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1、第第14章章 嵌入式应用系统嵌入式应用系统14.1 概述概述n n嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统、嵌入式系统技术已被广泛地应用于工业控制系统、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域。等众多领域。n n掌握目前流行的基于掌握目前流行的基于ARM架构的嵌入式微处理架构的嵌入式微处理器的原理、设计方法及实例编程开发。具体的包器的原理、设计方法及实例编程开发。具体的包括如何在嵌入式内核基础上扩展一个实用的嵌入括如何在嵌入式内核基础上扩展一个实用的嵌入式系统的硬、软件设计。如微处理器、存储系统、式系统的硬、软件设计。如微处理器、存储系统
2、、外设驱动及其应用程序接口的设计。从而达到能外设驱动及其应用程序接口的设计。从而达到能够独立完成一个嵌入式系统设计的要求。够独立完成一个嵌入式系统设计的要求。14.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义n n嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适计算机技术为基础、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。积、功耗严格要求的专用计算机系统。14.1.2 嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构n n嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，嵌入式系统作为一类
3、特殊的计算机系统，它主要包含三个部分，其基本结构如图所它主要包含三个部分，其基本结构如图所示。示。1.硬件平台硬件平台n n它是整个嵌入式操作系统和应用程序运它是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。式系统的一个主要特点。2.嵌入式操作系统嵌入式操作系统n n完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核比较精简、可配置、与高功能。具有内核比较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统层应用紧密
4、关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。具有相对不变性。3.嵌入式应用嵌入式应用n n运行于操作系统之上，利用操作系统提供运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。硬件抽象层硬件抽象层 n n硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供对硬件的直统进行交互，向操作系统提供对硬件的直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。入式操作系统的通用化。14.1
5、.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点n n1嵌入式系统特点和要求嵌入式系统特点和要求n n2嵌入式系统具有的产品特征嵌入式系统具有的产品特征n n3嵌入式软件特征嵌入式软件特征n n软件要求固态化存储软件要求固态化存储软件要求固态化存储软件要求固态化存储n n软件代码要求高质量、高可靠性软件代码要求高质量、高可靠性软件代码要求高质量、高可靠性软件代码要求高质量、高可靠性n n系统软件的高实时性是基本要求系统软件的高实时性是基本要求系统软件的高实时性是基本要求系统软件的高实时性是基本要求n n多任务操作系统多任务操作系统多任务操作系统多任务操作系统 n n4嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展
6、趋势n n可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向一种明显的走向一种明显的走向一种明显的走向 n n所集成的部件越来越多所集成的部件越来越多所集成的部件越来越多所集成的部件越来越多 n n功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多 14.2 嵌入式应用系统的开发嵌入式应用系统的开发n n14.2.1 14.2.1 确定嵌入式系统的需求确定嵌入式系统的需求确定嵌入
7、式系统的需求确定嵌入式系统的需求 嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。在设计一个系统之前，必须清楚在设计什么。求。在设计一个系统
