第六章 嵌入式硬件体系中的测量与控制电路设计PPT课件
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《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。
《嵌入式系统介绍》PPT课件
Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多 线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬 实时操作系统。
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
34
图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
13
计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
ppt课件
8
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
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图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
13
计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
ppt课件
8
《嵌入式系统设计》课件
2
系统架构设计
设计系统的硬件和软件架构，包括选择适当的处理器和外设。
3
电路设计
设计电路板，包括选择元件、布线和进行电路仿真。
4
软件开发
编写嵌入式软件，实现系统功能和交互。
嵌入式系统硬件设计
电路设计
微控制器
通过选择合适的元件和进行布线， 设计控制器，如 Arduino或Raspberry Pi，以实现 系统的处理和控制。
《嵌入式系统设计》PPT 课件
嵌入式系统是指将计算机技术和信息处理能力嵌入到特定应用领域中的系统。
嵌入式系统简介
嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，集成了软硬件设计，广泛应用于生活中的各个方面，如智能家居、汽车 电子和医疗设备。
嵌入式系统设计流程
1
需求分析
根据需求和系统特点确定设计目标和主要功能。
嵌入式系统应用于医疗设备中， 如心脏起搏器和医疗监测仪器， 提供精准和可靠的医疗服务。
总结与提问
嵌入式系统设计是一个综合性的过程，需要考虑硬件和软件的协同工作，以 实现特定应用领域的需求。欢迎提问和讨论。
传感器
选择适当的传感器，如温度、湿 度或距离传感器，以实现系统的 感知能力。
嵌入式系统软件设计
嵌入式编程语言
选择适当的编程语言，如C或C++，以实现嵌入式系统的软件功能。
实时操作系统
使用实时操作系统（RTOS）来管理系统的任务和资源，保证系统的实时性。
驱动程序开发
开发设备驱动程序，以实现与外设的通信和控制。
嵌入式系统调试与测试
调试和测试是嵌入式系统设计过程中至关重要的一环，涉及硬件和软件的运 行状态、故障排除和性能评估。
嵌入式系统应用实例
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。
年VIP
月VIP
连续包月VIP
享受100次共享文档下载特权，一次 发放，全年内有效
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
(完整)嵌入式系统精品PPT资料精品PPT资料
应用范例介绍二
iPhone® Went on sale in June 2007
One Samsung ARM1176
application processor core Memory capacity: 8 – 16 GB Display: 3.5 inch widescreen multi-
And the list goes 全on a自nd 动on 操作循环
Televisions
24 MB of int嵌erna入l m式ain m系em统ory为一种计算机软件与硬件的综合体，特别强调「量身定做」 LDEisGkOdrTivEeCs H的NIC原El则eme，nts基于某一种特殊用途上，针对这项用途开发出截然不同的系 Anti-lock bra统kes，是所谓的客制化(Customized)系统。
32-bit ARM7 microprocessor 256 Kbytes FLASH, 64 Kbytes RAM
Bluetooth wireless communication using NXT software only.
