嵌入式控制系统原理及设计课件4-2 嵌入式系统硬件设计
嵌入式系统总结PPT课件
LDR R1,[R2]
;将R2指向的存储单元的数据读出
;保存在R1中
SWP R1,R1,[R2] ;将寄存器R1的值和R2指定的存储
;单元的内容交换
3.1 ARM处理器寻址方式
• 寻址方式分类——基址寻址
基址寻址就是将基址寄存器的内容与指令中给 出的偏移量相加，形成操作数的有效地址。基址寻 址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表、数 组操作、功能部件寄存器访问等。基址寻址指令举 例如下：
MOV R1,R2
;将R2的值存入R1
SUB R0,R1,R2 ;将R1的值减去R2的值，结果保存到R0
3.1 ARM处理器寻址方式
• 寻址方式分类——立即寻址
立即寻址指令中的操作码字段后面的地址码部 分即是操作数本身，也就是说，数据就包含在指令 当中，取出指令也就取出了可以立即使用的操作数 (这样的数称为立即数)。立即寻址指令举例如下：
fOSC
1
晶体 振荡器
产生稳定的 时钟信号
FOSC
ON/OFF
3
PLL
外接晶体或 外接时钟源
2
唤醒
定时器
将Fosc提升到 合适的频率
FCCLK
CPU内核
4
VPB FPCLK 分频器
芯片外设
2.在复位或处理器从掉电模式被唤醒时，为输入的时钟信 号做计数延时，使芯片内部部件有时间进行初始化。
3.把Fosc信号提高到一个符合用户需要的频率(Fcclk) 其中 Fcclk用于CPU内核。
3.2 指令集介绍
• 算术逻辑运算指令
算术逻辑运算指令包括“加/减”以及“与/ 或/异或”等指令，它们的格式如下：
OpCode 结果寄存器，运算寄存器，第二操作数
第一章-嵌入式控制系统简介ppt课件(全)
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ARM教案》课件
《嵌入式ARM教案》PPT课件第一章：嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统的定义介绍嵌入式系统的概念、特点和应用领域强调嵌入式系统与传统计算机系统的区别1.2 嵌入式系统的发展回顾嵌入式系统的发展历程探讨未来嵌入式系统的发展趋势1.3 嵌入式系统的组成部分介绍嵌入式系统的硬件和软件组成解释嵌入式系统中的核心部件：中央处理器（CPU）第二章：ARM处理器简介2.1 ARM处理器的发展历程介绍ARM公司的成立和发展历程讲解ARM处理器的命名规则和版本更新2.2 ARM处理器的特点阐述ARM处理器的架构和指令集特点强调ARM处理器的功耗、性能和成本优势2.3 ARM处理器的应用领域分析ARM处理器在不同领域的应用案例展望ARM处理器在未来的应用前景第三章：ARM指令集和编程3.1 ARM指令集概述介绍ARM指令集的分类和特点讲解ARM指令的格式和操作码3.2 ARM指令的执行过程分析ARM指令的取指、译码、执行和写回过程解释ARM指令的流水线结构和流水线优化3.3 ARM编程实例介绍ARM编程的基本方法和技巧提供简单的ARM编程实例，让学员了解编程过程第四章：嵌入式系统设计和开发流程4.1 嵌入式系统设计原则讲解嵌入式系统设计的关键原则强调嵌入式系统设计的灵活性和可扩展性4.2 嵌入式系统开发流程介绍嵌入式系统开发的各个阶段阐述各阶段的主要任务和注意事项4.3 嵌入式系统开发工具和环境讲解常用的嵌入式系统开发工具和软件介绍嵌入式系统开发环境搭建的步骤和方法第五章：嵌入式系统硬件设计5.1 嵌入式系统硬件设计概述介绍嵌入式系统硬件设计的基本要求强调嵌入式系统硬件设计的可靠性和稳定性5.2 嵌入式系统硬件模块设计讲解嵌入式系统中的主要硬件模块分析各个模块的功能和相互之间的关系5.3 嵌入式系统硬件设计实例提供嵌入式系统硬件设计实例让学员了解硬件设计过程和注意事项第六章：嵌入式系统软件开发6.1 嵌入式操作系统概述介绍嵌入式操作系统的概念和分类强调嵌入式操作系统在嵌入式系统中的重要性6.2 嵌入式操作系统原理讲解嵌入式操作系统的核心组件和工作原理解释嵌入式操作系统的任务调度和资源管理6.3 嵌入式软件开发介绍嵌入式软件开发的基本方法和技巧提供嵌入式软件开发实例，让学员了解开发过程第七章：嵌入式系统应用案例分析7.1 嵌入式系统在工业控制中的应用分析嵌入式系统在工业控制领域的应用案例强调嵌入式系统在提高工业生产效率方面的作用7.2 嵌入式系统在消费电子中的应用讲解嵌入式系统在消费电子领域的应用案例探讨嵌入式系统在智能家居、可穿戴设备等领域的应用前景7.3 