物聯(lián)網(wǎng)系列專業(yè)課程之單片機(jī)與嵌入式概述

1、單片機(jī)與嵌入式中智訊（武漢）科技有限公司嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺臺嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式定定義EmbeddedSystems的定義無無論是學(xué)學(xué)界或者者業(yè)界，都有相相當(dāng)多種種說法，應(yīng)用的的范疇更更是遠(yuǎn)超超出一般般人的想想象根據(jù)英國國電機(jī)工工程師協(xié)協(xié)會的定定義：嵌嵌入式系系統(tǒng)為控制、監(jiān)監(jiān)視或輔輔助設(shè)備備、機(jī)器器或甚至工工廠運(yùn)作作的裝置置它具備了了下列的的特性：設(shè)計(jì)的目目的，在在于執(zhí)行行特定的的功能以微電腦腦與周邊邊構(gòu)成核核心嚴(yán)格的時時序與穩(wěn)穩(wěn)定度要要求全自動操操作循環(huán)環(huán)嵌入式系系統(tǒng)為一一種計(jì)算算機(jī)軟件件與硬件件的綜合合體，特特別強(qiáng)調(diào)調(diào)量身定做做的原則

2、則，基于于某一種種特殊用用途上，針對這這項(xiàng)用途途開發(fā)出出截然同的系系統(tǒng)，是是所謂的的客制化(Customized)系統(tǒng)。嵌入式定定義總結(jié)：嵌嵌入式系系統(tǒng)是以以應(yīng)用為為中心，計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)為為基礎(chǔ)，并且軟軟硬件可可裁剪，適用于于應(yīng)用系系統(tǒng)對功功能、可可靠性、成本、體積、功耗有有嚴(yán)格要要求的專用計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)。廣義定義義：任何何一個非非計(jì)算機(jī)機(jī)的計(jì)算算系統(tǒng)嵌入式組組成嵌入式系系統(tǒng)一般般由嵌入入式硬件件和軟件件組成嵌入式硬硬件：微處理機(jī)機(jī)(Microprocessor)/微控制器器(Microcontroller)內(nèi)存(Memory)特殊用途途之集成成電路芯芯片(ASIC)輸入與輸輸出(Input/O

3、utput,I/O)接口與輸輸入與輸輸出裝置置軟件包括括：初始始化代碼碼及驅(qū)動動、嵌入入式操作作系統(tǒng)和和應(yīng)用程程序等，這些軟軟件有機(jī)機(jī)地結(jié)合合在一起起，形成成系統(tǒng)特特定的一一體化軟軟件。硬件應(yīng)用程序序圖形用戶戶接口通用接口口D/A文件系統(tǒng)統(tǒng)嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)HAL/BSP嵌入式微處理器器軟件A/DI/OROMSDRAM人機(jī)交互互接口應(yīng)用層OS層驅(qū)動層硬件層從傳統(tǒng)計(jì)計(jì)算機(jī)到到嵌入式式嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)：Linux,windowsCE,資源有限限實(shí)時要求求：時間間確定性性成本要求求功耗要求求開發(fā)主要要專用工工具和特特殊方法法桌面操作作系統(tǒng)：Windows XP/7/10專用微處處理器：51，AVR

4、，PIC，MSP，ARM，DSP外圍接口口電路：IIC、UART、SPI、USB、LCD、MMCX86處理器嵌入式與與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)ARMEmbedded SolutionIntelligent Hardware / IoTCortex-M SeriesApplication Platform / MobileCortex-A Series全新嵌入式架構(gòu)：ARM Cortex-A & Cortex-M 萬物智能互聯(lián)全新嵌入式架構(gòu)：ARM Cortex-A & Cortex-M 雙平臺讓萬物智能互聯(lián)嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺臺嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式平平臺分

5、類類嵌入式處處理器嵌入式片片上系統(tǒng)統(tǒng)SoC嵌入式DSP處理器DSP嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微處理器器MPU嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微控制器器一般以以一種微微處理器器的CPU為核心，芯片內(nèi)內(nèi)部集成成ROM/RAM/EPROM、FlashRAM、總線、總線邏邏輯、定定時/計(jì)數(shù)器、看門狗狗、I/O、串行口口、脈寬寬調(diào)制輸輸出、A/D、D/A等各種必必要功能能和外設(shè)設(shè)。嵌入式微微控制器器的典型型代表是是單片機(jī)機(jī)，常見見的是C51、AVR、MSP430、PIC、STM32（ARMCortex-M系列）等等。微控制器器的最大大特點(diǎn)是是單片化，體積小小，從而而使功耗和和成本下下降、可可靠性提