USB 2.0 port 4 input ports, 6 wire digital platform 3 output ports, 6 wire digital platform 100 x 64 pixel LCD graphical display Sound channel with 8-bit resolution Stores multiple programs
Take advantage of application characteristics to optimize the design: Do not need all the general-purpose bells and whistles
《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
嵌入式系统PPT课件
节能策略65面向pc笔记本电脑服务器通信设备的刀片服务器根据嵌入式系统模型定制节能技术非常缺乏甚至在某些方面是空白66cpu功能管理策略67固化为通用电源管理ic68预测什么时候设备的未来使用状况或者使用率通用性强但是嵌入式系统定制性强效果不佳69测试出每条指令的能耗估计测试程序运行完的总能耗测试出每个函数的能耗然后利用这些函数作为标准去估计其他函数运行的能cpu电压和频率调节会给实时性能带来了严峻挑战重新锁定锁相环路和其它动态时钟机制需要时间造成了很长的等待时间有时是毫秒级别锁定期间cpu既不能执行计算操作又不能响应外部事件中断通过动态的调节cpu的内核频率与内核电压以及动态的关闭系统的某些设备和调整某些设备的状态71通过软件来动态的预测和控制某些部件的开关72低功耗压缩算法73基于ice进行函数执行代码统计个人观点供参考欢迎讨论
– 设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
• 面向对象的方法 以类及交互模式为中心
27
系统软件结构的设计
• 结构化方法(SA/SD) • 面向对象的方法(OOA/OOD)
– UML建模
28
结构设计的验证
• 结构设计的正确性非常关键 – 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
• 验证所关心的问题 – 结构设计是否满足功能、性能要求 – 能否实现
• 软硬件协同设计 • 功耗的优化设计 • 嵌入式操作系统 • 开发环境 • 成本和开发周期 • 代码优化 • 高效的输入和输出 • 测试环境
7
嵌入式系统软件技术面临的几大问题
• 嵌入式软件全生命周期开发工具链 • 硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ? • 驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中
– EDA设计工具
– 设计过程应该是逐步细化和逐步完善的过程
• 面向对象的方法 以类及交互模式为中心
27
系统软件结构的设计
• 结构化方法(SA/SD) • 面向对象的方法(OOA/OOD)
– UML建模
28
结构设计的验证
• 结构设计的正确性非常关键 – 详细设计和实现的基础，对开发周期、成本有很大影响
• 验证所关心的问题 – 结构设计是否满足功能、性能要求 – 能否实现
• 软硬件协同设计 • 功耗的优化设计 • 嵌入式操作系统 • 开发环境 • 成本和开发周期 • 代码优化 • 高效的输入和输出 • 测试环境
7
嵌入式系统软件技术面临的几大问题
• 嵌入式软件全生命周期开发工具链 • 硬件与软件的Co-Design: Verilog + C = ? • 驱动程序的设计和生成技术（嵌入式软件开发中
– EDA设计工具
嵌入式系统PPT讲解全
三大领域所占比例之和接近60%
消费电子：信息家电，电视机、微波炉、数字电话 通信设备：手机、平板电脑 工业控制:自动化与测控仪器仪表 在工控和仿真领域，几乎所有的计算机控制系统都
采用嵌入式系统.新型的测控仪器仪表无一不是嵌入 式系统
嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最 有前景的IT应用领域之一。
（软件外包是指软件外包提供商为了集中精力从事核心 竞争力业务,降低项目成本,同时提高项目实施的质量,将 自己的软件项目中的全部或部分工作发包给合适的软件 企业去完成）
嵌入式系统在工业上的应用
嵌入式工控机 嵌入式工控机（Embedded Industrial Computer）是一
种加固的增强型工业计算机，它可以作为一个工业控 制器在工业环境中可靠运行。
工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要 满足特定的外部设备，因此大多数情况下工控机需要 单独定制才能满足需求。
嵌入式工控机的优点 性能可靠 体积小巧 免维护 低功耗、无风扇、宽温设计、适应恶劣工作环境
嵌入式工控机的三大缺点。 一是性能较低； 二是扩展性较差；
三是缺乏标准化。
嵌入式工业触控一体机