嵌入式系统在其他领域的应用介绍嵌入式系统在医疗、交通、教育等领域的应用案例展望嵌入式系统在未来各个领域的发展趋势第八章：嵌入式系统安全与防护8.1 嵌入式系统安全概述讲解嵌入式系统安全的重要性介绍嵌入式系统面临的安全威胁和攻击手段8.2 嵌入式系统安全防护策略阐述嵌入式系统安全防护的技术和方法强调安全防护策略在提高嵌入式系统安全性方面的作用8.3 嵌入式系统安全案例分析分析典型的嵌入式系统安全案例让学员了解嵌入式系统安全防护的实践应用第九章：嵌入式系统发展趋势与挑战9.1 嵌入式系统技术发展趋势分析嵌入式系统技术的发展趋势强调创新技术和新兴领域对嵌入式系统的影响9.2 嵌入式系统面临的挑战讲解嵌入式系统在发展过程中面临的挑战探讨应对挑战的方法和策略9.3 我国嵌入式系统发展现状与展望介绍我国嵌入式系统发展的现状展望我国嵌入式系统未来的发展前景第十章：总结与展望10.1 课程回顾总结本课程的主要内容和知识点强调嵌入式ARM教案在实际应用中的重要性10.2 实践与思考鼓励学员在实际工作中运用嵌入式ARM教案的知识提出针对性的思考题，引导学员深入思考和探索10.3 未来展望展望嵌入式系统领域的未来发展趋势强调继续学习和不断提升自身能力的重要性重点解析本文教案主要围绕嵌入式ARM系统进行讲解，涵盖了嵌入式系统的概述、ARM 处理器简介、ARM指令集和编程、嵌入式系统设计和开发流程、嵌入式系统硬件设计、嵌入式系统软件开发、嵌入式系统应用案例分析、嵌入式系统安全与防护、嵌入式系统发展趋势与挑战以及课程总结与展望等内容。
嵌入式控制系统原理及设计课件1-2 嵌入式控制系统
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
1.2.1 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
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
1.2.3 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。
嵌入式系统教学：嵌入式系统及应用PPT课件
仿真器
用于模拟嵌入式系统的运行环境，便 于开发者在真实硬件之前进行调试和 测试。
调试器
用于在嵌入式系统运行过程中进行实 时调试，帮助开发者定位和解决问题。
交叉编译器
将应用程序代码编译为目标硬件平台 上的可执行文件，实现跨平台开发。
03 嵌入式系统的应用
智能家居
智能家居是嵌入式系统的重要应用领域之一，通过嵌入式系 统可以实现家庭设备的智能化控制和管理，提高生活便利性 和舒适度。
、医学影像设备等。
汽车电子
嵌入式系统用于汽车电 子控制系统，如发动机
控制、车身控制等。
嵌入式系统的发展历程
01
02
03
起源
嵌入式系统的概念起源于 20世纪70年代，主要用于 工业控制领域。
发展
随着微处理器技术的发展， 嵌入式系统逐渐普及，应 用领域不断扩大。
趋势
未来嵌入式系统将朝着智 能化、网络化、低功耗等 方向发展。
RTOS技术具有可移植性和可裁 剪性，可以根据实际需求进行 定制化开发，提高系统的可靠 性和性能。
06 嵌入式系统发展趋势与挑 战
物联网时代的嵌入式系统
嵌入式系统在物联网中的应用
嵌入式系统作为物联网的重要组成部分，广泛应用于智能家居、智能交通、智能制造等领域，实现设备间的互联 互通和智能化控制。
提高实际操作能力。
项目实践
组织学生进行嵌入式系统的项目 实践，将理论知识应用于实际项 目中，提高学生的综合应用能力。
注重培养学生的实际动手能力
提供实验设备和实验环境
学校应提供先进的实验设备和实验环境，满足学生进行实验和实 践的需求。
加强实验课程建设
增加实验课程的比重，设计更多具有挑战性和实用性的实验项目， 引导学生主动实践。
嵌入式最小系统设计PPT课件
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96
VD1/GPD1 97
VD0/GPD0 98
RXD0/GPE2 99
TXD0/GPE1 100
DATA31/nCTS0/GPC15 101
DATA30/nCTS0/GPC14 102
DATA29/RxD1/GPC13 103 DATA28/TxD1/GPC12 104
7个起始地址固定及大小可编程的地址空间。
1个起始地址及大小可变的地址空间。
所有存储器空间的访问周期都可通过编程配置。