6、提高。微控制器器的片上外設(shè)設(shè)資源一般比較較豐富，適合應(yīng)用用于控制制領(lǐng)域。微控制器器是目前前嵌入式式系統(tǒng)工工業(yè)的主主流。常用MCU平臺比較較類別架構(gòu)總線主流型號開發(fā)環(huán)境說明8051C518位AT89C51/STC89C51Keil簡單，純IO，外設(shè)基本靠擴(kuò)展AVRRISC8位Atmega16aAVR Studio/IAR較高性能，外設(shè)豐富PICRISC8位PIC16F873MPLAB指令少，開發(fā)簡單MSP430RISC16位MSP430F系列CCS/IAR較高性能，外設(shè)豐富STM32ARM32位STM32F系列Keil/IARARM Cortex架構(gòu)，主流MCU，高性能，可運(yùn)行微操作系統(tǒng)嵌入式微

7、微處理器器MPU嵌入式微微處理器器是由通通用計(jì)算算機(jī)中的的CPU演變而來來的。與計(jì)算機(jī)機(jī)處理器器不同，在實(shí)際際嵌入式式應(yīng)用中中，只保保留和嵌嵌入式應(yīng)應(yīng)用緊密密相關(guān)的的功能硬硬件，去去除其他他的冗余余功能部部分，這這樣就以以最低的的功耗和和資源實(shí)實(shí)現(xiàn)嵌入入式應(yīng)用用的特殊殊要求，主要特特點(diǎn)如下下：功耗低；處理器結(jié)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)擴(kuò)展；調(diào)試功能能豐富；支持實(shí)時時多任務(wù)務(wù)及操作作系統(tǒng)。目前主要要的嵌入入式處理理器類型型有ARMCortex-A系列、PowerPC、MIPS等。常見的MPU平臺及操操作系統(tǒng)統(tǒng)嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺臺嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式系系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8、計(jì)過程1234567第一階段段：產(chǎn)品品定義第三階段段：硬件件與軟件件劃分第五階段段：詳細(xì)細(xì)硬件設(shè)設(shè)計(jì)第二階段段：系統(tǒng)統(tǒng)建模第四階段段：迭代代設(shè)計(jì)與與選擇85第五階段段：詳細(xì)細(xì)軟件設(shè)設(shè)計(jì)第六階段段：硬件件與軟件件集成第七階段段：系統(tǒng)統(tǒng)測試第八階段段：系統(tǒng)統(tǒng)維護(hù)與與升級嵌入式硬硬件設(shè)計(jì)計(jì)嵌入式方方案選型型設(shè)計(jì)：性價比先進(jìn)性軟硬件資資料嵌入式硬硬件設(shè)計(jì)計(jì)流程：設(shè)計(jì)：方方案論證證-原理圖-Layout-樣板生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)試：硬硬件檢測測-軟硬件調(diào)調(diào)試生產(chǎn)：N次小批量量-批量嵌入式硬硬件功能能調(diào)試：電源、時時鐘復(fù)位、JTAG內(nèi)存、Flash總線、控控制器嵌入式軟軟件設(shè)計(jì)計(jì)宿主機(jī)仿真器評估板IDE開發(fā)環(huán)境境宿主

9、機(jī)開開發(fā)模式式PC、IDE開發(fā)環(huán)境境、仿真真器、評評估板、串口線線、網(wǎng)線線在線仿真真、Trace、LED、Printf查閱官方方例程掌握官方方軟件庫庫工具選型型掌握原理理圖閱讀數(shù)據(jù)據(jù)手冊嵌入式軟軟件設(shè)計(jì)計(jì)（Hal層）硬件層和和軟件層層之間為為中間層層，也稱稱為硬件件抽象層層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級級支持包包（BoardSupport Package，BSP）該層一般般包含相相關(guān)底層層硬件的的初始化化、數(shù)據(jù)據(jù)的輸入入/輸出操作作和硬件件設(shè)備的的配置等等功能HardwareIndependentSoftwareApplicationsI/OSystemFile

10、SystemRTOS LibrariesRTOS KernelTCP/IPStackHardwareAbstractionLayer:BSP &Device DriverSCSI DriverFlashDriverMMUDriverCacheDriverSerialDriverEthernetDriverDeviceDriverHardware嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺臺嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件嵌入式最最小系統(tǒng)統(tǒng)與外設(shè)設(shè)MCU三軸加速速傳感器器溫濕度、超聲波波繼電器系統(tǒng)電源源模塊小車姿態(tài)態(tài)控制電機(jī)、可可調(diào)燈LCDRFID、指紋識識別語音識別別光線感應(yīng)應(yīng)煙霧