工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业 控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及 机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。 工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算 机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、 控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。
工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC （可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、 FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。
嵌入式工控机的优势
嵌入式系统PPTPPT课件
物联网与5G技术
嵌入式系统将与云计算和边缘计算技术结 合，实现数据处理和分析能力的提升。
物联网和5G通信技术的发展为嵌入式系统 提供了更广阔的应用空间，嵌入式系统将 更加网络化、智能化。
02 嵌入式系统硬件
微控制器
微控制器是嵌入式系统的核心，它是一 种集成电路芯片，包含了计算机的基本 组成要素，如中央处理器、存储器、输
嵌入式系统PPT课件
目录
CONTENTS
• 嵌入式系统概述 • 嵌入式系统硬件 • 嵌入式系统软件 • 嵌入式系统开发流程 • 嵌入式系统应用案例 • 嵌入式系统面临的挑战与解决方案
01 嵌入式系统概述
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
特点
嵌入式系统在智能家居控制系统中发 挥着核心作用，通过嵌入式处理器和 相关硬件设备，实现对家庭设备的控 制和管理。
智能家居控制系统可以实现的功能包 括：远程控制、定时控制、语音控制 等，为家庭生活带来便利和舒适。
工业自动化控制系统
工业自动化控制系统是嵌入式系统的另一个重要应用领域，通过嵌入式系统技术， 可以实现生产过程的自动化和智能化。
调研市场需求
了解行业发展趋势和市场需求，为系统设计提供参考 和依据。
制定开发计划
根据需求分析结果，制定详细的开发计划，包括时间 安排、人员分工、资源需求等。
系统设计
硬件设计
根据系统需求，设计合适的硬件架构，包括 处理器、存储器、接口电路等。
软件设计
设计嵌入式系统的软件架构，包括操作系统、 中间件和应用软件等。
01
02
03
系统集成
将硬件和软件集成在一起， 形成完整的嵌入式系统。
嵌入式资料PPT课件
C语言
适用于需要面向对象编程 的应用场景，如GUI开发、 游戏机等。
Python语言
适用于需要快速原型开发 或脚本编程的应用场景。
嵌入式软件设计模式
单片机程序架构
适用于资源受限的微控制器，如8051系列。
ARM Cortex-M系列MCU程序架构
适用于ARM Cortex-M系列MCU，如STM32。
软件设计
根据系统需求和总体设计，设计 软件模块和接口，确定软件架构。
系统实现与测试
编码实现
按照设计要求，编写代 码并实现系统功能。
单元测试
对每个模块进行测试， 确保模块功能正常。
集成测试
将所有模块集成在一起 进行测试，确保系统整
体功能正常。
系统测试
对整个系统进行测试， 确保系统满足需求规格
说明书的要求。
系统部署与维护
系统部署
将系统安装到实际运行环境中，并进 行配置和调试。
系统维护
对系统进行日常维护和升级，确保系 统稳定运行。
05
嵌入式系统应用案例
智能家居系统
智能家居系统
01
通过嵌入式系统技术，将家中的各种设备连接到互联网，实现
智能化控制和管理。
智能家居系统的功能
02
包括远程控制、语音控制、自动化控制等，提高家庭生活的便
传感器和执行器是嵌入式系统 的关键组成部分，用于实现系
统的感知和控制功能。
选择合适的传感器和执行器需 要考虑应用场景、性能要求和
成本等因素。
嵌入式硬件开发工具
嵌入式硬件开发工具包括原理图 设计软件、PCB设计软件、仿真
软件等。
这些工具可以帮助开发人员快速 设计、仿真和调试嵌入式硬件系
《嵌入式系统导论》课件
智能家居系统
医疗设备中的嵌入式系统
自动化家庭设备，如智能照明、 智能门锁和智能家电。
Hale Waihona Puke 用于监测和控制医疗设备，如 心脏起搏器和呼吸机。
嵌入式系统的应用领域
1 汽车工业
2 工业自动化
嵌入式系统在汽车的控制、安全和娱乐方 面发挥重要作用。
嵌入式系统用于监控和控制工业生产线、 机器人和物联网设备。
3 消费电子
嵌入式软件和硬件
嵌入式软件
运行在嵌入式系统上的程序
编写、测试和优化嵌入式软件，以实现系统功 能
嵌入式硬件 电路板、处理器、传感器等硬件组件 设计和制造硬件组件，使其与软件紧密配合
嵌入式系统的特点和优势
实时性
能够在确定的时间范围内响应和处理事件。
可靠性
嵌入式系统在长时间运行和恶劣环境下具有 稳定性和可靠性。
4 医疗
