嵌入式处理器 1.3嵌入式操作系统
1.3 嵌入式操作系统
• 概述
计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有 操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。 随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资 源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的 要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形 成了操作系统(Operating System)。发展到现在，广泛 使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时 操作系统以及实时操作系统。
中断服务程序
时
间
ISR
ISR ISR
ISR
1.3 嵌入式操作系统
• 基本概念
——操作系统 操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负 责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与 协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户 获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统 功能提供软件平台。
用户程序 操作系统 硬件驱动
• 现实中的嵌入式系统
• 嵌入式系统的概念
目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一 种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：
●从技术的角度定义：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、功耗严格要求的专用计算机 系统。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂 功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算 机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系 统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的 系统中可以共存多个嵌入式系统。
硬件
1.3 嵌入式操作系统
• 基本概念
——实时操作系统（RTOS） 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执 行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的 各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包 括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常 处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有 一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切 换各个任务，保证对实时性的要求。
嵌入式系统原理与设计 教学课件(共82张PPT)
系统是采用一体化的监控程序，不存在操作系统平 台。而今天组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复
杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、 特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软
件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的
设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是 嵌入式计算学科的关键技术。
嵌入式微处理器分类
嵌入式处理器
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
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(MCU）
• 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/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。
要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。
以微处理器为核心
• 我们设计一个数字系统可以有很多种方法，如：定制
逻辑、现场可编程门阵列（FPGA）等，那么为什 么在设计嵌入式系统时要以微处理器为核心呢？ 这主要有两种原因：
• （1）用微处理器是实现数字系统一种十分便捷、有 效的方法；
嵌入式系统的特征
• 可接5种GPS接收器； 嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌 入在其他设备中的专用计算机系统。它 5个按键需要和屏幕菜单显示组合起来完成这些功能。
在移动地图这个例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心安排 ，以避免多次读取相同的数据。
杂，如：16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、 特定功能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软
件设计的复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的
设计原理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是 嵌入式计算学科的关键技术。
嵌入式微处理器分类
嵌入式处理器
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
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(MCU）
• 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/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。
要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。
以微处理器为核心
• 我们设计一个数字系统可以有很多种方法，如：定制
逻辑、现场可编程门阵列（FPGA）等，那么为什 么在设计嵌入式系统时要以微处理器为核心呢？ 这主要有两种原因：
• （1）用微处理器是实现数字系统一种十分便捷、有 效的方法；
嵌入式系统的特征
• 可接5种GPS接收器； 嵌入式系统是以微处理器为核心的，嵌 入在其他设备中的专用计算机系统。它 5个按键需要和屏幕菜单显示组合起来完成这些功能。
在移动地图这个例子中，电能消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心安排 ，以避免多次读取相同的数据。
《嵌入式原理系统》课件
模块化设计原则
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
嵌入式控制系统原理及设计课件4-1 嵌入式控制系统的设计方法
确定 研发总 目标 需求 分析
可行 性分析 系统 概要设 计
