嵌入式系统硬件基础
《嵌入式硬件基础》课件
输入/输出接口
用于与外部设备进行通信和控 制。
其他组件
如时钟、复位电路等。
02
CATALOGUE
ARM处理器基础
ARM处理器简介
ARM处理器是一种低功耗、 高性能的嵌入式处理器，广泛 应用于移动设备、物联网、智
能家居等领域。
ARM公司设计并授权ARM处 理器知识产权，许多半导体 公司根据ARM架构设计自己
UART接口
总结词
支持多种数据格式
详细描述
UART接口可以支持多种数据格式，如8位数据位、1位停止位、无奇偶校验等。用户可 以根据需要进行配置，以满足不同的通信需求。
SPI接口
总结词
同步串行通信接口
VS
详细描述
SPI（Serial Peripheral Interface）接口 是一种同步串行通信接口，常用于连接嵌 入式系统中的各种外设，如传感器、存储 器等。它支持全双工通信，数据传输速率 较高。
仿真与调试集成
将硬件仿真器和调试工具集成在一起，提高开发效率 。
嵌入式操作系统与开发环境
嵌入式操作系统
如Linux、RTOS等，用于管理嵌入式系统的软硬件资源，提供应 用程序接口。
开发环境
包括IDE、编译器、调试器等，用于编写、编译和调试嵌入式应用 程序。
操作系统与开发环境集成
将嵌入式操作系统和开发环境集成在一起，提供完整的嵌入式应用 程序开发解决方案。
嵌入式存储器系统
存储器概述
01
02
03
存储器是嵌入式系统中 用于存储数据的硬件设 备，包括程序代码、数
据和文件等。
存储器按照读写速度和 容量可以分为高速缓存 、主存和辅助存储器等
类型。
嵌入式硬件设计基础
嵌入式硬件设计基础嵌入式硬件设计是一门综合性较强的学科，主要涉及电子学、计算机科学和工程学等多个领域。
嵌入式硬件设计师需要具备深厚的电子技术背景，熟悉各类硬件器件和系统的工作原理，并能将软件和硬件相互配合，完成系统的设计与开发。
嵌入式硬件设计的基础包括电子学基础、计算机组成原理、模拟电路、数字电路、微处理器体系结构、互联技术等。
首先，要了解电子学的基本概念和原理，包括电流、电压、电阻等基本电路元件的作用和关系，熟悉电路分析和设计的方法。
其次，需要了解计算机组成原理，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等基本组成部分的功能和工作原理。
进一步，要学习模拟电路的设计和分析方法，包括放大器、滤波器、功率放大器、运算放大器等模拟电路的基本原理和设计方法。
还需要学习数字电路的设计和分析方法，包括逻辑门、触发器、计数器、寄存器等数字电路的基本原理和设计方法。
此外，还要学习微处理器体系结构的知识，包括指令集、寄存器、数据通路、控制器等微处理器的基本组成和工作原理。
最后，要学习互联技术的知识，包括总线技术、串口通信、并口通信、以太网、USB等各种互联技术的工作原理和应用。
在学习嵌入式硬件设计的过程中，需要进行实际的设计和开发实践，以提升自己的能力。
可以选择一些小型项目，如设计一个LED灯控制器，或一个温度监测系统等。
在设计过程中需要进行器件的选型、电路的设计、PCB的布局和布线、硬件和软件的调试等。
通过实践锻炼，可以更好地理解理论知识，并积累丰富的经验。
此外，嵌入式硬件设计师还需要具备一定的软件开发能力，熟悉一些常用的编程语言，如C、C++等。
在嵌入式系统开发过程中，需要通过编写软件来控制硬件的运行。
因此，掌握一定的软件开发能力可以更好地配合硬件设计。
总之，嵌入式硬件设计是一门综合性较强的学科，需要掌握电子学、计算机科学和工程学等多个领域的知识。
通过深入学习和实践，可以掌握基础的嵌入式硬件设计技能，并能在实际项目中进行硬件系统的设计与开发。
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到了各种设备中，如家用电器、汽车、医疗设备等。
嵌入式系统既包括硬件部分也包括软件部分，是一门综合性的学科。
本文将介绍嵌入式系统的基础知识，包括嵌入式硬件和软件开发。
一、嵌入式硬件嵌入式硬件是嵌入式系统中的物理部分，它包括处理器、内存、输入输出设备、外围接口等。
下面将逐一介绍这些硬件组成部分。
1. 处理器：嵌入式系统中的处理器通常是一款低功耗、高性能的芯片，如ARM架构的处理器等。
处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和控制其他硬件设备的工作。
2. 内存：嵌入式系统的内存通常包括RAM和ROM两种。
RAM是用来存储程序和数据的临时存储器，而ROM则是用来存储固化的程序和数据的只读存储器。
3. 输入输出设备：嵌入式系统的输入输出设备可以是触摸屏、键盘、麦克风、摄像头等。
这些设备可以让用户与嵌入式系统进行交互，并获取用户输入的信息。
4. 外围接口：嵌入式系统通过外围接口与外部设备进行通信，如串口、SPI接口、I2C接口等。
外围接口可以连接传感器、执行器等外部设备，实现各种功能。
二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式硬件上运行的程序的开发过程。
