嵌入式系统原理与实践-第01章 嵌入式系统概述2018
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JTAG仿真器组成
硬件：一个连接计算机的接口；一个连接目标处理器上 JTAG引脚的接口；
软件：把调试命令和数据通过仿真器发送到目标处理器 中，然后接收目标处理器的状态信息；并通过JTAG命 令控制目标处理器的运行。
2019/6/7
36
嵌入式系统概述
JTAG仿真器
JTAG仿真器特点
（1）采用串行方式传输数据
2019/6/7
28
嵌入式系统概述
嵌入式系统的调试方法
开发主机 调试器
目标机
被调试 程序
Monitor方式：调试器与目标操作系统通过指定的通信端口并依据 远程调试协议来实现通信。
片上调试方式：目标机处理器内部嵌入额外的硬件控制模块， 满足特定的触发条件时，进入某种特殊状态。
2019/6/7
29
单个微处理器
单片嵌入式处理器，集成存储器、I/O、接口设备等；
嵌入式处理器可扩展的系统
8位或16位；扩展少量的存储器和外部接口；
复杂的嵌入式系统
16、32位；扩展存储器在1MB以上；ARM系列等；
在制造或过程控制中使用的计算机系统
计算机与仪器、机械及设备相连来控制装置的工作；
2019/6/7
嵌入式系统的发展 20世纪60年代末，随着集成电路化的发展逐步兴起； OEM嵌入式计算机系统（单片机）； 20世纪80年代，把微处理器、I/O端口、存储器及各种 外设集成到一个VLSI——嵌入式处理器SoC； DSP产品； 20世纪90年代，面向实时信号处理算法的DSP产品；
2019/6/7
6
嵌入式系统概述
2019/6/7
3
嵌入式系统概述
概念
一个嵌入式系统是一个硬件与软件的集合体。 硬件：嵌入式处理器/控制器/DSP、存储器、外设、 I/O端口、图形控制器
软件：操作系统软件、应用程序
2019/6/7
4
嵌入式系统概述
嵌入式系统的应用
2019/6/7
5
嵌入式系统概述
嵌入式系统及处理器的发展
嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。
ROM
外设1
CPU
RAM
外设2
单板计算机
2019/6/7
13
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
常见的例子有ARM微处理器如SamSung S3C2440， Freescale M21/MX等 ） ，Intel的80x86系列, ARM CortexA系列等。
实时嵌入式系统
Java
嵌入式因特网
图形
连通性
多处理器
内存保护
VxWorks Core OS
文件系统
TCP/IP
Wind Microkernel
调试代理
BSP
2019/6/7
31
嵌入式系统概述
ROM仿真器
ROM仿真器示意图：
LAN 串口或并口
用于代替系统ROM 简单嵌入式接头
主要优势
目标系统
-覆盖内存 -跟踪能力 -系统控制与主机接口
LPC21xx, Atmel的SAM7, ST的STR71x、91x, STM32、Tiva等 。
2019/6/7
Philips LPC2129 (ARM7)
20
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器
目前常见的嵌入式微控制器是ARM核微控制器，如Philips的
LPC21xx, Atmel的SAM7, ST的STR71x、91x, STM32, MSP432等 。
2019/6/M7 otorola-XPC603PRX180LE
Motorola-XPC603FE75-2B
15
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部 集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、 WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash 等各种必要功能和外设。
26
嵌入式系统概述
嵌入式处理器与专用集成电路
专用集成电路（Application Specified Integrated Circuit,ASIC）：
为某种用途专门设计制造的集成电路。
半定制ASIC：
用户根据半导体集成电路制造商提供的单元电路库来设计自己 的ASIC。
库元件：微处理器，存储器，各类I/O模块（并行口、唇形口、 定时器、A/D转换器、脉宽调制器、DMA控制器、网络通信 控制器）
（2）JTAG命令独立于处理器的指令系统
（3）JTAG标准仅定义了与处理器的通信协议
IEEE 1149.1 JTAG引脚描述
2019/6/7
33
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器概述
目标系统
仿真器
映像RAM和 映像ROM
地址 数据
目
标
处理器
内
布线设
存
计
NMI
地址 总线 缓冲
区
地址 总线 缓冲
区
微处理器 地址
MUX 多路 选择开 关选 择
数据
目标/仿真器
存储器 控制逻辑
状态 NMI
NMI NMI 控制逻辑
2019/6/7
嵌入式系统的组成——存储器
存储器用于存取数据和代码。
随机存取RAM
只读存储器ROM
2019/6/7
24
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——外设
外设与系统外部完成I/O操作。 内部外设：与处理器在一块芯片上
