1、嵌入式系统基础嵌入式系统基础 提提 要要嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域单片机的基本组成单片机的基本组成嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程什么是单片机什么是单片机单片机与嵌入式系统应用定义嵌入式系统是嵌入到对象体系内部的专用计算机系统。嵌入式系统的架构处理器处理器存储器存储器输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构p一般由四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统 用户应用程序n在设计简单的应用程序时在设计简单的应用程序时, ,可以不
2、使用操作系可以不使用操作系统统, ,但在设计较复杂的程序时但在设计较复杂的程序时, ,可能就需要一个可能就需要一个操作系统来管理和控制存储器、多任务和各种操作系统来管理和控制存储器、多任务和各种资源等资源等. .n实时嵌入式系统其最大特点就是程序的执行具实时嵌入式系统其最大特点就是程序的执行具有确定性。有确定性。C/OSC/OS和和C LinuxC Linux是广泛应用的实是广泛应用的实时嵌入式操作系统，而时嵌入式操作系统，而WindowsCE2.0WindowsCE2.0就是一个就是一个多任务分时系统。多任务分时系统。嵌入式系统软件平台嵌入式系统软件平台嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的
3、定义及体系结构嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域单片机的基本组成单片机的基本组成嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程什么是单片机什么是单片机Lecture2 Page 7微控制器开发技术Freescale and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. Freescale Semiconductor, Inc. 2005汽车电子汽车电子消
4、费电子消费电子工业控制工业控制网络应用网络应用无线通讯无线通讯应用场合Lecture2 Page 8微控制器开发技术汽车电子汽车电子n车身电子产品：接入与远程控制，车身控制，载荷控制n安全：气囊，ABS，半主动悬挂，电子助力，轮胎压力监控，电能转向nDIS：音响，语音控制，DISn车辆网络：LIN，CAN，蓝牙电话，声控n传动控制：发动机，传动控制，燃油喷射Lecture2 Page 9微控制器开发技术工业控制工业控制n楼宇控制：三表，电力线载波，语音控制，电梯n照明系统：荧光照明，固态照明n制造：机械手，现场总线，不间断电源n医疗器械：心电监护器械n零售终端： 磁卡读卡器，ATMn安全：指纹
5、识别，OCR，语音识别Lecture2 Page 10微控制器开发技术消费类电子消费类电子n家用电器：洗碗机，洗衣机，电视。n手持电子：蓝牙耳机，游戏机，PDAn娱乐产品：数码音乐，CD，DC，DVn计算机外围：LCD，Mouse，KeyboardLecture2 Page 11微控制器开发技术网络应用网络应用n路由器，IP电话，DSL调制解调器，n无线网关，接入设备，nATM交换机，n光纤路由产品，Lecture2 Page 12微控制器开发技术无线通讯无线通讯nBluetoothnWiFinZigbeenRFnGSM+CDMA+3GLecture2 Page 13微控制器开发技术Micro
6、controller Manufactures嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域单片机的基本组成单片机的基本组成嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程什么是单片机什么是单片机运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器存储器存储器微型计算机系统经典结构微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成:n微型计算机的应用形态可以分为：微型计算机的应用形态可以分为：n多板机（系统机）多板机（系统机） n单板机单板机 n单片机单片机这种计算这种计算机系统通机系统通常由常由多块多块印刷电路印刷电路板板制
7、成：制成： 主板显卡显卡声卡声卡存储器接口存储器接口网卡网卡输入输出接口输入输出接口内存条内存条CPU多板机多板机CPUCPU芯片芯片内存条内存条存储器接口存储器接口存储器芯片存储器芯片输入输出接口输入输出接口输入输出接口输入输出接口芯片芯片定时计数器定时计数器芯片芯片A/D、D/A芯片芯片 印刷电路板印刷电路板单板机单板机 单单 硅硅 晶晶 片片 CPU存储器存储器控制电路控制电路定时器定时器时钟电路时钟电路I / O口口一块芯片一块芯片体上集成了中央处理器体上集成了中央处理器CPU、随机存储器、随机存储器RAM、程序存储器程序存储器ROM或或EPROM、定时器计数器、中断控制、定时器计数器