提供外部扩展总线的等待周期。
在低功耗模式下支持DRAM/SDARM自动刷新。
支 持 地 址 对 称 或 非 地第址18页对/共称102的页 D R A M 。
3. cache和片内SRAM 4路相连统一的8KB指令/数据cache。 未作为cache使用的0/4/8KB cache存储空间可作为片内SRAM使用。 cache伪LRU（最近最少使用）的替换算法。 通过在主内存和缓冲区内容之间保持一致的方式写内存。 具有4级深度的写缓冲。 当缓冲区出错时，请求数据填充。
• SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域，系
第3页/共102页
• JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通 过该接口可对系统进行调试、编程等。
《嵌入式ARM教案》课件
《嵌入式ARM教案》课件第一章：嵌入式系统概述1.1 嵌入式系统的定义介绍嵌入式系统的概念、特点和应用领域解释嵌入式系统与通用计算机系统的区别1.2 嵌入式系统的历史与发展概述嵌入式系统的发展历程介绍嵌入式系统在不同领域的应用发展情况1.3 嵌入式系统的组成与架构讲解嵌入式系统的常见架构介绍嵌入式系统的主要组成部分及其作用1.4 嵌入式系统的优势与挑战阐述嵌入式系统的优势分析嵌入式系统面临的挑战和发展趋势第二章：ARM处理器简介2.1 ARM处理器的发展历程介绍ARM公司的起源和发展历程讲解ARM处理器的发展阶段和产品系列2.2 ARM处理器的特点与优势阐述ARM处理器的特点分析ARM处理器在嵌入式系统中的应用优势2.3 ARM处理器的架构与工作原理讲解ARM处理器的架构设计介绍ARM处理器的工作原理和指令集2.4 ARM处理器的选型与评估指导如何选择合适的ARM处理器介绍评估ARM处理器性能的方法和指标第三章：嵌入式操作系统基础3.1 嵌入式操作系统的概念与分类解释嵌入式操作系统的定义和分类介绍常见的嵌入式操作系统及其特点3.2 嵌入式操作系统的核心功能与架构讲解嵌入式操作系统的核心功能阐述嵌入式操作系统的常见架构设计3.3 嵌入式操作系统的移植与优化介绍嵌入式操作系统移植的基本步骤讲解嵌入式操作系统的优化方法和技巧3.4 嵌入式操作系统的应用与案例分析分析嵌入式操作系统在实际应用中的案例探讨嵌入式操作系统的发展趋势和挑战第四章：嵌入式系统设计与开发流程4.1 嵌入式系统设计的基本原则介绍嵌入式系统设计的重要原则讲解设计过程中需要考虑的因素4.2 嵌入式系统硬件设计讲解嵌入式系统硬件设计的基本步骤和方法介绍硬件选型和硬件设计中的注意事项4.3 嵌入式系统软件设计阐述嵌入式系统软件设计的基本步骤和方法讲解软件开发工具和编程语言的选择4.4 嵌入式系统开发的流程与实践介绍嵌入式系统开发的典型流程分析实际开发过程中需要注意的问题和实践经验第五章：嵌入式系统编程基础5.1 嵌入式编程语言概述介绍嵌入式编程的常用语言及其特点分析不同编程语言在嵌入式系统中的应用场景5.2 C语言编程基础讲解C语言的基本语法和编程技巧介绍C语言在嵌入式编程中的应用和实践5.3 汇编语言编程基础介绍汇编语言的基本概念和语法讲解汇编语言在嵌入式编程中的应用和实践5.4 嵌入式编程的实践技巧讲解嵌入式编程的常见技巧和注意事项分析实际项目中遇到的问题和解决方法《嵌入式ARM教案》课件第六章：嵌入式系统硬件接口与驱动6.1 嵌入式系统硬件接口概述介绍嵌入式系统中常见的硬件接口类型讲解硬件接口的工作原理和功能6.2 UART接口与驱动编程讲解UART接口的基本概念和功能介绍UART接口的驱动编程方法和实践6.3 I2C接口与驱动编程介绍I2C接口的基本概念和协议讲解I2C接口的驱动编程方法和实践6.4 SPI接口与驱动编程讲解SPI接口的基本概念和协议介绍SPI接口的驱动编程方法和实践第七章：嵌入式系统存储与文件系统7.1 嵌入式系统存储概述介绍嵌入式系统中常见的存储设备和技术讲解存储器接口和存储器控制器的选择7.2 NAND闪存与驱动编程介绍NAND闪存的基本概念和特点讲解NAND闪存的驱动编程方法和实践7.3 NOR闪存与驱动编程讲解NOR闪存的基本概念和特点介绍NOR闪存的驱动编程方法和实践7.4 文件系统的设计与实现讲解嵌入式文件系统的设计原理介绍常见嵌入式文件系统的实现方法和实践第八章：嵌入式系统网络通信8.1 嵌入式系统网络通信基础介绍嵌入式系统网络通信的基本概念和技术讲解网络通信协议和网络架构8.2 