嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件-2017-14

E辛?xí)詭浨度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)EmbeddedsystemdesignCONTENTS課程總結(jié)1實(shí)驗(yàn)安排2關(guān)于考試31課程總結(jié)馮·諾依曼機(jī)：將數(shù)據(jù)和指令都存儲在存儲器中的計(jì)算機(jī)。計(jì)算系統(tǒng)由一個(gè)中央處理單元（CPU）和一個(gè)存儲器組成。存儲器擁有數(shù)據(jù)和指令，并且可以根據(jù)所給的地址對它進(jìn)行讀或?qū)憽?/p>

微處理器體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)代表處理器X86系列處理器MIPS公司的MIPS處理器ARM

7系列處理器。微處理器體系結(jié)構(gòu)哈佛機(jī)：為數(shù)據(jù)和程序提供了各自獨(dú)立的存儲器。獨(dú)立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為數(shù)字信號處理提供了較高的性能。微處理器體系結(jié)構(gòu)微處理器體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)DSP處理器ARM9以后的ARM系列處理器。Microchip公司的PIC系列處理器Motorola的MC68系列處理器Zilog公司的Z8系列處理器Atmel公司的AVR系列處理器。2016年被美國芯片制造商微芯科技（MicrochipTechnology）宣布以36億美元收購Atmel2015年2月，飛思卡爾與NXP達(dá)成合并協(xié)議2016年10月高通宣布將以380億美元收購荷蘭半導(dǎo)體廠商恩智浦半導(dǎo)體公司2015年12月英特爾斥資167億美元收購了Altera公司微處理器體系結(jié)構(gòu)微處理器體系結(jié)構(gòu)ARM處理器概述ARM處理器概述Cortex-A—面向性能密集型系統(tǒng)的應(yīng)用處理器內(nèi)核,為利用操作系統(tǒng)（例如Linux或者Android）的設(shè)備提供了一系列解決方案,從低成本手持設(shè)備到智能手機(jī)、平板電腦、機(jī)頂盒以及企業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等.ARM處理器概述Cortex-R處理器針對高性能實(shí)時(shí)應(yīng)用,例如硬盤控制器（或固態(tài)驅(qū)動(dòng)控制器）、企業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和打印機(jī)、消費(fèi)電子設(shè)備（例如藍(lán)光播放器和媒體播放器）、以及汽車應(yīng)用（例如安全氣囊、制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理）ARM處理器概述Cortex-M—面向各類嵌入式應(yīng)用的微控制器內(nèi)核SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如信用卡、電子錢包、SIM卡、電子護(hù)照和身份證。存儲器系統(tǒng)概述—存儲系統(tǒng)層次架構(gòu)S0層為CPU內(nèi)部寄存器S1層為芯片內(nèi)部的高速緩存（cache）內(nèi)存S2層為芯片外的高速緩存（SRAM、DRAM、SDRAM）S3層為主存儲器（Flash、PROM、EPROM、EEPROM）S4層為外部存儲器（磁盤、光盤、CF、SD卡、U盤）S5層為遠(yuǎn)程二級存儲（分布式文件系統(tǒng)、Web服務(wù)器）存儲器系統(tǒng)概述—分類分類方法名稱例子按存儲介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲器ROM、RAM磁表面存儲器硬盤、軟盤、磁帶光存儲器CD-ROM、DVD-ROM按工作方式分隨機(jī)存儲器RAM、硬盤、軟盤只讀存儲器ROM、CD-ROM順序存儲器磁帶隨機(jī)存儲器接口設(shè)計(jì)—SDRAM接口HY57V561620引腳描述隨機(jī)存儲器接口設(shè)計(jì)—SDRAM存儲容量隨機(jī)存儲器接口設(shè)計(jì)—SDRAM接口設(shè)計(jì)4M×16b×4塊A23A24隨機(jī)存儲器接口設(shè)計(jì)—SDRAM接口設(shè)計(jì)利用兩片16位SDRAM構(gòu)建32位SDRAM64MB:4M×16b×4塊×2A24A25時(shí)鐘相關(guān)—PLL鑒頻鑒相器(PFD)(鑒相器:PD):對輸入的參考信號和反饋回路的信號進(jìn)行頻率和相位的比較，輸出一個(gè)代表兩者差異的信號至低通濾波器低通濾波器(LPF):將輸入信號中的高頻成分濾除，保留直流部分送至壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO):輸出一個(gè)周期信號,其頻率由輸入電壓所控制。反饋回路:將壓控振蕩器輸出的信號送回至鑒頻鑒相器。通常壓控振蕩器的輸出信號的頻率大于參考信號的頻率，因此需在此加入分頻器(DIV)以降低頻率。時(shí)鐘相關(guān)—定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器計(jì)數(shù)器時(shí)鐘相關(guān)—看門狗作用：當(dāng)系統(tǒng)程序出現(xiàn)錯(cuò)亂，引起系統(tǒng)程序死循環(huán)時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號，迫使系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。原理：在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，看門狗就開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到了一定的時(shí)間還不去清看門狗（喂狗），那么看門狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)（1）信源：作用是將原始信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號（通常稱為基帶信號）。（2）發(fā)送設(shè)備：對基帶信號進(jìn)行各種變換和處理，使其適合在信道中傳輸。（3）信道：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號的介質(zhì)。（4）接收設(shè)備：對接收信號進(jìn)行必要的處理和變換后，恢復(fù)為相應(yīng)的基帶信號。（5）信宿：將恢復(fù)的基帶信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的原始信息。（6）噪聲源：信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表現(xiàn)。01001100011