嵌入式系统在手机、电视、音频设备等消 费电子产品中广泛应用。
嵌入式系统用于医疗设备、生命支持系统 和医疗信息技术。
嵌入式系统的体系结构
单处理器体系结构
使用单个主处理器来执行任 务。
多处理器体系结构
使用多个处理器并行执行任 务，提高系统性能。
分布式体系结构
多个嵌入式系统相互连接， 并通过网络进行通信与协作。
资源受限
嵌入式系统通常具有有限的处理能力、存储 空间和能源。
低功耗
嵌入式系统需要尽量节省能源，以延长电池 寿命或减少能源消耗。
《嵌入式系统导论》PPT 课件
嵌入式系统是什么？它是应用于各个领域的计算机系统，通常被嵌入到其他 设备中，用于控制和监测操作。本课程将深入探讨嵌入式系统的应用、特点 和优势。
嵌入式系统的构成要素
嵌入式硬件系统接口电路设计PPT课件
嵌入式系统的软件结构嵌入式系统的软件结构嵌入式系统与传统的单片机在软件方面最大的不同就是可以移植操作系统从而使软件设计层次化传统的单片机在软件设计时将应用程序与系统驱动等全部混在一起编译系统的可扩展性可维护性不高上升到操作系统后这一切变得很简单可嵌入式操作系统在软件上呈现明显的层次化从与硬件相关的bsp到实时操作系统内核rtos到上层文件系统gui界面以及用户层的应用软件
串口
RS-232
开发板 [目标板]
JTAG
串口
USB,RJ-45
串口
ARM处理器
图1.12 嵌入式系统软件开发流程图
2.嵌入式系统开发流程
当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵 循一般工程开发流程的基础上，嵌入式开 发有其自身的一些特点，如图1.13所示为嵌 入式系统开发的一般流程。主要包括系统 需求分析(要求有严格规范的技术要求)、体 系结构设计、软硬件及机械系统设计、系 统集成、系统测试，最终得到最终产品。
第1章 嵌入式系统开发基础
第一部分嵌入式系统的基本概念 第二部分嵌入式系统的组成结构 第三部分嵌入式系统的硬件组成 第四部分嵌入式系统的开发流程
1.1 嵌入式系统的基本概念
IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的 定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装 置”（原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。 这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式 系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装 置。
网线
交换机 网线
运行 Redhat Linux的PC机
假设IP为：192.168.0.2 [宿主机]
串口
RS-232
开发板 [目标板]
JTAG
串口
USB,RJ-45
串口
ARM处理器
图1.12 嵌入式系统软件开发流程图
2.嵌入式系统开发流程
当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵 循一般工程开发流程的基础上，嵌入式开 发有其自身的一些特点，如图1.13所示为嵌 入式系统开发的一般流程。主要包括系统 需求分析(要求有严格规范的技术要求)、体 系结构设计、软硬件及机械系统设计、系 统集成、系统测试，最终得到最终产品。
第1章 嵌入式系统开发基础
第一部分嵌入式系统的基本概念 第二部分嵌入式系统的组成结构 第三部分嵌入式系统的硬件组成 第四部分嵌入式系统的开发流程
1.1 嵌入式系统的基本概念
IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的 定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装 置”（原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。 这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式 系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装 置。
网线
交换机 网线
运行 Redhat Linux的PC机
假设IP为：192.168.0.2 [宿主机]
嵌入式硬件设计基础PPT课件
嵌入式系统硬件设计
• 嵌入式硬件特点
√ 低功耗 √ 低成本 √ 体积小 √ 高可靠性 √ 专业处理能力强 √ 一般按指标选择器件
第6页/共13页
嵌入式系统硬件设计
CPU,SDRAM, NOR FLASH, NAND FLASH
HDD,CF,SD
VGA,DVI,HDMI, LCD IIS,AC'97
ETHERNET UART,I2S,SPI CAN
通讯
MII,PCI,D-BUS
外部存储器
显示/声音
核心
扩展口
用户接口
KEY_BOARD T_SCREEN, PRINTER
电源
嵌入式系统硬件组成
DC-DC,LDO