系 统 总 体 框 架
软 硬 件 划 分
处 理 器 选 型
软 件 平 台 选 概要设 计
软件 概要设 计
原理 图设计 仿真 验证 P C B绘制
软
算法 流程设 计
硬
件
接
软件 编码
口
设
计
调试
制板 与测试
软件 测试
率、响应时限、动态性能指标、稳态性能指标等。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 （3）可行性分析 • 可行性分析回答：用户提出的问题是否可解？可解的价值如何？ • 可行性分析用以确定在现有的技术、法律、市场等条件和约束下，是否
存在行之有效的方法，解决本项目研发过程中可能遭遇到的技术、法律 等问题，解决这些问题带来的附加成本是否在承受范围内。
需求，并将用户的要求准确、完整的描述。
4.1.2 软硬件协同设计技术
嵌入式控制系统原理及设计
1.产品定义 2）需求分析 • 需求分析回答：所设计的系统做什么？ • 系统需求一般分为功能性需求和非功能性需求两方面。 • 功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式、功能等； • 非功能性需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 • 此外，作为控制系统，一般还需要考虑实时性性能指标、控制指标，如采样频
4.1.2 软硬件协同设计技术
• 传统的系统设计模式一般采用瀑布式开发 模式。
• 先完成硬件部分的设计工作，然后依据硬 件设计平台开发相应的软件，再进行系统 功能的调试、性能测试等工作。
嵌入式控制系统原理及设计
开始 系统定义 总体设计方案 硬件电路设计&实现 软件设计与编码 系统集成
嵌入式控制系统ppt课件
1.1.3 嵌入式系统的发展史
1．二十世纪七十年代
1971年11月，Intel 公司成功的地将算术运算器和控 制器集成在一起，推出了世界上第一片微处理器 Intel 4004，这是嵌入式应用发展最重要的里程碑。
其后，各厂家相继推出了许多8位或16位的微处理 器，包括 Intel 的 8080/8085、 8086，Motorola 的 6800、68000，Zilog的Z80、Z8000。
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
在应用数量上 嵌入式系统远远超过了通用计算机系统 例如，一台通用计算机系统的外部设备—— 软驱、显示卡、显示器、网卡、调制解调器、声 卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等 均是由嵌入式处理器控制的。
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
在应用领域方面 嵌入式系统的应用领域非常广泛 包括工业制造、过程控制、通信、仪器、仪表、 汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产 品等领域 嵌入式系统无处不在
图1-7 穿刺肿瘤医疗仪器
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
机器人 (Robot)
图1-8 智能玩具机器人
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
图1-9 基于Байду номын сангаасin CE的移动机器人平台
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
图1-10 基于RTLinux的仿人机器人
1.1.2 嵌入式系统的应用概况
图1-11 1997年4月在火星表面登陆的火星探测器（基于VxWorks）
1.1.3 嵌入式系统的发展史
单板计算机:系列化、模块化
流行的单板机：如Intel的 iSBC 系列、 Zilog 公 司的 MCB 等。
单板计算机使人们不必从选择芯片开始来设计 一台专用的嵌入式计算机，只要根据自己的需要 选择各种不同的功能模块，包括适合自己应用的 CPU 板、存储器板和各式I/O 插件板构成专用的 嵌入式计算机系统，并嵌入到自己的系统设备中， 就可以组建一台专用计算机系统。
嵌入式控制系统原理及设计课件-1-1 嵌入式系统概念
嵌入式控制系统原理及设计
第1章 嵌入式控制系统基础
1.1 嵌入式系统的概念
1. 1. 1 嵌入式系统的定义
嵌入式（计算机）系统虽然早已成为各大 搜索引擎的热点名词，也经常见诸于各种 学术期刊、网络等媒体；
嵌入式控制系统原理及设计
但对于初学者而言，嵌入式系统仍然是一个比较模糊的概念。他们还经常混淆于嵌入式系统、 单片机、ARM、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SoC）、Linux、Pad、智能芯片等词 汇，分不清这些词汇所指向的事物有何区别。因此有必要理清概念，明确嵌入式系统的范畴 与界定。
由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中 的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和 环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波 器等。
嵌入式系统软件开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目 标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。
1.1.1 嵌入式系统的定义
嵌入式控制系统原理及设计
【定义1】 嵌入式系统的第一个带有官方色彩的定义是由国际电气和电子工程师协会（IEEE） 给出的，英文原文为：
“The devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.”
嵌入式控制系统原理及设计pos网络及电子商务公共交通无接触智能卡contactlesssmartcardcsc发行系统公共电话卡发行系统自动售货机等智能atm终端已全面走进人们的生活在不远的将来手持一张卡就可以行遍天环境工程与自然在很多环境恶劣地况复杂的地区需要进行水文资料实时监测防洪体系及水土质量监测堤坝安全与地震监测实时气象信息和空气污染监测等时嵌入式系统将实现无人监测
第1章 嵌入式控制系统基础
1.1 嵌入式系统的概念
1. 1. 1 嵌入式系统的定义
嵌入式（计算机）系统虽然早已成为各大 搜索引擎的热点名词，也经常见诸于各种 学术期刊、网络等媒体；
嵌入式控制系统原理及设计
但对于初学者而言，嵌入式系统仍然是一个比较模糊的概念。他们还经常混淆于嵌入式系统、 单片机、ARM、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SoC）、Linux、Pad、智能芯片等词 汇，分不清这些词汇所指向的事物有何区别。因此有必要理清概念，明确嵌入式系统的范畴 与界定。
由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中 的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和 环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波 器等。
嵌入式系统软件开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目 标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。
1.1.1 嵌入式系统的定义
嵌入式控制系统原理及设计
【定义1】 嵌入式系统的第一个带有官方色彩的定义是由国际电气和电子工程师协会（IEEE） 给出的，英文原文为：
“The devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.”