時(shí)鐘差分Manchester差分曼徹斯特編碼（Differential～）每個(gè)碼元的中間仍要發(fā)生跳變。用碼元開始處有無跳變來表示0和1

，有跳變代表0，無跳變代表1。數(shù)據(jù)編碼NRZ1、同步通信方式

字符同步：如何將一串0和1還原成一個(gè)字符數(shù)據(jù)？位、字符及幀同步2、異步通信方式

異步通信協(xié)議：（1）沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)線保持“1”狀態(tài)（2）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)起始位“0”，其后是數(shù)據(jù)（3）數(shù)據(jù)后再發(fā)一位停止位“1“因此對于8位數(shù)據(jù)至少要發(fā)送10位位、字符及幀同步位、字符及幀同步1.通過字符間時(shí)間間隔區(qū)分幀幀同步：如何將一串字符還原成一幀數(shù)據(jù)？名稱字節(jié)數(shù)描述標(biāo)記1標(biāo)記出幀的頭或尾地址1廣播地址控制1控制字協(xié)議2數(shù)據(jù)報(bào)文中所使用的協(xié)議信息不定長(0或更多)數(shù)據(jù)報(bào)文冗余填充不定長(0或更多)可選的冗余填充幀校驗(yàn)串行(FCS)2(或4)錯(cuò)誤校驗(yàn)7EFF03協(xié)議信息FCS7E字節(jié)1112<=150021PPP協(xié)議位、字符及幀同步2.通過幀頭幀尾區(qū)分幀幀同步：如何將一串字符還原成一幀數(shù)據(jù)？冗余校驗(yàn)8串－并8并－串發(fā)送接收1時(shí)鐘時(shí)鐘UART是通用異步收發(fā)器（異步串行通信口）的英文縮寫，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是對應(yīng)各種異步串行通信口的接口標(biāo)準(zhǔn)和總線標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機(jī)械特性等內(nèi)容。異步串行通信口TxDRxDRxD_PCTxD_PCRS-232電平轉(zhuǎn)換UART微控制器0xAA0x550xAA0x55與PC機(jī)進(jìn)行通信UART調(diào)試UART調(diào)試軟件

總線拓?fù)溆梢粭l主干電纜作為傳輸介質(zhì)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過分支與總線相連的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偩€拓?fù)涫枪I(yè)數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用最為常見的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问健？刂凭W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