8、之前，必须清楚在设计什么。求。在设计一个系统之前，必须清楚在设计什么。求。在设计一个系统之前，必须清楚在设计什么。在设计的最初阶段，获取这些信息，以此来设计在设计的最初阶段，获取这些信息，以此来设计在设计的最初阶段，获取这些信息，以此来设计在设计的最初阶段，获取这些信息，以此来设计系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常包系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常包系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常包系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常包括两个过程：括两个过程：括两个过程：括两个过程：1)1)从客户那里收集系统的非形式描述（即用户需求）。从客户那里收集系统的非形式描述（即用户需求）。从
9、客户那里收集系统的非形式描述（即用户需求）。从客户那里收集系统的非形式描述（即用户需求）。2)2)对需求进行提炼，得到系统的规格说明，规格说明里包对需求进行提炼，得到系统的规格说明，规格说明里包对需求进行提炼，得到系统的规格说明，规格说明里包对需求进行提炼，得到系统的规格说明，规格说明里包含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。含了进行系统体系结构设计所需要的足够信息。14.2.2 设计系统的体系结构n n嵌嵌入入式式系系统统包包含含硬硬件件和和软软件件两两部部分分：硬硬件件架架构构上上以以嵌嵌入入式式处处理
10、理器器为为中中心心，配配置置存存储储器器、I/O设设备备、通通信信模模块块等等必必要要的的外外设设；软软件件部部分分以以软软件件开开发发平平台台为为核核心心，向向上上提提供供应应用用编编程程接接口口（API），向向下下屏屏蔽蔽具具体体硬硬件件特特性性的的板板级级支支持持包包BSP。嵌嵌入入式式系系统统中中，软软件件和和硬硬件件紧紧密密配配合合，协协调调工工作作，共共同同完完成成系统预定的功能。系统预定的功能。n n1选择处理器选择处理器n n性能性能性能性能n n工具支持工具支持工具支持工具支持 n n技术指标技术指标 n n2选择嵌入式操作系统选择嵌入式操作系统14.2.3 相关外部设备的选
11、择相关外部设备的选择n n在确定处理器和操作系统之后，根据整个在确定处理器和操作系统之后，根据整个系统应用需求就可以确定相关的外部设备，系统应用需求就可以确定相关的外部设备，如如FLASH，RAM，串口等等。经过以上需，串口等等。经过以上需求分析和选型，可以构建完整的系统硬件求分析和选型，可以构建完整的系统硬件架构和软件架构架构和软件架构 14.3 构建嵌入式系统开发环境构建嵌入式系统开发环境14.4 嵌入式应用系统硬件设计嵌入式应用系统硬件设计n n在嵌入式系统设计过程中，首先要进行硬件系统在嵌入式系统设计过程中，首先要进行硬件系统在嵌入式系统设计过程中，首先要进行硬件系统在嵌入式系统设计过
12、程中，首先要进行硬件系统与软件系统的功能划分，以决定哪些功能用硬件与软件系统的功能划分，以决定哪些功能用硬件与软件系统的功能划分，以决定哪些功能用硬件与软件系统的功能划分，以决定哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。实现，哪些功能用软件实现。实现，哪些功能用软件实现。实现，哪些功能用软件实现。n n在具体的硬件设计中，应注意在设计硬件子系统在具体的硬件设计中，应注意在设计硬件子系统在具体的硬件设计中，应注意在设计硬件子系统在具体的硬件设计中，应注意在设计硬件子系统时一般采用自顶向下方法，即将被设计系统的硬时一般采用自顶向下方法，即将被设计系统的硬时一般采用自顶向下方法，即将被设计系统的硬时一
13、般采用自顶向下方法，即将被设计系统的硬件先分成若干模块，再设计系统全部的框图。例件先分成若干模块，再设计系统全部的框图。例件先分成若干模块，再设计系统全部的框图。例件先分成若干模块，再设计系统全部的框图。例如，如，如，如，CPUCPU子系统、存储器子系统等。然后定义系子系统、存储器子系统等。然后定义系子系统、存储器子系统等。然后定义系子系统、存储器子系统等。然后定义系统需要配备哪些硬件接口，例如统需要配备哪些硬件接口，例如统需要配备哪些硬件接口，例如统需要配备哪些硬件接口，例如I/OI/O端口、硬件端口、硬件端口、硬件端口、硬件寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配、寄存器、共享内存、硬件
14、中断、存储器空间分配、寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配、寄存器、共享内存、硬件中断、存储器空间分配、处理器的运行速度等。处理器的运行速度等。处理器的运行速度等。处理器的运行速度等。14.4.1 嵌入式系统的最小硬件系统设嵌入式系统的最小硬件系统设计计n n最小硬件系统是保证微处理器能够可靠工作所必须的基本电路。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。因此设计基于某种嵌入式处理器的最小硬件系统可以先熟悉处理器的构成和工作方式。嵌入式微处理器一般由一个MCU核和多个外围电路集成。1S3C2410-S微处理器介绍微处理器介绍n nS3C2410-SS3C2410-S是是是是ARMAR