嵌入式软件通常是实时系统，要求对响应时间有很高的要求。
下面将介绍嵌入式软件开发的基本流程以及常用的开发工具。
1. 基本流程：嵌入式软件开发的基本流程包括需求分析、系统设计、编码、调试和测试等步骤。
需求分析是确定系统功能和性能要求的过程，系统设计是根据需求设计软件架构和模块划分，编码是将设计的模块实现成具体的代码，调试和测试是验证软件的正确性和性能是否满足要求。
2. 开发工具：常用的嵌入式软件开发工具有编译器、调试器和仿真器等。
编译器用来编译源代码生成可执行文件，调试器用来调试程序的运行过程，仿真器可以模拟出硬件环境，方便软件的开发和测试。
三、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，下面将介绍几个典型的应用领域。
1、嵌入式系统基本知识讲解
1.1.2 中间层
介于硬件层与系统软件层之间，将硬件的细节进行屏蔽，
便于操作系统调用，因此称为为中间层，也称硬件抽象层（ Hardware Abstract Layer,HAL）或板级支持包（Board Support Package）。具有硬件相关性和操作系统相关性特 点。
操作系统
BSP
操作系统统一接口
嵌入式改变未来！
嵌入式系统基础知识
2021/4/14
1
嵌入式系统基础知识
1、嵌入式系统总体结构 2、嵌入式系统硬件基础 3、嵌入式系统设计方法
2021/4/14
2
嵌入式系统组成
驱动器 1 驱动器 2
...... 驱动器 N
机械装置 被控对象
传感器 1 传感器 2
...... 传感器 N
应用层 软件层 中间层
（3）系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要 是进行操作系统初始化及CPU控制权移交。
中间层2
硬件相关的设备驱动程序
➢ 与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序的初始 化和使用通常是一个从高层到底层的过程。
➢ BSP不直接使用设备驱动程序通常 ➢ 与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，在应用
1.1.1 硬件层
嵌入式系统硬件通常指除被控对象之外的嵌入式 系统要完成其功能所具备的各种设备，由嵌入式处理 器、存储器系统、通用设备接口（A/D、D/A、I/O等 ）和一些扩展外设组成。
嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的
嵌入式系统外设是指为了实现系统功能而设计、提供的 接口或设备
1.1 嵌入式系统的总体结构
1. 微处理器结构
典型的微处理器由控制单元、程序计数器（PC）、 指令寄存器（IR）、数据通道、存储器等组成
嵌入式系统设计基础
嵌入式系统设计基础嵌入式系统是一种专用计算系统，内嵌于其他设备或机器中，用于控制、监测或操作该设备。
这些系统通常包含一个或多个微处理器或微控制器，并且具有高度定制化的硬件和软件。
在如今数字化时代的浪潮下，嵌入式系统已经成为各行各业中不可或缺的一部分。
在本文中，将介绍嵌入式系统设计的基础知识，包括硬件和软件方面的要点。
硬件设计基础在嵌入式系统设计中，硬件是首先需要考虑的关键因素。
以下是嵌入式系统硬件设计的一些基础知识：1.芯片选择：在设计嵌入式系统时，选择合适的芯片非常重要。
根据系统的需求，选择适合的处理器、微控制器或FPGA芯片。
考虑性能、功耗、接口和成本等因素，并确保芯片的兼容性和可靠性。
2.电源设计：为嵌入式系统提供适当的电源是必要的。
了解系统的功耗特点，并选择合适的电源管理方案。
确保电源电压稳定、电流能满足需求，并考虑电源的效率和可靠性。
3.时钟和时序设计：为嵌入式系统设计准确的时钟和时序是至关重要的。
时钟信号的精度和稳定性对于整个系统的性能和功能至关重要。
合理地设计时钟源和时序电路，以确保时钟信号的可靠传输和同步。
4.外设和接口设计：根据系统需求，选择并设计适当的外设和接口。
例如，UART、SPI、I2C、USB等常用接口，以及按钮、LED、传感器等常用外设。
同时，合理规划电路板布局，确保信号传输的稳定性和抗干扰能力。
5.电路保护和抗干扰设计：在设计嵌入式系统时，要考虑到外部环境的影响。
采取必要的电路保护措施，防止电源过载、过压、过流等问题。
另外，通过合理的抗干扰设计来提高系统的抗干扰能力，确保信号的稳定性和可靠性。
软件设计基础在嵌入式系统设计中，软件起到了至关重要的作用。
以下是嵌入式系统软件设计的一些基础知识：1.编程语言选择：选择合适的编程语言对于嵌入式系统软件开发至关重要。
常用的编程语言包括C、C++、Python等。
根据应用需求、硬件平台和开发环境，选择最合适的编程语言。
2.嵌入式操作系统选择：通常，嵌入式系统设计需要选择一个合适的操作系统，以提供对硬件的访问和管理。
嵌入式系统的硬件基础
凡是能从一种电量或电参数变换为另一种 电量或电参数的电路，称为变换电路或变 换器。 根据输入和输出的关系，变换电路可分为 线性变换器和非线性波形变换器 按变换时间特性可分为连续性变换和周期 性变换。