8、、中断控制器以及串行和并行器以及串行和并行IO接口等功能部件，接口等功能部件，构成一个完整的构成一个完整的微型计算机。微型计算机。单片机单片机单片机就是单片机就是单片微型计算机单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)。n它从外观上看，与普通的集成电路或芯片毫无差别。与普通芯片不同的是，单片机芯片内集成了一般微机系统所具有的主要组成部件。n概括的讲：一块芯片就是一台计算机。 三种应用形态的比较三种应用形态的比较 ：n单板机单板机n单片机单片机n系统机（多板机）系统机（多板机）n1)系统机（桌面应用）属于系统机（桌面应用）属于通用通用计算机，主要计算机，主要用于用于数据
9、处理数据处理、办公自动化及辅助设计。、办公自动化及辅助设计。n2)2)单片机单片机（嵌入式应用）（嵌入式应用）属于属于专用专用计算机，主计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。设备、汽车及军事电子设备等系统。（1）体积小，重量轻；）体积小，重量轻；（2）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强；）可靠性高，运行速度快，抗干扰能力强；（3）控制功能强控制功能强，使用灵活，性价比高；，使用灵活，性价比高；（4）易扩展，易于开发；）易扩展，易于开发；（5）受集成度限制，片内存储器容量较小。）受集成度限制，片内存储器容量较
10、小。单片机是应单片机是应工业测控工业测控的需要而诞生的的需要而诞生的,它的结构与指令功能它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的都是按照工业控制要求设计的,故又称故又称单片微控制器。单片微控制器。MCU (Microcontroller Unit)。单片机特点：单片机特点：嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域单片机的基本组成单片机的基本组成嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程什么是单片机什么是单片机内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块CPU（
11、中央处理单元）（中央处理单元） 运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器存储器存储器nCPU（Central Processing Unit）n它是单片机的核心部件运算器控制器n运算器既是算术逻辑单元ALU（Arithmetic logic Unit)，n其功能是进行算术运算和逻辑运算。n主要负责对信息的加工处理。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。 n控制器是CPU的神经中枢n用于对指令进行解释，控制逻辑运算单元的运行，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。内部总线
12、CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块单片机工作支撑模块单片机工作支撑模块l电压调整器电压调整器l时钟时钟l复位发生模块复位发生模块l看门狗看门狗l时钟监视器等时钟监视器等内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块?数据存储器与程序存储器数据存储器与程序存储器n数据存储器（RAM：Random Access Memory ） 在单片机中，用随机存取的存储器（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所
13、以称之为数据存储器。n程序存储器（ROM：Read Only Memory ） 单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。n RAM的特点是可读也可写，但是断电后立即消失，所以，它只是用来暂存数据。nROM在单片机正常运行模式下，存储器是只能读不能写的。只有在特殊模式下，才能将程序写到ROM中。目前单片机中使用的只读存储器是Flash闪速存储器，简称闪存。n与其他存储器相比，与其他存储器相比，FlashFlash具有以下特点：具有以下特点：非易失。不同于SRAM和DRAM，Flash不需要任何数据刷新机制，也不需要
14、维持工作电压。可更新。在各种温度条件下，可擦写次数在10万次以上，存储数据可以保持10年以上。支持在线编程。允许单片机内部的程序去改写Flash。这一技术大大增加了单片机的应用范围和使用的方便性。内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块?通用通用I/O模块模块n所谓普通的I/O，即Input/Output基本的输入输出。n作为普通输入引脚，MCU内部程序可以读取该引脚，知道该引脚是“1”（高电平）还是“0”（低电平），即开关量输入。n作为普通输出引脚，MCU内部程序向该引脚输出“1”或“0”，即开关量输出
15、。n单片机上一般集成了多个I/O（Input/Output）接口n其中有通用并行I/O口（一般每口8个外部引脚）以及SCI、PWM、I2C、CAN等专用子系统。n复位后一般所有I/O引脚默认设置为通用I/O输入，当专用子系统激活后，自动变更为专用功能。 内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块?A/D和和D/A转换模块转换模块l单片机可处理的信息均是数字量1和0。l单片机应用中，有时需处理的信息不是数字量，而是一些随时间连续变化的模拟量（时间连续、幅值连续），甚至是一些非电量，如温度、压力等。首先将非电的
