嵌入式系统.ppt
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1、嵌入式系统技术及其应用概述什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统?嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统。按此定义,范围广泛,从高端到地端 随着技术的发展和应用的需求,对嵌入式系统的应用要求越来越高,传统的系统机应用和嵌入式应用的界限越来越模糊,以51系列为主的单片机应用
2、越来越不适应这种需求,而以ARM为内核的32位高档单片机经过数年的发展,价格越来越低,接近单片机的成本,而性能又高很多,有操作系统支持,在很多领域已经取代了8位单片机的应用,这也是大势所趋。常见嵌入式系统三件套:ARM、DSP、FPGA/CPLD.ARM、DSP、FPGA对比ARM:是32位单片机,由于结构和计算速度的原因,主要做控制,目前适合做事务处理或者中低端数据处理应用,从中高级工控到简单语音/图片(不含视频)处理。DSP:它从16位32位,内部采用哈佛结构,特别适合数据处理。其中16位DSp适合中高级工控到简单语音/图片(不含视频)处理;其中32位DSp适合复杂语音/图片/视频处理,综
3、合速度比fpga慢 比arm快,做控制也可以大材小用,在控制方面编程难 不如arm通用性好 FPGA:新型FPGA可以用内部乘法器/寄存器/内存块构造软核,例如构造ARM,则可以实现ARM的功能;若构造成DSP,则可以实现DSP的功能。不过FPGA的功耗较大,一般情况下构造ARM/DSP不如专用ARM/DSP方便,成本也高,但是在高速信号处理时,可以采用并行结构,大大提高处理速度,超过目前最快的DSP。什么是ARMARMAdvanced RISC Machines 是一个公司的名字,也是一类微处理器的通称。ARM公司主要出售芯片设计技术的授权,不直接从事芯片生产。目前,采用ARM技术知识产权(
4、IP)核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额.世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得 ARM处理器技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。ARM处理器的应用领域到目前为止,ARM处理器及
5、技术的应用几乎已经深入到各个领域:1、工业控制领域:作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域:目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。3、网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放
6、器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。ARM微处理器的特点1、采用RISC架构2、体积小、低功耗、低成本、高性能;3、支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;4、大量使用寄存器,指令执行速度更快;5、大多数数据操作都在寄存器中完成;6、寻址方式灵活简单,执行效率高;7、指令长度固定;ARM微处理器系列ARM微处理器目前包括下面几个系列,以及其它厂商基于A
7、RM体系结构的处理器,除了具有ARM体系结构的共同特点以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale Intel的StrongARM 其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。本课程将以ATMEL公司的ARM7内核芯片AT91SAM7S64为例,讲述由51单片机向低端嵌入式系统ARM7的过渡。面向应用介绍该芯片的结构、资源及如何使用。并
8、介绍了嵌入式系统软件UC/OS、UC/GUI、USB协议栈等的移植驱动。要求:选课同学有单片机、C语言的基础,并有在这方面进一步发展提高 的兴趣。课程内容ARM7TDMI 处理器综述 ARM7TDMI内核有两个指令集,既可以执行高性能32位的ARM指令集,也可以执行16位的高代码密度Thumb指令集,从而可以使用户在高性能和高代码密度之间进行平衡。基于ARMv4T 冯-诺依曼结构的RISC 处理器,具有三级流水线,即指令获取(F)、解码(D)和执行(E)三个阶段。运行速度可达55 MHz,0.9 MIPS/MHz具有嵌入式调试单元,JTAG接口,调试开发方便。极低的功耗,适合对功耗要求较高的应
