嵌入式系统开发的基础知识

嵌入式系统开发的基础知识

1．嵌入式系统的特点、分类、发展与应用，熟悉嵌入式系统的逻辑组成。

（1）特点：

专用性

隐蔽性 （嵌入式系统是被包装在内部）

资源受限（要求小型化、轻型化、低功耗及低成本，因此软硬件资源受到限制）

高可靠性（任何误动作都可能会产生致命的后果）

软件固化（软件都固化在只读存储器ROM中，用户不能随意更改其程序功能）

实时性

（2）逻辑组成

硬件：1)处理器（运算器、控制器、存储器）

目前所有的处理器都是微处理器 中央处理器（CPU）和协助处理器（数字信号处理器DSP、图像处理器、通信处理器）

2)存储器（随机存储器RAM和只读存储器ROM）

RAM分为动态DRAM和静态SRAM两种。DRAM电路简单、集成度高、功耗小、成本低，但速度稍慢慢；SRAM电路较复杂、集成度低、功耗较大、成本高，但工作速度很快，适合用作指令和数据的高速缓冲存储器

RAM当关机或断电时，其中的信息都会消失，属于易失性存储器

ROM属于不易失性存储器。分为电可擦可编程只读存储器（存放

固件）和闪速存储器（Flash ROM简称内存）。内存的工作原理：在低

压下，存储的信息可读但不可写，这类似于ROM；在较高的电压下，

所存储的信息可以更改和删除，这有类似于RAM。

3)I/O设备与I/O接口

4)数据总线

软件

（3）分类

按嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类：

1)低端系统 采用4位或8位单片机，在工控领域和白色家电领域占主导地位，如计算器、遥控器、充电器、空调、传真机、BP机等。

2)中端系统 采用8位/16位/32位单片机，主要用于普通手机、摄像机、录像机、电子游戏机等。

3)高端系统采用32位/64位单片机，主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、路由器、数码相机等。

（4）发展

20世纪60年代初，第一个工人的现代嵌入式系统（阿波罗导航计算机）

20世纪60年代中期，嵌入式计算机批量生产

20世纪70年代，微处理器出现

20世纪80年代中期，外围电路的元器件被集成到处理器芯片中，昂贵的模拟电路元件能被数字电路替代

20世纪90年代中期SOC出现，集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代

2．嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、EDA、SoC、IP核等技术的作用和发展）

（1）集成电路IC

集成电路的制造大约需要几百道工序，工艺复杂。集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，它的厚度不足1mm，其直径可以是6、8、12英寸甚至更大这种硅片称为硅抛光片，用于集成电路的制造。

制造集成电路的工艺技术称为硅平面工艺，包括氧化、光刻、掺杂等多项工序。把这些工序反复交叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。

集成电路的特点：体积小、重量轻、可靠性高。其工作速度主要取决于逻辑门电路的晶体管的尺寸。尺寸越小，工作频率就越高，门电路的开关速度就越快。

（2）EDA（电子信号自动化）

（3）SoC芯片（片上系统）

既包含数字电路，也可以包含模拟电路，还可以包含数模混合电路和射频电路。SoC芯片可以是一个CPU，单核SoC，也可以由多个CPU和/或DSP，即多核SoC。

开发流程：

（1）总体设计 可以采用系统设计语言System C（或称IEEE 1666，它是C++的扩充）或System Vetilog语言对SoC芯片的软硬件作统一的描述，按照系统需求说明书确定SoC的性能能参数，并据此进行系统全局的设计。

（2）逻辑设计 将总体设计的结果用RTL（寄存器传输级描述语言）语言进行描述（源文件）后，在使用逻辑综合将源文件进行综合生成，生成最简的布尔表达式核心好的连接关系（以类型为EDF的EDA工业标准文件表示）

（3）综合和仿真

（4）芯片制造 借助EDA中的布局布线工具

（4）IP核

IC设计文件：逻辑门级，包括各种基本的门电路；寄存器传输级，如寄存器、译码器、数据转换器；行为级，如CPU、DSP、存储器、总线与接口电路等。

核库中的设计文件均属于知识产权IP保护的范畴，所以称为“知识产权核”或“IP核”。

IP核是开发SoC的重要保证。按IC设计文件的类型，IP通常分为：软核、固核、硬核。IP核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间，是实现SoC的快速设计，尽早投放市场的有效途径。