外部外设：与处理器不在一块芯片上
2019/6/7
25
嵌入式系统概述
嵌入式系统的种类
2019/6/7
8
嵌入式系统概述
嵌入式系统的特点
嵌入式操作系统（EOS）的特点 良好的移植性；
占有更少的硬件资源；
高可靠性；
提供强大的网络功能；
友好高效的GUI； 实时性能；
可裁剪性；
2019/6/7
9
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
2019/6/7
Biblioteka Baidu10
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
2019/6/7
32
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器概述
ICE提供自己的处理器和存储器，ICE和目标系统通过连 接器结合在一起。调试时使用ICE的处理器和存储器、目 标板上的I/O接口。
关键部分： （1）NMI（不可屏蔽中断）控制逻辑 （2）存储器控制逻辑 （3）映像ROM及映像RAM
Samsung's S3C2410 microcontroller (ARM920T)
2019/6/7
14
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
常见的例子有ARM微处理器（如SamSung S3C2440， Freescale M21/MX等 ）， Intel的80x86系列，Motorola的 PowerPC、ARM Cortex-A系列等。
嵌入式系统的硬件 核心芯片、存储器系统、外部接口
嵌入式系统的软件 嵌入式操作系统和应用软件
嵌入式系统的开发工具和开发系统 语言编译器、连接定位器、调试器
2019/6/7
11
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
嵌入式系统的硬件——例子
CCD
Digital camera chip
Central processor
2019/6/7
STR912开发板
21
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式DSP处理器和FPGA
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使 其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度 也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正 在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单品机中 以普通指令实现DSP功能，过滤到采用嵌入式DSP处理 器。
Memory controller
2019/6/7
ISA bus interface
UART
LCD ctrl
Output display
12
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
微处理器是指功能较强大的CPU，通常电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等。
嵌入式系统的特点
嵌入式系统的特点 面向特定应用；
技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识 集成系统；
需要高效率设计软、硬件；
对软件的要求：固件化，高质量、高可靠性的代码， 具有实时处理能力；
生命周期长；
需要相应的开发工具和环境。
2019/6/7
7
嵌入式系统概述
嵌入式系统的特点
嵌入式微处理器的特点 支持对实时多任务的处理； 具有很强的存储区保护功能； 可扩展的处理器结构； 功耗低 。
2019/6/7
27
嵌入式系统概述
嵌入式处理器与专用集成电路
一次性可编程OTP（One Time Programmble） 型微控制器：
产品批量小。
EPROM型微控制器：
闪速存储器Flash：
非易失；
高速；
结构简单、集成密 度大、成本低；
生产周期短； 可随时修改程序； 方便应用程序的开发、调试。
2019/6/7
16
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
典型的嵌入式微控制器: MCS51、MSP430。
2019/6/7
AT89C51
17
TI MSP430 Microcontrollers
Modern 16-bit RISC CPU
Ultra-low-power consumption as low as 0.1uA RAM retention mode
嵌入式系统
2019/6/7
——嵌入式系统概述
华东师范大学计算机系 沈建华
1
嵌入式系统概述
Outline
概念 发展 特点 组成 种类
处理器与专用集成电路 调试方法 应用 发展趋势
2019/6/7
2
嵌入式系统概述
概念
两种定义方法
第一种：以应用为中心、计算机技术为基础，软、 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。 第二种：非通用计算机系统
CCD preprocessor A2D
Pixel coprocessor
D2A
lens
Input interface
JPEG codec
Microcontroller
