第1章嵌入式系統(tǒng)簡介

MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 裘君Email QIUJUNNB ZJU EDU CNTEL 600MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 第1章嵌入式系統(tǒng)簡介 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式系統(tǒng)軟件嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 前言 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 在信息化社會中 計算機和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到我們生活的每一個角落 本章作為本書的開篇 主要介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)學習方法 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 1系統(tǒng)系統(tǒng)是一種根據(jù)固定的計劃 程序或者規(guī)則進行工作 組織或者執(zhí)行一項或多項任務(wù)的方式 系統(tǒng)也是一種工作安排方法 其所有單元能夠按照一定的計劃或者程序裝配在一起 共同完成工作任務(wù) 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) ComputersasComponents PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesign 一書中指出 什么是嵌入式計算系統(tǒng) 如果不嚴格地定義 它是任何一個包含可編程計算機的設(shè)備 但是它本身卻不是一個通用計算機 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) EmbeddedMicrocontrollers 一書作者認為 嵌入式系統(tǒng)是一種電子系統(tǒng) 它包含微處理器或者微控制器 但是我們不認為它們是計算機 計算機隱藏或者嵌入在系統(tǒng)中 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng)英國電機工程師協(xié)會定義 嵌入式系統(tǒng)是控制 監(jiān)視或輔助某個設(shè)備 機器甚至工廠運行的設(shè)備 它具備4個特征 用來執(zhí)行特定的功能 以微型計算機與外圍設(shè)備構(gòu)成核心 具有嚴格的時序與穩(wěn)定度 全自動操作循環(huán)工作 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng)還可以用以下文字總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng) 有計算機功能但又不稱為計算機的設(shè)備 它以應用為中心 軟硬件可裁減 適應應用系統(tǒng)對功能 可靠性 成本 體積 功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) 簡單地說 嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應用軟件和硬件于一體 類似于PC中BIOS的工作方式 具有軟件代碼小 高度自動化 響應速度快等特點 特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器 相關(guān)支撐硬件 嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成 它是可獨立工作的 機器 或 器件 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 2嵌入式系統(tǒng) 圖1 1嵌入式系統(tǒng)的基本架構(gòu) 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類小型嵌入式系統(tǒng)小型嵌入式系統(tǒng)采用一個8位或者16位的微控制器設(shè)計 硬件和軟件復雜度小 需要進行板級設(shè)計 為這些系統(tǒng)開發(fā)嵌入式軟件時 主要的編程工具是所使用的微控制器或者微處理器專用的編輯器 匯編器和交叉匯編器等 通常利用C語言開發(fā)這些系統(tǒng)的軟件 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類中型嵌入式系統(tǒng)中型嵌入式系統(tǒng)采用一個16位或者32位的微控制器 數(shù)字信號處理器 DSP 或者精簡指令集 RISC 計算機等設(shè)計 硬件和軟件復雜度都比較大 對于復雜的軟件設(shè)計 可以使用如下的編程工具 RTOS 源代碼設(shè)計工具 模擬器 調(diào)試器和集成開發(fā)環(huán)境 IDE 等 軟件工具往往還提供了硬件復雜性的解決和分析方法 1 1嵌入式系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 1 3嵌入式系統(tǒng)的分類復雜嵌入式系統(tǒng)復雜嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件都非常復雜 需要可升級的處理器或者可配置的處理器和可編程邏輯陣列 如FPGA CPLD等器件 它們用于邊緣應用 在這些應用中 需要硬件和軟件協(xié)同設(shè)計 并且都集成到最終的系統(tǒng)中 然而它們又受到硬件單元所提供的處理速度 存儲器等資源的限制 為了解決時間問題 提高系統(tǒng)運行速度 可以在硬件中實現(xiàn)一部分軟件功能 例如加密和解密算法 TCP IP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序等功能 當然 系統(tǒng)中某些硬件資源的功能模塊同樣也可以用軟件來實現(xiàn) 這些系統(tǒng)的開發(fā)工具一般十分昂貴 有時還需要為這些系統(tǒng)開發(fā)編譯器或者重定目標的編譯器等 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器 嵌入式微處理器一般具備4個特點 對實時和多任務(wù)有很強的支持能力 能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時間 