项目1单片机嵌入式系统原理及应用(贾好来)单片机嵌入式系统简介

• 根据其实时性的强弱可分为：具有强实时性的嵌 入式系统，系统响应时间在微秒级或毫秒级；具 有弱实时性特点的嵌入式系统，响应时间在毫秒 到几秒之间；没有实时性的嵌入式系统，响应时 间在几十秒或更长时间。
环轮询系统，程 序依次检查每个输入条件，一旦条件成立，就进 行相应的处理，是最简单的嵌入式系统；事件驱 动系统，对外部事件直接响应的系统，包括前后 台系统、实时多任务系统、多处理器系统等，是 嵌入式系统的主要形式。 • 根据规模大小的不同，可分为：小规模系统；中 等规模系统；大规模系统。
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1.2.3 数字信号处理器
• 在需要进行信号处理的嵌入式系统，需要选择数字信号处理器 (DSP) ，包括图像处理、多媒体、音频、视频、电机控制、 HDTV、DSP调制解调器和无线电通信处理系统、快速识别图 像 模 式 或 DNA 序 列 。 主 要 的 DSP 生 产 厂 家 有 TI 、 Analog Device 、 Freescale 。其中， TI 公司的 DSP 约占市场份额的 50% 以 上 ， 有 C2000 系 列 、 C5000 系 列 、 C6000 系 列 、 DaVinci 数字视频处理器，其中，C2000包括16位定点和32 位定点 DSP ，集成了许多外设，提供了一种独特的片上外设 组合方式，主要用于工业控制、自动控制应用、光纤网络、手 持电源、智能传感器等场合，比8位或16位单片机具有更大的 灵活性。
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1.2.5多处理器系统
• 在一个嵌入式系统中，可能需要多个处理器在严格的时间 期限内快速执行一个算法。例如，在实时视频处理中，一 秒钟内需要执行多次的 MAC 操作，这超出了一个 DSP 单 元的处理能力。那么嵌入式系统就必须集成两个或者多个 同步运行的处理器。 • 在一个便携式电话中，必须执行多项任务： (a) 语音信号 压缩和编码；(b)拨号；(c)调制和发送；(d)解调和接收； (e)信号解码和解压缩； (f) 小键盘接口和显示接口处理； (g)基于短消息服务(SMS)协议的通信；(h)SMS消息显示 。对于所有的这些任务，一个处理器是不够的。需要多个 处理器同步执行。
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• 小型嵌入式系统，采用 8 位或者 16 位的单片机设 计；硬件和软件复杂度很小，甚至电池可以驱动 。开发小型嵌入式系统软件的主要编程工具，是 所使用的单片机或者处理器专用的编辑器、汇编 器(assembler)和交叉汇编器。通常利用C语言来 开发其软件， C 程序被编译为机器语言，然后存 放到系统存储器的适当位置上。
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1.2.4 专用系统处理器
• 这种系统在其设计中集成了专用系统处理器 ASSP(Application Specific Standard Processor)芯片或核。
• 假设有一个实时视频处理嵌入式系统。嵌入式系统中需要 进行实时处理的功能包括数字电视、高清电视解码器、视 频转接器、DVD(Digital Video Disc，数字视频光盘)播 放、网络电话、视频会议和其他一些系统。
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1.2嵌入式系统中的处理器 1.2.1 嵌入式微处理器
• 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来 的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高 的性能，当然其价格也相应较高，通常适合大型、 高性能的嵌入式计算机系统，具有体积小、重量轻 、成本低、可靠性高的优点。嵌入式处理器片内不 包含数据存储器、程序存储器，以及I/O接口电路 ，用户需要另外选择相应的接口电路。一般而言， 嵌入式微处理器软硬件系统复杂，设计难度大，对 设计者要求高。
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• 当前，为控制方便，单片机增加了各种控制部件 ，如片内A/D、PWM、PCA计数器捕获/比较逻 辑、高速 I/O 口、 WDT 等，其内涵早已突破了传 统 Microcomputer 的 内 容 ， 成 为 Microcontrollers 。在国外“单片机”一词早已 被“微控制器”所替代。在国内仍习惯这一叫法 ，但应把它认为是一个单片形态的微控制器，而 不是单片微型计算机。
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• 这 种 处 理 需 要 一 个视 频 压 缩和 解 压缩系 统 ，需要 符 合 MPEG2 或 者 MPEG4 标 准 (MPEG 是 Motionpicture Expert Group的缩写，即移动图像专家组)。MPEG2或 者 MPEG4的信号压缩是在存储和传送之前完成的；解压 缩是在取回或者接收这些信号之前完成的。对于MPEG压 缩算法，如果运行了一个GPP嵌入式软件，则需要单独的 DSP，以获得实时处理。专用于这些特定任务的 ASSP本 身就能够提供一种快速解决方法。需要对 ASSP 进行配置 ，使其与嵌入式系统中的其他单元进行接口
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• 其次，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导 体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合 后的产物，这决定了不同的嵌入式系统具有不同 的定位，例如，安卓 (Android) 系统占据了美国 智能手机市场50.1%的份额(截止2012年4月4日) ，就是因为其立足于平板电脑、手机等移动产品 ，人机界面好，易操作，配套应用软件多；而风 河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是 因为其高实时性和高可靠性。