樹形拓?fù)錁湫瓮負(fù)涫切切瓮負(fù)涞臄U(kuò)展形式。也有人認(rèn)為樹形拓?fù)涫强偩€拓?fù)涞臄U(kuò)展形式。樹形拓?fù)淇蛇m用于很寬應(yīng)用范圍，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量、傳輸速率和數(shù)據(jù)類型等，都沒有太多限制，可達(dá)到很高的帶寬。控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的訪問控制方式(總線仲裁技術(shù))公用信道法的關(guān)鍵問題：設(shè)法避免不同的用戶同時(shí)使用公用信道，在任何時(shí)刻，信道只允許一個(gè)用戶使用，否則就會(huì)互相干擾，無法通訊。因此，為保證各用戶之間的正常通信，必須要有一個(gè)彼此都遵循的協(xié)議，這就是多點(diǎn)接入?yún)f(xié)議或多點(diǎn)訪問協(xié)議，也叫介質(zhì)的訪問控制方式。它分為兩大類：隨機(jī)接入和受控接入?？刂凭W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互連(OSI)七層通信協(xié)議開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型網(wǎng)絡(luò)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了便于理解，我們以郵政通信系統(tǒng)為例，以此引出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念，這一概念對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中電子郵件的發(fā)送和接收有著重要的參考意義。實(shí)際郵政系統(tǒng)信件發(fā)送、接收過程示意圖發(fā)信者收信者通信人活動(dòng)郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務(wù)通信人活動(dòng)運(yùn)輸部門的郵件運(yùn)輸業(yè)務(wù)郵局服務(wù)業(yè)務(wù)郵局服務(wù)業(yè)務(wù)郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務(wù)書寫信件貼郵票送入郵箱收集信件蓋郵戳信件分揀郵件打包郵件運(yùn)輸路郵選擇運(yùn)輸閱讀信件信件投遞信件分揀分發(fā)郵件郵件拆包轉(zhuǎn)送郵局接收郵包CAN總線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)幀終端電阻CAN-bus節(jié)點(diǎn)1CANHCANL節(jié)點(diǎn)2CANHCANL節(jié)點(diǎn)3CANHCANL節(jié)點(diǎn)4CANHCANL如何實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信CAN總線軟件開發(fā)自定義協(xié)議ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3源節(jié)點(diǎn)ID目的節(jié)點(diǎn)IDID2ID1ID0RTRDLC幀標(biāo)識數(shù)據(jù)區(qū)0-7：數(shù)據(jù)CAN總線軟件開發(fā)優(yōu)先級CAN總線軟件開發(fā)TCP/IP參考模型分為四層：應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)層、網(wǎng)絡(luò)接口層。TCP/IP的結(jié)構(gòu)與OSI結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系如圖所示。TCP/IP模型與OSI模型對照網(wǎng)絡(luò)互連層是整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧的核心。它的功能是把分組發(fā)往目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)。應(yīng)用層面向不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用引入不同的應(yīng)用層協(xié)議。主機(jī)到網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)互連層傳輸層應(yīng)用層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會(huì)話層應(yīng)用層表示層這一層次未被定義，所以其具體的實(shí)現(xiàn)方法將隨著網(wǎng)絡(luò)類型的不同而不同。傳輸層的功能是使源端主機(jī)和目標(biāo)端主機(jī)上的對等實(shí)體可以進(jìn)行會(huì)話。TCP/IP—結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用層FTP、TELNET、HTTPSNMP、TFTP、NTP傳輸層TCPUDP網(wǎng)絡(luò)互連層IP主機(jī)到網(wǎng)絡(luò)層以太網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng)802.2HDLC、PPP、FRAME-RELAY802.3EIA/TIA-232、499、V.35、V.21TCP/IP—結(jié)構(gòu)模型TCP/IP協(xié)議也采用對等層通信的模式，封裝和解除封裝也在各層進(jìn)行。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)加上應(yīng)用層頭部交給傳輸層，TCP或UDP再將數(shù)據(jù)分成大小一定的數(shù)據(jù)段，然后加上本層的報(bào)文頭。數(shù)據(jù)傳輸如下圖所示。應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCP11001110001110IPETH應(yīng)用層數(shù)據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCP應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCPIP應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCP11001110001110IPETH應(yīng)用層數(shù)據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCP應(yīng)用層數(shù)據(jù)TCPIP數(shù)據(jù)交換TCP/IP—結(jié)構(gòu)模型固定部分可變部分04816192431版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)議標(biāo)識區(qū)分服務(wù)總長度片偏移填充首部檢驗(yàn)和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)部分首部IP數(shù)據(jù)報(bào)首部發(fā)送在前IP數(shù)據(jù)報(bào)在Internet網(wǎng)上，每臺主機(jī)、終端、服務(wù)器、以及路由器都有自己的IP地址，這個(gè)IP地址是全球唯一的，用于標(biāo)識該機(jī)在Internet網(wǎng)中的位置。IP地址與IP地址的分類如下圖所示。類別網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號IP地址字節(jié)1（8位）字節(jié)4（8位）字節(jié)3（8位）字節(jié)2（8位）0網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號10網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號110網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號1110組播地址1111保留地址A：0-127B:128-191C:192-223D:224-239E:240-255IP地址類TCP/IP—IP地址HA1HA5HA4HA3HA6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC幀MAC幀IP數(shù)據(jù)報(bào)從協(xié)議棧的層次上看數(shù)據(jù)的流動(dòng)HA1HA5HA4HA3HA6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2從HA1