同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, weixzh@
滤波器
汽车嵌入式系统通信模块
ECU ECU内部的通信 内部的通信
ECU ECU之间的通信 之间的通信
同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, weixzh@
ECU内部的通信
SPI
微处 理器
数据交换 片外 器件
常用ECU 内部通信 I2C 1-Wire
同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, weixzh@
有源带通滤波器
对输入信号中某特定 频率或频带成分具有 选择性的网络称为滤 波器。 由电阻、电容、有源 器件（运算放大器） 构成的滤波器称为RC 有源滤波器。
同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, weixzh@
其他运算放大器
模拟电压比较器
以输出逻辑电平的高低给出判断结果的一种电路。 基本功能 实现两个模拟电压之间的比较。
SPI总线
定义：SPI是Motorola推出的同步串行外围接口，采用3或4根信号线进 行数据传输，所需的信号包括使能信号、同步信号、同步数据。 应用：简单的TTL移位寄存器、复杂的驱动器、A/D转换器，多微处理 器之间的通信。 特点：全双工，三线同步传输；主机或从机操作；1.05Mbps的最大 主机数据传输速率;可编程串行时钟极性与相位;发送结束中断标志;定 开发冲突保护;总线竞争保护。 数据线：两条数据线SDI和SDO； SPI从设备的典型连接图 两根控制线CS和SCLK。
嵌入式硬件基础知识
嵌入式硬件基础知识嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它通常用于嵌入到其他设备中，以完成特定的功能。
嵌入式硬件是构成嵌入式系统的硬件部分，它负责处理数据和控制设备的操作。
了解嵌入式硬件的基础知识对于理解嵌入式系统的工作原理和开发过程至关重要。
一、嵌入式硬件的特点嵌入式硬件与传统计算机硬件相比有一些明显的特点。
首先，嵌入式硬件通常设计为定制化的，针对特定的应用场景和功能需求。
其次，嵌入式硬件通常需要具备较小的尺寸和低功耗的特点，以适应嵌入到各种设备中的要求。
此外，嵌入式硬件还需要具备稳定可靠的性能，以保证系统的正常运行。
二、嵌入式硬件的组成嵌入式硬件通常由处理器、内存、输入输出接口和外设组成。
处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和进行数据处理。
常见的处理器包括ARM、MIPS和x86等。
内存用于存储程序和数据，通常包括闪存和RAM。
输入输出接口用于与外部设备进行数据交互，例如串口、USB接口和以太网接口等。
外设包括各种传感器和执行器，用于获取环境信息和控制设备。
三、嵌入式硬件的设计流程嵌入式硬件的设计流程包括需求分析、系统设计、电路设计、PCB设计、硬件调试和验证等步骤。
首先，需求分析阶段需要明确系统的功能需求和性能指标。
然后，在系统设计阶段，根据需求分析的结果，确定处理器、内存、接口和外设等硬件组成。
接下来，进行电路设计，包括原理图设计和电路板布局设计。
然后，进行PCB设计，将电路设计结果转化为实际的电路板。
最后，在硬件调试和验证阶段，对设计的硬件进行测试和验证，确保其能够正常运行。
四、嵌入式硬件的开发工具嵌入式硬件的开发通常需要使用一些专用的工具。
常见的工具包括开发板、仿真器、调试器和编程器等。
开发板是用于软硬件开发和调试的平台，通常包括处理器、内存和接口等基本组件。
仿真器和调试器用于在开发过程中对硬件进行调试和测试，以确保其正确性和稳定性。
编程器则用于将程序和数据下载到嵌入式硬件中，使其运行起来。
嵌入式系统-Chapter2-嵌入式硬件系统基础
晶体管 个数
位数
20世纪80年代 中后期
1 - 0.8 m
< 33 MHz
> 500K
4/8/16bit
20世纪90年代 初期
0.8 - 0.5 m
<100 MHz
>2M
4/8/16/32bit
20世纪90年代 中后期
0.5 – 0.35 m
<200 MHz
21世纪 初期
0.25 - 0.13 m
不同种类的处理器结构（CISC/RISC/ VLIW ）有不同的代 码密度。
26
主流的嵌入式微处理器
• 目前主流的嵌入式微处理器系列主要有: • ARM系列 • MIPS系列 • PowerPC系列 • Super H系列等。
• 属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有上千种以上。
27
500 400 300 200 100
< 600 MHz
>5M 4/8/16/32bit
>22M
4/8/16/32/64 b
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嵌入式微处理器的分类