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1.1.2 嵌入式系统定义
• 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器 和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。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。目前国内一个普遍被认同 的定义是：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。
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1.3 单片机的类型 1.3.1 8位、16位、32位单片机 1.3.1.1 8位单片机
• 最早的单片机是美国仙童(Fairchild)公司生产的F8单片机 ，仅包括8位CPU、64Bytes的RAM和2个并行口，需另 加一块3851( 由1Kbytes ROM, 定时器/ 计数器和2个并 行 I/O 口构成 ) 才能构成一台完整的计算机。随后， Intel 公司设计制造了MCS-48单片机，这种单片机片内集成有 8 位 CPU 、并行 I/O 口、 8 位定时器／计数器、 RAM 和 ROM 等。不足之处是没有串行口，中断处理比较简单， 片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。
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• 在 MCS-48 的 基 础 上 ， Intel 公 司 推 出 了 高 性 能 单 片 机 MCS-51单片机，带有串行口、多级中断系统，16位定时 器／计数器，片内 ROM 、 RAM 容量大，寻址范围可达 64K 。上世纪 80 年代中期， Intel 公司业务调整，停止生 产单片机，并出售了 MCS-51 单片机内核，众多厂家如 NXP( 前身是飞利浦半导体 ) 、 Atmel 、 ST 公司，在标准 MCS-51单片机内核的基础上，增加了新的功能，形成了 自己的特色，如Atmel的Flash系列单片机，NXP系列单 片机，速度最快功能最强的 C8051F系列单片机等等。以 MCS-51 为内核的单片机市场份额占 8 位单片机市场份额 的50%以上，也是单片机教育入门首选机型。
机械工业出版社
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第1章 单片机嵌入式系统简介
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主要内容
1.1 单片机嵌入式系统定义 1.2 嵌入式系统中的处理器 1.3 单片机的类型 1.4 ATMEL公司生产的单片机 1.5 嵌入式系统中的操作系统 1.6 嵌入式系统和单片机发展趋势 附录1 学习单片机应用系统需要明确的问题
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1.1单片机嵌入式系统定义 1.1.1通用计算机系统和嵌入式系统
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1.2.2 嵌入式单片机
• 嵌入式系统是单片机应用的主战场。所谓“单片 机”就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上 ， 包 括 CPU(Central Processing Unit) 、 ROM(Read Only Memory) 、 RAM(Random Access Memory)、并行口(Parallel Port)、串 行 口 (Serial Port) 、 定 时 器 ／ 计 数 器 (Timer/Counter) 、 中 断 系 统 (Interrupt System)、系统时钟及系统总线。
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• 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词 ，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控 制系统都可以叫嵌入式系统，比如，嵌入了 PLC 的工业控制系统，也可以称作嵌入式系统。但是 ，科技人员所讲的嵌入式系统，是指比较热门的 、具有操作系统的单片机嵌入式系统，本书沿用 这一观点。
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1.1.3 嵌入式系统分类
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• 单 片 机 生 产 厂 家 众 多 ， 如 Atmel 、 NXP 、 Freescale、TI、Microchip等；品种众多：按字 长分，有 8 位、 16位、 32 位单片机，预计不久会 出现 64 位单片机；按内核类型分，有 8051 核单 片机和非 8051 内核单片机；有以 ARM 为内核的 单片机；按内核数量分，有单核、双核、多核单 片机；按内存类型分，有 Flash 单片机和非 Flash 单片机，哈佛结构和冯诺依曼结构；按指令分类 ，有CISC和RISC单片机；按用途分，有通用型和 专用型单片机；按引脚数量分，有多引脚和少引 脚(6引脚)单片机；根据可靠性类，有民用、工业 用和军用之分。详细内容见1.3节。
通用微处理器vs.单片机 通用系统vs. 嵌入式系统
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注意: • 嵌入式计算机系统的资源要比通用计算机资 源少得多，例如，通用计算机系统的内存通 常为几个GBytes，而嵌入式系统的内存容量 从几十Bytes到几十或几百Kbytes不等； • 嵌入式系统发生故障的后果要比通用机的后 果严重的多； • 嵌入式系统一般采用实时系统； • 嵌入式系统得到多种微处理器体系的支持， 而通用机仅有Intel、AMD等少数厂家微处 理器的支持。