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1、嵌入式系统的软硬件设计嵌入式系统的软硬件设计2023/3/242023/3/24主要内容课程简介课程简介SBC2410X开发板的介绍开发板的介绍嵌入式系统的概述嵌入式系统的概述嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件嵌入式系统的开发技术嵌入式系统的开发技术自主性开放式实验自主性开放式实验第1页/共54页2023/3/242023/3/24课程简介课程的时间安排：课程的时间安排：l l课堂教学（课堂教学（课堂教学（课堂教学（1 1学分）；学分）；学分）；学分）；l l自主性开放式实验（自主性开放式实验（自主性开放式实验（自主性开放式实验（1 1学分）；学分）；学分）；学分
2、）；课程目的课程目的：l l了解嵌入式系统的基本概念了解嵌入式系统的基本概念了解嵌入式系统的基本概念了解嵌入式系统的基本概念l l了解嵌入式系统的开发技术了解嵌入式系统的开发技术了解嵌入式系统的开发技术了解嵌入式系统的开发技术l l经历一次真正的研发过程经历一次真正的研发过程经历一次真正的研发过程经历一次真正的研发过程l l培养团队合作精神培养团队合作精神培养团队合作精神培养团队合作精神第2页/共54页2023/3/242023/3/24自主性开放式实验实验对象：实验对象：SBCSBC2410X2410X开发板开发板实验内容：根据开发板所提供的资源，自实验内容：根据开发板所提供的资源，自行拟制
3、行拟制实验方式：分组、合作实验方式：分组、合作截至时间：现在截至时间：现在6 6月月3030日日第3页/共54页2023/3/242023/3/24检查方式及内容1.1.方案论证与可行性分析（报告方案论证与可行性分析（报告及文档）；及文档）；2.2.软件设计文档及源程序；软件设计文档及源程序；3.3.实验演示；实验演示；4.4.结题报告；结题报告；5.5.总结报告（个人承担的工作，总结报告（个人承担的工作，工作中遇到了什么问题，如何工作中遇到了什么问题，如何解决，个人工作的自我评估，解决，个人工作的自我评估，对本课程教学的建议）。对本课程教学的建议）。前前4 4项每个小组递交一份，须注明每人承
4、担的工作。第项每个小组递交一份，须注明每人承担的工作。第5 5项每人递交一份。项每人递交一份。第4页/共54页2023/3/242023/3/24评分标准（初稿）首先根据每个组的项目完成情况进行评分；首先根据每个组的项目完成情况进行评分；组长对组员的工作进行评价，给出建议分组长对组员的工作进行评价，给出建议分数；数；按照每个人的工作总结进行评分；按照每个人的工作总结进行评分；上述三项结合后就是每个人的总成绩。上述三项结合后就是每个人的总成绩。第5页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X开发板介绍第6页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X开发板的
5、介绍（1）SBC-2410X 基于三星公司的基于三星公司的ARM 处理器处理器S3C2410X，采用，采用6 层板设计。内部集成层板设计。内部集成ARM920T 核，带有全性能的核，带有全性能的MMU(内存处内存处理单元理单元)，适用于设计移动手持设备类产品，具有高适用于设计移动手持设备类产品，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。特性。第7页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X开发板的介绍（2）板上集成了板上集成了64M SDRAM、64M Nand Flash、1M Boot Flash、RJ-45 网卡、音频网卡、音
6、频输入与输出、输入与输出、USB Host、USB slave、标准、标准串口、串口、SD 卡插座、用户按键和一些用户灯卡插座、用户按键和一些用户灯等设备接口，并且使用等设备接口，并且使用2.0mm 插针槽引出插针槽引出CPU 的大部分信号引脚。的大部分信号引脚。在软件上，可使用嵌入式在软件上，可使用嵌入式Arm-Linux 和和 Win CE操作系统。操作系统。第8页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X的标准硬件特性序号序号 名称名称描述描述1CPUSamsung S3C2410X，200MHz 主频，主频，最高最高266Mhz 2ROM1 MB AMD Flash
7、 ROM 64M Samsung Nand Flash ROM3RAM32Mx2 SDRAM4LAN一个一个10M Ethernet，RJ-45 接口接口5Serial1 个个DB9 标准串口标准串口6USB1 个个USB 1.1 Host A 型接口型接口1 个个USB 1.1 Host B 型接口型接口7Audio一个音频接口，一个音频输入口一个音频接口，一个音频输入口第9页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X的标准硬件特性（1）序号序号序号序号名称名称名称名称描述描述描述描述8RTC 外接外接32.768KHz 的晶振，的晶振，带有备份电池，带有备份电池，可保持