目前主要的CPU内核有ARM、MIPS、PowerPC、Coldfile、x86、8051等。ARM内核占所有32位嵌入式RISC处理器的90%以上。

3．嵌入式系统与数字媒体（文本、图像和音频/视频等数字媒体的表示与处理）

（1）文本

含义：在计算机中的文字信息，最常用的一种数字媒体。

字符集及其编码

1）西方字符的编码

ASCII字符集和ASCII编码，基本的ASCII字符集共128个字符，每个字符使用7个二进位制进行编码。

2）汉字的编码

汉子国家编码标准有GB2312和GB18030。每个汉字用2个字节表示。GB2312只有6763个汉字，经常不够用。GB18030字符集与UCS/Unicode字符集基本兼容，采用不等长的编码方法，单字节编码表示ASCII字符，与ASCII码兼容；双字节表示汉字，与GB2312保持向下兼容（即GB2312中有的GB18030字符集都有）

3）UCS/Unicode编码

文本类型

1）简单文本

只能顺序阅读。

2）丰富格式文本

有插图、对文字颜色等定义，调整页面，文本布局，插入声音视频等。

3）超文本

通过超链接实现跳转、导航、回溯等操作

（2）图像

图像获取过程的核心是模拟信号的数字化，处理步骤为：

1）扫描 将画面网格化，每个网格为一个取样点

2）分色 将每个取样点的颜色分解成三原色

3）取样 测量每个取样点的每个分量（基色）亮度值

4）量化 把模拟量使用数字量来表示，A/D转换

数字图像的主要参数：图像大小(水平分辨率竖直分辨率)、位平面数目、像素深 度、颜色模型 一幅图像的数据量计算公式： 图像数据量=图像大小像素深度/8

（3）音频/视频

音频/视频信息的数字化，处理步骤为：

1）取样

2）量化

3）编码

数字音频的主要参数：取样频率、量化位数、声道数目、使用的压缩编码方法、比特率（每秒钟的数据量）

压缩前 波形声音的码率（比特率）= 取样频率 * 量化为数 * 声道数（单位b/s）

压缩后 码率 = 压缩前码率 / 压缩倍数（压缩比）

4．嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网络，TCP/IP协议，互联网接入技术等）

（1）数字通信

（2）计算机网络

（3）音频/ TCP/IP协议

（4）互联网接入技术

二、嵌入式处理器

1．嵌入式处理器的结构、特点与分类（不同类型的典型嵌入式处理器及其特点，嵌入式处理器分类等）

（3）分类

按指令集分为：复杂指令集结构CISC和精简指令集结构RISC

按存储机制分为：冯–诺依曼结构和哈佛结构

按字长分为：8位、16位、32位、64位结构

按不同内核系列可以分为：51、AVR、PIC、MSP430、PowerPC、Coldfile、ARM

2．ARM处理器内核的体系结构（工作状态，工作模式，寄存器组织，异常，数据类型与存储格式等）

（1）工作状态

一是ARM状态，二是Thumb指令状态及Thumb-2状态，三是调试状态。

ARM处理器复位后开始执行代码时总是只处于ARM状态，如果需要，可通过下面的方法切换到Thumb状态或Thumb-2状态

ARM状态切换到Thumb指令状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为1即可。如果R0[0]=1，则执行BX R0指令将进入Thumb状态

状Thumb态切换到ARM状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为0即可。如果R0[0]=0，则执行BX R0指令将进入ARM状态。

（4）存储格式

大端模式：32位数据字的高字节存储在低地址，而数据字的低字节则存放在高地址中。 小端模式：32位数据字的高字节存储在高地址，而数据字的低字节则存放在低地址中。系统复位时，自动默认为小端模式。

例如：一个32位数据字0x12345678，存放在起始地址为0x30001000，则大端模式下0x30001000单元存放0x12,0x30001001单元存放0x34，0x30001002单元存放0x56，0x30001003单元存放0x78；而小端模式下0x30001000单元存放0x78,0x30001001单元存放0x56，0x30001002单元存放0x34，0x30001003单元存放0x12。

