第1章 單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)1

單片機(jī)原理與應(yīng)用長沙理工大學(xué)電氣與信息學(xué)院

李鴻2024/1/191電氣與信息學(xué)院李鴻課程安排理論課:講述基本原理結(jié)構(gòu)和方法實(shí)驗(yàn)課:根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求自己完成參考書:單

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應(yīng)

用李鴻主編

2024/1/192電氣與信息學(xué)院李鴻課程安排授課方式（總學(xué)時(shí)56）：46+10學(xué)時(shí)考核方式與成績

考試70%，平時(shí)+實(shí)驗(yàn)30％

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綜合實(shí)驗(yàn)樓，B510,D407室2024/1/193電氣與信息學(xué)院李鴻涉及內(nèi)容嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念MCS-51的基本硬件結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)串行口存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)2024/1/194電氣與信息學(xué)院李鴻第一章 嵌入式系統(tǒng)簡介第二章MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)第三章MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)第四章MCS-51系列單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)第五章 MCS-51單片機(jī)的功能部件第六章MCS-51系列單片機(jī)接口技術(shù)第七章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)第八章單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)目錄第九章具有MCS-51內(nèi)核的單片機(jī)簡介2024/1/195電氣與信息學(xué)院李鴻課程要求本課程是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握軟件編程和硬件電路設(shè)計(jì)的方法，能夠進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。2024/1/196電氣與信息學(xué)院李鴻緒論

－－嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2024/1/197電氣與信息學(xué)院李鴻緒論嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)并不是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，只是隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微控制芯片功能越來越強(qiáng)大。嵌入了微控制芯片的設(shè)備和系統(tǒng)越來越多，從而使得這種技術(shù)越來越引人注目。2024/1/198電氣與信息學(xué)院李鴻緒論嵌入式系統(tǒng)可以說是無處不在。從簡單的電子體溫計(jì)到飛機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)都是典型的微處理器嵌入式控制的系統(tǒng)。2024/1/199電氣與信息學(xué)院李鴻緒論實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，這就決定了它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。2024/1/1910電氣與信息學(xué)院李鴻緒論

嵌入式系統(tǒng)已廣泛用于信息家電、移動(dòng)通信、手持信息設(shè)備以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。2024/1/1911電氣與信息學(xué)院李鴻主要難題：緒論如何針對(duì)某個(gè)特定的要求，設(shè)計(jì)出功耗低、精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，并使其成功的運(yùn)轉(zhuǎn)以滿足用戶的需求。2024/1/1912電氣與信息學(xué)院李鴻第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)概論2024/1/1913電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)

一、嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）定義：

嵌入式系統(tǒng)是指用于實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視、管理或輔助其他設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備，可以是專用或多用途（但一般具有可編程的特性）的設(shè)備，“嵌入”意味著這些系統(tǒng)本身與所控制和管理的系統(tǒng)融為一體的，是其中的一個(gè)有機(jī)組成部分，是各種控制系統(tǒng)的基本構(gòu)造單元。2024/1/1914電氣與信息學(xué)院李鴻由上面的定義，可以看出嵌入式系統(tǒng)的一些特征：1.嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

電子計(jì)算機(jī)是為解決海量數(shù)值計(jì)算而發(fā)明和發(fā)展起來的。而微型機(jī)一旦進(jìn)入對(duì)象體系中后，便失去了通用計(jì)算機(jī)的形態(tài)和功能，變成了形形色色的自動(dòng)化系統(tǒng)。從而導(dǎo)致了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支：通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2024/1/1915電氣與信息學(xué)院李鴻2.單片機(jī)是以嵌入式應(yīng)用為唯一目的的典型的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式應(yīng)用分微控制器（Micro－control—MCU）和嵌入式微處理器（EmbeddedMicroprocessor—MPU）應(yīng)用兩種。微控制器即俗稱為單片機(jī)（SingleChipComputer），設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是面向控制，面向嵌入式應(yīng)用的。2024/1/1916電氣與信息學(xué)院李鴻3.嵌入式系統(tǒng)的組成：

一般由：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成。通常，嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)程序（包括操作系統(tǒng)）和應(yīng)用程序是渾然一體的。這些程序被編譯連接成一個(gè)可以執(zhí)行的二進(jìn)制映象文件（image），并被固化在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)復(fù)位后自動(dòng)執(zhí)行。2024/1/1917電氣與信息學(xué)院李鴻4.嵌入式系統(tǒng)的分類：按形式上可以分為三大類，即（1）系統(tǒng)級(jí)：