• 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、 8位、16位、32位和64位。
• 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DS P和通用的嵌入式微处理器两种：
• 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛结构和一系列措施保证数字信 号的处理速度，如对FFT（快速傅立叶变换）的专门优化。
or）
符合嵌入式系统的低成芯片（SoC）
本和低功耗需求
系统（Syste
18
m）
嵌入式微处理器的集成度
• 嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含 的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。
嵌入式系统设计基础
嵌入式系统设计基础嵌入式系统是指运行在特定硬件平台上的软件系统，其设计用于执行特定任务。
嵌入式系统在日常生活中无处不在，例如家用电子设备、汽车、医疗设备以及智能手机等。
本文将会介绍嵌入式系统设计的基础知识，包括硬件和软件方面的要点。
一、硬件设计基础1. 微控制器选择在嵌入式系统设计中，选择合适的微控制器非常重要。
微控制器是嵌入式系统的核心，负责控制系统的各个部分。
在选择微控制器时，要考虑系统的需求，如处理能力、存储容量、功耗和通信接口等。
此外，还要考虑成本和可用性等因素。
2. 电路设计电路设计是嵌入式系统设计中的关键一环。
同时考虑功耗、稳定性和可靠性等因素，设计电路图，并制作原型进行测试。
电路设计要充分考虑电源管理、信号调理和通信接口等模块。
3. PCB设计PCB设计是将电路设计转化为实际的印刷电路板。
在进行PCB设计时，要注意布线、引脚定义和保护措施等。
同时，还要考虑信号传输的完整性和噪声抑制等问题。
二、软件设计基础1. 嵌入式操作系统选择嵌入式系统通常需要运行一个操作系统，以提供任务管理、资源分配和设备驱动等功能。
选择合适的操作系统对系统的性能和功能至关重要。
常见的嵌入式操作系统有FreeRTOS、uC/OS和Linux等。
根据系统需求，选择合适的操作系统。
2. 嵌入式软件开发嵌入式软件开发是嵌入式系统设计的核心任务。
根据系统需求，使用合适的编程语言，如C、C++等，进行软件开发。
同时，要编写驱动程序、任务调度和通信协议等。
3. 软件调试与测试软件调试与测试是确保嵌入式系统正确运行的关键步骤。
通过调试和测试，可以发现和解决软件中的问题，提高系统的稳定性和可靠性。
可以使用调试器和仿真器等工具进行软件调试和测试。
三、系统集成与验证1. 硬件与软件集成完成硬件和软件的开发后，需要将它们进行集成。
该过程包括将软件烧录到微控制器中，将电路板与外围设备连接等。
在进行集成时，必须仔细检查硬件和软件之间的接口，确保它们能够正常通信。
嵌入式系统的硬件基本知识.ppt
B
u
u
s
s
u
桶
s
移位器
读数据 寄存器
32 位 ALU
写数据 寄存器
内核
DBE
D[31:0]
指令 解码
及
控制 逻辑
BIGEND MCLK nWAIT
nRW MAS[1:0]
ISYNC nIRQ nFIQ nRESET ABORT nTRANS
nMREQ SEQ LOCK nM[4:0]
nOPC nCPI CPA CPB
9
ARM920T处理器核体系结构框图
10
MPU的生产厂家简介
由集成电路厂商在处理器内核和处理器核 基础上设计，嵌入各种外围和处理部件，形成 各种嵌入式微处理器MPU。例如： Intel公司：PXA25X、27X系列微处理器（采用 XScale 核）； TI公司：OMAP59XX微处理器，（采用ARM+DSP 双核）； 三星电子公司：S3C2410（ARM920T核）； Philips公司：IPC2XXX系列（ARM7TDMI内核） 等等。
1）ALU 它与常用的ALU逻辑结构基本相同，是由
2个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结 果及零检测逻辑构成。
16
图2.1微处理器原理图
例：ARM7TDMI
ABE A[31:0]
地址寄存器
P C
地址 自增器
Incrementer
寄存器 Bank
PC Update
A
L
A
U
B
B
乘法器
B
解码站
指令 解压缩
11
PXA270 Block Diagram
12
作业1 ：
3第二章嵌入式系统基础知识
控制总线Cbus
31
总线概述
总 线 的 主 要 参 数 总线宽度
又称总线位宽，指的是总线能同时 传送数据的位数。如16位总线就是 具有16位数据传送能力。 总线工作速度的一个重要参数， 工作频率越高，速度越快。 通常用MHz表示。 又称总线的数据传送率，是指在一 定时间内总线上可传送的数据总量， 用每秒最大传送数据量来衡量。 总线带宽越宽，传输率越高。
章节安排
• 2.1 嵌入式系统的硬件基础
–2.1.1 基于ARM技术的嵌入式系统硬件 架构 –2.1.2 硬件系统基本体系结构原理
2.1
嵌入式系统的硬件基础