TCP/IP协议栈与嵌入式网络应用讲解TCP/IP协议栈的基本原理和组成介绍基于TCP/IP协议栈的嵌入式网络应用实践8.3 Wi-Fi通信模块与驱动编程介绍Wi-Fi通信模块的基本概念和功能讲解Wi-Fi通信模块的驱动编程方法和实践8.4 蓝牙通信模块与驱动编程讲解蓝牙通信模块的基本概念和功能介绍蓝牙通信模块的驱动编程方法和实践第九章：嵌入式系统实时性与调度策略9.1 嵌入式系统实时性概述讲解嵌入式系统实时性的概念和重要性介绍实时系统的分类和实时性要求9.2 嵌入式调度策略与算法讲解嵌入式系统的调度策略和算法分析不同调度策略的优缺点和适用场景9.3 实时操作系统（RTOS）简介介绍实时操作系统的基本概念和特点讲解RTOS在嵌入式系统中的应用和实践9.4 实时调度器的实现与优化讲解实时调度器的实现方法和流程介绍调度器的优化技巧和注意事项第十章：嵌入式系统项目管理与实践10.1 嵌入式系统项目管理概述介绍嵌入式系统项目管理的概念和重要性讲解项目管理工具和方法在嵌入式系统中的应用10.2 项目需求分析与规划讲解项目需求分析和规划的方法介绍需求文档编写和项目进度管理的实践经验10.3 嵌入式系统开发的实践技巧讲解嵌入式系统开发中的实践技巧和注意事项分享实际项目开发中的经验和最佳实践10.4 项目验收与维护介绍项目验收的标准和方法讲解项目维护和升级的策略与实践《嵌入式ARM教案》课件第十一章：嵌入式系统安全与加密技术11.1 嵌入式系统安全概述讲解嵌入式系统安全的重要性介绍常见的嵌入式系统安全威胁和攻击手段11.2 加密技术在嵌入式系统中的应用介绍加密技术的基本原理和算法讲解加密技术在嵌入式系统中的应用场景和实践11.3 安全存储与传输讲解如何在嵌入式系统中实现安全存储和传输介绍常见的加密存储和传输技术及其实现方法11.4 安全认证与授权讲解嵌入式系统中的安全认证和授权机制介绍常见的认证和授权方法及其在嵌入式系统中的应用第十二章：物联网与嵌入式系统的融合12.1 物联网概述介绍物联网的概念、架构和应用领域讲解物联网与嵌入式系统的关联和融合趋势12.2 物联网协议与技术讲解物联网中常用的通信协议和技术介绍物联网协议栈和网络架构12.3 物联网在嵌入式系统中的应用案例分析物联网在嵌入式系统中的应用案例探讨物联网技术在嵌入式系统中的实践经验和挑战12.4 物联网安全与隐私保护讲解物联网安全的重要性和挑战介绍物联网中的安全技术和隐私保护措施第十三章：嵌入式系统在智能家居的应用13.1 智能家居系统概述介绍智能家居系统的概念、架构和应用讲解智能家居系统与嵌入式系统的关联和融合13.2 智能家居设备与控制讲解智能家居设备的选择和控制方法介绍智能家居设备的嵌入式系统设计和开发实践13.3 智能家居平台的构建与优化讲解智能家居平台的构建方法和实践介绍智能家居平台的优化技巧和注意事项13.4 智能家居安全与隐私保护讲解智能家居系统中的安全问题和隐私保护需求介绍智能家居系统中的安全技术和隐私保护措施第十四章：嵌入式系统在工业控制的应用14.1 工业控制系统概述介绍工业控制系统的概念、架构和应用领域讲解嵌入式系统在工业控制中的应用和重要性14.2 工业控制设备与接口讲解工业控制设备的选择和接口技术介绍工业控制设备的嵌入式系统设计和开发实践14.3 工业控制协议与通信讲解工业控制中常用的通信协议和技术介绍工业控制协议的实现和通信实践14.4 工业控制系统的安全性与优化讲解工业控制系统中的安全问题和优化需求介绍工业控制系统中的安全技术和优化措施第十五章：嵌入式系统在自动驾驶的应用15.1 自动驾驶系统概述介绍自动驾驶系统的概念、架构和应用前景讲解嵌入式系统在自动驾驶中的应用和挑战15.2 自动驾驶感知与决策讲解自动驾驶系统中的感知技术和决策算法介绍嵌入式系统在自动驾驶感知和决策中的应用15.3 自动驾驶控制与执行讲解自动驾驶系统中的控制技术和执行策略介绍嵌入式系统在自动驾驶控制和执行中的应用15.4 自动驾驶安全与伦理问题讲解自动驾驶系统中的安全问题和伦理挑战介绍自动驾驶系统中的安全技术和伦理指导原则重点和难点解析1. 嵌入式系统的基本概念、特点和应用领域。
《嵌入式原理系统》课件
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
嵌入式课程第1讲嵌入式系统综述ppt课件
课程设置的必要性
▪ 应用需求日益复杂 ▪ 微处理器技术长足发展 ▪ 社会对嵌入式技术人才的需求
据统计2002年16/32位嵌入式处理 器的销售额已接近70亿美元 ▪ 嵌入式软件技术成为核心
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嵌入式处理器快速成长