從而使內(nèi)部的代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能 這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化 而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用 需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能 同時也有利于軟件診斷 可擴展的處理器結(jié)構(gòu) 以便能夠迅速地擴展?jié)M足應用的高性能的嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的功耗要求必須很低 尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備 對于靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此 功耗往往為mW甚至 W級 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 2 1嵌入式微處理器微處理器是一個集中取址和處理一組通用指令的單元 任何一個CPU必須包括一個控制單元和一個ALU單元 而嵌入式微處理器采用的是 增強型 通用微處理器 由于嵌入式系統(tǒng)通常應用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中 因而嵌入式微處理器在工作溫度 電磁兼容性以及可靠性方面的要求較通用的標準微處理器高 根據(jù)實際嵌入式應用要求 將嵌入式微處理器裝配在專門設(shè)計的主板上 只保留和嵌入式應用有關(guān)的主板功能 這樣可以大幅度地減小系統(tǒng)的體積和功耗 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 2 1嵌入式微處理器和工業(yè)控制計算機相比 嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有體積小 重量輕 成本低 可靠性高等一系列優(yōu)點 但在其電路板上必須包括ROM RAM 總線接口 必要的外設(shè)等器件 由嵌入式微處理器及其存儲器 總線 外設(shè)等器件安裝在一塊電路主板上而構(gòu)成的系統(tǒng) 就是通常所說的單板機系統(tǒng) 嵌入式微處理器目前主要有Am186 88 386EX SC 400 PowerPC 68000 MIPS ARM系列等 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 2 2嵌入式微控制器嵌入式微控制器又稱為單片機 它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中 嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心 根據(jù)某些典型的應用 在芯片內(nèi)部集成了ROM EPROM RAM 總線 總線邏輯 定時 計數(shù)器 看門狗 I O 串行口 脈寬調(diào)制輸出 A D D A FlashRAM EEPROM等各種必要功能部件和外設(shè) 為適應不同的應用需求 對功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進行必要的修改和裁減定制 使得一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品 每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都相同 主要的不同在于存儲器 外設(shè)的配置和功能的設(shè)置等方面 這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配 從而減少整個系統(tǒng)的功耗和成本 看門狗 又叫watchdogtimer 是一個定時器電路 一般有一個輸入 叫喂狗 一個輸出到MCU的RST端 MCU正常工作的時候 每隔一端時間輸出一個信號到喂狗端 給WDT清零 如果超過規(guī)定的時間不喂狗 一般在程序跑飛時 WDT定時超過 就回給出一個復位信號到MCU 是MCU復位 防止MCU死機 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán) 或者說程序跑飛 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 2 3嵌入式DSP處理器在數(shù)字信號處理應用中 各種數(shù)字信號處理算法往往相當復雜 一般結(jié)構(gòu)的處理器無法實時地完成這些運算功能 由于DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊的設(shè)計 使其特別適合進行實時數(shù)字信號處理 在數(shù)字濾波 FFT 快速傅里葉變換 譜分析等方面 DSP算法正大量進入嵌入式領(lǐng)域 DSP應用正逐步從通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能 過渡到采用嵌入式DSP處理器 嵌入式DSP處理器有兩類 DSP處理器經(jīng)過單片化 EMC 電磁兼容性 改造 增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器 TI的TMS320C2000 C5000等屬于此范疇 在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器 例如Intel的MCS 296和Infineon的TriCore系列 1 2嵌入式系統(tǒng)硬件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 2 3嵌入式片上系統(tǒng)隨著EDA 電子設(shè)計自動化 的推廣和大規(guī)模集成電路 LargeScaleIntegratedCircuit VLSI 設(shè)計的普及化 以及半導體工藝的迅速發(fā)展 可以在一塊硅片上集成實現(xiàn)更為復雜的系統(tǒng) 這就產(chǎn)生了SOC技術(shù) 各種通用處理器內(nèi)核可以作為SOC設(shè)計公司的標準庫 而嵌入式系統(tǒng)外設(shè)也成為了VLSI設(shè)計中的標準器件 可以通過標準的VHDL Verilog等硬件語言描述保存在器件庫中 供用戶設(shè)計選擇使用 用戶根據(jù)需求定義應用系統(tǒng) 通過開發(fā)工具仿真 調(diào)試 