嵌入式程序设计ch1-嵌入式系统概论

嵌入式系统设计

这个系列整理郭建老师的课件

前言

教材：

• 嵌入式系统设计基础及应用——基于ARM Cortex-M4微处理器，北京：清华大学出版社，2022

•嵌入式系统设计实验教程，北京：清华大学出版社, 2022

参考教材：

•Marilyn Wolf . 嵌入式计算系统设计原理.第四版. 北京: 机械工业出版社, 2018

主要内容

•嵌入式系统的基础知识

•硬件部分

​ –微处理器体系结构及指令系统

​ –总线技术

​ –存储器系统

​ –I/O 接口

​ –32位RISC微处理器ARM cortex M4

​ –ARM cortex M4的输入输出设备接口

•软件部分

​ –程序设计与分析

​ –嵌入式实时操作系统

​ –嵌入式系统调试、测试与验证方法

​ –……

•多核嵌入式微处理器

嵌入式系统概念

•IEEE：

​ –Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants.

•Wolf:

​ –any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer.

•Microsoft

​ –An embedded system is any computer system or computing device that performs a dedicated function or is designed for use with a specific embedded software application

民用嵌入式设备或产品

无人机，智能家居，机顶盒，数字示波器，智能机，可视电话，单反相机

嵌入式系统高端应用的产品

战斗机，无人驾驶，机器人，巡航导弹，坦克，玉兔月球车

学习方法

•嵌入式的特点学习。

​ –动手，做一个简单的设备，如：电子时钟。

​ –具有自学能力。

​ •会看硬件的说明书

​ •C++或C编写过应用程序

​ •编写基于某种CPU（如ARM）的程序：代码裸奔

---

我们把类似51单片机或者DSP上面跑的没有操作系统的程序叫做“代码裸奔”。因为有的时候，比如我们编写一个简单的程序，就只需要点几个LED检测几个按钮的状态，那么“代码裸奔”弄一个while(1)的死循环就足够了，杀鸡何必用牛刀。 编写这种裸奔的代码，也是学习嵌入式的必由之路，因为，你将会用C语言去对寄存器写控制字，这就是以后写驱动程序的基础呀。 另外需要说明的是，从概念上说，“代码裸奔”也已经属于嵌入式开发的范畴。

---

​ •到了最后一个阶段，开始找一个方向（mcos、Linux、VxWorks、WindowsCE、Palm等 等），学习基于操作系统的嵌入式开发了。

第一章 嵌入式系统概论

一. 嵌入式系统概念

嵌入式实例：

手机：

汽车电子：

高端的汽车中包含100 多个微处理器, 低端的汽车也至少用20多个微处理器

​ 4-bit 微处理器用于检查安全带是否系上

​ 微控制器控制面板系统,

​ 16/32-bit 微处理器控制引擎

防抱死制动系统(ABS): 反复制动减少打滑

自动稳定控制系统(ASC+T): 控制引擎以改善其稳定性

航天航空:

上述示例特点：

🔷专用目的

​ 🔷软硬件为特定应用而设计

​ 🔷实时

嵌入式系统定义

​ IEEE：用于控制、监视或者辅助操作机器或设备的装置

​ 通用的定义：在产品内部，具有特定功能的计算机系统。

​ 通用计算机不是嵌入式设备，但可用于嵌入式设备的开发

嵌入式系统分类

​ 实时（硬实时）：超过时限将产生不可接收的结果，如机毁人亡、系统崩溃

​ 非实时（软实时）：超过时限，可能会影响性能，但不会带来灾难性后果

嵌入式系统特点

​ 🔷专用性强

​ 🔷资源受限

许多嵌入式系统受市场约束需要低的制造成本.

低内存, 低端处理器等.

​ 🔷知识集成度高

运行复杂的算法和多个算法.

​ 移动设备, 激光打印机.

​ 提供复杂的用户界面.