$70亿
5/92
课程目的
了解嵌入式系统的概念和体系结构
掌握嵌入式系统的软硬件开发方法
代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000
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嵌入式SOC
System On Chip,片上系统/系统芯片 将很多功能模块集成到单个芯片上 ➢ 各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，
用VHDL等语言描述 ➢ 除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一
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课程安排（5）
3. 嵌入式Linux设备驱动实验 － 基本的编程实现 － 数码管驱动与按键驱动的结构分析及使用方法
4. 串口通讯与短信收发系统综合实验 － 基于Qt的嵌入式GUI程序设计 － 串口通讯程序设计 － 短信收发程序设计 － 程序编译下载与运行
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评分标准
课堂表现与出勤率：20％ 实验表现：50％ 实验报告：30％
MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器 内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS
64 5Kc
应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由
器、激光打印机
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典型的嵌入式微处理器－PowerPC
PowerPC架构特点：可伸缩性好，方便灵活
既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核， 应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到 PC，从消费类电子到通信设备
嵌入式控制系统原理及设计课件-1-1 嵌入式系统概念
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
嵌入式入门(设计与实例开发)PPT课件
可靠性框图
02
03
故障树分析(FTA)
通过可靠性框图分析嵌入式系统 的可靠性结构，确定关键件和冗 余件。
通过故障树分析找出导致系统故 障的原因和最小割集，评估系统 的可靠性和安全性。
06
嵌入式系统应用案例分 析
智能家居系统案例分析
开源硬件与软件
开源硬件和软件的发展 为嵌入式系统的设计和 开发提供了更多选择和
灵活性。
02
嵌入式硬件设计
ARM处理器
ARM处理器是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于各种嵌入式系 统。
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，适用于各种应用场景，如智能 家居、工业控制等。
ARM处理器的选择需要根据具体应用需求来决定，如ARM Cortex-M系 列适用于微控制器应用，ARM Cortex-A系列适用于智能手机、平板电 脑等应用。
工业控制系统发展前景
探讨工业控制系统的发展趋势和未来发展方向。
医疗电子设备案例分析
医疗电子设备概述
医疗电子设备是指用于医疗领域的电子设备， 如监护仪、超声波诊断仪等。
医疗电子设备优势
分析医疗电子设备的优势，如高精度、高可 靠性、实时监测等。
医疗电子设备案例
介绍医疗电子设备的具体应用案例，如远程 医疗监护系统等。
FPGA芯片
FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，可以通过编程 实现各种数字逻辑功能。
FPGA芯片具有高度的灵活性，可以根据实际需求 进行定制，实现各种复杂的数字逻辑功能。
FPGA芯片广泛应用于通信、图像处理、雷达等领 域，可以大大提高系统的性能和可靠性。
嵌入式微控制器
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