Multiplier/Accum
DMA controller
Digital signal processor
Display ctrl
34
用户中断
中断
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器的实时跟踪功能 ICE与目标系统的连接方法
直接连接：从目标系统上取走目标微处理器，再插上 ICE的仿真头。
间接连接：不取走目标处理器，把所有的引脚设置成开 路的。
ICE的缺点：价格贵
2019/6/7
35
嵌入式系统概述
JTAG仿真器
- Portable instrumentation
- Consumer
2019/6/7
18
Ultra Low Power Feature
2019/6/7
19
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
目前常见的嵌入式微控制器是ARM核微控制器，如Philips的
嵌入式系统概述
基于主机的调试
使用C或C++语言编写的应用软件
基于C语言的可移植性原理，可在主机上调试C或C++程序。
汇编语言
可在桌面系统上使用指令集模拟器运行汇编语言程序。
问题——字长的兼容性与字节排序
字长的兼容性可通过定义可移植的数据类型来解决； 字节排序——大小端问题。
例子：
Integrated highperformance analog and digital peripherals
In-system programmable Flash
Complete IDE starting at $99
Key applications include:
- Metering
FPGA——现场可编程门阵列
2019/6/7
22
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式DSP处理器和FPGA
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP5600系列。
2019/6/7
23
嵌入式系统概述
ATI公司的MNT；基于uC/OSII的应用开发。
2019/6/7
30
嵌入式系统概述
远程调试器与调试内核
主机
以太网
Tornado插件
项 发
目 射
编译器 调试程序 命名解释外壳 系统浏览器
串行线
目 片上调试 标
服
客户
设
目标浏览器
务
器
逻辑分析仪 C++类
器
备
第三方工具
模拟环境 VxSim
目标 VxWorks 提供的支持
硬件：一个连接计算机的接口；一个连接目标处理器上 JTAG引脚的接口；
软件：把调试命令和数据通过仿真器发送到目标处理器 中，然后接收目标处理器的状态信息；并通过JTAG命 令控制目标处理器的运行。
2019/6/7
36
嵌入式系统概述
JTAG仿真器
JTAG仿真器特点
（1）采用串行方式传输数据
2019/6/7
28
嵌入式系统概述
嵌入式系统的调试方法
开发主机 调试器
目标机
被调试 程序
Monitor方式：调试器与目标操作系统通过指定的通信端口并依据 远程调试协议来实现通信。
片上调试方式：目标机处理器内部嵌入额外的硬件控制模块， 满足特定的触发条件时，进入某种特殊状态。
2019/6/7
29
单个微处理器
单片嵌入式处理器，集成存储器、I/O、接口设备等；
嵌入式处理器可扩展的系统
8位或16位；扩展少量的存储器和外部接口；
复杂的嵌入式系统
16、32位；扩展存储器在1MB以上；ARM系列等；
在制造或过程控制中使用的计算机系统
计算机与仪器、机械及设备相连来控制装置的工作；
2019/6/7
嵌入式系统的发展 20世纪60年代末，随着集成电路化的发展逐步兴起； OEM嵌入式计算机系统（单片机）； 20世纪80年代，把微处理器、I/O端口、存储器及各种 外设集成到一个VLSI——嵌入式处理器SoC； DSP产品； 20世纪90年代，面向实时信号处理算法的DSP产品；
2019/6/7
6
嵌入式系统概述
2019/6/7
3
嵌入式系统概述
概念
一个嵌入式系统是一个硬件与软件的集合体。 硬件：嵌入式处理器/控制器/DSP、存储器、外设、 I/O端口、图形控制器
软件：操作系统软件、应用程序
2019/6/7
4
嵌入式系统概述
嵌入式系统的应用
2019/6/7
5
嵌入式系统概述
嵌入式系统及处理器的发展
嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。
ROM
外设1
CPU
RAM
外设2
单板计算机
2019/6/7
13
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
常见的例子有ARM微处理器如SamSung S3C2440， Freescale M21/MX等 ） ，Intel的80x86系列, ARM CortexA系列等。
实时嵌入式系统
Java
嵌入式因特网
图形
连通性
多处理器
内存保护
VxWorks Core OS
文件系统
TCP/IP
Wind Microkernel
调试代理
BSP
2019/6/7
31
嵌入式系统概述
ROM仿真器
ROM仿真器示意图：
LAN 串口或并口
用于代替系统ROM 简单嵌入式接头
主要优势
目标系统
-覆盖内存 -跟踪能力 -系统控制与主机接口
LPC21xx, Atmel的SAM7, ST的STR71x、91x, STM32、Tiva等 。
2019/6/7
Philips LPC2129 (ARM7)
20
