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1.1 嵌入式系统组成
12-11-13    奋斗的小年轻
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嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础,软、硬件可剪裁,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。本书共6章:第1章介绍几种嵌入式处理器,包括8051单片机、AVR单片机、A...立即去当当网订购

嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件模块、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几个层次组成。在设计嵌入式系统时,应根据嵌入式系统的规模、速度、功能特点等性能要求选择合适的嵌入式处理器,根据功能需求选择必需的硬件模块,根据系统的复杂程度决定是否需要移植嵌入式操作系统,根据应用需求设计嵌入式软件。

1.嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部分,可以分为4类:嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit,EMPU)、微控制器(MicroController Unit,MCU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)及片上系统(System on Chip,SoC)。

(1)嵌入式微处理器

嵌入式微处理器由通用计算机的中央处理器演变而来,它只保留和嵌入式应用相关的主要功能,大幅减小系统的体积,并在功耗、工作温度范围、抗电磁干扰、可靠性等方面做了较大优化,以满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS系列等。

(2)微控制器

微控制器即单片机,它基于某种微处理器内核,在片内整合了计算机系统的各个部分,如总线、总线控制逻辑、I/O、串行口、ROM/EPROM、RAM、Flash、EEPROM、定时器/计数器、“看门狗”、脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)输出、模/数转换(A/D)、数/模转换(D/A)等。各大微控制器设计厂商都提出了自己的产品系列,比较有代表性的包括8051、MCS-96/196、AVR、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。嵌入式微控制器占据了约70%的市场份额。

(3)数字信号处理器

数字信号处理器在系统结构和指令方面进行了特殊设计,特别适合于执行DSP算法,在数字滤波、FFT、谱分析等方面得到大量应用。典型的DSP包括德州仪器公司设计的TMS320系列、摩托罗拉公司的DSP56000系列、英飞凌公司的TriCore等。

(4)片上系统

随着超大规模集成(Very Large Scale Integration,VLSI)电路技术的发展,工程师可以在一个芯片上集成更多的晶体管,设计单片的复杂系统已经成为可能,这就是片上系统技术,它将一个完整的嵌入式系统设计在一个芯片上,使得嵌入式系统的规模、体积进一步缩减,功能进一步增强,留给系统设计者的工作量进一步减小,系统运行可靠性和效率进一步提高。SoC的典型产品包括ARM系列芯片,片内集成了极其丰富的硬件资源,系统设计者只需配置少量的外围硬件,就可形成完整的嵌入式系统。德州仪器公司的CC2430处理器是SoC的另一个杰出代表,芯片内部集成了一个8051处理器内核,以及一个高效的2.4GHz无线收发模块,并集成了ZigBee协议栈,向用户提供模块化编程接口,可以直接用于无线网络应用中,大幅缩短开发周期。

2.外围硬件模块

嵌入式系统的外围硬件模块视具体应用目的不同而不同,通常包括以下几类:

(1)电源

嵌入式系统的电源可采用两种方式设计。对于位置固定的设备来说,可以直接从工频电源取电,经降压、整流、滤波、稳压后使用。对于附近没有供电线路的设备,以及手持式嵌入式设备,则可采用电池供电模式。

(2)输入电路

这部分的功能是将外界信息转换成为二进制信息,并输入计算机。典型模块包括按键、鼠标、触摸屏、拨码开关等。

(3)输出电路

这部分的功能是将计算机内部的二进制信息转换为人能够接受的形式并输出。典型模块包括LED、LCD、蜂鸣器等。

(4)接口电路

这部分的功能是提供设备间的通信接口,完成数据传送。典型模块包括USB接口、PS/2接口、串口、IDE接口、红外接口、1394接口、CF卡接口、网络接口、CAN总线接口、RS422接口、RS485接口等。各种接口功能由处理器内部或外部的控制器实现,用户需读/写控制器完成通信传输功能。

(5)存储电路

这部分的功能是完成信息存储,包括永久性存储器以及易失性存储器。典型模块包括ROM、EPROM、EEPROM、Flash等。Flash存储器的应用越来越广泛,目前的处理器内部一般都集成了较大容量的Flash,用于存储程序和需要永久保存的数据,当片内Flash容量不够时,可在外围电路中扩展Flash。

(6)其他硬件逻辑电路

例如,A/D转换电路、电动机驱动电路、时钟日期生成电路等。

3.嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是系统软件,一般固化在Flash存储器中。常见的嵌入式操作系统有Linux、uCLinux、PalmOS、Symbian、eCos、μC/OS II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX、Rtems、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive等。智能手机和平板电脑近来发展迅速,运行于其上的Android、iOS、Windows Phone等嵌入式操作系统正在成为应用热点。

(1)VxWorks操作系统

VxWorks由美国风河公司设计,是一款优秀的强实时性嵌入式操作系统,可靠性高,内核可裁剪至很小。在北美地区,VxWorks占据了嵌入式操作系统的大部分市场,美国的“勇气”号火星车即使用VxWorks。VxWorks及相关开发工具的价格很高,小型公司往往难以承受。

(2)嵌入式Linux操作系统

由于具有开源、免费、可移植性好的特点,使Linux操作系统不但可以应用于服务器、PC,还可应用于嵌入式设备。Linux操作系统经过修改后有各种变体,适用于不同环境,如Android系统即基于Linux内核。学习嵌入式Linux要注重3个方面:Linux移植、Linux驱动设计,以及Linux内核裁剪和优化。

(3)μC/OS II

μC/OS II规模较小、结构简单、源码公开,适合初学者学习,很多国内高校以其为代表来开设嵌入式操作系统课程。μC/OS II运行可靠,已经通过美国宇航局认证。

(4)Android

Android是开源操作系统,以Linux内核为基础,由Andy Rubin开发,最初主要支持手机,后由Google公司收购,逐渐扩展到平板电脑等设备上。2011年第一季度,Android的市场份额首次超过塞班系统,跃居全球第一。2012年2月,Android占据全球智能手机操作系统市场52.5%的份额。

(5)iOS

iOS是由苹果公司设计的手持设备操作系统,属于类UNIX操作系统,最初发布于2007年,专为iPhone使用,后来陆续发布到iPod touch、iPad等苹果公司的系列产品中。根据Canalys的数据显示,2011年11月,iOS已经占据了全球智能手机系统市场份额的30%,美国的市场占有率为43%。

(6)Windows Phone

Windows Phone是微软公司的手机操作系统,正式发布于2010年,被诺基亚等手机厂商支持,在办公软件、电子邮件、网络浏览器等方面有较好表现,是Android与iOS的主要竞争对手。

(7)FreeRTOS

FreeRTOS是完全免费的轻量级操作系统,具有源码公开、可移植、可裁剪、调度策略灵活的特点,可以方便地移植到各种嵌入式处理器。FreeRTOS提供包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等在内的各种功能,可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS的突出特点是结构简单、清晰,支持多种处理器,适于作为例子来分析嵌入式操作系统的原理、移植和设计。

4.嵌入式应用软件

嵌入式系统的应用软件是实现应用功能的关键,一般具有固态化存储、高质量、高可靠、高实时等特点。由于应用软件设计随需求不同而不同,此处不再赘述。

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