為各種類型的工控機(jī)，如STD工控機(jī)、工業(yè)PC等。例：將工控機(jī)嵌入到艦船上構(gòu)成航行自動(dòng)駕駛儀。（2）板級(jí)：

各種類型的帶CPU的主板。（3）器件級(jí)：

以單片機(jī)最為典型。2024/1/1918電氣與信息學(xué)院李鴻二、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.系統(tǒng)的復(fù)雜性

據(jù)估計(jì)，大約有100～250億個(gè)嵌入式系統(tǒng)正在使用，分布在十分廣泛的范圍，幾乎所有的現(xiàn)代電子設(shè)備中都有嵌入式系統(tǒng)，功能各異，復(fù)雜程度可想而知。2024/1/1919電氣與信息學(xué)院李鴻2.系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

嵌入式系統(tǒng)多數(shù)與生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制相關(guān)。生產(chǎn)過程本身的特性往往決定了這類系統(tǒng)不可能隨意中斷正常的生產(chǎn)過程去進(jìn)行測(cè)試或維修。多數(shù)造價(jià)昂貴的嵌入式系統(tǒng)也往往沒有備份系統(tǒng)，實(shí)時(shí)診斷的難度也相應(yīng)增加。2024/1/1920電氣與信息學(xué)院李鴻3.系統(tǒng)的可靠性

嵌入式系統(tǒng)在一些關(guān)鍵系統(tǒng)的控制過程中得到廣泛應(yīng)用（如：鋼鐵、石化等企業(yè)）?？刂葡到y(tǒng)的任何微小的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)過程的中斷和巨額的經(jīng)濟(jì)損失。嵌入式計(jì)算機(jī)隱藏在系統(tǒng)或設(shè)備中，用戶很難直接接觸控制，一旦工作就要求它可靠運(yùn)行。嵌入式產(chǎn)品的使用人員多為非計(jì)算機(jī)專業(yè)人士，使用環(huán)境不定，往往條件惡劣（高溫、高濕、多塵、強(qiáng)電磁干擾等)。2024/1/1921電氣與信息學(xué)院李鴻4.系統(tǒng)的專用性

用途固定，通常執(zhí)行特定功能，用于特定設(shè)備，完成特定的任務(wù)。5.技術(shù)密集

是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，必然是一個(gè)技術(shù)密集，不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。6.開發(fā)困難

嵌入式系統(tǒng)往往本身不具備自舉開發(fā)能力，必須要一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。其開發(fā)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)并不相同，需要交叉編譯系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)試系統(tǒng)。2024/1/1922電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于信息家電、移動(dòng)通信、手持信息設(shè)備以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。用于實(shí)現(xiàn)對(duì)宿主設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理。應(yīng)用范圍十分廣泛，因此不存在所謂嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。2024/1/1923電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用2024/1/1924電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.制造與過程控制

自動(dòng)化工廠、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人物流小車、機(jī)器人、加工中心、核電站、污水處理系統(tǒng)、發(fā)（變）電站、能源控制系統(tǒng)、石化企業(yè)的控制設(shè)備、建筑設(shè)備等。2024/1/1925電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用2.運(yùn)輸

交通指揮系統(tǒng)、售票系統(tǒng)、航空、鐵路、公路運(yùn)輸系統(tǒng)、停車場(chǎng)管理系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、檢票系統(tǒng)等。2024/1/1926電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用3.建筑設(shè)施

電力供應(yīng)、備用電源、火警報(bào)警與控制系統(tǒng)、供熱與通風(fēng)系統(tǒng)、電梯、車庫、安防系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視、溫濕度控制等。2024/1/1927電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用4.通信

電話交換機(jī)、衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（GPS）、移動(dòng)電話等。5.辦公設(shè)備電話系統(tǒng)、傳真系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)、照相機(jī)和攝像機(jī)、商用電腦、掌上電腦等。2024/1/1928電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用6.銀行和金融

自動(dòng)柜員機(jī)、信用卡系統(tǒng)、驗(yàn)鈔機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、安全系統(tǒng)等。7.醫(yī)療診斷監(jiān)視系統(tǒng)心臟起搏器、理療控制系統(tǒng)、熱療機(jī)、X光設(shè)備、電磁成像系統(tǒng)等。2024/1/1929電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用8.家庭中的應(yīng)用

每個(gè)家庭使用的嵌入式處理器約30～40個(gè)。一臺(tái)PC機(jī)中就可能使用了10來個(gè)嵌入式處理器。其他家電中，電冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、電子鐘、洗碗機(jī)、DVD播放機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備、通用遙控器、電子玩具、電子寵物等。2024/1/1930電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用9.汽車中的嵌入式系統(tǒng)