8、时钟可保持时钟9JTAG20 针标准的针标准的JTAG 接口，接口，主要用来下载，主要用来下载，bootloader10SD CardSD Card 插座插座11LED4 个可编程用户个可编程用户LED(带驱动程序带驱动程序)12Keypad4 个可编程用户按键个可编程用户按键(带有驱动程序带有驱动程序)13Switch一个电源开关一个电源开关第10页/共54页2023/3/242023/3/24SBC2410X的标准硬件特性（3）序号序号序号序号名称名称名称名称描述描述描述描述14Reset一个复位按键一个复位按键15POWER一个开关电源一个开关电源+5V 供电供电16Fixed Hole
9、6 个定位孔个定位孔(内径内径3mm，外径外径5mm)17Boardsize120(L)x90(W)mm第11页/共54页2023/3/242023/3/24SBC-2410X 专有接口特性序号序号名称名称描述描述1COM1-314 针针2.0mm 间距接口直接引出间距接口直接引出CPU 内部三串口内部三串口2KEYBOARD10 针针2.0mm 间距接口引出间距接口引出I/O 键盘键盘3CON-LCDLCD/STN 液晶屏接口液晶屏接口(50 针针2.0mm 间间距距)，可以接各种单色可以接各种单色,伪彩伪彩,真彩液晶真彩液晶屏，屏，含有触摸屏接口含有触摸屏接口4CON-GPIOGPIO 等
10、接口等接口(36 针针2.0mm 间距间距)，含含有有10 个中断引脚，个中断引脚，6 路路AD 输入，输入，1 个个SPI 接口，接口，I2C 接口，接口，2 个时钟输出，个时钟输出，2个个GPIO 口口第12页/共54页2023/3/242023/3/24SBC-2410X 专有接口特性（1）序号序号序号序号名称名称名称名称描述描述描述描述5 5BUS CONBUS CON总线接口总线接口总线接口总线接口(44(44 针地址数据线针地址数据线针地址数据线针地址数据线,14,14 针控针控针控针控制线制线制线制线),),带有带有带有带有16 16 位数据线位数据线位数据线位数据线,25,25
11、 位地址线位地址线位地址线位地址线等信号等信号等信号等信号第13页/共54页2023/3/242023/3/24SBC-2410X 接口介绍可以扩展三个COM（串口）第14页/共54页2023/3/242023/3/24 USB HOST 使用PC 上常见A 型口，USB DEVICE 使用B 型口。2 个USB接口，一个作为Host(可配置为Slave 模式)，一个是Slave。第15页/共54页2023/3/242023/3/24 SBC-2410X 使用+5V 直流电源供电，并在电源插座的旁边标明了插座的极性，使用电源开关S600 可以控制板上电源系统的通断。第16页/共54页2023/
12、3/242023/3/24 BUS CTRL 接口主要为系统总线控制信号，BUS CON 主要为地址数据线等。第17页/共54页2023/3/242023/3/24 4个IO 方式的用户可编程按键，同时把这些IO 口引出到一个插座上。序号序号定义定义序号序号定义定义1VDD33V2VDD33V3EINT74EINT15NC6EINT27NC8EINT39GND10GNDGND第18页/共54页2023/3/242023/3/244 个IO 方式的用户可编程LED灯(绿色）。第19页/共54页2023/3/242023/3/24 SBC-2410X 引出了剩余资源的引脚供用户扩展之用。CON-G
13、PIO包含10 路中断，6 路A/D 输入，1 组SPI 接口等。第20页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式系统的概述嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的应用现状嵌入式系统的应用现状嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展第21页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用各种使用嵌入式技术的电子产品，如：各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等；车载电子设备等；第22页/共54页2023/3/242023/3/24第23页/共54页202
14、3/3/242023/3/24工业和服务领域中 大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。第24页/共54页2023/3/242023/3/24消费类电子消费类电子智能玩具、手持通讯的核心智能玩具、手持通讯的核心第25页/共54页2023/3/242023/3/24智能玩具与机器人智能玩具与机器人第26页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式嵌入式InternetI