9、用,如便携式产品。支持操作系统主要应用领域为:工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用TDMI的基本含义为:T:支持16为压缩指令集Thumb;D:支持片上Debug;M:内嵌硬件乘法器(Multiplier)I:嵌入式ICE,支持片上断点和调试点;指令类型 指令或者是32 位(ARM 模式),或者是16 位(THUMB 模式)。数据类型 ARM7TDMI支持字节(8位),半字(16位)以及字(32位)这三种数据类型。字必须与4字节的边界对齐,半字必须与2 字节的边界对齐。ARM7TDMI 工作模式 支持如下7 种处理器模式:User:一般的ARM
10、程序执行状态 FIQ:设计为高速数据传输或通道处理 IRQ:用于通常的中断处理 Supervisor:用于操作系统的保护模式 Abort mode:实现虚拟内存和/或内存保护 System:操作系统的特权用户模式 Undefined:支持硬件协处理器的软件仿真 ARM7TDMI 处理器总共有37 个寄存器:31个通用32 位寄存器,6个状态寄存器清楚4点.ARM7TDMI 寄存器这些寄存器不能够在同一时间都访问到。处理器状态及工作模式决定了哪些寄存器可以被程序员使用。在任意时刻有16 个寄存器是可访问的。其他的则与这16 个寄存器拥有相同的名字,并用于加速例外的处理。寄存器R15为程序计数器(
11、PC),可以用于所有的指令来获取相对于当前指令的数据。R14 保留着子程序调用的返回地址。R13通常用做堆栈指针。状态寄存器状态寄存器所有其他的处理器状态保存于状态寄存器。当前处理器状态保存于当前程序状态寄存器(Current Program Status Register,CPSR)。其内容为:4 个ALU 标志(负,零,进位,溢出)两个中断禁止位(每种中断一个)一个比特用来指示ARM状态还是Thumb 状态 5 个比特用来解码当前的处理器模式所有5个例外模式还拥有一个保存的程序状态寄存器(Saved Program Status Register,SPSR),这个寄存器保存了在例外发生之前
12、的那个任务的CPSR。AT91SAM7S64特点 AT91SAM7S64使用ARM7内核,并集成很多片上硬件设备,可称为ARM单片机,由于功能复杂,又是32位系统,一般称为SoC(System on Chip,将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗芯片)集成了32 位ARM7 处理器 64K 字节的片内高速Flash存储器,最坏的条件下可以30 MHz 访问 16K 字节的片内高速SRAM,可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作 存储器控制器(MC)未对齐(Misalignment)检测复位控制器(RSTC)上电复位和经过工厂标定的掉电检测 提供复位源信息以及给外部电路使用的复位信
13、号 时钟发生器(CKGR)低供耗RC 振荡器,3 到20MHz 的片上振荡器和一个PLL 电源管理控制器(PMC)可以通过软件进行电源优化 三个可编程的外部时钟信号 先进的中断控制器(AIC)调试单元(DBGU)周期性间隔定时器(PIT)时间窗看门狗(WDT)实时定时器(RTT)时钟来源于片内RC 振荡器1 一个并行输入/输出控制器(PIOA)32个可编程的复用I/O,每个I/O最多可以支持两个外设功能 输入电平改变时,每个I/O都可以产生中断 可以独立编程为开漏输出、使能上拉电阻以及同步输出 11 个外设数据控制器(PDC)通道 一个USB 2.0 全速(12 Mbps)设备端口 一个同步串
14、行控制器(SSC)两个通用的同步/异步收发器(USART)独立的波特率发生器,IrDA 红外调制/解调 支持硬件握手信号,支持RS485 支持全功能的调制解调器信号 主/从串行外设接口(SPI)8到16 位可编程的数据长度,4 个片选线 一个3 通道的16位定时器/计数器(TC)一个4 通道的16位PWM 控制器(PWMC)一个两线接口(TWI)一个8 通道的10位模数转换器 IEEE 1149.1 JTAG边界扫描支持 5V兼容的I/O,包括4 个高达16 mA 的大电流驱动I/O 电源 片上1.8V 电压调节器,可以为内核及外部元件提供高达100 mA的电流 为I/O 口线提供电源的3.3
