2010-第1章嵌入式概述-01.ppt

曲鳳娟,1,嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ),李建義 Email: 公共郵箱： student_ 密碼 ： student_ljy,The future is Embedded, embedded is the future,2,課程簡介,總學(xué)時48學(xué)時，其中實驗12學(xué)時（6次），1-12周。 課程性質(zhì)：考試課 實驗安排：實驗分三組進行。 第一組：1班+2班=43人 第二組：3班+5班=43人 第三組：4班+6班=42人 每個班選一個嵌入式基礎(chǔ)組長（課代表） 答疑時間：每周三下午4：00-5：30，周四2：00-4：00 地點：計算機應(yīng)用教研室、科研室、嵌入式機房,3,課程目標,理解Arm體系結(jié)構(gòu) 熟悉Arm集成開發(fā)環(huán)境：ADS1.2 掌握Arm系統(tǒng)編程技術(shù)（C語言與匯編語言的互相調(diào)用） 熟悉S3C2440微處理器,學(xué)會閱讀數(shù)據(jù)手冊。 熟悉S3C2440的外圍接口：存儲器、I/O接口、串口編程、中斷、定時器、LCD控制器等。 后續(xù)課程：嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序開發(fā),4,參考資料,范圣一，ARM原理與嵌入式系統(tǒng)實戰(zhàn)，機械工業(yè)出版社 ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，杜春雷，清華大學(xué)出版社 ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解，李駒光 Arm公司電子手冊 ARM Architecture Reference Manual ARM Program Tecgniques ARM ADS隨帶各種手冊 /documentation/,5,第1章 概述,1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介 1.2 嵌入式系統(tǒng)組成 1.3 嵌入式系統(tǒng)與PC機 1.4 嵌入式系統(tǒng)研發(fā)過程及ADS開發(fā)環(huán)境 小結(jié),6,1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介,1. 嵌入式系統(tǒng)的定義 2. 嵌入式系統(tǒng)的特點 3. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,7,1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義,1.“嵌入式系統(tǒng)”的全稱應(yīng)為“嵌入式計算機系統(tǒng)” 2.“嵌入”是指將一物“置入”另一物中 3. “嵌入式系統(tǒng)”是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng),8,后PC時代-豐富的嵌入式產(chǎn)品市場,9,典型例子 手機,10,典型例子 PDA,11,1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點,1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的 2.技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng) 3.硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計 4.產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期 5.軟件一般都固化,12,1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點,6.不具備自舉開發(fā)能力，需要開發(fā)工具和交叉開發(fā)環(huán)境 硬件開發(fā)工具：仿真器等 ；其它（示波器等）。 軟件開發(fā)工具：編譯、連接、定位軟件；常使用C語言；調(diào)試軟件。,13,1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,包括工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測和機器人。 ARM技術(shù)的IP核在下列領(lǐng)域已取得了很大成功： 無線設(shè)備無線設(shè)備（手機等）和PDA一類的無線設(shè)備中都采用了嵌入式技術(shù)。 消費電子在數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機等應(yīng)用廣泛。 汽車包括駕駛、安全和車載娛樂等各種功能在內(nèi)的設(shè)備采用五、六個微處理器統(tǒng)一實現(xiàn)。 家用方面數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設(shè)備的核心。