官术网_书友最值得收藏!

第一篇 走進嵌入式系統開發

第1章 嵌入式系統開發概述

嵌入式系統是一個綜合的技術,涉及軟件和硬件兩方面。目前,嵌入式系統設計已成為非常熱門的實用技術。越來越多的設備開始通過嵌入式系統來獲得更多、更優秀的功能。本章將帶領讀者了解一下嵌入式系統及其開發過程。通過本章的學習,讀者應該實現如下幾個目標。

· 了解嵌入式系統。

· 了解嵌入式系統的特點及發展趨勢。

· 掌握和熟練嵌入式系統的開發過程。

· 掌握如何成為嵌入式開發人員。

1.1 何為嵌入式系統

談到嵌入式系統,可以追溯到1946年電子數字計算機誕生。此后,計算機技術突飛猛進。發展至今,各種工業、家用等通用計算機無論在性能還是普及程度上,都有了大的跨越。除了通用計算機外,以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性等特點,也表現出了強大的發展勢頭。這種微型計算機要求將微型機嵌入到一個對象體系中,實現對象體系的智能化控制。例如,將微型計算機經電氣加固、機械加固,并配置各種外圍接口電路,安裝到大型廠房中構成自動加工、生產和監測系統。這樣一來,計算機便失去了原來的形態與通用的計算機功能。為了區別于原有的通用計算機系統,把嵌入到具體的工作體系中,實現智能化控制的小型計算機,稱為嵌入式計算機系統。

1.1.1 嵌入式系統的概念

嵌入式系統,英文全稱為Embeded System。根據IEEE的定義,嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”。這主要是從應用上加以定義的,從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體。

另外,業界普遍采用的定義方式為:嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。簡單地說,嵌入式系統集系統的應用軟件與硬件于一體,類似于PC中BIOS的工作方式,具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點,特別適合于要求實時和多任務的體系。

在明確了嵌入式系統定義的基礎上,我們可從以下幾方面來理解嵌入式系統:

· 嵌入式系統是與應用緊密結合的,是面向用戶、面向產品、面向應用的。嵌入式系統具有很強的專用性,必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統和具體應用對象有機地結合在一起,其功能升級也是和具體產品同步進行的,因此嵌入式系統產品一旦進入市場,具有較長的生命周期。

· 嵌入式系統是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。這主要表現在,嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物。

· 嵌入式系統可定制、可裁減。一般來說,必須根據應用需求對軟硬件進行裁剪,滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。

· 為了提高執行速度和系統可靠性,嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中,而不是存儲于磁盤等載體中。

· 嵌入式系統本身不具備自主開發能力,即使設計完成以后,用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改,必須有一套開發工具和環境才能進行開發。

實際上,如果籠統地說,那么凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫嵌入式系統。在嵌入式系統中,一個很重要的應用便是具有操作系統的嵌入式系統,例如PDA、智能手機等。

嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關外圍硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成,它是可獨立工作的系統。

1.1.2 嵌入式系統的基本結構

嵌入式系統是計算機軟件和硬件的綜合體,可涵蓋機械或其他的附屬裝置。所以嵌入式系統可以籠統地分為硬件和軟件兩部分。嵌入式系統的基本結構如圖1-1 所示。從圖中可以看出,嵌入式系統的構架可以分成4個部分:處理器、存儲器、輸入/輸出(I/O)和軟件。

圖1-1 嵌入式系統的基本結構

嵌入式系統的軟件部分,其實包括了應用軟件和操作系統兩個概念。由于多數嵌入式設備的應用軟件和操作系統都是緊密結合的,在這里我們對其不加區分,這也是嵌入式系統和通用PC系統的最大區別。

嵌入式系統的硬件部分,包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。嵌入式系統有別于一般的計算機處理系統,它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質,而大多使用EPROM、EEPROM或閃存(Flash Memory)作為存儲介質。

1.1.3 嵌入式處理器

對于嵌入式系統的硬件部分,其核心元件是嵌入式處理器,相當于嵌入式系統的“大腦”。目前嵌入式處理器處于百花齊放、百家爭鳴的狀態。據不完全統計,全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1千多種,比較常用的體系結構有幾十個系列。例如,典型的8051體系單片機便是重要的一類。現在幾乎每個半導體制造商都生產嵌入式處理器,越來越多的公司有自己的處理器設計部門。綜合考慮目前所有的嵌入式處理器,常用的主要包括如下幾類。

1.嵌入式微處理器EMPU

嵌入式微處理器,英文全稱為Embedded Microprocessor Unit,其基礎與通用計算機中的CPU一致。常用的嵌入式處理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

嵌入式微處理器在功能上和標準微處理器基本是一樣的。所不同的是,嵌入式微處理器EMPU在使用時,將微處理器裝配在專門設計的電路板上,只保留和嵌入式應用有關的母板功能,這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。另外,為了滿足嵌入式應用的特殊要求,在溫度范圍、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了相應的增強。嵌入式微處理器的這種應用有點類似于工業控制計算機。

2.嵌入式微控制器MCU

嵌入式微控制器,英文全稱為Microcontroller Unit。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心,芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。嵌入式微控制器目前的品種和數量最多,比較有代表性的通用系列包括8051、80C51、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如:支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541;支持I2C、SPI、CAN總線、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。

嵌入式微控制器MCU又稱為單片機,顧名思義,就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。為適應不同的應用需求,一般一個系列的單片機具有多種衍生產品,每種衍生產品的處理器內核都是一樣的,不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配,功能不多不少,從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比,微控制器的最大特點是通過單片化大大減小了體積,從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富,十分適合于控制。

3.嵌入式數字信號處理器EDSP

嵌入式DSP處理器,英文全稱為Embedded Digital Signal Processor。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是TI公司的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000系列包括DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同子系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的R.E.A.L DSP處理器。

典型的DSP處理器主要對系統結構和指令進行了特殊設計,使其適合于執行DSP算法,編譯效率較高,指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域,DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能,過渡到采用嵌入式DSP處理器。

嵌入式DSP處理器一般有如下兩類:一類是單片化的DSP處理器,這是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設成為嵌入式DSP處理器,TI的TMS320C2000 /C5000等屬于此類;另一類是通用單片機中增加DSP協處理器,例如Intel公司的MCS-296,Infineon(Siemens)公司的TriCore。

4.片上可編程系統SOPC

片上可編程系統,英文全稱為System On a Programmable Chip,這是一種靈活高效的SOC解決方案。最具代表性的便是Altera公司的FPGA。

片上可編程系統SOPC是一種新的軟硬件協同設計的系統設計技術,其將處理器、RAM存儲器、ROM存儲器、總線、總線控制器、I/O接口、DSP、鎖相環等集成到一片FPGA芯片中。SOPC具有靈活的設計方式,可裁減、可擴充、可升級,并具備軟硬件在系統可編程能力。另外,市場上還有豐富的IP Core可供選擇,用戶可以快速地構建各種不同的系統。片上可編程系統SOPC的設計周期短、成本低。

主站蜘蛛池模板: 铜鼓县| 尚志市| 博湖县| 青海省| 巫溪县| 乌审旗| 平远县| 加查县| 广平县| 兴化市| 光山县| 石渠县| 汽车| 西乌珠穆沁旗| 麟游县| 南华县| 同德县| 肃宁县| 台州市| 赤峰市| 深泽县| 武安市| 大理市| 九龙县| 全州县| 濉溪县| 呼伦贝尔市| 五河县| 丽水市| 达孜县| 固安县| 通许县| 平定县| 周宁县| 渭源县| 泉州市| 石屏县| 霍林郭勒市| 富平县| 额济纳旗| 广丰县|