15、M公公公公司司司司的的的的16/3216/32位位位位RISCRISC结结结结构构构构处处处处理理理理器器器器，数数数数据据据据总总总总线线线线和和和和地地地地址址址址总总总总线线线线分分分分离离离离的的的的哈哈哈哈佛佛佛佛体体体体系系系系结结结结构构构构，是是是是为为为为手手手手持持持持设设设设备备备备设设设设计计计计的的的的低低低低功功功功耗耗耗耗、高高高高度度度度集集集集成成成成的的的的微微微微处处处处理理理理器器器器，采采采采用用用用272 272 引引引引脚脚脚脚FBGAFBGA封封封封装装装装，内内内内含含含含一一一一个个个个ARM920TARM920T内内内内核核核核和和和和如如
16、如如下下下下片片片片内内内内外外外外围围围围电电电电路路路路：1 1个个个个LCDLCD控控控控制制制制器器器器（支支支支持持持持STNSTN和和和和TFTTFT带带带带有有有有触触触触摸摸摸摸屏屏屏屏的的的的液液液液晶晶晶晶显显显显示示示示器器器器）；SDRAMSDRAM控控控控制制制制器器器器；3 3个个个个通通通通道道道道的的的的UARTUART；4 4个个个个通通通通道道道道的的的的DMADMA；4 4个个个个具具具具有有有有PWMPWM功功功功能能能能的的的的计计计计时时时时器器器器和和和和1 1个个个个内内内内部部部部时时时时钟钟钟钟；8 8通通通通道道道道的的的的1010位位位位
17、ADCADC；触触触触摸摸摸摸屏屏屏屏接接接接口口口口；I2CI2C总总总总线线线线接接接接口口口口；1 1个个个个USBUSB主主主主机机机机接接接接口口口口、1 1个个个个USBUSB设设设设备备备备接接接接口口口口；2 2个个个个SPISPI接接接接口口口口；SDSD接接接接口口口口和和和和MMCMMC卡卡卡卡接接接接口口口口；117117个个个个通通通通用用用用I/OI/O口口口口和和和和2424位位位位外外外外部部部部中中中中断断断断源源源源；8 8通通通通道道道道1010位位位位ADAD控控控控制制制制器器器器，在在在在时时时时钟钟钟钟方方方方面面面面S3C2410-SS3C241
18、0-S也也也也有有有有突突突突出出出出特特特特点点点点，该该该该芯芯芯芯片片片片集集集集成成成成了了了了一一一一个个个个具具具具有有有有日日日日历历历历功功功功能能能能的的的的RTCRTC和和和和具具具具有有有有PLL(MPLLPLL(MPLL和和和和UPLL)UPLL)的的的的芯芯芯芯片片片片时时时时钟钟钟钟发发发发生生生生器器器器。MPLLMPLL产产产产生生生生主主主主时时时时钟钟钟钟，能能能能够够够够使使使使处处处处理理理理器器器器工工工工作作作作频频频频率率率率最最最最高高高高达达达达到到到到203MHz203MHz。这这这这个个个个工工工工作作作作频频频频率率率率能能能能够够够够使
19、使使使处处处处理理理理器器器器轻轻轻轻松松松松运运运运行行行行Windows Windows CE(CE(WinCEWinCE)、LinuxLinux等等等等操操操操作作作作系系系系统统统统以以以以及及及及进进进进行行行行较较较较为为为为复复复复杂杂杂杂的的的的信信信信息息息息处处处处理理理理。UPLLUPLL产产产产生生生生实实实实现现现现主主主主从从从从USBUSB功功功功能能能能的时钟。的时钟。的时钟。的时钟。2基于基于S3C2410-S微处理器的最小硬微处理器的最小硬件系统设计件系统设计1)电源电路电源电路n n电源是电子产品中的一个组成部分，为了使电路电源是电子产品中的一个组成部分，
20、为了使电路性能稳定，往往需要稳定电源。设计者要根据产性能稳定，往往需要稳定电源。设计者要根据产品的要求来选择合适的电源品的要求来选择合适的电源IC。根据不同的工作。根据不同的工作原理可将电源分成原理可将电源分成3类：线性稳压电源、开关稳类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。压电源及电荷泵电源。2)硬件复位电路硬件复位电路n n无无无无论论论论用用用用户户户户设设设设计计计计哪哪哪哪种种种种嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式系系系系统统统统，总总总总会会会会涉涉涉涉及及及及到到到到复复复复位位位位电电电电路路路路。而而而而复复复复位位位位电电电电路路路路的的的的好好好好坏坏坏坏，直直直直接接接接影影
21、影影响响响响到到到到整整整整个个个个系系系系统统统统工工工工作作作作的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性。因因因因为为为为复复复复位位位位电电电电路路路路的的的的作作作作用用用用是是是是在在在在系系系系统统统统上上上上电电电电或或或或复复复复位位位位过过过过程程程程中中中中，控控控控制制制制处处处处理理理理器器器器的的的的复复复复位位位位状状状状态态态态，这这这这段段段段时时时时间间间间内内内内让让让让CPUCPU保保保保持持持持复复复复位位位位状状状状态态态态，而而而而不不不不是是是是一一一一上上上上电电电电或或或或刚刚刚刚复复复复位位位位完完完完毕毕毕毕就就就就工工工工作作作作，防防防防止止止