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器
目前常见的嵌入式微控制器是ARM核微控制器，如Philips的
LPC21xx, Atmel的SAM7, ST的STR71x、91x, STM32, MSP432等 。
2019/6/M7 otorola-XPC603PRX180LE
Motorola-XPC603FE75-2B
15
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部 集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、 WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash 等各种必要功能和外设。
26
嵌入式系统概述
嵌入式处理器与专用集成电路
专用集成电路（Application Specified Integrated Circuit,ASIC）：
为某种用途专门设计制造的集成电路。
半定制ASIC：
用户根据半导体集成电路制造商提供的单元电路库来设计自己 的ASIC。
库元件：微处理器，存储器，各类I/O模块（并行口、唇形口、 定时器、A/D转换器、脉宽调制器、DMA控制器、网络通信 控制器）
（2）JTAG命令独立于处理器的指令系统
（3）JTAG标准仅定义了与处理器的通信协议
IEEE 1149.1 JTAG引脚描述
2019/6/7
33
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器概述
目标系统
仿真器
映像RAM和 映像ROM
地址 数据
目
标
处理器
内
布线设
存
计
NMI
地址 总线 缓冲
区
地址 总线 缓冲
区
微处理器 地址
MUX 多路 选择开 关选 择
数据
目标/仿真器
存储器 控制逻辑
状态 NMI
NMI NMI 控制逻辑
2019/6/7
嵌入式系统的组成——存储器
存储器用于存取数据和代码。
随机存取RAM
只读存储器ROM
2019/6/7
24
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——外设
外设与系统外部完成I/O操作。 内部外设：与处理器在一块芯片上
外部外设：与处理器不在一块芯片上
2019/6/7
25
嵌入式系统概述
嵌入式系统的种类
2019/6/7
8
嵌入式系统概述
嵌入式系统的特点
嵌入式操作系统（EOS）的特点 良好的移植性；
占有更少的硬件资源；
高可靠性；
提供强大的网络功能；
友好高效的GUI； 实时性能；
可裁剪性；
2019/6/7
9
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
2019/6/7
Biblioteka Baidu10
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
2019/6/7
32
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器概述
ICE提供自己的处理器和存储器，ICE和目标系统通过连 接器结合在一起。调试时使用ICE的处理器和存储器、目 标板上的I/O接口。
关键部分： （1）NMI（不可屏蔽中断）控制逻辑 （2）存储器控制逻辑 （3）映像ROM及映像RAM
Samsung's S3C2410 microcontroller (ARM920T)
2019/6/7
14
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
常见的例子有ARM微处理器（如SamSung S3C2440， Freescale M21/MX等 ）， Intel的80x86系列，Motorola的 PowerPC、ARM Cortex-A系列等。
嵌入式系统的硬件 核心芯片、存储器系统、外部接口
嵌入式系统的软件 嵌入式操作系统和应用软件
嵌入式系统的开发工具和开发系统 语言编译器、连接定位器、调试器
2019/6/7
11
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成
嵌入式系统的硬件——例子
CCD
Digital camera chip
Central processor
2019/6/7
STR912开发板
21
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式DSP处理器和FPGA
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使 其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度 也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正 在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单品机中 以普通指令实现DSP功能，过滤到采用嵌入式DSP处理 器。
Memory controller
2019/6/7
ISA bus interface
UART
LCD ctrl
Output display
12
嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微处理器（MPU）