第7页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第8页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第9页/共13页
嵌入式系统硬件设计
• 设计简解 • 方案选择 • 功能模块 • 电源设计规划 • 布Байду номын сангаас布线
第10页/共13页
嵌入式硬件调试
加载电源 CPU初始化
模块初始化
该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操 作控成件载文境系制余无并件，电启序电统权下关初系并完硬设为序这在源指要源的转的的始统将成件置随的是内管令求。初交初设化等控嵌设 某后运一的理，顺始给始备其。制嵌括寄微式把默入备些的行个初模按序化嵌化驱他最权入设存处微嵌认式的软系建同始块照启。入操动系后交式置器理处入状微初件统立时化接系动B式作程统，给微嵌和器理式态处始的级硬包过收统系S操，序软操应处入控核器微逐理化数初件含程电上统P作包，件作用将理式制心的处步器。据始和软。源电各系含建模系程对器微寄工局理设以另结化软硬开时主统加立块统序嵌的处存作部器置外外构和件件，载系，创的入初理器模总从成的，和应环两由和统如建入式始器、式线上系其还参用境部操初内网应口微化的嵌和模电统他需数程。分作始存络用。处，核入嵌式时所，系化区系程理包心式入等的要统与，统序器。完硬加、环的
《嵌入式硬件基础》PPT课件
背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
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Nand Flash存储器在系统中作为电子硬盘使用，用来存 储MP3歌曲和应用程序。
25
USB通讯接口：
USB通讯接口采用飞利浦半导体公司生产的高性价比 USB1.1标准的设备接口芯片，占用系统的BANK1和中断0 资源，实现无驱型U盘功能。
26
以太网通讯接口：
系统中所使用的以太网控制接口芯片为RTL8019AS， 这是一款带有即插即用功能的全双工以太网控制器，该芯 片为5v电源供电，16位数据接口，占用系统的中断1。
传感器
测量控 制电路
测控系统的组成
执行机构
12
设计实例——基于ARM7MP3Player
要实现MP3Player主要有以下两种方法： 1、MCU + USB接口芯片 + 硬件解码芯片+ 海量存储芯
片 + 音频DAC +耳机放大器； 2、MCU + USB接口芯片 + 软件解码算法 + 海量存储芯
21
ROM的连接：
ARM处理器最小系统中的 ROM芯片与处理器的连接 方式。这里配置容量为 2MB的NOR FLASH芯片， 型号为AM29LV160。
22
系统供电电源：
系统中所用到电压有3种：5v、3.3v和2.5v。其中5v为系 统总电源，3.3v电压供给系统外设接口，2.5v为处理器的内 核电压。
23
最小系统配置完成：
到此为止，S3C44B0X的最小系统已经可以运行了，这也 是该MP3系统的运行的基础，我们可以在这个系统上下载 到系统的ROM中，运行测试最小系统。
我们在对最小系统做到成竹在心之时，后面的 MP3Player的实现工作定会达到事半功倍的效果！
24
Nand Flash存储器：
16
S3C44B0X丰富的内部资源，使得系统硬件设计大大简化：
17
时钟和复位电路
系统时钟输入由6MHz的外部晶阵提供，由内部PLL电路 倍频至66MHz，供给CPU运行。
18
时钟和复位电路
系统复位信号由IMP811T芯片提供，并且设计了RESET按 钮，可以在系统运行过程中随时复位操作，便于系统调试。
控制通道电路用于输出各种控制执行信号，把系统微 控制器的数字信变成现场所需要的物理信号，器主要 过程包括：信号的变换、隔离、输出、驱动等。
控制通道是测量通道的逆过程，但并不纯粹是测量通 道的逆反，控制通道电路的基本组成如图
物
数ห้องสมุดไป่ตู้
理
字
量 驱动 隔离 转换 量
信
信
号
号
8
不同控制对象的控制通道有不同的控制特点和过 程侧重
物 理
量 采样
信 号
放大
隔离
放大
滤波
数 字
转换 量
信 号
4
物理量信号的测量是通过各种类型的传感器得到的各 种形式的电信号。
测量电路的基本分类 (一)模拟式测量电路的基本组成 (二)数字式测量电路的基本组成
5
传 感 器
量 程 切
放 大 器
解 调 器
换
电
路
振荡器
信 号 分 离 电
运 算 电 路
控制电路的分类 （一）开环控制 （二）闭环控制
9
测量电路
传感器
扰动量
给定 机构
设定 电路
放大 电路
转换 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
开环控制系统的基本组成
10
扰动
给定 机构
设定 电路
比较 电路
放大 电路
校正 转换 电路 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
传感器
闭环控制系统的基本组成
11
控制的目的主要是执行事物的开关、动作、图像图 形显示、运动变化，以得到所需的模拟信号量、开关 事件量、周期性信号量、图像信号、语音信号等。