• 1990 年，英国一位叫罗宾 . 沙科斯 比的人离开了摩托罗拉与另外 12名 工程师一起开始了创业之旅，于是 就有了现在的ARM公司。 • 公司正式成立于1991年11月，全称 是 :Advanced RISC Machines Limited 。 • ARM 公司的总部位于英国剑桥， 它拥有 1700 多名员工
桶形移位寄存器 • ARM采用32位的桶形移位寄存器,置于ALU的操作输入口 前。这样使逻辑移位和算术移位等都可以在一个周期内 完成。 • 由多路选择器、符号控制电路、移位寄存器和写选择电 路等构成。 • 实现对累加器中的内容进行算术或逻辑移位、操作数的 符号位扩展、对累加器进行归一化处理和多媒体数据压 缩解压等功能。
直接执行 寄存器较多 8
ARM微处理器的技术指标
• 功能 • 字宽
• 处理速度
• 工作温度
• 功耗
• 寻址能力 • 工艺和电磁兼容性指标等
9
2.1.1 基于ARM技术的嵌入式系统硬件架构
32位ALU
ARM微处理器
数十个32位通用寄存器及 状态寄存器 32位桶型移位寄存器
嵌入式硬件基础知识
嵌入式系统简介---引子嵌入式系统的应用说明嵌入式系统的组成嵌入式系统的应用实例第2章嵌入式硬件基础知识•在为一个嵌入式系统写软件之前，你必须先熟悉将要使用的硬件环境。
首先，你需要了解系统的一般操作。
你并不需要了解很小的细节，这些只是现在还用不到，慢慢就会碰到了。
无论何时你拿到一块新的电路板，都应该阅读一下附带的所有文档。
•再看文档的时候先把板子放在一边。
这会有助你着眼于全局。
等看完资料以后有得是时间来仔细检查电路板。
在拿起这块板子之前，你应该能回答如下两个基本问题：1.这块板子主要目标是什么？2.数据是如何在里面流动的？2.1 嵌入式硬件基础知识基本组成：嵌入式硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器，总线，存储器以及I/O借口和设备组成。
嵌入式微处理器将在后面介绍，这里先介绍总线，存储器以及I/O借口和设备。
总线：嵌入式系统的总线一般与嵌入式微处理器核集成在一起。
从微处理器的角度来看，总线可分为片内总线（例如：PIC,ISA）和片内总线（例如：AMBA,AVALON,OCP,WISHBONE）。
选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。
存储器：嵌入式系统的存储器包括主存和外存（又称为辅存）。
大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可以直接访问的存储空间即主存中。
系统上电后，主存中的代码直接运行。
主存储器的特点是速度快，一般采用ROM,EPROM,NorFlash,SRAM和DRAM等存储器件。
I/O接口和设备：嵌入式系统的大多数I/O接口和部分设备已经集成在嵌入式微处理器中。
I/O接口主要有中断控制器，DMA，窜行和并行接口等；设备主要有定时器(timers)，计数器(counters)，看门狗定时器(watchdog timers)，RTC，UARTs，PWM(Pulse Width Modulator),AD/DA,显示器，键盘和网络等。
典型的嵌入式硬件基本组成嵌入式系统的软/硬件框架2.2 嵌入式处理器的特点嵌入式微处理器（Embedded MicroProcessor Unit, EMPU）嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，到2000年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行体系结构有30多个系列，其中8051体系的占了多半。
嵌入式系统基础知识
嵌入式系统基础知识嵌入式系统这一概念已经不再只是计算机专业人士的专属领域，而是面向更广泛的学科和行业。
它涉及到硬件和软件，需要对多学科进行深入的学习和了解。
本文就嵌入式系统的基础知识进行探讨，包括硬件、软件、应用领域等方面。
一、嵌入式系统的概念和特点嵌入式系统是一种集成了计算机硬件和软件的计算机系统，其目的是完成特定任务。
相对于通用计算机而言，嵌入式系统更加具有针对性和专业性。
其特点主要有以下几个方面：1. 任务导向：嵌入式系统的设计和开发是基于特定的任务和应用领域，比如汽车电子、医疗设备、智能家居等等。
因此在设计过程中，需要深入了解任务和所处领域的特点和需求。
2. 实时性：嵌入式系统往往要求具备很高的实时性，即需要在极短的时间内完成任务和数据处理，例如航空航天、军事等领域。
3. 资源受限：相对于通用计算机，嵌入式系统在硬件和软件资源方面都有所限制，需要针对性地进行优化。
在资源方面受限的情况下，嵌入式系统需要同时兼顾高效性和低能耗性。
4. 协作性：嵌入式系统通常是由多个组成部分构成，比如传感器、控制器、数据存储等等，这些部分需要协同完成任务。
5. 可靠性：嵌入式系统往往要求具备很高的可靠性和安全性，一旦发生故障，可能会带来重大的后果。
二、嵌入式系统的硬件基础嵌入式系统的硬件基础可以分为以下几个方面：1. 处理器芯片：是嵌入式系统最核心的部件，可以进行数据处理和控制操作。