嵌入式控制系统原理及设计pos网络及电子商务公共交通无接触智能卡contactlesssmartcardcsc发行系统公共电话卡发行系统自动售货机等智能atm终端已全面走进人们的生活在不远的将来手持一张卡就可以行遍天环境工程与自然在很多环境恶劣地况复杂的地区需要进行水文资料实时监测防洪体系及水土质量监测堤坝安全与地震监测实时气象信息和空气污染监测等时嵌入式系统将实现无人监测
嵌入式控制系统原理及设计课件1-2 嵌入式控制系统
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
当嵌入式计算机取代比较元件和补偿元件，成为自动控制系统的控制装置核 心部件后，控制系统将发生如下变化。
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的其他工作任务： （1）系统初始化：为完成基本工作任务设置控制器的硬件和软件环境。 （2）系统状态与故障的检测与诊断：在系统运行过程中，检测其他部件的状态， 以确保这些部件正处理正常状态；当发现系统的部件（如传感器、执行器等） 出现故障时，微处理器能够及时发现并定位故障，确定故障类型及部位，然后 做出相应的应急处理。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
其次，由于嵌入式计算机只能串行的处理指令，因而控制回路中的信号更新 也由原来的连续，变为离散，即在嵌入式计算机输出更新后信号时，控制回 路的信号发生明显变化。
（2）这些工作在控制系统工作过程中周而复始的进行。 （3）这些工作是微处理器通过执行相关代码完成的。 （4）微处理器执行代码需要一定的时间（T），因而
微处理器的控制量更新是离散的。
开始 读取 输入信 号
读取 被控量 计算 误差 控制 算法
控制 量输出 返回
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
嵌入式控制系统PPT模板
5 第12讲线 程控制
第13讲信
6 号及信号 处理
默认章
0 1
第14讲socket 网络编程
0 4
第10讲进程控 制
0 2
第15讲-拓展 实验五子棋
0 5
第11讲进程间 通信
0 3
第9讲文件操 作
0 6
第12讲线程控 制
默认章
第12讲线程控制 第15讲socket网络编程 第16讲socket网络编程2 第15讲Socket网络编程 第16讲Socket网络编程2
logo
感谢聆听
第7讲LinuxC编程环境 （第一部分）
默认章
1 2 3 4 5 6
Linux操作系统与常用指 令
第8讲LinuxC编程环境 （第二部分）
Linux操作系统与常用指 令
默认章
第8讲
1 linuxc编程 环境（第二 部分）
2 第9讲文件 操作
3 第10讲进 程控制
4 第11讲进 程间通信
logo
202x
嵌入式控制系统思维导图
演讲人 202x-11-11
01
默认章
默认章
雨课堂新版本发 布
雨课堂5步线上 授课指南
ห้องสมุดไป่ตู้
第一章嵌入式系统概况 （embeddedsystem）
第一章嵌入式系统概况 （embeddedsystem）
第一章嵌入式系统概况 （embeddedsystem
嵌入式基础知 识——硬件部分
(第二讲)
A
B
C
D
E
F
默认章
嵌入式系统基础 -软件部分1(第
三讲)
嵌入式系统基础 -软件部分2(第
嵌入式控制系统原理及设计课件2-1 微处理器的基础知识
嵌入式控制系统原理及设计
2.1.2 微处理器的工作原理
【这些指令如何存储在ROM中？】5的阶乘
03 11 24 3 128 43 51 64 7 129 81 9 128 10 3 11 5 12 10 13 14 14 31 15 1
// CONB 1 // SAVEB 128 // CONB 1 // SAVEB 129 // LOADA 128 // CONB 5 // COM // JG 17 // LOADA 129
寄存 器C
ALU （算术 /逻辑 单元）
寄存 器A
程序 计数 器
三态 缓冲 区
寄存 器B
地址 锁存 器
三态 缓冲 区
地址 总线
三态 缓冲 区
测试 寄存 器
三态 缓冲 区
指令 译码器 指令 寄存器
时钟 线路 复位 线路
三态 缓冲 区
三态 缓冲 区
数据 输出
数据 输入
数据 总线
RD（读）WR（写） 线路 线路
嵌入式控制系统原理及设计
2.1.2 微处理器的工作原理
【示例】5的阶乘
# include <stdio.h>
// 编译所需包含的头文件声明
# include <math.h>
int ifactorial ()
// 函数声明，具有返回值
{
int idata=1;
// 声明变量并赋初值
int iresult=1;
Step 2（译码）：在第二个时钟周期中，对 ADD指令进行解码：