16、模拟信号变成模拟的电信号，这要通过各种传感器来完成。把要处理的模拟电量转换成数字化的电信号，这需要模拟(Analog)与数字(Digital)转换电路。l将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器。（A/D转换器或ADC，Analog to Digital Converter）lA/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。n将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（D/A转换器或DAC，Digital to Analog Converter）nD/A转换是把数字量转变成模拟量的器件。D/
17、A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。DA转换器AD转换器被控对象执行机构被控参数CPU内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块?串行通讯模块串行通讯模块n在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。 计算机1 GND 计算机2 GND并行通信 计算机1 GND 计算机2 GND发送接收串行通信n 串行通讯：一条信息的各位数据被串行通讯：一条信息的各位数据被逐位逐位按顺序传送的通讯按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。方式称为串行通讯。 并并 行行
18、 数数 据据 传传 送送串串 行行 数数 据据 传传 送送原原 理理各数据位同时传送各数据位同时传送数据位按位顺序进行数据位按位顺序进行优优 点点传送速度快、效率高传送速度快、效率高最少只需一根传输线即可完成：成本低最少只需一根传输线即可完成：成本低缺缺 点点数据位数数据位数传输线根数：成本高传输线根数：成本高速度慢速度慢应应 用用传送距离传送距离30米，用于计算机内部米，用于计算机内部几米几千公里，用于计算机与外设之间几米几千公里，用于计算机与外设之间内部总线CPU单片机工作支撑模块数据存储器程序存储器定时/计数器模块串行通讯接口A/D转换模块D/A转换模块通用I/O模块其他模块?定时器定时
19、器/计数器模块计数器模块n在测量控制系统中，常需要有实时时钟和计数器，在测量控制系统中，常需要有实时时钟和计数器，实现实现定时定时（或延时）控制（或延时）控制对外界事件进行对外界事件进行计数计数。n生活中计数的例程处处可见。例：录音机上的计数器、家里面用的电度表、汽车上的里程表等。n定时器计数器简称定时器，其作用主要包括产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等，是单片机中最常用、最基本的部件之一。 n单片机中的定时器和计数器是一个东西，只不过计数器是记录的外界发生的事情，而定时器则是由单片机供给一个非常稳定的计数源。n对外部输入信号的计数功能。n定时功能。定时器/计数器的定时功能也是通过计数实现
20、的，它的计数脉冲是由单片机的片内振荡器，即为对机器周期计数。脉宽调制（脉宽调制（PWM ）模块）模块nPWM（Pulse Width Modulate）即脉宽调制，脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。它在电动机驱动、D/A 变换等场合有着广泛的应用。周期指上图中的，占空比为t/，相位指高低电平。n通（on）的时候即是直流供电被加载到负载上，断（off）的时候即是供电被断开的时候。n许多类型的单片机包含PWM控制器n在智能车控制中，便利用PWM来控制电机 1. 机器语言用机器能够直接识别的二进制指令代码（即机器码或可执行的目标代码）编写的程序称为机器语言。 执行速度快不易
21、记忆，十分繁琐。用机器语言编写程序是极其困难的。 程序设计$86 $112. 汇编语言用机器指令系统的助记符（能反映指令特征和操作性质的英文单词或英文缩写），用符号代替操作数来编写的程序称为汇编语言程序。 用汇编语言编写的程序不仅执行速度快，又可以有效地利用机器本身的专有特性，从而提高机器的工作效率。 用汇编语言编写的程序由于面向机器，在一种机型上不能运行另一种机型的汇编程序，通用性差 。LDAA #$11 3. 高级语言用户不必了解具体机器结构，而是面向问题，如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C 等各种高级语言。 高级语言容易理解、学习和掌握，用户用高级语言编写程序就方便多了，可大大减少工作量。 但计算机执行时，必须将高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目标代码方能执行。这个“翻译”就是各种编译程序(Compiler) 或解释程序 (Interpreter)。 嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的定义及体系结构嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域单片机的基本组成单片机的基本组成嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程什么是单片机什么是单片机谢谢！谢谢！