嵌入式系统设计实例完全ppt课件
15.1 嵌入式Linux IC卡接口设计与驱动开发
针对不同硬件平台函数，内部操作方法不尽相同。类似的其它操作函数 还有：
staticvoidsetrstout(void) staticvoidclearrst(void) staticvoidsetclk(void) staticvoidsetrst(void) staticvoidclearclk(void) staticvoidsetsda(void) staticvoidclearsda(void) staticvoidsetsdain(void) staticvoidsetsdaout(void) (3)模块初始化函数的实现 static int __init init_ic(void) { initicdata(&icdata); init_waitqueue_head(&icdev.readq);
– 模块初始化函数是模块开发过程中必不可少的处理函数，用于实 现设备的初始化、中断初始化及处理、设备注册等，在上面函数 中首先应用initicdata(&icdata)实现了卡数据的初始化，然后定义 了队列数据，再进行了中断处理函数的绑定、中断申请以及中断 初始化。最后实现了IC卡字符设备的申请，设备名为IC。
15.1 嵌入式Linux IC卡接口设计与驱动开发
– Module是Linux内核的一大创新，其正规的叫 法应该是Loadable Kernel Module，即可安装 模块。可安装模块实现了Linux操作系统的可扩 展性。模块运行在内核空间环境中，它的程序 运行函数库都是在内核空间定义，而不是在用 户函数库空间。Linux模块的最方便之处为可加 载和卸载，Linux操作系统提供了系统调用 insmod和rmmod，可随时将自己开发的模块进 行加载和卸载。
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• 开发工具的选择与系统最终使用的操作系统、应用软件等因素有关。
• 如果应用系统不移植操作系统，那么交叉开发环境既可采用基于Linux OS，也可基于Windows OS的，可使用如Keil μVersion、IAR Embedded Workbench for ARM、ARM Developer Suite（ADS）等集 成开发环境。
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
1. PCB布局的基本规则
（7）发热元器件一般应均匀分布，以利于单板和整机散热；温度敏感器件应远离 发热量大的元器件。
（8）在放置元器件时，要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器 件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时， 应该在保证上面原则能够体现的前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如 同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致”。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则 （2）高性价比原则 • 所谓高性价比原则指在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择
价格比较好的元器件，降低成本。 • 但必须提醒的是，高性价比并不意味着选用最便宜的元器件，而是在能
够满足系统对性能、可靠性等需求基础上，寻找价廉质优的元器件。
确定，不能盲目追求资源的利用率。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
3.电路设计时遵循的基本原则 （1）数字电源和模拟电源分割，以防数字电源与模拟电源之间的串扰； （2）数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地（大 地），机壳必须接大地； （3）各功能块布局要合理，原理图需布局均衡，这点有利于电路原理图 的阅读和审核，因而间接影响到电路设计的正确性和合理性；
拟信号与数字信号分开。
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