11、傳感感器霍爾磁感感應(yīng)雨滴傳感感器系統(tǒng)時鐘鐘多路ADCI2CGPIOUARTSPIDACPWM常用接口口技術(shù)數(shù)字量IOA/DPWM總線接口口顯示接口口數(shù)字量IO單片機(jī)接接口系統(tǒng)統(tǒng)：鍵盤輸入入、顯示示輸出、打印輸輸出、數(shù)數(shù)據(jù)采集集、伺服服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存存儲、數(shù)數(shù)據(jù)通信信等眾多功功能，皆皆通過I/O端口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)與MCU的信息交交互；某些特定定的傳感感器時序序需求，很多都都直接使使用數(shù)字字量IO來模擬接接入；復(fù)用性：部分IO可復(fù)用其其他功能能；驅(qū)動能力力：不同同端口的的驅(qū)動能能力不同同。A/DA/D轉(zhuǎn)換是把把模擬量量信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成與與其大小小成比例例的數(shù)字字信號；A/D的主要參參數(shù)（CC2530）：可選的抽

12、抽取率，這也設(shè)設(shè)置了分分辨率（7到12位）8個獨(dú)立的的輸入通通道，可可接受單單端或差差分信號號參考電壓壓可選為為內(nèi)部單單端、外外部單端端、外部部差分或或AVDD5產(chǎn)生中斷斷請求轉(zhuǎn)換結(jié)束束時的DMA觸發(fā)溫度傳感感器輸入入電池測量量功能PWM脈沖寬度度調(diào)制(PWM)，是英文文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈脈寬調(diào)制制，是利利用微處處理器的的數(shù)字輸輸出來對對模擬電電路進(jìn)行行控制的的一種非非常有效效的技術(shù)術(shù)，廣泛泛應(yīng)用在在從測量量、通信信到功率率控制與與變換的的許多領(lǐng)領(lǐng)域中?？偩€接口口-串口RS-232C總線是由由美國電電子工業(yè)業(yè)協(xié)會EIA于1969年修定的的一種串串行通信信

13、接口標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；一般稱為為UART，串口；UART模式的操操作具有有下列特特點(diǎn)：8位或者9位負(fù)載數(shù)數(shù)據(jù)奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)驗(yàn)或者無無奇偶校校驗(yàn)配置起始始位和停停止位電電平配置LSB或者M(jìn)SB首先傳送送獨(dú)立收發(fā)發(fā)中斷獨(dú)立收發(fā)發(fā)DMA觸發(fā)總線接口口- 485RS-485是一種2線，半雙雙工，多多點(diǎn)通信信的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)；RS-485的電氣特特性：邏邏輯“1”以兩線間間的電壓壓差為+(26)V表示；邏邏輯“0”以兩線間間的電壓壓差為-(26)V表示。接接口信號號電平比比RS-232-C降低了，就不易易損壞接接口電路路的芯片片，且且該電平平與TTL電平兼容容，可方方便與TTL電路連接接；RS-485的數(shù)據(jù)最最高傳輸輸速

14、率為為10Mbps；RS-485接口是采采用平衡衡驅(qū)動器器和差分分接收器器的組合合，抗共模模干擾能能力增強(qiáng)強(qiáng)，即抗抗噪聲干干擾性好好；RS-485最大的通通信距離離約為1219m，最大傳傳輸速率率為10Mbps，傳輸速速率與傳傳輸距離離成反比比，在100Kb/S的傳輸速速率下，才可以以達(dá)到最最大的通通信距離離，如果果需傳輸輸更長的的距離，需要加加485中繼器。總線接口口- IICI2C總線是PHILIPS公司推出出的一種種串行總總線。它它是具備備多主機(jī)機(jī)系統(tǒng)所所需的包包括總線線裁決和和高低速速設(shè)備同同步等功功能的高高性能串串行總線線，是一一種近年年來應(yīng)用用較多的的串行總總線；I2C串行總線線只

15、有兩兩根信號號線,一根是雙雙向的數(shù)數(shù)據(jù)線SDA,一根是時時鐘線SCL；I2C總線是多多主機(jī)總總線；I2C總線為雙雙向IO總線，通通過上拉拉電阻接接正電源源。總線接口口- SPISPI串行總線線是Motorola公司推出出的一種種串行總總線技術(shù)術(shù)；SPI串行總線線是一種種四線同同步串行行技術(shù)，數(shù)據(jù)通通信從器器件選擇擇或片選選(CSB)為低時有有效。全全雙工，串行數(shù)數(shù)據(jù)同時時輸入輸輸出，1.05Mbps的最大主主機(jī)數(shù)據(jù)據(jù)傳輸速速率，總總線競爭爭保護(hù)；SPI串行總線線包含四四個信號號線：串串行數(shù)據(jù)據(jù)輸入(MOSI)、串行數(shù)數(shù)據(jù)輸入入(MOSI)、串行數(shù)數(shù)據(jù)輸出出(MISO)、串行時時鐘信號號(SCK