22、止处处处处理理理理器器器器发发发发出出出出错错错错误误误误的的的的指指指指令令令令、执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。n n复复复复位位位位电电电电路路路路主主主主要要要要有有有有四四四四种种种种类类类类型型型型：（1 1）微微微微分分分分型型型型复复复复位位位位电电电电路路路路；（2 2）积积积积分分分分型型型型复复复复位位位位电电电电路路路路；（3 3）比比比比较较较较器器器器型型型型复复复复位位位位电电电电路路路路；（4 4）看看看看门门门门狗狗狗狗型型型型复复复
23、复位位位位电电电电路路路路。另另另另外外外外，一一一一些些些些公公公公司司司司也也也也推推推推出出出出了专用于复位的专用芯片。了专用于复位的专用芯片。了专用于复位的专用芯片。了专用于复位的专用芯片。3)JTAG(联合测试行动小组)接口电路n nJTAG的主要功能有两种，或者说的主要功能有两种，或者说JTAG主要主要有两大类：一类用于测试芯片的电气特性，有两大类：一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；另一类用于调试，检测芯片是否有问题；另一类用于调试，对各类芯片以及其外围设备进行调试。对各类芯片以及其外围设备进行调试。4)存储器模块存储器模块n n存储器可分为只读存储器（存储器可分为只
24、读存储器（ROM）、闪存）、闪存（FLASH）、随机存取存储器（）、随机存取存储器（RAM）、）、光介质存储器和磁介质存储器。光介质存储器和磁介质存储器。3硬件调试硬件调试n n在给目标系统加电之前，应该仔细检查电在给目标系统加电之前，应该仔细检查电路板上所有元器件是否正确焊接，检查各路板上所有元器件是否正确焊接，检查各电压等级的电源是否有短路，各种开关、电压等级的电源是否有短路，各种开关、跳线是否在正确的位置上。跳线是否在正确的位置上。n n通过通过ARM公司提供的开发工具公司提供的开发工具ADS的集成的集成开发环境，编写相关的应用程序，通过开发环境，编写相关的应用程序，通过JTAG接口对微
25、处理器进行进一步的调试与接口对微处理器进行进一步的调试与开发。开发。14.4.2 基于功能需求的系统扩展设计基于功能需求的系统扩展设计n n1)USB HUB，将，将S3C2410-S的的USB HOST扩扩展为展为4口，可以选择口，可以选择AT43301芯片。芯片。n n2)双网卡双网卡NIC-2和和NIC-1 n n3)RS485串行总线接串行总线接 n n4)ADC接口设计接口设计 n n5)CAN总线电路总线电路 14.5 嵌入式应用系统软件设计嵌入式应用系统软件设计l软件部分实际上就是编写的程序代码，代码的最终用途软件部分实际上就是编写的程序代码，代码的最终用途是命令硬件去做人们希望
26、它去做的事情。程序代码一般是命令硬件去做人们希望它去做的事情。程序代码一般由高级程序设计语言（如由高级程序设计语言（如C/C+）和处理器专用汇编指）和处理器专用汇编指令编写而成，经过编译、链接、重定位，最终成为机器令编写而成，经过编译、链接、重定位，最终成为机器代码，存放到系统的存储器中。系统被加电以后，代码，存放到系统的存储器中。系统被加电以后，CPU便开始从存储器中逐条取出这些机器代码，并按照这些便开始从存储器中逐条取出这些机器代码，并按照这些代码的要求进行工作。代码的要求进行工作。n n1 硬件驱动层硬件驱动层n n2 系统软件层系统软件层n n3 操作系统层操作系统层n n4 图形用户
27、界面系统图形用户界面系统n n5 TCP/IP协议栈协议栈n n6 文件系统文件系统14.5.3 用户应用程序层用户应用程序层n n1嵌入式系统中的存储映射嵌入式系统中的存储映射 在在ARM体体系系结结构构中中，系系统统复复位位后后将将跳跳转转到到地地址址0 x00 x处处执执行行，该该处处存存放放的的是是复复位位异异常常中中断断的的中中断断向向量量。对对于于嵌嵌入入式式系系统统来来说说，在在系系统统复复位位时时RAM中中是是不不存存在在代代码码和和数数据据的的。因因此此在在系系统统复复位位时时，地地址址0 x00处处应应为为ROM，即即系系统统复复位位后后应应该该首首先先从从ROM开开始始执
28、执行行。这这时时，根根据据系系统统在在其其后运行过程中地址后运行过程中地址0 x00处存储器的类型。处存储器的类型。n n2系统初始化系统初始化 系系统统的的初初始始化化部部分分包包括括两两个个级级别别的的操操作作：分分别别是是系系统统运运行行环环境境初初始始化化，应应用用程程序序初初始化和系统运行环境初始化。始化和系统运行环境初始化。本章小结本章小结n n本本章章主主要要介介绍绍了了嵌嵌入入式式系系统统的的基基本本概概念念、嵌嵌入入式式系系统统的的特特点点及及结结构构、嵌嵌入入式式系系统统开开发发步步骤骤及及如如何何构构建建嵌嵌入入式式系系统统开开发发环环境境、嵌嵌入入式式系系统统硬硬件件设设计计和和软软件件设设计计的的基基础础知知识识，希希望望读读者者能能够够通通过过本本章章的的学学习习，对对嵌嵌入入式式系系统统有有个个初初步步认认识识和和了了解解，为为继继续续深深入入学学习习相相关专业知识打下良好基础。关专业知识打下良好基础。