2. 存储设备：包括闪存和RAM等，其中闪存用于存储程序，RAM用于存储数据。
3. 输入输出设备：包括显示器、键盘、鼠标、摄像头、传感器等，通过这些设备实现用户和系统的交互。
4. 通信模块：可以连接互联网、局域网或其他嵌入式系统，实现数据的传输和共享。
5. 电源系统：嵌入式系统需要用电才能正常工作，电源系统需要提供稳定的电压和电流。
6. 外壳：为了保护嵌入式系统免受物理伤害，通常需要加上合适的外壳，同时还可以提升美观性和舒适度。
三、嵌入式系统的软件基础嵌入式软件用于操作嵌入式系统的硬件，实现特定的任务和功能。
嵌入式系统了解嵌入式硬件和嵌入式软件开发
嵌入式系统了解嵌入式硬件和嵌入式软件开发嵌入式系统是一种在特定硬件平台上运行的计算机系统，具有高度特定化和实时性的特点。
它广泛应用于各个领域，如家电、通信、汽车、医疗等。
嵌入式系统的核心是嵌入式硬件和嵌入式软件开发。
本文将详细介绍嵌入式硬件和嵌入式软件开发的相关知识。
一、嵌入式硬件嵌入式硬件是嵌入式系统的物理组成部分，包括处理器、内存、外设等。
嵌入式硬件的选择对系统的性能、功耗和成本有重要影响。
1. 处理器嵌入式系统的处理器选择需要考虑功耗、性能和适应性。
常见的嵌入式处理器有ARM、MIPS、PowerPC等，每种处理器都有其优势和适用场景。
在选择处理器时，需要根据系统的实际需求进行评估和比较，以达到最佳的性能与功耗平衡。
2. 内存嵌入式系统的内存主要包括ROM和RAM。
ROM用于存储固件和程序，而RAM用于运行时的临时数据。
在选择内存时，需要考虑容量、访问速度和功耗等方面的因素，并根据系统需求进行适当的配置。
3. 外设嵌入式系统通常需要与外部设备进行通信，例如传感器、显示屏、通信模块等。
在选择外设时，需要根据系统的功能需求和接口标准进行选择，并注意与处理器的兼容性和驱动支持。
二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式系统上进行软件编程和调试的过程。
嵌入式软件开发需要掌握相关的编程语言、开发工具和调试技能。
1. 编程语言常用的嵌入式软件开发语言包括C、C++和汇编语言。
C语言是嵌入式系统的主流开发语言，具有丰富的库函数和良好的可移植性。
汇编语言则用于对硬件进行底层访问和优化。
选择合适的编程语言，可以提高开发效率和系统性能。
2. 开发工具嵌入式软件开发需要使用相应的开发工具，包括编译器、调试器、仿真器等。
常用的开发工具有Keil、IAR、GCC等。
这些工具可以帮助开发者进行编译、调试和测试，提高开发效率和代码质量。
3. 调试技能在嵌入式软件开发过程中，调试是必不可少的环节。
开发者需要熟悉常见的调试技术和工具，如断点调试、观察变量、性能优化等。
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输出
数据 数据0 数据1 数据2
哈佛体系结构
地址 程序存储器 指令0 指令1 指令2
指令寄存器 控制器
指令
地址 数据通道 输入 输出 数据
数据存储器 数据0 数据1 数据2
CPU
流水线技术
流水线(Pipeline)技术： 流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 (Pipeline)技术 • 提高了CPU的运行效率 提高了CPU的运行效率 CPU • 内部信息流要求通畅流动
PCI
1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。 Intel联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为： Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。 93年发布PCI2.0，32位，33MHz。5个以上PCI插槽 AGP（图形加速处理） 90年代后期，PCI-X，64位/66MHz
80年代末，由德国Bosch公司最先提出 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各 电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子 控制网络。 发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子 主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。 使用CSMA/CD协议 40米以内，1Mbps；10Km，5Kbps；理论上可以支 持无限多个设备 可靠性高，误码率为10-11 抗电磁干扰性强
SH体系结构
SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现 Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个 字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使 是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻 址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并 且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的 时间
CISC与RISC的对比
类别 CISC RISC 较少，通常少于100 指令系统 指令数量很多 执行时间 有些指令执行时间很长，如 没有较长执行时间的指令 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器 编码长度 编码长度可变，1-15字节 寻址方式 寻址方式多样 操作 编译 编码长度固定，通常为4个字节 简单寻址
9.6~115K bps
高速
1~4M bps
工业高速
16M bps
Bluetooth 接口
功耗低
100M，100mW 10M，2.5mW 1M，1mW
2.4-2.4835 GHz (使用ISM频段)
优势: 世界范围内可用 劣势: 与IEEE 802.11b产品相互干扰
声音和数据传输，总带宽为1Mbps 成本低
INTEL的Xscale架构处理器
• 基于ARM V5TE体系结构 • 兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点 指令集） • 在处理器内核周围提供了 • 指令和数据存储器管理单元 • 指令、数据和微小数据缓存 • 写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器 • 电源管理 • 性能监控 • 调试 • JTAG单元以及协处理器接口 • MAC协处理器 • 内核存储总线
PowerPC体系结构
Motorola半导体（现Freescale半导体）联合 IBM以及苹果电脑 IBM
PowerPC750 PowerPCG3
Motorola
MPC MC
X86体系结构
Intel X86体系结构 AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品 为Geode 系列处理器 CISC指令集
嵌入式系统硬件部分
嵌入式系统硬件基础
RISC和CISC 冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 流水线 嵌入式微处理器体系结果 总线 高速输入输出接口 输入输出设备 存储器
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（ Computer） CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式， 具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 原则 的程序只使用20% 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（ RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 只包含最有用的指令， 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单 CPU硬件结构设计变得更为简单
ISA
公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总 称为PC 总线。 线，称为PC 总线。 公司于1984 年推出了16 PC/AT， IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总 线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的 线称为AT 总线。然而IBM AT总线规格 总线规格。 AT总线规格。 公司， 由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与 原装机总线意义相近的ISA 总线， IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线 总线。 Architecture)总线。 6.66MHZ至 6.66MHZ至26.66MHZ ，典型8MHz EISA总线 32位 总线， EISA总线，32位
5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核
5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。 20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在 600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰 值浮点运算能力。