15、nternet应用应用第27页/共54页2023/3/242023/3/24军事国防领域军事国防领域第28页/共54页2023/3/242023/3/24航天领域航天领域第29页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式系统无所不在嵌入式系统无所不在嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一息家电、医疗、工业
16、控制、军事等各个领域，以致一些学者断言嵌入式技术将成为后些学者断言嵌入式技术将成为后些学者断言嵌入式技术将成为后些学者断言嵌入式技术将成为后PCPC时代的主宰。时代的主宰。时代的主宰。时代的主宰。第30页/共54页2023/3/242023/3/24什么是嵌入式系统根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）国际电气和电子工程师协会）的定义：的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置者辅助操作机器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of e
17、quipment,machinery or plants）。）。就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。第31页/共54页2023/3/242023/3/24一般定义嵌入式系统是软件和硬件的综嵌入式系统是软件和硬件的综合体，除处理器外还包括必要合体，除处理器外还包括必要的外设，比如接口设备、甚至的外设，比如接口设备、甚至与其相关的机电设备等。与其相关的机电设备等。一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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32页/共54页
18、2023/3/242023/3/24嵌入式系统的特点1.系统内核小：系统内核小：嵌入式系统一般应用于小型电子嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此内核装置，系统资源有限，因此内核较传统的操作系统要小得多；较传统的操作系统要小得多；2.专用性强：专用性强：软、硬件按对象要求裁剪，两者软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密；结合紧密；软件的编译下载与系统相结合，软件的编译下载与系统相结合，“通用通用”、“升级升级”的概念一般的概念一般不适用；不适用；3.3.系统精简：系统精简：l l没有系统软件和应用软件的区分没有系统软件和应用软件的区分没有系统软件和应用软件的区分没有系统软件和应用软
19、件的区分第33页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式系统的特点（1）4.4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统开发需要开发工具和环境 用户对其中程序功能进行修改必须一套开发用户对其中程序功能进行修改必须一套开发用户对其中程序功能进行修改必须一套开发用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；工具和环境；工具和环境；工具和环境；开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助仪器；备以及各种辅助仪器；备以及各种辅助仪器；备以及各种辅助仪器；主机：用于
20、程序的开发；主机：用于程序的开发；主机：用于程序的开发；主机：用于程序的开发；目标机：最后的执行机；目标机：最后的执行机；目标机：最后的执行机；目标机：最后的执行机；开发是交替式的。开发是交替式的。开发是交替式的。开发是交替式的。第34页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式系统的分类按表现形式分（硬件范畴）按表现形式分（硬件范畴）：l芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）l模块级嵌入（系统中的某个核心模块）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）l系统级嵌入系统级嵌入按实时性要求分（软件范畴）按实时性要求分（软件范畴）：l非实时系统（非实时系统（PDA）
21、l软实时系统（消费类产品）软实时系统（消费类产品）l硬实时系统（工业和军工系统）硬实时系统（工业和军工系统）第35页/共54页2023/3/242023/3/24嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（EMPU）微控制器（微控制器（MCU）数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）片上系统（片上系统（SOC）第36页/共54页2023/3/242023/3/24Embedded Microprocessor Unit来自于通用处理器（来自于通用处理器（来自于通用处理器（来自于通用处理器（MCUMCU），核心只保留了与嵌入式应用有关的），核心只保留了与嵌入式应用有关的），核心只保留了与嵌