,14,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域示意圖,嵌入式應(yīng)用,信息家電,智能玩具,軍事電子,通信設(shè)備,移動存貯,工控設(shè)備,智能儀表,汽車電子,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,消費電子,軍事國防,電子商務(wù),網(wǎng)絡(luò),工業(yè)控制,goReader Internet eBook,Samsung AnyWeb Internet Screen Phone,eRemote Intelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital Album Digital Photo Album,一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例,16,家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設(shè)備的核心。,16,17,家庭智能管理系統(tǒng):社區(qū)建筑的水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，遠程點菜器等。,17,18,社會發(fā)展方面：嵌入式Internet應(yīng)用,18,19,汽車電子產(chǎn)品（18個嵌入式控制模塊）CAN總線網(wǎng)絡(luò),VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò),嵌入式應(yīng)用汽車電子,19,20,2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡，數(shù)十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體。,反恐防暴,21,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用舉例,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用舉例,21,22,事實上，嵌入式技術(shù)無處不在,計算機技術(shù)也開始進入一個被稱為后PC技術(shù)的春天。 嵌入式系統(tǒng)雖然是未來計算機科學(xué)的最重要成員，但它并不能作為通用計算機的替代物。原因就是它的專用性。比如資源有限（存儲能力、運算能力和I/O資源），沒有非常友好的人機交互界面等。,23,1.2 嵌入式系統(tǒng)組成,1.硬件組成 2.軟件組成 3.舉例,24,存儲器,嵌入式處理器,外圍接口,輸出設(shè)備,軟件,輸入設(shè)備,主要有LCD 顯示和語音輸出,硬件單元,按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（Read Only Memory）和隨機存儲器RAM（Random Access Memory）,主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE 1394總線等等,硬件組成 （1）硬件模塊及功能,是嵌入式系統(tǒng)的核心，負責控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行?？梢允俏⑻幚砥?、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC,嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤,包括嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件,25,26,（2）常用嵌入式處理器,ARM PowerPC MIPS Xscale DSP X86,27,2.軟件組成 （1）軟件層次與功能,位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應(yīng)用程序接口的事實，向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序，同時也使應(yīng)用程序具有跨平臺的特性。,有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作,支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件, 是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器Browser等,運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能，因系統(tǒng)不同而不同，是整個系統(tǒng)功能的體現(xiàn)。一個嵌入式系統(tǒng)可簡單到?jīng)]有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應(yīng)用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。,28,（2）常見的嵌入式操作系統(tǒng),LINUX: 開源，由很多體積小性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成；網(wǎng)絡(luò)功能強大，支持多文件系統(tǒng)；硬件支持廣泛；非實時；占用較多存儲器；圖形界面和集成開發(fā)環(huán)境有待提高 WINCE: 部分開源，良好的圖形界面。多線程，多任務(wù)，內(nèi)核200KB以上，非實時 uCOSII：實時，可移植、可固化、可裁剪、可剝奪型多任務(wù)內(nèi)核。,29,VxWorks: 實時，可靠性高，系統(tǒng)開銷小，系統(tǒng)共用程序精煉有效，延遲很短。使用最廣，支持多種處理器，大多數(shù)API專有。 Nucleus: 實時，購買Licenses得源碼，免產(chǎn)品版稅，不用寫B(tài)SP。 QNX：實時,30,3.