（5）数据类型

8位、16位、32位三种数据类型

（6）ARM处理器中MMU和MPU

MMU存储器管理单元（memory management unit）功能：

1)虚拟地址到物理地址映射

2）存储器访问权限受限

3）虚拟存储空间的缓冲特性设置

MPU存储器保护单元（memory protect unit）

3．典型ARM处理器内核（ARM9，Cortex-A，Cortex-M，Cortex-R等的技术特点与应用领域）

（1）Cortex-A系列是面向高端嵌入式应用的处理器核：具有MMU、Cache、最快频率、最高性能、合理功耗。

（2）Cortex-R系列是面向实时控制的处理器：具有MPU、Cache、实时响应、合理性能、较低功耗。

（3）Cortex-M系列是面向低端微控制器的处理器，没有MMU但有MPU，极高性价比、最低成本，极低功耗。

4．ARM处理器指令系统及汇编语言程序设计（指令格式，寻址方式，指令集，伪指令，语句格式与程序结构，ARM汇编语言与C的混合编程等）

（2）寻址方式

1）立即寻址（立即数寻址）

例如：MOV R0，#0x1212121212

ADC R0，R0，#100 ;R0 R0+100+C

2）寄存器寻址(执行效率较高)

例如：ADD R0，R1，R2 ;R0 R1+R2

3）寄存器间接寻址

寄存器间接转址就是以寄存器中的值作为操作数地址，而操作数本身存放在存储器中。用间接寻址的寄存器必须用[ ]括起来。

例如:LDR R5，[R4] ;R5 [R4],间接寻址的寄存器是R4

STR R1，[R2] ;[R2] R1,间接寻址的寄存器是R2 4）基址加变址寻址 常见的几种形式： LDR R0，[R1，#4] STR R1，[R2，#8] LDR R0，[R1，#4]! (！表示指令在完成数据传输后更新基址存储器) LDR R0，[R1]，#4 LDR R0, [R1, R2] STR R0, [R1, R2] 5）相对寻址 相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加后得到操作数的有效地址。 下列程序中跳转指令BL利用相对寻址方式： BL Subroutine_A ;跳转子程序Subroutine_A处执行 … Subroutine_A： … MOV PC ,LR ;从子程序返回 6）堆栈寻址 7）块拷贝寻址 三、嵌入式系统硬件组成 1．嵌入式硬件组成与嵌入式处理芯片（组成，特点，类型，ARM的AMBA总线，嵌入式处理芯片的选型） （1）基于ARM内核的典型嵌入式应用系统硬件组成 典型嵌入式系统硬件由嵌入式最小硬件系统（电源电路、时钟（晶振）电路、复位电路、JTAG测试接口）、前向通道（输入接口）、后向通道（输出接口）、人机交互通道（键盘，触摸屏以及LED或LCD显示输出接口）以及相互互联通信通道（CAN通信接口、以太网通信接口、USB通信接口）等组成。

电源电路为整个嵌入式系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的位置。一般来说 ，如果电源电路处理得好，整个系统的故障往往能显著减少。选择设计电源电路是主要考虑以下因素：输出电压电流、输入电压电流（交流还是直流）、安全因素、体积限制、功耗限制、成本限制。常用的电源模块是交流变直流（AC-DC）模块、直流变直流模块（DC-DC）、低压稳压器（LDO）。稳压器包括普通稳压器和低压差稳压器LDO。78XX系列属于普通稳压器，LM2576/2596为开关稳压芯片，CAT6219/AS2815/1117/2908等属于低压稳压器。稳压器的最大特点就是低噪声、低成本、纹波小、精度高、电路简单。

（2）基于ARM内核的典型嵌入式芯片的硬件组成 1）存储器及控制器 片内程序存储器通常是用Flash ROM,一般配有几KB到几MB不等。片内数据存储器通常使用SRAM，一般几KB到几百KB。 2）中断控制器 一般采用向量中断（VIC）或嵌套向量中断（NVIC）。Cortex-M支持嵌套的向量中断。 3）DMA控制器（直接存储器访问控制器） 使用DMA控制器，可将数据块从外设传输至内存、从内存传输至外设或从内存传输至内存。 4）电源管理与时钟控制器 5）GPIO接端口（General Purpose Input Output通用输入/输出端口） 作为输入时具有缓冲功能，而作为输出是具有锁存功能，GPIO也可以作为双向I/O使用。在ARM处理芯片中，GPIO引脚通常是多功能的，以减少引脚数，减少功耗。 6）定时计数组件 主要包括看门狗定时器（WDT） 监视着程序的运行状态 Timer通用定时器 用于一般的定时 RTC可直接提供年月日时分秒，使应用系统具有独立的日期和时间 脉冲宽度调制解调器（PWM） 用于脉冲宽度的调制，比如电机控制、用于变频调整等。 7）模拟通道组件