​ 🔷高实时性

在规定的时限内数据没有准备好，将中断

在规定的时限内没有获得数据，将会不安全

多速率操作.（例如多媒体数据流包括视频和音频）

​ 运行多个实时动作

​ 以不同的速率执行

​ 🔷高可靠性

许多嵌入式系统工作在遥远、无人值守及恶劣环境

二.嵌入式系统组成

嵌入式系统：

硬件–包括核心处理器以及外围器件组成

软件–包括固件、操作系统、中间件和应用程序

嵌入式微处理器

特点

🔷处理速度快

🔷功耗低

​ 不仅要求低功耗，还需具有管理外设功耗的能力

🔷接口丰富，I/O能力强

🔷可靠性高，经常工作在无人值守的环境

🔷生命周期长

​ 应用需求比较稳定，长时间内不发生变化

🔷产品系列化

​ 呈现出系列化、家族化的特征

分类

🔷指令集特点：

​ 复杂指令集处理器（CISC）和精简指令集处理器（RISC）

🔷处理器字长：

​ 4位、8位、16位、32位和64位处理器

🔷内部总线结构和功能特点：

​ 冯.劳伊曼结构（Von Neumann ）

​ 哈佛结构（Harvard）

组成

🔷内核：运算和控制单元、总线、存储管理单元及异常管理单元

🔷片内存储资源，集成高速RAM，有些MCU 和 SOC 内置 ROM 或 Flash ROM

🔷外设：外设控制器、通信、人机交互、信号I/O

🔷电源：正常电压、耐受电压范围、最大电流

🔷封装形式：尺寸、外形、引脚方式

三.嵌入式系统设计

嵌入式操作系统分类

由应用对系统响应时限的要求划分

🔷实时操作系统（RTOS）

​ 必须在限定的时间内完成任务调度和任务执行

​ 任务调度时间和稳定性有非常严格的要求

​ 分类

​ 硬实时（Hard real time）: 错过deadline会造成失败，或造成重大损失俄 eg：汽车刹车控制

​ 软实时（Soft real time）: 错过deadline会导致性能的降低. eg：DVD播放画面延迟

示例：FreeRTOS，UCOS，RTX，RT-Thread，DJYOS等

🔷非实时操作系统

示例：Linux、Android、iOS、VxWorks、Free RTOS、LiteOS、uC/OS等。

特点

🔷内核小

​ 系统资源相对有限，内核通常小于传统操作系统的内核

🔷可裁剪性

​ 有很强的个性化特征

🔷操作系统与系统硬件结合非常紧密

​ 需要做有针对性的裁剪

🔷实时多任务调度，多速率操作

​ 运行多个实时动作

​ 以不同的速率执行

嵌入式系统设计方法

Top-down 设计

开始于最抽象的描述，直到最细节

Bottom-up 设计

开始于小的组件，到大系统

需求分析

功能性需求：系统的基本功能

非功能性需求：性能：速度、计算时间，成本，物理尺寸、重量，功耗，可靠性

传统开发过程

评价：直接简单，有缺陷，依赖于开发者的经验，硬软件设计过程独立，彼此缺少交互，性能对软硬件分别优化，难以整体提高系统性能

软硬件协同设计

评价：软硬件设计作为一个整体考虑，从系统需求出发，综合分析系统软硬件功能及现有资源，软硬件功能划分，确定系统架构，实现软硬件协同验证，使得系统运行在最优工作状态。

分析：系统描述是设计者借助 EDA工具及一种或多种语言（systemVerilog），系统设计分为软硬件功能划分和系统映射两个阶段，综合实现是软件、硬件系统的具体实现过程，经过仿真验证后，按照系统设计的要求开发

嵌入式系统软件调试环境

采用“宿主机/目标板”模式：

–宿主机（ PC）上良好的开发和调试程序

–交叉编译环境生成目标代码和执行文件

–程序下载固化到目标机上

开发实例分析（GPS 移动地图的设计）：

需求：

功能: 针对高速上的用户，显示道路和其它地标.

用户界面: 400 x 600 屏幕. 三个控制按钮.

性能: 地图平滑移动，显示在1秒中出现，核查位置在15秒内出现.

成本: 400元 零售价.

物理尺寸/重量: 适合手掌.

功耗: 四节AA电池供电8小时.

列出需求表

	GPS 移动地图需求表
名称	GPS移动地图
目标	驾驶使用的用户级地图
输入	一个电源按钮，2个控制按钮
输出	背光400*600像素的LCD（液晶）显示屏
功能	使用5个接收器的GPS系统；三个用户可选的分辨率；总是显示当前的经纬度
性能	在位置变动后的0.25s内更新屏幕
制造成本	200元
功率	100mW
物理尺寸和重量	不超过2英寸´ 6英寸，12盎司（1英寸=0.0254米；1盎司=28.3495克）

系统描述：

🔷对系统更精确的描述

​ -不应隐含具体的功能

​ -为结构设计过程提供输入

🔷包括功能和非功能元素

🔷可用执行或数学的形式来描述

GPS 系统描述

从GPS中接收到的数据; 地图数据; 用户界面; 满足用户需求的必须操作; 保持系统运行所需的后备动作

系统设计：

🔷主要的组件满足规格说明

🔷软硬件划分

​ 硬件组件

​ CPUs, 外设等

🔷软件组件

​ 主要的程序和它们的操作

🔷必须考虑功能和非功能性的需求

软硬件综合实现

在开始写代码之前要构造系统

​ 🔷有些组件是已经构造好的

​ 🔷有些可以对已经存在的设计进行修改

​ 🔷其它的需要从头设计

系统仿真验证

🔷得到可运行的系统

🔷仿真验证

​ 发现bugs——非常困难

​ 调试工具少

​ 有些不正确的工作很难修复

四.嵌入式系统发展

早期历史

• 设想作为一种控制飞机模拟器的装置.
• 体积庞大
• 从构件到系统的完整设计上是适应实时嵌入式计算的需求

Intel4004 用于计算器中

汽车基于微处理器的引擎控制系统的设计开始于70年代.

• 控制燃料/气体混合、活塞花点火时间等.
• 多模式操作：叫醒模式、导航模式、爬坡模式等.
• 提供低排放、高效燃油.

现代物联网和人工智能是是嵌入式系统应用的重要领域

微处理器变化

• 微控制器：包括 I/O设备, 板上存储.
• 微处理器：由计算机的CPU发展而来
• 数字信号处理(DSP): 微处理器在数字信号处理能力上的优化.
• 典型的嵌入式字的大小: 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit.
• 语言：汇编语言到C语言等高级语言

五.小结

🔷嵌入式系统是具有特定（或专用）功能的计算机系统

🔷嵌入式系统是由软硬件组成，具有丰富的外设

🔷嵌入式系统开发采用软硬件协同设计方法

🔷今年来，嵌入式系统的复杂程度和性能呈爆炸式增长