嵌入式系統(tǒng)組成舉例,（1）交通燈模擬系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)：嵌入式處理器存儲器LED接口 軟件系統(tǒng)：硬件初始化程序交通燈應(yīng)用程序 （2）遠程監(jiān)控系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)：嵌入式處理器存儲器語音模塊各類傳感器GPRS模塊報警裝置接口 軟件系統(tǒng)：引導(dǎo)程序嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核文件系統(tǒng)各個應(yīng)用程序,1.3 嵌入式系統(tǒng)與PC機,1.硬件,2.軟件,33,3.嵌入式軟件開發(fā)與PC機軟件開發(fā)的差異,程序編譯和執(zhí)行處于不同的兩個平臺 輸入及輸出界面不同 可利用的資源有限 經(jīng)常與硬件打交道,34,問題：如何設(shè)計嵌入式系統(tǒng)？,如何選擇硬件？ 選擇多快的CPU？多大的內(nèi)存？ 如何滿足任務(wù)的實時性要求？ 通過更快的硬件還是改善軟件？成本如何估算？ 如何最小化功耗需求？ 關(guān)掉不必要的邏輯單元？減少內(nèi)存訪問的次數(shù)？ 設(shè)計出的產(chǎn)品是否可以正常工作？ 需求規(guī)定是否正確？ 實現(xiàn)是否滿足需求規(guī)定？ 如何測試滿足實時性要求？,35,1.4 嵌入式系統(tǒng)研發(fā)過程及ADS開發(fā)環(huán)境,1.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法 2.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程 3.ADS開發(fā)環(huán)境,36,1.4.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法,需求 功能要求：作為輸入輸出的函數(shù) 非功能要求 性能、成本、功耗 物理尺寸 規(guī)格說明（做什么） 需求細化 概念性規(guī)格說明 詳細的規(guī)格說明 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計（如何做） 軟硬件構(gòu)件 系統(tǒng)集成,37,1.4.2 系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程（1）,第一步：功能與需求分析 確定整個系統(tǒng)功能和構(gòu)架 根據(jù)需求選擇所需軟、硬件平臺 第二步：設(shè)計硬件平臺 芯片選擇 原理圖制作 PCB制作、電路板焊接 第三步：開發(fā)環(huán)境選擇 開發(fā)平臺、編譯器、連接器、定位器或是由軟件廠商提供的整合開發(fā)環(huán)境 (IDE) 其他問題，如： 宿主機與目標機連接通訊(一般是RS232) 鏡像文件(image)下載,C,編譯器,目的文件,連接器,可重定位器程序,定位器,可執(zhí)行文件,C,編譯器,目的文件,目的文件,編譯器,匯編語言,編譯器：交叉編譯器（Cross Compiler）,定位器：重新定位（Relocation）,39,1.4.2 系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程（2）,第四步：軟件開發(fā) 嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 BootLoader的編寫 操作系統(tǒng)的移植 文件系統(tǒng)的移植 驅(qū)動程序編寫 應(yīng)用程序編寫,40,1.4.2 系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)流程（3）,第五步：調(diào)試，除錯（debug） 嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試較復(fù)雜 目標機通常沒有很好的顯示或輸出能力，不是直接在目標機上寫程序 一般來說還要由除錯硬件（邏輯分析儀，ICE）來進行，硬件昂貴 如果沒有很好的除錯環(huán)境，只能依靠人力和經(jīng)驗來作測試 第六步：燒寫程序,41,附： 交叉開發(fā)在通用計算機（宿主機）上編輯、編譯程序，生成目標平臺（目標機）上可運行的二進制代碼格式指令，最后再下載到目標平臺上運行調(diào)試的開發(fā)方式。,42,交叉開發(fā)示意圖,43,1.4.3 ADS開發(fā)環(huán)境,一、安裝ADS1.2 1. 運行ADS1.2下的setup.exe. 2. 運行到選擇setup type時，選擇custom- Next-Select Components 對話框. 3. 在Select Components 對話框下，取消Application Library選項. 4. 做完上述設(shè)置后，一直按Next或,一直到ARM License Wizard 對話框,選擇Cancel鍵 - Finish ，完成安裝. 5.最后Copy license.dat 文件. 將Licence_ads1.2下的license.dat文件Copy到安裝目錄下的licenses子目錄下。,44,二、ARM Developer Suite 介 紹,ADS1.2發(fā)布于2001的12月份，是為嵌入式ARM設(shè)計的一整套軟件開發(fā)工具 從最初的軟件原型到最終優(yōu)化的ROM代碼。 