• 将ALU的操作设置为加法； • 将ALU的输出锁存到C寄存器中。
寄存 器C
ALU （算术 /逻辑 单元）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
嵌入式控制系统原理及设计
第1章 嵌入式控制系统基础
1.2 嵌入式控制系统
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
到目前为止，尚未形成嵌入式控制系统的统一定义。 一般地，嵌入式控制系统指一个基于嵌入式系统技术的自动控制系统，其中 嵌入式计算机可以嵌入到控制系统的某个或某些部件，这些部件可以是比较 元件、校正元件、测量元件、执行元件，或者用于系统检测和故障诊断的部 件。 实际上，大部分嵌入式系统都可以归纳到嵌入式控制系统的行列，如智能扫 地机器人、工业机器人、无人机等。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的其他工作任务： （3）人机交互：当系统处于人机协作状态或调试阶段时，操作和调试人员需修 改系统的参数、控制系统的进程或其他的操作。此时，嵌入式控制装置需要提 供相应的功能。 （4）通信：当需要和其余同时存在于大系统中的自动控制系统协作完成某些复 杂的控制目标时，它需要和其他控制装置通信，以交互信息1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
• 当嵌入式计算机取代了连续控制系统中的比较元件和校正元件后，成为控制系统的核心部件， 其基本任务应包括承担所取代的元件的功能。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【回顾】自动控制系统（闭环控制系统）的工作原理
比较 元件 参考 输入
校正 元件
放大 元件
执行 元件
被控对象
被控 量
检测 元件
• 利用偏差消除偏差，即校正元件根据比较元件求得的参考输入与检测元件反馈的被控量之 间的偏差产生控制量，经由放大元件后驱动执行元件，使得被控对象的状态发生变化，实 现被控量与参考输入之间无偏差。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.3 嵌入式控制系统的优势
3.精度高、稳定性好、抗干扰能力强。 在模拟控制系统中精度由元件的精度决定，由于模拟元件的参数随着工作环 境、工作时间不可避免的出现漂移和变化，控制的精度达10−3级别已属不易。 嵌入式控制器的精度由字长决定，可根据系统要求精度确定和调整变量的类 型和表示形式，达到所需要的精度，因而往往可以取得比模拟控制更好的精 度。且嵌入式控制器的精度并不随工作环境和时间产生漂移，具有较好的稳 定性。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
为理解嵌入式计算机如何应用于自动控制系统，首先回顾连续控制系统组成。
图1.11中除了被控对象以外，系统部件均由模拟、数字等独立元件或集成器 件构成，包括各种门电路、运算放大器、功率放大器等有源器件和电阻、电 容、电感等无源器件。
比较元件 参考输入
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
其次，由于嵌入式计算机只能串行的处理指令，因而控制回路中的信号更新 也由原来的连续，变为离散，即在嵌入式计算机输出更新后信号时，控制回 路的信号发生明显变化。
• 嵌入式控制器（嵌入式计算机）的基本任务：求取偏差（比较元件）和控制量（校正元件）。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
【嵌入式控制系统工作原理】
嵌入式控制器的基本工作任务及流程：
• 读取参考输入与被控量 • 计算偏差（参考输入-被控量） 参考输入 • 调用控制算法计算控制量
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
首先，控制回路中传输的信号不再全部是模拟信号。
因为嵌入式计算机只能处理数字量，所以常用ADC将检测元件输出的模拟电信号转 化成计算机可以输出的数字信号；
同时还需用DAC将计算机输出的数字量转化为可以驱动放大元件的模拟信号，以使 得后续的系统部件可以正常工作。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.3 嵌入式控制系统的优势
4．符合控制与管理一体化的发展趋势，具有较强生命力。。 现代化生产中，计算机不仅担负着生产过程的控制任务，而且，也兼负着工 厂企业的管理任务，从收集商品信息、情报资料、制定生产计划、产品销售 到生产调度、仓库管理都实现计算机化，使得工厂的自动化程度进一步提高。 当前，嵌入式控制系统实际上已经成为工业控制、国防军事和航空航天等大 多数领域的技术方案，正在潜移默化的改变着世界和未来，具有极其广泛的 发展前景。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.3 嵌入式控制系统的优势