汽車內(nèi)部正迅速發(fā)展成為一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模的局域網(wǎng)，如CAN（控制局域網(wǎng)）總線網(wǎng)絡(luò)。汽車中的GPS系統(tǒng)與電子導(dǎo)航系統(tǒng)（電子地圖）、防碰撞系統(tǒng)（安全氣囊）、油/氣比控制、車用電腦、音響、車燈、智能化的側(cè)視鏡。據(jù)資料介紹，S級(jí)的梅塞德斯轎車，每輛車內(nèi)平均裝有64個(gè)微處理器。2024/1/1931電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求一、嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷的高度分散的工業(yè)

從某種意義上說，通用計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)是壟斷的。當(dāng)代的通用計(jì)算機(jī)工業(yè)被認(rèn)為是由Wintel（Microsoft和Intel90年代初建立的聯(lián)盟）壟斷的工業(yè)。嵌入式系統(tǒng)則是一個(gè)分散的工業(yè)，充滿了競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新，沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷市場(chǎng)。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。2024/1/1932電氣與信息學(xué)院李鴻二、嵌入式系統(tǒng)具有的產(chǎn)品特征1.嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。如果獨(dú)立于應(yīng)用自行發(fā)展，則會(huì)失去市場(chǎng)。因此，嵌入式處理器的功能、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約。2024/1/1933電氣與信息學(xué)院李鴻2.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率的設(shè)

計(jì)，量體裁衣，去除冗余。3.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)的結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體的產(chǎn)品同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長的生命周期。2024/1/1934電氣與信息學(xué)院李鴻4.嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)一般要存在8～10年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)。因此，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易的放棄一種處理器。2024/1/1935電氣與信息學(xué)院李鴻5.嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在ROM中，其應(yīng)用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長，常強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。2024/1/1936電氣與信息學(xué)院李鴻§1.1.3嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的特點(diǎn)和要求三、嵌入式系統(tǒng)軟件的特征

嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，其特征主要有：1.軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。2.軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性：以減少程序二進(jìn)制代碼的長度，提高執(zhí)行速度。2024/1/1937電氣與信息學(xué)院李鴻3.系統(tǒng)軟件（OS）的高實(shí)時(shí)性是基本要求在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵。這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。2024/1/1938電氣與信息學(xué)院李鴻4.嵌入式系統(tǒng)軟件一般需要RTOS開發(fā)平臺(tái)雖然嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有OS直接在“裸機(jī)”上運(yùn)行，但是為了合理的調(diào)度多任務(wù)。利用系統(tǒng)資源系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。2024/1/1939電氣與信息學(xué)院李鴻四、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)的能力，設(shè)計(jì)完成后，用戶必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能方便的對(duì)其硬件、軟件進(jìn)行調(diào)試與修改。2024/1/1940電氣與信息學(xué)院李鴻五、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主

嵌入式系統(tǒng)要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專業(yè)知識(shí)，其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。因此對(duì)開發(fā)工具的基本要求是易學(xué)、易用、高效、可靠。返回目錄下一節(jié)2024/1/1941電氣與信息學(xué)院李鴻嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.系統(tǒng)的復(fù)雜性2.系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性3.系統(tǒng)的可靠性4.系統(tǒng)的專用性5.技術(shù)密集6.開發(fā)困難2024/1/1942電氣與信息學(xué)院李鴻第二節(jié)

嵌入式系統(tǒng)的硬件介紹

2024/1/1943電氣與信息學(xué)院李鴻§1.2.1 嵌入式系統(tǒng)微處理器的發(fā)展

一、嵌入式系統(tǒng)微處理器的分類與發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)微處理器在目前的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上占了很大的影響力，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須要從琳瑯滿目的嵌入式系統(tǒng)微處理器中選擇一個(gè)最適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鳟a(chǎn)品作為嵌入式系統(tǒng)控制核心，才能夠兼具低成本、高效率的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。以微處理器在單一指令內(nèi)所能處理的位數(shù)來衡量，嵌入式微處理器的發(fā)展可以分為以下幾個(gè)階段。2024/1/1944電氣與信息學(xué)院李鴻表1.2.1以位數(shù)來對(duì)嵌入式系統(tǒng)微處理器分類