支持的主機系統(tǒng) IBM compatible PCs with Windows 95, 98, 2000, ME or NT4 Sun workstations with Solaris 2.6, 2.7 or 2.8 HP workstations with HPUX 10.20, 11 Red Hat Linux 6.2 & 7.1,45,1. ADS開發(fā)環(huán)境介紹,支持最新的ARM內(nèi)核 支持V5TEJ體系結(jié)構(gòu) ARM926EJ-S, ARM9EJ-S, VFPv2 ARMulator仿真執(zhí)行Java bytecode Bytecode顯示 Jazelle 狀態(tài) 主機系統(tǒng)可支持Red Hat Linux (6.2 and 7.1) 庫管理器可合并各種庫 譯器同時輸出匯編碼和目標碼,46,1. ADS開發(fā)環(huán)境介紹,ANSI C 編譯器 - armcc and tcc ISO / Embedded C+ 編譯器 - armcpp and tcpp ARM / Thumb 匯編器 - armasm Linker - armlink Windows 集成開發(fā)環(huán)境 - CodeWarrior Debugger - AXD 格式轉(zhuǎn)換器 - fromelf,47,1. ADS開發(fā)環(huán)境介紹,庫管理器 - armar C and C+ 庫 指令級仿真 - ARMulator 同時包含 ARM Firmware Suite ARM Application Library RealMonitor,48,2. 使用ADS建立工程,運行ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境。選擇FileNew菜單，在對話框中選擇Project，如圖11所示，新建一個工程文件。圖中示例的工程名為Exp6.mcp。點set按鈕可為該工程選擇路徑如圖所示，選中CreatFolder選項后將以圖12中的ProjectName或圖中的文件名為名創(chuàng)建目錄，這樣可以將所有與該工程相關(guān)的文件放到該工程目錄下，便于管理工程。 若設(shè)置模板，則在圖11中工程模板列表中會列出。也可選擇ARM Executable Image通用模板。,49,圖11,50,2. 使用ADS建立工程,圖12,51,2. 使用ADS建立工程,在新建的工程中，如圖1-3所示，選擇Debug版本，使用Edit | Debug Settings菜單對Debug版本進行參數(shù)設(shè)置。,圖13,52,2. 使用ADS建立工程,在Debug Settings對話框中選擇Target Settings項，如圖1-4所示。在Post-linker一欄中選擇ARM fromELF。,圖14,53,2. 使用ADS建立工程,對于2440，在Debug Settings對話框中選擇ARM Linker項，如圖1-5。在Output選項卡的Simple image框中設(shè)置連接的Read-Only（只讀）和Read-Write（讀寫）地址。地址0x30000000是開發(fā)板上SDRAM的真實地址，是由系統(tǒng)的硬件決定的；0x30200000指的是系統(tǒng)可讀寫的內(nèi)存地址。也就是說，在0x300000000x30200000之間是只讀區(qū)域，存放程序的代碼段，在 0x30200000開始是程序的數(shù)據(jù)段。,54,在Simple image 框中設(shè)置連接的Read-Only（只讀）和Read-Write（讀寫）地址。地址0x30000000是開發(fā)板上SDRAM 的真實地址，是由系統(tǒng)的硬件決定的。,55,2. 使用ADS建立工程,圖15,56,2. 使用ADS建立工程,如果選擇簡單的地址連接設(shè)置，在Debug Settings對話框中選擇ARM Linker項，如圖1-8。在Layout選項卡的Place at beginning of image框中設(shè)置程序的入口模塊。指定在生成的代碼中，程序是從2440init.s開始運行的。Object 設(shè)為2440init.o，section設(shè)為init。,57,圖18,58,2. 使用ADS建立工程,在Debug Settings對話框中選擇ARM fromELF項，如圖。在Output file name框中設(shè)置輸出文件名為system.bin，這就是要下載到開發(fā)板的嵌入式應(yīng)用程序文件。,59,圖19,60,2. 使用ADS建立工程,回到如圖1-10所示的工程窗口中，選擇Release版本，使用Edit | Release Settings菜單對Release版本進行參數(shù)設(shè)置。 參照前述各步在Release Settings對話框中設(shè)置Release版本的Post-linker、連接地址范圍、入口模塊和輸出文件。 DebugRel版本設(shè)置類似。,61,2. 使用ADS建立工程,圖110,62,2. 使用ADS建立工程,設(shè)置完成后，可以將該新建的空工程文件作為模板保存以便以后使用。將工程文件名改為2440 ARM Executable.mcp。然后在ADS1.2軟件安裝目錄下的Stationery目錄下新建名為2440 ARM Executable Image的模板目錄，再將剛設(shè)置完的2440 ARM Executable.mcp工程模板文件存放到該目錄下即可。這樣以后新建工程的時候如圖1-1所示就能看到以2440 ARM Executable Image為名字的模板了。,63,新建工程后，可以執(zhí)行菜單Project|Add Files把和工程相關(guān)的所有文件即除inti的所有文件加入到工程中。ADS1.2不能自動按文件類別對這些文件進行分類，需要的話用戶可以執(zhí)行菜單Project | Create Group創(chuàng)建文件組，然后分別將不同類的文件加入到不同的組，以方便管理。如圖1-11所示。更為簡單的辦法是，在新