15、V VDDIO,以及独立的为Flash供电的3.3V VDDFLASH 内核电源为1.8V VDDCORE,并具有掉电检测(BoD)功能 全静态操作:极限条件下(1.65V,85C)高达55 MHz 封装为64 脚的LQFP方框图封装和引脚排列AT91SAM7S64 的封装为64 脚的LQFP典型的电源连接图ARM7TDMI 内核调试和测试特点 集成的片上仿真器 两个观察点(watchpoint)单元 通过JTAG 协议访问测试访问端口 IEEE1149.1 JTAG边界扫描处理器结构存储器控制器 总线仲裁 处理来自ARM7和外设数据控制器的请求 3个1M 字节的片内存储区 一个256M 字节
16、的片内外设区 对齐(alignment)检测 重映射(Remap)命令外设数据控制器 处理外设与存储器之间的数据传输 11个通道 每个USART 有两个 调试单元有一个 串行同步控制器(SSC)有两个 SPI 有两个 模数转换器有一个 低的总线仲裁开销“下一个指针”管理减少了中断时间外设外设功能在PIO口线上的复用ARM 在C语言级的应用1、C的优点结构化的语言与CPU类型无关系统升级 及移植简单库函数支持更容易实现你的想法代码足够优化 2、C编译器及集成开发环境选择ADS/IAR/KEIL-C CARM/REALVIEW/GNU C 3、安装及操作使用工程建立,源文件添加,调试4、运行一个小
17、程序如 C=A+B;解释C的优点,介绍嵌入式ARM系统软件的重点、难点。2无输出结果,与系统机应用的不同,不同系统有不同硬件设计,需了解硬件资源AT91SAM7S64的硬件资源面向应用介绍硬件资源,包括硬件说明、功能寄存器使用。结合软件例程和PDF文档,内容较多,无法记忆,重点在会用。并行输入/输出控制器(PIO)反分解由简入难详解编写程序,软件仿真测试PIO,看PIO的软件接口(功能寄存器)的几种使用方法如何变成嵌入式系统上能运行能看到结果的程序?3JTAG调试及下载H-JTAG的使用KEIL 的基于不同目的的编译调试配置KEIL与H-JTAG接口KEIL下的JTAG调试程序如何下载到芯片脱
18、机运行挺麻烦,自己去弄是个难点,花费数周是很正常的,好在有弄好的,弊端是自己印象不深实际应用不应使用延时,多任务调度的基础就是要有个硬件的节拍定时器(TICK TIMER),也是实时操作系统的基础周期性间隔定时器(PIT)4实例看PIT的使用、中断的使用、多任务调度的实现到目前为止,我们已了解了嵌入式应用特点、ARM的结构、集成开发环境、嵌入式C语言的简单编程、简单的输入输出、JTAG调试下载、多任务调度等,为更好的了解掌握ARM应用,必须针对一款具体的嵌入式应用实验板,来分析、讲解、操作。先介绍所用实验板的电路原理。PC机 ARMAT917S64CPLD VGA 显示控制 KEILH-JTA
19、G显存128K 并口下载线 VGA 显示器232/485SPIFLASH汉字库液晶显示键盘/鼠标低通滤波PWM出AD入实验板原理框图ARM实验板总电路原理图处理器及外围电路5JTAG下载线电路USB接口电路485接口电路键盘鼠标接口电路RS232接口电路电源电路VGA接口电路VGA控制电路765432106400 1 2-7980480R/G/B各80*480=38400Bytes 红 0-38399 绿40960-79359蓝 819200-120319 61LV1024 128K RAMARM与VGA控制器接口普通I/O模拟A/D总线的方式,对显存进行读写A/D总线复用,共13根线AD_L
20、O 0-7 8根线,为8位数据线和低八位地址线,ARM端口为PA19-26AD_HI 0-4 5根线,为复用的地址线8-12和13-16,以及地址自动加1控制,ARM端口为PA27-313根控制线 AD_LE 地址0-12锁存,WR_STB 读写触发,WR_STAT 读写状态在PA19-31先送低13位地址,AD_LE给一个锁存脉冲,将低13位地址保存到EPLD,再送8位数据和高4位地址,确定读/写(WR_STAT 0:写 1:读),再送读写触发脉冲(WR_STB),完成一个字节的读写操作.在读写脉冲触发时,若AD_H4为1,则完成本次读写后,低13位地址自动加一,可用于连续的读写,不必再写低
21、13位地址.显示测试程序演示根据硬件原理逐条解释显示程序改变程序及参数看显示结果下载到芯片中运行看门狗的使用1/(32768/128/(212)=16S 减到0 复位鼠标接口Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0Byte1 Y OV X OVY Sign X SignAlways1Middle BtnRight Btn Left BtnByte2 X MovementByte3 Y MovementByte4 Z Movement中的、分别表示左、右、中键的状态,状态值表示释放,表示按下。和分别表示轴和轴方向的移动计量值,是二进制补码值。的低四位表示滚轮的移动计量值,
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