1. PCB布局的基本规则 （2）布局应满足总的连线尽可能短，关键信号线最短。 • 缩短信号连线有助于提高信号传输速率、降低干扰、提高性能。为此，在
布局时除了尽量靠近放置元器件外，可以将完成同一功能的电路，应尽量 靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁； • 同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁。
缺陷或不可预料问题； • 二则可以消化库存，降低由库存/积压导致的成本提升。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则 （6）资源节约原则 • 1）对于某些集成了多个相同部件的元器件，数量应与需求相同； • 2）尽可能将集成芯片所有的管脚都使用，当然必须根据系统设计需求
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
3.电路设计时遵循的基本原则
（7）保证系统各模块资源不能冲突，例如：同一I2C总线上的设备地址不 能相同、各外设的地址编码不能出现重叠区域等；
（8）阅读系统中所有芯片的手册（一般是设计参考手册），看它们的未 用输入管脚是否需要做外部处理，如果需要一定要做相应处理，否则可能 引起芯片内部振荡，导致芯片不能正常工作；
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
3.电路设计时遵循的基本原则 （9）在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发方便，或者以小 的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件 设计人员懂得底层软件开发调试，要求较高； （10）应考虑系统的使用环境及功耗问题。
针对所设计的产品慎重考虑。
• 同一类型架构、不同版本的内核架构性能也不同。 • 嵌入式控制系统中并不追求性能的极致，适用于系统需求的才是最合适的
选择。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
（2）微处理器的架构及性能 • 即使内核架构相同的嵌入式微处理器，由于生产、制造厂商不同最终产品
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
2. PCB布线的基本规则
（5）任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。 （6）信号线的过孔要尽量少，过孔尺寸一般采用1.27mm/0.7mm（50mil/28mil）； 当布线密度较高时，过孔尺寸可适当减小，但不宜过小，可考虑采用1.0mm/0.6mm （40mil/24mil）。 （7）同一网络的布线宽度应保持一致，关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护 地。
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
• PCB图设计的基本流程如图4.3所 示。
• PCB设计阶段最重要的工作是： （1）PCB布局； （2）PCB布线。
前期 准备
PCB结构 设计
PCB布局
布线 布线 优化和 丝
印 网络 和DRC检
查 制版
4.2.2 PCB图设计的基本规则
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则
（1）普遍性原则 • 外围的元器件尽可能采用被广泛使用、验证过的成熟芯片，少使用冷门、
偏门的芯片。这样可以减少由于使用冷偏门芯片而导致的风险，这种风 险既存在于研发工程中，也存在于后续批量生产期间，或导致研发延期， 或生产供货的滞后。
（8）通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线—信号—地线” 的方式引出。
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
2. PCB布线的基本规则