22、入式应用有关的），核心只保留了与嵌入式应用有关的功能，并在功耗、功能配置、封装形式、可靠性等方面进行改进；功能，并在功耗、功能配置、封装形式、可靠性等方面进行改进；功能，并在功耗、功能配置、封装形式、可靠性等方面进行改进；功能，并在功耗、功能配置、封装形式、可靠性等方面进行改进；优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；缺点：片内周片电路不足，必须配备缺点：片内周片电路不足，必须配备缺点：片内周片电路不足，必须配备缺点：片内周片电路不足，必须配备ROMROM，RAMRAM，总线
23、接口，各，总线接口，各，总线接口，各，总线接口，各种外设接口等；种外设接口等；种外设接口等；种外设接口等；代表：代表：代表：代表：AM186/88AM186/88、386EX386EX、PowerPCPowerPC、ARMARM系列系列系列系列 第37页/共54页2023/3/242023/3/24MicroController Unit又称单片机，即将整个计算机系又称单片机，即将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。统的主要硬件集成到一块芯片中。一般以某一种微处理器的一般以某一种微处理器的CPU为为核心，芯片内集成了核心，芯片内集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线、总线逻辑、定时
24、总线逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽、串行口、脉宽调制输出、调制输出、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外等各种必要功能和外设接口，也可集成设接口，也可集成A/D、D/A转转换接口。换接口。第38页/共54页2023/3/242023/3/24特点：单片化、体积小、功耗和成本低、特点：单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高；可靠性高；缺点：缺点：MCU微控制器，总线宽度一般为微控制器，总线宽度一般为4位、位、8位或位或16位，处理速度有限，一般在几个位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行，进行一些复杂的应用很困难，运
25、行操作系统就更难。操作系统就更难。代表：代表：MCS51、MCS96、S1C33、MSP430等。等。第39页/共54页2023/3/242023/3/24Digital Signal ProcessorDSP处理器是专门用于信号处理处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、在数字滤波、FFT、频谱分析等频谱分析等各种仪器上各种仪器上DSP获得了大规模的获得了大规模的应用。应用。特点：在信号处理方面有得天独特点：在信号处理方面有得天独厚的优势；厚的优势；l l缺点：缺点：DSP是运算密集处
26、理器，是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。使用汇编。第40页/共54页2023/3/242023/3/24发展方向：发展方向：l lDSPDSP处理器经过单片化、处理器经过单片化、处理器经过单片化、处理器经过单片化、EMCEMC改造、增加片上改造、增加片上改造、增加片上改造、增加片上外设而成嵌入式外设而成嵌入式外设而成嵌入式外设而成嵌入式DSPDSP处理器；处理器；处理器；处理器；l l在通用单片机或在通用单片机或在通用单片机或在通
27、用单片机或SOCSOC中增加中增加中增加中增加DSPDSP协处理器；协处理器；协处理器；协处理器；代表：代表：TMS320系列。系列。第41页/共54页2023/3/242023/3/24System On Chip一个硅片上实现一个复杂的系一个硅片上实现一个复杂的系统；统；SOC可分为通用和专用两类；可分为通用和专用两类；通用：通用：TriCore、M-core、某、某些些ARM；专用：专用：Smart XA（Philips）。）。SOC（片上系统）的优势：（片上系统）的优势：1.可通过改变内部工作电压，降低可通过改变内部工作电压，降低芯片功耗；芯片功耗；2.减少了芯片的外管脚数，简化了减少
28、了芯片的外管脚数，简化了制造过程；制造过程；3.减少了外围驱动接口单元及电路减少了外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了微处板之间的信号传递，加快了微处理器的数据处理速度；理器的数据处理速度；4.增强了抗干扰能力。增强了抗干扰能力。第42页/共54页2023/3/242023/3/24典型的嵌入式微处理器（EMPU）1.1.ARM/Strong ARM1.1.ARM ARM（advanced RISC advanced RISC MachinesMachines）是）是）是）是16/3216/32位位位位RISC RISC 微微微微处理器；处理器；处理器；处理器；2.2.ARM ARM