3
6.1.2 测量电路的基本构成
测量就是把需要测量的物理量信号转换成系统微控制 器进行分析运算能够使用的数字量信号。
测量通道的构成环节有：现场信号采集、信号放大、 信号传输、信号隔离、信号模/数转换等。
系统硬件方案实现
基于S3C44B0X微处理器 + 软件解码算法的 MP3Player的硬件方案实现如下： S3C44B0X最小系统：CPU、RAM、ROM和电 源、复位、JTAG。
扩展部分：音频DAC、UART、键盘、NAND FLASH、USB接口、以太网接口。
15
实现最小系统
1、S3C44B0X的结构和特点：S3C44B0X微处理器是三 星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比的微控制 器解决方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。
片+音频DAC +耳机放大器；
前者的MCU可以为MCS-51系列单片机,（如 AT89C51SND1）
后者为ARM7体系结构的微控制器。（如S3C44B0X）
13
基于ARM的MP3播放器
SDRAM 电源
ARM微处 理器
小键盘
USB芯片 Nor Flash Nand Flash 网卡芯片 音频芯片
14
模 数 转 换 电
计 算 机
显 示 执 行 机
路
路
构
电源
电路
模拟式测量电路的基本组成
6
传 感 器
电路
放整
大 器
形 电 路
显
细 分 电 路
脉转 冲换 当电 量路
计 数 器
锁 存 器
计 算 机
示 执 行 机 构
辨向电路
锁 存 指 指令传感器 令
手动采样
数字式测量电路的基本组成
7
6.1.3 控制电路的基本组成
第六章 嵌入式硬件体系中的测量与控制电路
设计（1）
1
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
2
6.1 测量与控制电路概述
6.1.1 测量与控制设计概述
测量与控制通道是嵌入式系统感知和改造世界的重要 手段。
测量的主要对象有模拟信号量、开关事件量、周期 性信号量、图像信号、语音信号等。
⑴ 带8KB缓存的2.5V静态ARM7TDMI CPU核；
⑵ 扩展内存控制器（FP/FDO/SDRAM控制，片选逻 辑）；
⑶ 2个通用DMA通道，1个带外部请求管脚的DMA通 道；
⑷ 71个通用I/O口，8个外部中断资源；
⑸ 带PLL的片上时钟发生器；
⑹ 8个内存Bank共可以寻址256MB存储空间；
19
系统初始配置和JTAG调试接口：
下面的电路图中的8个电阻分别为JTAG上拉电阻和系统运 行模式初始配置的电阻，右边的插座为14Pin JTAG调试插 座，配合仿真器可以下载bootloader代码和调试应用程序。
20
系统总线和控制信号，RAM的连接：
系统中所使用的RAM芯片与 处理器的连接方式。以前的 PC-133的计算机内存芯片， 型号为HY57V641620。
25
USB通讯接口：
USB通讯接口采用飞利浦半导体公司生产的高性价比 USB1.1标准的设备接口芯片，占用系统的BANK1和中断0 资源，实现无驱型U盘功能。
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以太网通讯接口：
系统中所使用的以太网控制接口芯片为RTL8019AS， 这是一款带有即插即用功能的全双工以太网控制器，该芯 片为5v电源供电，16位数据接口，占用系统的中断1。
传感器
测量控 制电路
测控系统的组成
执行机构
12
设计实例——基于ARM7MP3Player
要实现MP3Player主要有以下两种方法： 1、MCU + USB接口芯片 + 硬件解码芯片+ 海量存储芯
片 + 音频DAC +耳机放大器； 2、MCU + USB接口芯片 + 软件解码算法 + 海量存储芯
21
ROM的连接：
ARM处理器最小系统中的 ROM芯片与处理器的连接 方式。这里配置容量为 2MB的NOR FLASH芯片， 型号为AM29LV160。
22
系统供电电源：
系统中所用到电压有3种：5v、3.3v和2.5v。其中5v为系 统总电源，3.3v电压供给系统外设接口，2.5v为处理器的内 核电压。
23
最小系统配置完成：
到此为止，S3C44B0X的最小系统已经可以运行了，这也 是该MP3系统的运行的基础，我们可以在这个系统上下载 到系统的ROM中，运行测试最小系统。
我们在对最小系统做到成竹在心之时，后面的 MP3Player的实现工作定会达到事半功倍的效果！
24
Nand Flash存储器：
16
S3C44B0X丰富的内部资源，使得系统硬件设计大大简化：
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时钟和复位电路
系统时钟输入由6MHz的外部晶阵提供，由内部PLL电路 倍频至66MHz，供给CPU运行。
18
时钟和复位电路
系统复位信号由IMP811T芯片提供，并且设计了RESET按 钮，可以在系统运行过程中随时复位操作，便于系统调试。
