单片机原理与嵌入式系统设计——原理、应用、protues仿

教学资源下载与上传地址,单片机原理与嵌入式系统设计原理、应用、Protues仿真、实验设计,http:/www.hxedu.com.cn/hxedu/bookDetail?bid=G0140830,书 代 号：G0140830 作 译 者：张齐 出版日期：2011-08 定 价：￥39.0元 出 版 社：电子工业出版社 I S B N：9787121140839 丛 书 名：电子信息科学与工程类专业规划教材 责任编辑：王羽佳 适用对象： 研究生本科教育>工学>电气信息类>电气工程及其自动化,第1章 单片机与嵌入式系统概述,本章阐述嵌入式系统的定义、组成、概念、特点和分类；介绍嵌入式处理器的分类和选择方法，嵌入式操作系统的特点与分类，基于单片机的嵌入式系统，常用的单片机系列。,1.1 现代计算机的技术发展史,1.2 嵌入式系统的定义与特点,1.3 嵌入式处理器,1.4 嵌入式操作系统,1.5 基于单片机的嵌入式系统,本章主要内容,1.6 单片机的分类和技术指标,1.7 常用的单片机系列,1.8 单片机嵌入式系统的应用领域,1.9 单片机嵌入式系统的发展趋势,1.1 现代计算机的技术发展史,电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊机房中的、实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代微处理器的出现，计算机才发生了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机（简称微型机）以其小型、价廉、高可靠性的特点，迅速走出机房。基于高速数值计算能力的微型机所表现出的智能化水平，引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。,始于微型计算机时代的嵌入式应用,大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统,无人驾驶飞机自动导航系统,工业自动化控制系统,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。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，称为嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型计算机时代，嵌入式系统的嵌入性本质，是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。,始于微型计算机时代的嵌入式应用,诞生于微型计算机时代的嵌入式系统有哪些特点？,现代计算机技术的两大分支,通用计算机系统,嵌入式计算机系统,技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。,技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。,通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初计算机技术的飞速发展。,1.2 嵌入式系统的定义与特点,嵌入式系统的定义,IEEE（美国电气和电子工程师协会）的定义是：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。,国内最常见、最通用的一个定义是：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。,嵌入式系统组成,嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成的。,现实中的嵌入式系统,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,嵌入式系统中的有关概念,1嵌入式处理器,2实时操作系统,3分时操作系统,4多任务操作系统,5实时操作系统中的重要概念,6实时操作系统的工作状态,嵌入式系统的特点,嵌入式系统是嵌入式硬件与嵌入式软件两者的综合体，其主要特点包括：,嵌入式系统通常极其关注成本,嵌入式系统通常对实时性有要求,嵌入式系统一般采用EOS或RTOS,嵌入式系统软件故障造成的后果较通用计算机更为严重,嵌入式系统多为低功耗系统,嵌入式系统经常在极端恶劣的环境下运行,嵌入式系统通常在ROM中存放所有程序的目标代码,嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构,嵌入式系统需要专用开发工具和方法进行设计,嵌入式处理器包含专用调试电路,嵌入式系统的种类与发展,按形态：设备级、板级、芯片级。,按应用：工业应用和消费电子。,注意：嵌入式处理器 嵌入式系统,1.3 嵌入式处理器,嵌入式系统由嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统组成。嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器。,图1.2 嵌入式硬件系统,1.3 嵌入式处理器,嵌入式处理器按字长宽度,4位、8位、16位、32位和64位。,按系统集成度划分,通用型微处理器，单片机或单芯片微控制器。,1.3 嵌入式处理器,根据用途来分类,1嵌入式微处理器MPU（Micro Processor Unit）,2嵌入式微控制器MCU（Micro Controller Unit）,3嵌入式数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）,4嵌入式片上系统SoC（System on Chip）,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。,嵌入式DSP处理器,DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。 嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。,嵌入式片上系统(SOC),随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。,在当今嵌入式技术领域，微处理器（MPU）和微控制器（MCU）形成了各具特色的两个分支。与微处理器（MPU）以运算性能和速度为特征的飞速发展不同，微控制器（MCU）则是以其控制功能的不断完善为发展标志的。它们互相区别，但又互相融合、互相促进。 值得注意的是，在嵌入式系统领域中的微处理器和微控制器的划分界限并非十分严格，MPU内部也集成了具有控制功能的大量片上外围器件，同样MCU也不只局限于8位与16位的单片机，32位和64位的高性能的单片机也不断推出。,微处理器（MPU）& 微控制器（MCU）,如何选择嵌入式处理器,嵌入式系统通常是为专门执行某项任务而设计和开发的，其功能范围狭窄。设计时需要进行高度优化，必须为这些设计选择适合的处理器。选择处理器的一般原则如下：,1低成本和供货,2低功耗,3恰当的处理能力,4支持合适的嵌入式操作系统,5与原有产品的兼容,6编程语言的限制,7上市时间,1.4 嵌入式操作系统,操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。,操作系统概述,1.4 嵌入式操作系统,操作系统概述,监 控 程 序,操 作 系 统,实时操作系统,分时操作系统,多道批处理操作系统,时 间 先 后,实时操作系统是我们介绍的重点,1.4 嵌入式操作系统,嵌入式操作系统特点, 可装卸性 强实时性 统一的接口 操作方便、简单 提供强大的网络功能 强稳定性，弱交互性 固化代码： 更好的硬件适应性,基本概念,实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。,实时操作系统（RTOS）,1.4 嵌入式操作系统,基本概念,多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如25的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。,