（9）关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用。 （10）经初步网络检查和动态规则检测（DRC）检查无误后，对未布线区域 进行地线填充，用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与 地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则 （4）持续发展原则 • 持续发展原则指尽量选择在可预见的时间周期内，不会停产的元器件； • 或即使因不可预见原因，该元器件停止供货，也可找到相应的pin to pin
兼容的替代元器件。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则 （5）向上兼容原则 • 向上兼容原则指尽量选择以前老产品用过的元器件，原因在于： • 一则熟悉此器件的特性，可以避免由于采用不熟悉的元器件导致的设计
嵌入式控制系统原理及设计
第4章 嵌入式控制系统设计基础
4.2 嵌入式系统硬件设计
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
• 原理图设计是产品设计的理论基础，一份规范的原理图对PCB设计具有指 导性意义，是做好一款产品的基础。
• 原理图设计基本要求：规范、清晰、准确、易读。 • 原理图设计概要地包括器件选型、电路连线、电路检查等环节。
嵌入式控制系统原理及设计
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
2. PCB布线的基本规则
（1）布线的优先次序：电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信 号等关键信号优先不限。 （2）预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的 边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。 （3）振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。 （4）PCB设计中应避免产生锐角和直角，不可使用90º折线，一般使用 135°折线，要求高的线还要用双弧线，以减小高频信号的辐射。
4.2.2 PCB图设计的基本规则
嵌入式控制系统原理及设计
1. PCB布局的基本规则 （3）相同结构电路部分，如可能，可采用“对称式”标准布局。 （4）按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。 （5）布局应参考硬件总体设计框图及原理图，可根据电路板信号的流向规 律安排主要元器件。 （6）同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置，同类型的有极性 分立元件（如电解电容、二极管等）应尽量在X或Y方向上保持一致。
型号的后缀字母来区分，当然不同的厂家后缀字母的含义也不一样。
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
（2）微处理器的架构及性能 • 微处理器架构主要指嵌入式微处理的内核架构，目前商用嵌入式微处理器
的内核架构有30多种，包括ARM、MIPS、PowerPC、x86和SH等。 • 不同架构的微处理器内核特性并不完全相同，在微处理器选型过程中需要
R AM
ROM
理器内部的片内功能外设（简称：片
内外设），如图4.2所示。
总
• 微处理器内部会集成一定数量的片内 处理器内核
线
外设，包括一定数量的RAM/ROM、
总线、串口、定时/计数器、A/D、
D/A及中断管理器等。
调试 接口 片内 外设1 片内 外设n
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
4.2.1 原理图设计的基本原则
嵌入式控制系统原理及设计
2.外围核心器件的选型原则 （3）采购方便原则 • 不同的元器件有不同的生产厂商和供货商家，因此造成同类型器件的供
货周期、服务、备货都不尽相同。 • 为保证研发/生产进度，在选择器件时，应尽量选择容易买到，供货周
期短的元器件。
4.2.1 原理图设计的基本原则
的性能表现也可能大相径庭。
• 微处理器的架构基本上决定了它的计算和处理能力，在选择时应满足应用 系统对微处理器的要求为前提。
• 为了判断微处理器内核及性能是否能够满足应用系统的要求，需要从处理 器内核及应用系统的需求两方面考虑。
4.2.统原理及设计
（2）微处理器的架构及性能 • 应用系统的需求取决于以下因素：
嵌入式控制系统原理及设计