4位

8位16位32位64位嵌入式微處理器（單片機(jī)型）

TMS1000COPS

8048/49/508051/52,Z86801/04/05

8096/9768200

ARMRISCcoreMIPS32BitsRISCcore

MIPS64BitsRISCcore嵌入式微處理器（一般用途型）

4004，40408085，Z8068026809650280868018680286Z8000

803868048668000/10/20/30/40

PentiumⅡ/Ⅲ

2024/1/1945電氣與信息學(xué)院李鴻二、CISC和RISC

兩種不同結(jié)構(gòu)的微處理器：CISC—ComplexInstructionSetComputer

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)RISC—ReducedInstructionSetComputer

精簡指令集計(jì)算機(jī)2024/1/1946電氣與信息學(xué)院李鴻RISC與CISC相比具有如下特點(diǎn)：1)．

使用相當(dāng)少的指令類別及尋址方式2)．在單一執(zhí)行的周期內(nèi)完成指令3)．

CPU中擁有更多的寄存器4)．

使用最優(yōu)的程序代碼編譯

由于RISC架構(gòu)的CPU的硬件設(shè)計(jì)單純，成本低廉、省電效益佳等特點(diǎn)，深受嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的歡迎。

2024/1/1947電氣與信息學(xué)院李鴻三、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

即DigitalSignalProcess是專門處理數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的微處理器，基本上DSP是針對(duì)特定的任務(wù)而發(fā)展的一種微處理器。

DSP最重要的是大量的即時(shí)運(yùn)算功能；最基本的運(yùn)算功能是乘法與加法運(yùn)算如：Σaibi

。DSP的內(nèi)置硬件構(gòu)架可以在很短的時(shí)間內(nèi)處理如離散傅立葉轉(zhuǎn)換之類的復(fù)雜的加法和乘法問題。

2024/1/1948電氣與信息學(xué)院李鴻§1.2.2 嵌入式應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)

一、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的特征

嵌入式應(yīng)用常將性能要求放在第一位

與通用計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件更關(guān)注時(shí)間限制、性能約束和對(duì)外交互等問題。即它不但要求滿足功能要求，還要求滿足性能需求，甚至將性能需求放在第一位。

2024/1/1949電氣與信息學(xué)院李鴻2.性能要求體現(xiàn)在限定時(shí)間的約束或代碼大小的約束上，如：

一個(gè)處理算法能否滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束，是否需要建造特殊的硬件來完成其任務(wù)？OS能否滿足高效的中斷處理、多任務(wù)和通信的要求？編程語言能否支持并發(fā)程序的設(shè)計(jì)，等等2024/1/1950電氣與信息學(xué)院李鴻3.結(jié)論：

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不僅要考慮軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮硬件的設(shè)計(jì)，不但要考慮功能的設(shè)計(jì)，還要考慮性能的設(shè)計(jì)。

事實(shí)上，嵌入式系統(tǒng)的最大問題是設(shè)計(jì)問題，而不是實(shí)現(xiàn)問題。

2024/1/1951電氣與信息學(xué)院李鴻二.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3個(gè)層次

1.第一層次：以PCBCAD軟件和ICE為主要工具的設(shè)計(jì)方法。

PCBCAD—印制板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和PROTEL99ICE—在線（聯(lián)機(jī)）仿真器。這是至今國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員一直沿用的方法：

2024/1/1952電氣與信息學(xué)院李鴻系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)選購?fù)ㄓ迷骷δ軝z驗(yàn)設(shè)計(jì)電氣原理圖設(shè)計(jì)PCB板圖PCB板加工、焊接硬件調(diào)試模塊劃分流程(算法)設(shè)計(jì)編碼軟件聯(lián)調(diào)聯(lián)調(diào)“產(chǎn)品定型”硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)2024/1/1953電氣與信息學(xué)院李鴻2.第二層次：以EDA工具軟件和EOS為開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。

EDA—電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EOS—嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

這是一種利用各種通用的可編程半定制邏輯器件來設(shè)計(jì)和制作部分專用的大規(guī)模集成電路（ASIC），然后將ASIC、可編程外圍器件、μc或μp在PCB板上布局、布線以構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2024/1/1954電氣與信息學(xué)院李鴻其中關(guān)鍵是ASIC的開發(fā)與設(shè)計(jì)，即硬件設(shè)計(jì)人員從過去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用IC，逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專用的IC器件。

作為ASIC基礎(chǔ)的半定制邏輯器件經(jīng)歷了如下發(fā)展過程：

2024/1/1955電氣與信息學(xué)院李鴻PLA—可編程邏輯陣列；PAL—可編程陣列邏輯；GAL—通用陣列邏輯；CPLD—復(fù)雜可編程邏輯器件；FPGA—現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。