8）互联通信组件

（3）ARM的AMBA总线

（4）常用ARM嵌入式处理芯片 1）NXP的典型ARM芯片 2）TI的典型ARM芯片 3）Samsung的典型ARM芯片 4）Atmel的典型ARM芯片 5）ST的典型ARM芯片 6）Freescale的典型ARM芯片 7）Nuvoton的典型ARM芯片 8）Intel的典型ARM芯片 9）其他ARM芯片厂家 （5）嵌入式处理芯片的选型 1）性价比原则 性能高，价格低 2）参数选择原则 ARM内核（指令流水线、支持Thumb/Thumb-2指令集、最高时钟频率的限制、最低功耗要求以及低成本要求） 系统时钟频率(频率越高，处理速度越快;通常ARM芯片的速度主要取决于ARM内核） 芯片内部存储器的容量 片内外围电路（GPIO外部引脚条数、定时计数器、LCD液晶显示控制器、多核处理器、ADC、通信接口） 2．嵌入式系统的存储器（层次结构，分类，性能指标；片内存储器，片外存储器，外部存储设备等） 3．I/O接口、I/O设备以及外部通信接口（GPIO、I2C、SPI、UART、USB、HDMI等；键盘、LED、LCD、触摸屏、传感器等；RS-232/RS-485、CAN、以太网和常用无线通信接口） （1）GPIO(通用输入输出接口) 在嵌入式处理器内部，输入具备缓冲功能，输出具有锁存功能。GPIO一般有三态：0态、1态、高阻状态。 （2）集成电路互连总线接口IIC 集成电路互连总线用于连接嵌入式处理器及外围器件，采用串行半双工传输的总线标准。 IIC总线具有的接口线少，控制方式简单，器件封装紧凑，通信速率较高（100kb/s,400kb/s,高速模式可达3.4Mb/s）等优点。 IIC总线的操作时序 IIC总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL，所有的操作均通过这两条信号线完成。数据线SDA上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，它的高/低电平状态只有在SCL时钟信号线是低电平时才能改变。 1）启动和停止条件 总线上的所有器件都不使用总线时，SCL线和SDA线各自的上拉电阻把电平拉高，使它们均处于高电平。主控制器启动总线操作的条件是当SCL线保持高电平时SDA线有高电平转为低电平，此时主控制器在SCL产生时钟信号，SDA线开始传输数据。若SCL线为高电平时SDA由低转为高，则总线工作停止，恢复空闲状态 2）数据传送格式 3）应答（ACK）信号传送 4）读/写操作 5）总线仲裁 6）异常中断条件 （3）串行外设接口SPI

（4）串行异步通信接口UART （5）高清多媒体接口HDMI （6）常用简单输入设备（键盘、触摸屏、传感器） （7）常用简单输出设备（LED、数码管、LCD、） （8）基于UART的RS—232/RS—485 CAN总线接口 以太网通信接口常用无线通信接口（GPS模块、GPRS模块、WiFi模块、蓝牙模块、射频无线收发模块）

4．基于ARM内核的典型嵌入式处理芯片（S3C2410/S3C2440芯片的内部结构，如片上总线、DMA、时钟控制、中断控制、GPIO、UART、I2C、SPI、Timer、RTC、WDT及其他硬件组件） 四、嵌入式系统软件 1．嵌入式系统的软件组成与实时操作系统（嵌入式系统软件组成，嵌入式操作系统的发展，实时系统与实时操作系统，微内核与宏内核，嵌入式操作系统的仿真平台等）

2．板级支持软件包（BSP）和引导加载程序Bootloader（硬件抽象层HAL，BSP的功能和移植，Bootloader的执行过程，U-boot及其移植等）

3．嵌入式Linux操作系统（嵌入式Linux的发展和自由软件，嵌入式Linux内核的结构、系统调用接口，常见嵌入式Linux等）

4．嵌入式操作系统μC/OS-II（基本特点、代码结构、任务管理与调度、任务通信、中断处理、移植等）

五、嵌入式系统的开发 1．嵌入式系统的开发过程和工具（开发步骤，交叉开发平台和工具，系统的调试工具等）

2．系统开发工具软件（ADS、RVDS的特点与使用，GCC的常用命令与参数）

3．以S3C2410/S3C2440为背景的应用系统开发（硬件接口及部件的综合使用；无操作系统环境下的系统开发；μC/OS-II环境下的系统开发）

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