16、)、串行片片選信號號線(SS)?？偩€接口口- CANCAN總線是控控制器局局域網(wǎng)絡(luò)絡(luò)(ControllerArea Network, CAN)的簡稱，CAN總線是由由德國BOSCH公司提出出，目的的是為了了解決汽汽車內(nèi)部部硬件信信號線的的復(fù)雜走走線，是是國際上上應(yīng)用最最廣泛的的現(xiàn)場總總線之一一；CAN總線采用用差分信信號傳輸輸，有很很強(qiáng)的錯錯誤檢測測能力，通信距距離遠(yuǎn)，因此被被用到一一些特殊殊的場合合，比如如汽車，廠礦等等干擾較較強(qiáng)的地地方；CAN為多主方方式工作作，網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上任一一節(jié)均可可在任意意時刻主主動向網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上其其他節(jié)點(diǎn)點(diǎn)發(fā)送信信息，不不分主從從；CAN節(jié)點(diǎn)只需需通過對對報文的的標(biāo)志符符

17、進(jìn)行濾濾波就可可以方便便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)對對多點(diǎn)及及全局廣廣播等幾幾種傳送送接收方方式。顯示接口口嵌入式系系統(tǒng)概述述常用嵌入入式平臺臺嵌入式開開發(fā)方法法嵌入式常常用外設(shè)設(shè)嵌入式開開源硬件件Arduino -開源硬件件Arduino是一個開開放源碼碼電子原原型平臺臺，擁有有靈活、易用的的硬件和和軟件。Arduino基于單片片機(jī)/ARM微控制器器，可以以接收來來自各種種傳感器器的輸入入信號從從而做到到監(jiān)測環(huán)環(huán)境的效效果，并并通過控控制光源源，電機(jī)機(jī)以及其其他驅(qū)動動器來影影響其周周圍環(huán)境境Arduino的硬件原原理圖、電路圖圖、IDE軟件及核核心庫文文件都是是開源的的，在開開源協(xié)議范圍圍內(nèi)里可可

18、以任意意修改原原始設(shè)計(jì)計(jì)及相應(yīng)代碼碼。硬件低廉廉，軟件件免費(fèi)，入門簡簡單全球最流流行的開開源硬件件Arduino -開發(fā)環(huán)境境Arduino各種衍生生版本Arduino周邊外設(shè)設(shè)及作品品展示RaspberryPi（樹莓派派）-卡片電腦腦樹莓派由由英國的的慈善組組織“RaspberryPi基金會”開發(fā)，剛開始始為了學(xué)學(xué)生編程程而設(shè)計(jì)計(jì)。2012年3月，英國國劍橋大大學(xué)埃本本阿普頓（Eben Epton）正式發(fā)發(fā)售世界界上最小小的臺式式機(jī)，又又稱卡片片式電腦腦，外形形只有信信用卡大大小，卻卻具有電電腦的所所有基本本功能，這就是是RaspberryPi，中文譯譯名樹莓派。由于開源源和豐富富的外擴(kuò)擴(kuò)接

19、口而而吸引了了廣大的的學(xué)生和和玩家。RaspberryPi（樹莓派派）-卡片電腦腦RaspberryPi（樹莓派派）-操作系統(tǒng)統(tǒng)基于樹莓莓派的各各種項(xiàng)目目用樹莓派派打造一一個家庭庭影院把樹莓派派配置成成無線路路由器用樹莓派派搭建BT下載服務(wù)務(wù)器拿樹莓派派當(dāng)FTP文件服務(wù)務(wù)器在樹莓派派上搭建建代碼托托管服務(wù)務(wù)(SVN)用樹莓派派當(dāng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)收音機(jī)機(jī)播放FM電臺在樹莓派派上搭建建LNMP環(huán)境，作作為網(wǎng)站站服務(wù)器器基于Samba實(shí)現(xiàn)NAS系統(tǒng)（網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)存儲儲中心）用樹莓派派實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)批量量自動安安裝CentOS用樹莓派派建立家家庭媒體體中心在樹莓派派上搭建建LAMP服務(wù)在樹莓派派上獲取取美國天天氣預(yù)報報使用MarkdownOnRaspberryPi寫博客樹莓派制制作單雙雙休鬧鐘鐘用樹莓派派搭建Git私有服務(wù)務(wù)器用樹莓派派做VPN路由網(wǎng)關(guān)關(guān)樹莓派上上使用迅迅雷遠(yuǎn)程程下載樹莓派做做下載機(jī)機(jī)，Aria2！樹莓派下下搭建shadowsocks服務(wù)器空氣指數(shù)數(shù)之PM2.5顯示器（基于SAKS擴(kuò)