發(fā)展的趨勢(shì)是：集成度、速度不斷提高；功能不斷增強(qiáng)；結(jié)構(gòu)更合理；使用更方便、靈活。

2024/1/1956電氣與信息學(xué)院李鴻3.第三層次：以IP內(nèi)核庫為基礎(chǔ)，用軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法。

*.IP（IntellectualProperty知識(shí)產(chǎn)權(quán)）內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。

*.IP有三種不同的形式：

2024/1/1957電氣與信息學(xué)院李鴻

(1)軟IP內(nèi)核（softIPcore）: 主要描述功能行為（behavior）提交給用戶的是經(jīng)過行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證的HDL（硬件描述語言）文本。亦稱為虛擬器件。

2024/1/1958電氣與信息學(xué)院李鴻(2)硬IP內(nèi)核（firmIPcore）：基于物理（physical）描述并經(jīng)過工藝驗(yàn)證，是基于某種半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì)，提供給用戶的是電路物理結(jié)構(gòu)掩膜版圖和全套工藝文件，即可以拿了就用的全套技術(shù)。

2024/1/1959電氣與信息學(xué)院李鴻(3)固IP內(nèi)核（firmIPcore）：完成結(jié)構(gòu)（structure）描述，設(shè)計(jì)的深度介于軟IP內(nèi)核和硬IP內(nèi)核之間。提供給用戶的一般是門電路級(jí)網(wǎng)表。

軟IP內(nèi)核、固IP內(nèi)核、硬IP內(nèi)核相當(dāng)于集成電路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。

2024/1/1960電氣與信息學(xué)院李鴻常用的IP內(nèi)核模塊有：

各種CPU（如：32/64位CISC/RISC結(jié)構(gòu)的CPU）；

各種微控制器/單片機(jī)（8/16）；

32/64位DSP、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、USB、PCI、網(wǎng)絡(luò)單元、編譯器、編碼/解碼器、模擬器件模塊等。

2024/1/1961電氣與信息學(xué)院李鴻豐富的IP內(nèi)核模塊庫為快速地設(shè)計(jì)專用集成電路和單片系統(tǒng)SOC（SystemOnChip）以盡快占領(lǐng)市場(chǎng)提供了基本保證。

從20世紀(jì)90年代開始的，由“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)，目前已進(jìn)入SOC設(shè)計(jì)階段。

2024/1/1962電氣與信息學(xué)院李鴻SOC的設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要的所有的集成電路簡單地二次集成到1個(gè)芯片上，這樣實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是不可能達(dá)到SOC所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標(biāo)的。

一個(gè)最有效的途徑（高速、高可靠性）便是通過授權(quán)使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開發(fā)。

2024/1/1963電氣與信息學(xué)院李鴻4.三個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法并行存在，各有應(yīng)用范圍，不會(huì)簡單地用后者取代前者。

初級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)以第一種方法為主，富有經(jīng)驗(yàn)和一定條件的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第二種方法為主；很專業(yè)且具有相當(dāng)條件的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第三種方法進(jìn)行簡單的SOC的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用大廠商推出的用第三種方法設(shè)計(jì)的專用SOC。

2024/1/1964電氣與信息學(xué)院李鴻復(fù)雜的SOC只有那些有相當(dāng)?shù)哪芰蛯?shí)力的半導(dǎo)體大廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

如：TI、philips、WINBOND和Atmel等廠商就是通過Intel授權(quán)，用其MCS-51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長，開發(fā)出有個(gè)性的與IntelMCS-51兼容的單片機(jī)，如：P80CL51、AT89C51、AT89C2051、9058515、W78E516等。

2024/1/1965電氣與信息學(xué)院李鴻§1.2.3SOC嵌入式微處理器

一.定義

SOC（SystemOnChip）嵌入式微處理器，顧名思義，是單個(gè)芯片上構(gòu)成的系統(tǒng)，它結(jié)合了許多功能模塊，做在一個(gè)芯片上。例如：DSP微處理器加通信接口單元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。2024/1/1966電氣與信息學(xué)院李鴻二.SOC嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

*.高密度—高集成度；*.低電壓、低功耗—利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗；*.高速度—減少了各單元電路及電路板上的信號(hào)傳遞，整體上提高了μp的運(yùn)行速度；*.高抗干擾性能—內(nèi)嵌的線路，大大避免了外部電路板在信號(hào)傳遞時(shí)造成的損耗和干擾。2024/1/1967電氣與信息學(xué)院李鴻注1：