控制通道电路用于输出各种控制执行信号，把系统微 控制器的数字信变成现场所需要的物理信号，器主要 过程包括：信号的变换、隔离、输出、驱动等。
控制通道是测量通道的逆过程，但并不纯粹是测量通 道的逆反，控制通道电路的基本组成如图
物
数ห้องสมุดไป่ตู้
理
字
量 驱动 隔离 转换 量
信
信
号
号
8
不同控制对象的控制通道有不同的控制特点和过 程侧重
物 理
量 采样
信 号
放大
隔离
放大
滤波
数 字
转换 量
信 号
4
物理量信号的测量是通过各种类型的传感器得到的各 种形式的电信号。
测量电路的基本分类 (一)模拟式测量电路的基本组成 (二)数字式测量电路的基本组成
5
传 感 器
量 程 切
放 大 器
解 调 器
换
电
路
振荡器
信 号 分 离 电
运 算 电 路
控制电路的分类 （一）开环控制 （二）闭环控制
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测量电路
传感器
扰动量
给定 机构
设定 电路
放大 电路
转换 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
开环控制系统的基本组成
10
扰动
给定 机构
设定 电路
比较 电路
放大 电路
校正 转换 电路 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
传感器
闭环控制系统的基本组成
11
控制的目的主要是执行事物的开关、动作、图像图 形显示、运动变化，以得到所需的模拟信号量、开关 事件量、周期性信号量、图像信号、语音信号等。
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6.1.2 测量电路的基本构成
测量就是把需要测量的物理量信号转换成系统微控制 器进行分析运算能够使用的数字量信号。
测量通道的构成环节有：现场信号采集、信号放大、 信号传输、信号隔离、信号模/数转换等。
系统硬件方案实现
基于S3C44B0X微处理器 + 软件解码算法的 MP3Player的硬件方案实现如下： S3C44B0X最小系统：CPU、RAM、ROM和电 源、复位、JTAG。
扩展部分：音频DAC、UART、键盘、NAND FLASH、USB接口、以太网接口。
15
实现最小系统
1、S3C44B0X的结构和特点：S3C44B0X微处理器是三 星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比的微控制 器解决方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。
片+音频DAC +耳机放大器；
前者的MCU可以为MCS-51系列单片机,（如 AT89C51SND1）
后者为ARM7体系结构的微控制器。（如S3C44B0X）
13
基于ARM的MP3播放器
SDRAM 电源
ARM微处 理器
小键盘
USB芯片 Nor Flash Nand Flash 网卡芯片 音频芯片
14
模 数 转 换 电
计 算 机
显 示 执 行 机
路
路
构
电源
电路
模拟式测量电路的基本组成
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传 感 器
电路
放整
大 器
形 电 路
显
细 分 电 路
脉转 冲换 当电 量路
计 数 器
锁 存 器
计 算 机
示 执 行 机 构
辨向电路
锁 存 指 指令传感器 令
手动采样
数字式测量电路的基本组成
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6.1.3 控制电路的基本组成
第六章 嵌入式硬件体系中的测量与控制电路
设计（1）
1
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
2
6.1 测量与控制电路概述
6.1.1 测量与控制设计概述
测量与控制通道是嵌入式系统感知和改造世界的重要 手段。
测量的主要对象有模拟信号量、开关事件量、周期 性信号量、图像信号、语音信号等。
⑴ 带8KB缓存的2.5V静态ARM7TDMI CPU核；
⑵ 扩展内存控制器（FP/FDO/SDRAM控制，片选逻 辑）；
⑶ 2个通用DMA通道，1个带外部请求管脚的DMA通 道；
⑷ 71个通用I/O口，8个外部中断资源；
⑸ 带PLL的片上时钟发生器；
⑹ 8个内存Bank共可以寻址256MB存储空间；
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系统初始配置和JTAG调试接口：
下面的电路图中的8个电阻分别为JTAG上拉电阻和系统运 行模式初始配置的电阻，右边的插座为14Pin JTAG调试插 座，配合仿真器可以下载bootloader代码和调试应用程序。
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系统总线和控制信号，RAM的连接：
系统中所使用的RAM芯片与 处理器的连接方式。以前的 PC-133的计算机内存芯片， 型号为HY57V641620。