MIPS
在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器 占据了相当大的数量 2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌 入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。 在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、 DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。 MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI， SONY等众多厂商
Add Sub Cmp 时间
取指
译码 取指
执行add 译码 取指 执行sub 译码 执行cmp
高速缓存（CACHE）
1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多， 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以 提高内存的平均性能。 提高内存的平均性能。 2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器， 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内 容的拷贝。 容的拷贝。
C H A P T E R
嵌入式硬件基础
本节提要
1 嵌入式系统硬件基础 2 嵌入式系统开发环境 3 4 嵌入式系统硬件开发流程 芯片封装知识简介
如人的大脑，决定了硬件的操作模 式。通过良好的操作系统以及应用 程序，把硬件功能发挥到极至。
嵌入式系统软件部分
如人的手、脚、神经等部位，决定 了嵌入式系统的先天功能。如运算 能力和I/O接口等。
低于US$5/蓝牙芯片
蓝牙和红外线的比较：
篮牙接口
传输距离 传输特性 安全机制 移动性 传输速率 价格 10米 可以以任何角度传输 具有完整安全机制 可以在嵌入式系统移动时 进行传输 1Mbps 5美元 1米 只能在一定角度(15 度)内进行传输 安全性底 需要在静止状态下 进行传输 4Mbps 1～2美元
MIPS
从1986年推出R2000处理器以来，MIPS陆续推出 R3000、R4000、R8000等。 之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入 式系统。 1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结 构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增 加了许多更强大的功能。 此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32 位和64位处理器内核。
高 速 缓 存 控 制 器
数据
CACHE 主存
CPU
地址 数据
总线和总线桥
CPU 低速设备
高速总线
桥
低速总线
存储器
高速设备
数据
键盘
ARM公司提出的AMBA总线标准
嵌入式处理器体系结构
按体系结构的不同可分为五大类
ARM MIPS POWER PC X86 SH系列
ARM11 ARMxx ARM10E ARM9E ARM9 ARM7 XScale ARMx
总线
总线的主要参数有
总线的带宽 总线的位宽 总线的工作时钟频率
总线机制
微处理器（CPU）是嵌入式系统硬件平台的 核心构件，但不是全部。按照冯·诺依曼体系 结构思想，计算机的硬件是由CPU、存储器 和I/O设备三部分组成的。总线是把CPU与存 储器、I/O设备相连接的信息通道，但总线并 不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的 通信协议。按照使用场合的不同，总线分成 芯片级总线（CPU总线）、板卡级总线（内 总线）和系统级总线（外总线）。
PCI－力不从心
南桥/北桥
Intel 440一种用于内部IC控制的简单的双向两线 串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit ) 最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备
数据线 时钟线
CAN（Controller Area Network）
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器对行算术和逻辑 算术和逻辑操作 操作，Load/Store体系结构 难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效 的目标代码程序 的目标代码程序
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构