SOC并不是簡單的將所要的集成電路二次集成到一個(gè)芯片上，而是在全新理念上通過系統(tǒng)硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。

2024/1/1968電氣與信息學(xué)院李鴻注2：SOC與單片機(jī)的區(qū)別：SOC使單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了革命性的變化：從選擇廠家提供的定制產(chǎn)品時(shí)代進(jìn)入了由用戶自行開發(fā)設(shè)計(jì)器件的時(shí)代。(2)SOC設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者面對(duì)的不再是電路芯片，而是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的IP模塊庫，即SOC設(shè)計(jì)的觀念是：“設(shè)計(jì)自己的專用集成電路”。

2024/1/1969電氣與信息學(xué)院李鴻三.RISC結(jié)合DSP的SOC嵌入式系統(tǒng)微處理器

DSP—DigitalSignalProcessRISC—ReducedInstructionSetComputer

DSP的龍頭老大德州儀器公司倚仗性能優(yōu)越的DSP處理器稱霸世界DSP市場(chǎng)。最近推出的一項(xiàng)非常先進(jìn)的SOC嵌入式系統(tǒng)微處理器技術(shù)，稱為OMAP。

2024/1/1970電氣與信息學(xué)院李鴻OMAP—OpenMultimediaApplicationPlatform開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)，其構(gòu)成為：DSP+RISC(ARM)+若干外圍電路模塊代表芯片為OMAP1510，其結(jié)構(gòu)見圖:

2024/1/1971電氣與信息學(xué)院李鴻OMAP1510硬件結(jié)構(gòu)框圖2024/1/1972電氣與信息學(xué)院李鴻主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的多媒體影音數(shù)據(jù)處理、語音識(shí)別系統(tǒng)、因特網(wǎng)通信、無線通信與電子商務(wù)等。上圖中，DSP或ARM微處理器分別完成各自的操作或運(yùn)算，兩者之間通過DSP/BIOSBridge接口交換數(shù)據(jù)。

2024/1/1973電氣與信息學(xué)院李鴻四.整合型嵌入式系統(tǒng)微處理器1.ARM公司ARMRISC架構(gòu)微處理器

ARM公司是一家提供RISC架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)微處理器的公司，位于英國，成立于1990年11月。ARM公司既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。采用ARM技術(shù)IP核的微處理器遍及汽車、消費(fèi)電子、成像、工業(yè)控制、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安保和無線等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。

2024/1/1974電氣與信息學(xué)院李鴻ARM嵌入式處理器是一種16/32位的高性能、低功耗的RISC芯片。世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于ARM體系結(jié)構(gòu)的通用芯片，或在其專用芯片中嵌入ARM的相關(guān)技術(shù)。如：TI、Intel、Motorola、Atmel、Philips、Nec、Sharp、NS、Hynix……2001年基于ARM內(nèi)核的處理器已占據(jù)了32位RISC芯片75％的市場(chǎng)份額，可以說ARM技術(shù)幾乎無處不在。

2024/1/1975電氣與信息學(xué)院李鴻ARMRISC架構(gòu)微處理器系列目前主要分為幾個(gè)家族產(chǎn)品，分別為ARM7Thumb、ARM9Thumb、ARM10Thumb以及StrongARM等家族。其中StrongARM已有Intel公司取得專用授權(quán)，只能由Intel公司從事StrongARM架構(gòu)微處理器的改進(jìn)與生產(chǎn)。

2024/1/1976電氣與信息學(xué)院李鴻(1)ARM7Thumb系列

含ARM710T、ARM720T、ARM740T是一種以ARM7TDMI微處理器為運(yùn)算核心的RISC架構(gòu)的32位嵌入式系統(tǒng)微處理器。它面向中初級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)價(jià)格與傳統(tǒng)的8位或16位的嵌入式系統(tǒng)微處理器相差不大，卻擁有32位CPU的執(zhí)行效率，很受市場(chǎng)的歡迎。

2024/1/1977電氣與信息學(xué)院李鴻ARM7Thumb家族的特性：

*.擁有32位的ALU、寄存器、移位寄存器；*.擁有32位的尋址模式；*.擁有32×8DSP乘法器，可以做數(shù)字信號(hào)處理；*.擁有16位的Thumb指令集。

Thumb是將ARM指令集的一個(gè)子集重新編碼而形成的一個(gè)指令集，即將部分32位的ARM指令壓縮成16位而得到密度更高的代碼。使用Thumb指令集可以以16位的系統(tǒng)開銷得到32位的系統(tǒng)性能。