29、 公司通过转让公司通过转让公司通过转让公司通过转让RISCRISC微处理微处理微处理微处理器、外围和系统芯片设计技术实器、外围和系统芯片设计技术实器、外围和系统芯片设计技术实器、外围和系统芯片设计技术实现与合作伙伴共赢；现与合作伙伴共赢；现与合作伙伴共赢；现与合作伙伴共赢；3.3.ARMARM公司已成为移动通信、手持公司已成为移动通信、手持公司已成为移动通信、手持公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解设备、多媒体数字消费嵌入式解设备、多媒体数字消费嵌入式解设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的决方案的决方案的决方案的RISCRISC标准标准标准标准2.2.ARM处理器的特点：处理器
30、的特点：1.1.体积小、功耗低、成本低、性能体积小、功耗低、成本低、性能体积小、功耗低、成本低、性能体积小、功耗低、成本低、性能高；高；高；高；2.2.16/3216/32位双指令集；位双指令集；位双指令集；位双指令集；第43页/共54页2023/3/242023/3/24第44页/共54页2023/3/242023/3/24第45页/共54页2023/3/242023/3/242.PowerPCPowerPC既有通用的处理器既有通用的处理器（IBM的一些服务器，的一些服务器，Apple的的PC），又有嵌入式控制器），又有嵌入式控制器和内核，应用的范围非常广泛。和内核，应用的范围非常广泛。原因
31、：原因：PowerPC构架的可伸构架的可伸缩性好。缩性好。典型产品：典型产品：1.1.IBM IBM 的的的的PowerPC 405 PowerPC 405 GPGP（EMPUEMPU）2.2.Motorola MPC823eMotorola MPC823e（SOCSOC）等等等等等等等等第46页/共54页2023/3/242023/3/243.x86x86系列处理器起源于系列处理器起源于intel构架构架的的8080；486DX和和ARM，MIPS，SuperH都是著名的嵌入式处理都是著名的嵌入式处理器。器。Intel 486Intel 486内部印刷电路内部印刷电路第47页/共54页202
32、3/3/242023/3/24补充内容：相关基本知识1.1.冯诺依曼体系结构与哈佛体冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构系结构冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构特点：特点：数据和指令都存储在同一存储器中。数据和指令都存储在同一存储器中。通用通用PCPC，ARM 7ARM 7。第48页/共54页2023/3/242023/3/24哈佛体系结构哈佛体系结构特点：特点：1.1.数据存储器和程序都存储分开；数据存储器和程序都存储分开；2.2.数据存储器的带宽较宽；数据存储器的带宽较宽；DSPDSP、ARM9ARM9第49页/共54页2023/3/242023/3/24CISC&RISCCISC（复杂指令集）（
33、复杂指令集）l l具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式l l大多数程序只使用少量的指令就大多数程序只使用少量的指令就大多数程序只使用少量的指令就大多数程序只使用少量的指令就可以运行。可以运行。可以运行。可以运行。RISC（精简指令集）（精简指令集）l l指令长度固定，指令类型很少指令长度固定，指令类型很少指令长度固定，指令类型很少指令长度固定，指令类型很少l l数据处理指令只访问寄存器，与数据处理指令只访问寄存器，与数据处理指令只访问寄存器，与数据处理指令只访问寄存器，与访问存储器的指令是分开的访问存储器的指令是分开的访问存储器的指令
34、是分开的访问存储器的指令是分开的l l使使使使CPUCPU硬件结构设计更为简单，硬件结构设计更为简单，硬件结构设计更为简单，硬件结构设计更为简单，缩短了开发周期，提高了性能。缩短了开发周期，提高了性能。缩短了开发周期，提高了性能。缩短了开发周期，提高了性能。第50页/共54页2023/3/242023/3/24流水线技术几个指令可以并行执行几个指令可以并行执行提高了提高了CPU的运行效率的运行效率流水线技术中的流水线技术中的“写后读写后读”、“延迟转移延迟转移”第51页/共54页2023/3/242023/3/24超标量执行采用多条流水线结构采用多条流水线结构第52页/共54页2023/3/242023/3/24CACHECache的内容是部分主存储器的内容是部分主存储器内容的拷贝；内容的拷贝；CPU 对高速缓存（对高速缓存（Cache）的）的读写速度比对内存读写的速度读写速度比对内存读写的速度快得多；快得多；第53页/共54页2023/3/242023/3/24南京理工大学自动化系南京理工大学自动化系感谢您的观看。第54页/共54页