微处理器是指功能较强大的CPU，通常电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等。
嵌入式系统的特点
嵌入式系统的特点 面向特定应用；
技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识 集成系统；
需要高效率设计软、硬件；
对软件的要求：固件化，高质量、高可靠性的代码， 具有实时处理能力；
生命周期长；
需要相应的开发工具和环境。
2019/6/7
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嵌入式系统概述
嵌入式系统的特点
嵌入式微处理器的特点 支持对实时多任务的处理； 具有很强的存储区保护功能； 可扩展的处理器结构； 功耗低 。
2019/6/7
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嵌入式系统概述
嵌入式处理器与专用集成电路
一次性可编程OTP（One Time Programmble） 型微控制器：
产品批量小。
EPROM型微控制器：
闪速存储器Flash：
非易失；
高速；
结构简单、集成密 度大、成本低；
生产周期短； 可随时修改程序； 方便应用程序的开发、调试。
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嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
典型的嵌入式微控制器: MCS51、MSP430。
2019/6/7
AT89C51
17
TI MSP430 Microcontrollers
Modern 16-bit RISC CPU
Ultra-low-power consumption as low as 0.1uA RAM retention mode
嵌入式系统
2019/6/7
——嵌入式系统概述
华东师范大学计算机系 沈建华
1
嵌入式系统概述
Outline
概念 发展 特点 组成 种类
处理器与专用集成电路 调试方法 应用 发展趋势
2019/6/7
2
嵌入式系统概述
概念
两种定义方法
第一种：以应用为中心、计算机技术为基础，软、 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。 第二种：非通用计算机系统
CCD preprocessor A2D
Pixel coprocessor
D2A
lens
Input interface
JPEG codec
Microcontroller
Multiplier/Accum
DMA controller
Digital signal processor
Display ctrl
34
用户中断
中断
嵌入式系统概述
在线仿真ICE
在线仿真器的实时跟踪功能 ICE与目标系统的连接方法
直接连接：从目标系统上取走目标微处理器，再插上 ICE的仿真头。
间接连接：不取走目标处理器，把所有的引脚设置成开 路的。
ICE的缺点：价格贵
2019/6/7
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嵌入式系统概述
JTAG仿真器
- Portable instrumentation
- Consumer
2019/6/7
18
Ultra Low Power Feature
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嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式微控制器（MCU）
目前常见的嵌入式微控制器是ARM核微控制器，如Philips的
嵌入式系统概述
基于主机的调试
使用C或C++语言编写的应用软件
基于C语言的可移植性原理，可在主机上调试C或C++程序。
汇编语言
可在桌面系统上使用指令集模拟器运行汇编语言程序。
问题——字长的兼容性与字节排序
字长的兼容性可通过定义可移植的数据类型来解决； 字节排序——大小端问题。
例子：
Integrated highperformance analog and digital peripherals
In-system programmable Flash
Complete IDE starting at $99
Key applications include:
- Metering
FPGA——现场可编程门阵列
2019/6/7
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嵌入式系统概述
嵌入式系统的组成——嵌入式处理器
嵌入式DSP处理器和FPGA
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP5600系列。
2019/6/7
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嵌入式系统概述
ATI公司的MNT；基于uC/OSII的应用开发。
2019/6/7
30
嵌入式系统概述
远程调试器与调试内核
主机
以太网
Tornado插件
项 发
目 射
编译器 调试程序 命名解释外壳 系统浏览器
串行线
目 片上调试 标
服
客户
设
目标浏览器
务
器
逻辑分析仪 C++类
器
备
第三方工具
模拟环境 VxSim
目标 VxWorks 提供的支持