2024/1/1978電氣與信息學(xué)院李鴻(2)ARM9Thumb系列

使用ARM9TDMI處理器內(nèi)核，包括ARM920T、ARM922T和ARM940T，3種類型。

ARM920T與ARM940T微處理器核心架構(gòu)如下圖所示2024/1/1979電氣與信息學(xué)院李鴻ARM940T微處理器核心架構(gòu)圖4K字節(jié)指令快取內(nèi)存4K字節(jié)數(shù)據(jù)快取內(nèi)存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫入緩沖器AMBA總線處2024/1/1980電氣與信息學(xué)院李鴻ARM920T微處理器核心架構(gòu)圖

4K字節(jié)指令快取內(nèi)存4K字節(jié)數(shù)據(jù)快取內(nèi)存ARM9TDMI微處理器核心總線接口單元寫入緩沖器AMBA總線處EMI接口2024/1/1981電氣與信息學(xué)院李鴻(3)ARM10Thumb系列針對(duì)更強(qiáng)大的多媒體市場(chǎng)及更有效率的即時(shí)數(shù)據(jù)處理等用途所設(shè)計(jì)的ARMRISC64位架構(gòu)微處理器。包括：

ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S3種類型。最高頻率為300MHZ，具有32K字節(jié)的數(shù)據(jù)快取內(nèi)存（DCache）和32K字節(jié)的指令快取內(nèi)存（ICache）。2024/1/1982電氣與信息學(xué)院李鴻ARMRISC嵌入式微處理器的應(yīng)用范圍：*.無線通信設(shè)備如：移動(dòng)電話、筆記本電腦、Internet設(shè)備等。*.數(shù)字消費(fèi)設(shè)備如：機(jī)頂盒、MP3和MPEG4播放器等。*.成像設(shè)備如：激光打印機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)和攝像機(jī)等。*.工業(yè)控制如：馬達(dá)控制（運(yùn)動(dòng)控制器芯片）和能量控制等。*.汽車、通信和信息系統(tǒng)等。2024/1/1983電氣與信息學(xué)院李鴻最具代表性的為SA1110是采用ARMV4設(shè)計(jì)出來，具有以下功能：（4）StrongARM微處理器家族共包含有4種不同的微處理器：StrongARM110、SA1100、AS1110、SA1111均為32位。2024/1/1984電氣與信息學(xué)院李鴻1）總線工作頻率最高可達(dá)100MHZ2）含有16KB的指令快取內(nèi)存（CACHES）3）含有8KB的數(shù)據(jù)快取內(nèi)存（CACHES）4）提供一個(gè)外圍裝置控制模塊，用來控制與SA1110相連的外圍設(shè)備，如：LCD顯示器、USB控制器、紅外線（IrDA）控制器、UART等。5）支持各種協(xié)議的控制接口如：MotorolaSPI、NationalMicroWire、TISynchronousSerial、以及PhillipsUCB1100與UCB1200protocol等。2024/1/1985電氣與信息學(xué)院李鴻StrongARM主要應(yīng)用在掌上電腦，如：Compaq公司的IPAQH3630、大眾公司的LEOE300等。2024/1/1986電氣與信息學(xué)院李鴻§1.2.4嵌入式微處理器的技術(shù)進(jìn)步集成了越來越多的部件，如：定時(shí)器、比較器、A/D、D/A、串行口、WatchDog、LCD控制器、CAN網(wǎng)路控制模塊。也有采用三核（TnCore）結(jié)構(gòu)，一片內(nèi)含有三個(gè)CPU，各負(fù)其責(zé)。一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)步2024/1/1987電氣與信息學(xué)院李鴻二、功耗、封裝的進(jìn)步設(shè)置了多種降低功耗的方式，如：等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等，如Philips公司的P87LPC762單片機(jī)，空閑時(shí)消耗電流為1.5mA，封裝大量采用貼片工藝，以大量減小體積。2024/1/1988電氣與信息學(xué)院李鴻三、電源電壓的進(jìn)步擴(kuò)大了電源電壓的范圍，使得微處理器在較低電壓上仍然能工作，是目前的發(fā)展目標(biāo)之一，一般單片機(jī)可在3.3～5.5V，有一些可達(dá)到2.2～6V的指標(biāo)。Motorola的8位MCUHCS08系列，工作電壓為1.8V，而性能卻與許多16位MCU相當(dāng)。

2024/1/1989電氣與信息學(xué)院李鴻四、制造工藝的進(jìn)步基本上采用CMOS技術(shù)，大多采用0.6μm以上的光刻工藝，個(gè)別公司如：Motorola已采用了0.35μm甚至0.25μm技術(shù)，大大提高了CPU芯片內(nèi)部密度和可靠性。