到HA3從HA4

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到HA2MAC幀MAC幀IP數(shù)據(jù)報(bào)從虛擬的IP層上看IP數(shù)據(jù)報(bào)的流動(dòng)HA1HA5HA4HA3HA6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2從HA1

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到HA2MAC幀MAC幀IP數(shù)據(jù)報(bào)在鏈路上看MAC幀的流動(dòng)TCP—報(bào)文目的端口源端口序號確認(rèn)號窗口緊急指針校驗(yàn)和任選項(xiàng)填充數(shù)據(jù)偏移保留編碼位TCP首部TCP數(shù)據(jù)部分IP數(shù)據(jù)部分IP首部TCP數(shù)據(jù)報(bào)TCP首部比特0481619243120字節(jié)的固定首部TCP報(bào)文段的首部TCP各層都有該層協(xié)議使用的地址TCP—連接主機(jī)A主機(jī)BSYN=1，seq=X連接請求確認(rèn)SYN=1，ACK=1，seq=Y，ACK=X+1ACK=1，seq=X+1，ACK=Y+1確認(rèn)三次握手建立TCP連接第一次握手：源端機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有本次連接序號的請求。第二次握手：目的主機(jī)收到請求后，如果同意連接，則發(fā)回一個(gè)帶有本次連接序號和源端機(jī)連接序號的確認(rèn)。第三次握手：源端機(jī)收到含有兩次初始序號的應(yīng)答后，再向目的主機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有兩次連接序號的確認(rèn)。三次握手協(xié)議是連接的兩端正確同步的充要條件TCP—連接TCP連接的釋放主機(jī)A主機(jī)BFIN=1，seq=X應(yīng)用進(jìn)程釋放連接確認(rèn)

ACK=1，seq=Y，ACK=X+1A不再發(fā)送報(bào)文通知主機(jī)應(yīng)用進(jìn)程ACK=1，seq=X+1，ACK=Y+1確認(rèn)B不再發(fā)送報(bào)文應(yīng)用進(jìn)程釋放連接FIN=1，ACK=1，seq=Y，ACK=X+1UDP目的端口源端口校驗(yàn)和UDP報(bào)文長度首部UDP數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)(UDP報(bào)文)IP報(bào)頭首部比特0481692431封裝傳送UDP報(bào)文IP數(shù)據(jù)報(bào)Socket編程

socket（）bind（）listen（）accept（）send（）recv（）close（）send（）

socket（）recv（）close（）

connect（）recv（）建立連接數(shù)據(jù)請求數(shù)據(jù)響應(yīng)斷連指示ClientServer嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境—交叉開發(fā)環(huán)境嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境—開發(fā)工具Bootloader嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境—開發(fā)工具系統(tǒng)引導(dǎo)程序BIOSBSPBootloader商業(yè)OSlinux-0嵌入式Linux移植—內(nèi)核嵌入式Linux移植—內(nèi)核makemenuconfig嵌入式Linux移植—文件系統(tǒng)Linux文件系統(tǒng)busybox是構(gòu)造文件系統(tǒng)最常用的軟件工具包，它被非常形象地稱為嵌入式Linux系統(tǒng)中的“瑞士軍刀”，因?yàn)樗鼘⒃S多常用的Linux命令和工具結(jié)合到了一個(gè)單獨(dú)的可執(zhí)行程序（busybox）中。busybox在設(shè)計(jì)上就充