2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。 另外，模拟电路构成的控制器由于采用的元器件参数本身就会随着使用环境 的温度发生漂移，随着使用时间产生老化，因而模拟控制器很难保证控制质 量始终如一。嵌入式计算机属于数字部件，数字信号对模拟噪声和干扰具有 一定的容忍度，在一定的范围内，可以提供比模拟控制器更稳定的控制品质。 即便因使用时间和频率，器件有部分老化，也不至于影响计算的准确性和精 度。
校正元件
放大元件
执行元件
被控对象
被控量
检测元件
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
（1）测量元件，其功能是检测被控量的物理量，如果这个物理量是非电量，则将 其装换成电量。 （2）比较元件，其功能是把测量元件检测的被控量实际值与参数输入进行比较， 求出它们之间的偏差。 （3）校正元件，它是结构或参数便于调整的元部件，对比较元件输出的偏差信号 进行某种变换或运算，产生控制量，用于改善系统的性能。 （4）放大元件，其功能是将校正元件给出的信号进行放大，以推动执行元件去改 变控制对象的被控量。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
最后，控制系统的设计和分析方法也需要根据系统的变化进行调整，否则造成理论 研究结果和实际应用的脱节。
例如，只有在系统具有固定、统一的控制周期，且控制周期远小于被控对象的主要 时间常数时，连续系统的分析与设计方法才能应用于嵌入式控制系统的分析与设计； 否则需要采用采样控制系统或混杂系统（Hybrid Systems）的相关理论和方法。
（2）这些工作在控制系统工作过程中周而复始的进行。 （3）这些工作是微处理器通过执行相关代码完成的。 （4）微处理器执行代码需要一定的时间（T），因而
微处理器的控制量更新是离散的。
开始 读取 输入信 号
读取 被控量 计算 误差 控制 算法
控制 量输出 返回
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.3 嵌入式控制系统的优势
1.实现复杂、灵活的控制规律，提高控制质量，提高及实现系统的智能化。 常规的模拟电路只能实现比例-积分-微分（PID）调节规律、相角超前/滞后 等比较简单的控制算法，计算机控制能够实现如多变量解耦控制、最优控制、 神经网络控制等复杂的控制算法，可以在线调整控制算法的结构和参数，为 控制质量的提高提供了良好的基础。
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
• 输出控制量
注意：（1）上述四项工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.2 嵌入式控制系统的工作原理
T
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的基本工作任务及流程： 注意：（1）上述工作为完成一次控制量输出（更新）所进行的。
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
当嵌入式计算机取代比较元件和补偿元件，成为自动控制系统的控制装置核 心部件后，控制系统将发生如下变化。
参考 输入
嵌入式控制装置
ADC
嵌入 式 微处 理器
DAC ADC
放大元件
执行 元件 检测 元件
被控对象
被控 量
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.1 嵌入式控制系统的概念
嵌入式控制系统原理及设计
1.2.3 嵌入式控制系统的优势
2.能够有效地克服随机扰动，及器件老化等因素导致的参数漂移。 实际的控制系统运行过程中，扰动因素很多，且多数扰动是难以预知的，模 拟器件组成的控制器一旦投入运行，其参数很难实现随着环境动态调整。嵌 入式计算机参与控制以后，可根据实时检测到的数据，用数值滤波、预估算 法提高信号的信噪比、估计过程动态，进而实施控制，保证在扰动存在时仍 能具有满意的控制效果。
【嵌入式控制系统工作原理】 嵌入式控制器的其他工作任务： （1）系统初始化：为完成基本工作任务设置控制器的硬件和软件环境。 （2）系统状态与故障的检测与诊断：在系统运行过程中，检测其他部件的状态， 以确保这些部件正处理正常状态；当发现系统的部件（如传感器、执行器等） 出现故障时，微处理器能够及时发现并定位故障，确定故障类型及部位，然后 做出相应的应急处理。