2024/1/1990電氣與信息學(xué)院李鴻五、嵌入式系統(tǒng)與Internet的連接

使嵌入式設(shè)備能與Internet連接已成為一種趨勢(shì)，它要求專門為嵌入式微控制器設(shè)備設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行過程控制。 如：DVD播放機(jī)可以撥號(hào)進(jìn)入Internet的電影數(shù)據(jù)庫直接獲得音像資料。GPS（全球定位系統(tǒng)）正越來越多地集成于各類汽車之中。2024/1/1991電氣與信息學(xué)院李鴻六、實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備Internet網(wǎng)絡(luò)化的三種方法

關(guān)鍵是在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議―傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際包協(xié)議，是Internet網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。1）專用的TCP/IP協(xié)議棧軟件包：

如VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（美）、DeltaOS（中）中均有支持TCP/IP協(xié)議的模塊。

2024/1/1992電氣與信息學(xué)院李鴻2）通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)TCP/TP:

這種網(wǎng)關(guān)在重型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如Internet）和輕型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如RS-232、RS-485、Modem等）之間充當(dāng)一個(gè)中間媒體的角色。3）在硬件上實(shí)現(xiàn)TCP/TP：例：Atmel公司的AVR（先進(jìn)的精簡指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）的嵌入式Web服務(wù)器可設(shè)計(jì)成通過以太網(wǎng)接口上網(wǎng)。2024/1/1993電氣與信息學(xué)院李鴻第三節(jié)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)2024/1/1994電氣與信息學(xué)院李鴻§1.3.1嵌入式RTOS簡介嵌入式軟件是嵌入式產(chǎn)品的核心，開發(fā)嵌入式系統(tǒng)需要一個(gè)支持實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)(RTOS)內(nèi)核來支持。

目前在國內(nèi)大多數(shù)的嵌入式軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，而沒有采用商品化的RTOS，因此在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)無法將操作系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件分開處理，導(dǎo)致再次開發(fā)時(shí)都要特別定制系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，開發(fā)的代價(jià)太大，成本過高。

2024/1/1995電氣與信息學(xué)院李鴻解決方法是使用一個(gè)RTOS內(nèi)核，這是一個(gè)高效率的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。在內(nèi)核上設(shè)計(jì)了不同的API接口，這些是應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。因此，RTOS也是一個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)。

2024/1/1996電氣與信息學(xué)院李鴻一、RTOS的定義

RTOS（RealTimeOperatingSystem）是一種用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。即一個(gè)能在指定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)外作出響應(yīng)的系統(tǒng)。2024/1/1997電氣與信息學(xué)院李鴻從表現(xiàn)看，RTOS是實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的一端背景程序。應(yīng)用程序則是運(yùn)行在這個(gè)基礎(chǔ)之上的多個(gè)任務(wù)。RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求進(jìn)行資源的管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。RTOS根據(jù)各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來動(dòng)態(tài)的切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。與傳統(tǒng)的循環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)相比，這種體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)很大的改進(jìn)。2024/1/1998電氣與信息學(xué)院李鴻從性能上看，RTOS與普通的OS的主要區(qū)別是在“實(shí)時(shí)”二字上。在實(shí)時(shí)計(jì)算中，系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計(jì)算的邏輯結(jié)果，而且依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)可定義為“一個(gè)能在指定時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)內(nèi)部或外部作出響應(yīng)的系統(tǒng)”。2024/1/1999電氣與信息學(xué)院李鴻二、RTOS的必要性1.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：選擇元器件－>設(shè)計(jì)印刷電路板－>編制系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件－>調(diào)試－>定型。缺點(diǎn)：存在這諸多不穩(wěn)定因素和安全隱患；不便于升級(jí)；軟件難以共享等。

2024/1/19100電氣與信息學(xué)院李鴻2.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的功能不斷增強(qiáng)，嵌入式CPU檔次越來越高，位數(shù)由八位、十六位到三十二位甚至是六十四位。3.軟件的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，包括：多個(gè)任務(wù)的管理與調(diào)度、多中斷的嵌套處理、大容量內(nèi)存的管理以及圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)連接、多CPU通信等。2024/1/19101電氣與信息學(xué)院李鴻綜上可見，必須要依靠一定的OS內(nèi)核，且是實(shí)時(shí)OS內(nèi)核去統(tǒng)一管理和調(diào)度多任務(wù)；實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的通信；實(shí)時(shí)的內(nèi)存動(dòng)態(tài)