驗證設(shè)計出的應用系統(tǒng)后 就可以將設(shè)計文檔等資料提交給半導體工廠制作樣品 這樣除某些無法集成的功能器件以外 整個嵌入式系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)均可集成到一塊或幾塊芯片中 應用系統(tǒng)電路板設(shè)計將變得越來越簡潔 這對于減小整個應用系統(tǒng)的體積和功耗 提高可靠性等方面都非常有利 1 3嵌入式系統(tǒng)軟件 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 軟件是系統(tǒng)設(shè)計最重要的一部分 是嵌入式系統(tǒng)的核心 嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)給定系統(tǒng)的應用軟件 處理器執(zhí)行指令代碼和處理數(shù)據(jù) 有效 準確地完成指定工作任務(wù) 在設(shè)計的最后階段 這些指令代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)被放置到存儲器中 用于執(zhí)行完成相應的工作 目前 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的應用軟件開發(fā)都會使用高級語言 例如C C 和JAVA等 其中C語言選用得最多 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件 它是嵌入式系統(tǒng) 包括硬 軟件系統(tǒng) 設(shè)計的重要組成部分 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件 系統(tǒng)內(nèi)核 設(shè)備驅(qū)動接口 通信協(xié)議 圖形界面 標準化瀏覽器等 嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點 如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源 能夠硬件虛擬化 使得開發(fā)人員從復雜的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來 能夠提供庫函數(shù) 驅(qū)動程序 工具集以及應用程序等 與通用操作系統(tǒng)相比較 嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性 硬件的相關(guān)依賴性 軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有更為突出的特點 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 4 1嵌入式操作系統(tǒng)的種類一般情況下 嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類 一類是面向控制 通信等領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng) 如WindRiver公司的VxWorks ISI的pSOS QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX ATI的Nucleus FreeScale的MQX等 另一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng) 這類產(chǎn)品包括個人數(shù)字助理 PDA 移動電話 機頂盒 電子書 WebPhone等 MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) DIY四軸飛行器 讓車輪和鍵盤都飛起來基于飛思卡爾MQX實時操作系統(tǒng)的智能灑水系統(tǒng)基于AtmelARM芯片的嵌入式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)解決方案uCOSII26路ADC采集系統(tǒng)PatrickEdwardsDaughertySPIRI 馬蜂窩 模式的清潔機器人愛板網(wǎng) 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 4 2嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段 第一階段是無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段 是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng) 同時具有與監(jiān)測 伺服 指示設(shè)備相配合的功能 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ) 以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng) 第三階段是通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段 是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng) 第四階段是以基于Internet為標志的嵌入式系統(tǒng) 這是一個正在迅速發(fā)展的階段 目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外 但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電 工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切 嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 4 3使用實時操作系統(tǒng)的必要性嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛 尤其在功能復雜 系統(tǒng)龐大的應用中顯得越來越重要 首先 嵌入式實時操作系統(tǒng) RTOS 提高了系統(tǒng)的可靠性 其次 RTOS提高了開發(fā)效率 縮短了開發(fā)周期 再次 嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力 1 4嵌入式操作系統(tǒng) MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 1 4 4實