嵌入式系统硬件组成

嵌入式系统第2课嵌入式系统硬件组成回顾本课程教学要求嵌入式系统应用领域嵌入式系统概念嵌入式系统发展历程嵌入式系统构成要素1.嵌入式系统的定义与特点？2.单片机、嵌入式系统、通用计算机系统三者之间的关系如何？3.嵌入式系统的一般组成结构有哪些？嵌入式系统：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”“嵌入性”-必须满足对象系统的环境要求“专用性”-软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。“计算机系统”-是能满足对象系统控制要求的计算机系统，必须配置有与对象系统相适应的接口电路。回顾1.嵌入式系统的定义与特点？2.单片机、嵌入式系统、通用计算机系统三者之间的关系如何？3.嵌入式系统的一般组成结构有哪些？通用计算机系统需要支持大量的、需求多样的应用程序，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。嵌入式计算机系统的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。单片机可以理解成嵌入式系统的低端应用回顾1.嵌入式系统的定义与特点？2.单片机、嵌入式系统、通用计算机系统三者之间的关系如何？3.嵌入式系统的一般组成结构有哪些？嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四个部分组成。外围硬件嵌入式处理器操作系统应用程序软件部分硬件部分开发环境编译下载和调试回顾课前提问1.嵌入式系统和一般的计算机系统在硬件组成结构上有哪些异同之处？2.什么是嵌入式最小系统？一般常见的最小系统由哪些部分组成？3.嵌入式系统常见的扩展部件有哪些？提纲嵌入式系统组成原理嵌入式最小系统嵌入式系统扩展2.1嵌入式系统组成原理计算机系统的一般运行原理嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同嵌入式系统硬件结构2.1.1计算机系统的一般运行原理ROMRAMCPU寄存器运算器控制器地址总线数据总线2.1.1计算机系统的一般运行原理ROMRAMCPU寄存器运算器控制器地址总线数据总线•控制器的功能是控制处理器，如取指令、译码、执行指令、读写内存等；•运算器主要是在处理器的内部完成运算（算术运算、位运算）操作，一般只和寄存器打交道；•寄存器为处理器提供内部的临时存储空间，它是处理器和内存的媒介。2.1.1计算机系统的一般运行原理ROMRAMCPU寄存器运算器控制器地址总线数据总线CPU对内存的两种基本操作：•取指令•读写内存2.1.1计算机系统的一般运行原理ROMRAMCPU寄存器运算器控制器地址总线数据总线指令数据（只读）内存地址数据（读写）指令和数据的概念，只有处理器才会去做区分。对于内存而言，并不会区分指令还是数据，只是在相应的位置（也就是内存的地址）放入的二进制的代码。2.1.1计算机系统的一般运行原理处理器地址空间ROMIO映射RAM0x0PC程序计数器程序计数器在系统复位后，指向的内容是内存的某一个点区域，处理器从该处的内存依次取出指令，然后译码、执行。处理器在执行完一条指令之后，将自动将程序计数器寄存器的内容增加一个单位，然后根据其地址自动执行下一条指令。指令操作一般包括：•读写内存（处理器操作内存）•处理寄存器中的数据（处理器不操作内存）•跳转到某个位置执行指令（给PC赋值）•上述操作的组合2.1.1计算机系统的一般运行原理处理器地址空间ROMIO映射RAM0x0PC程序计数器处理器将所有的内存映射到自己的地址空间中。对于实际内存（RAM和ROM等）的映射比较简单，即为根据地址总线和片选信号为一定大小的内存分配一个固定的地址区域，在操作的时候使用区域地址+内存内部地址来操作内存的每一个位置。冯·诺依曼体系内存结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系内存结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据各种体系结构处理器的差别处理器每次执行的指令的长度（1、2、4或者8字节）；处理器指令可以完成的功能；处理器执行一条指令所占用的时间单位；指令系统是RISC还是CISC；处理器可访问的地址空间大小；处理器IO端口使用单独的空间，还是使用内存的地址空间（x86处理器一般为前者）；处理器是否具有流水线等。小结计算机系统由处理器、内存、总线等主要部件组成。处理器对内存的基本操作包括读取指令和读写数据。指令操作的基本操作包括读写内存，处理寄存器中的数据，跳转到某个位置执行指令。处理器所能访问的地址空间包括：只读存储器、随机存储器、IO端口、处理器特殊功能寄存器的地址映射。2.1.2嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有以下的特点：集成度高非标准化接口非常复杂嵌入式系统的非标准化使得嵌入式的硬件工程师有了更大的发挥空间，同时也要求嵌入式工程师需要拥有较高的专业素质。2.1.2嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有以下的特点：集成度高非标准化接口非常复杂•有多种接口选择：I2C、SPI、蓝牙、红外、CAN总线等等。•嵌入式系统的设计者只有具备了广泛的知识，才能选择出最合适的硬件，设计出性价比最高的系统。2.1.3嵌入式系统的硬件结构桌面计算机系统中，CPU具有总线功能，但不包括其他的设备，一些构建系统基本的部件由主板的芯片组提供。一些外部的设备（如串口、定时器、中断控制器）可能做在南桥中，而内存控制器、显示接口（AGP）常由北桥完成。嵌入式系统中处理器的集成度大都很高。一些基本的设备如通用可编程输入输出端口（GPIO）、定时器、中断控制器，通常都集成在处理器当中。一些嵌入式处理器甚至包含内存，只需要在外部扩展简单的电路，就可以组成系统。注意！在嵌入式系统中，对于处理器没有集成、但是系统需要的部件，也可以通过外部扩展的方式实现。但是本着嵌入式系统设计中性价比最高的原则，应该首先选择最适用（即内部功能模块最满足应用需求）的处理器，而不是确定了一个控制器之后再进行扩展。2.1.3嵌入式系统的硬件结构嵌入式系统硬件结构的特点：以嵌入式处理器为核心，集成度高。嵌入式系统的组成结构：处理器（内核+片内外设）+内存+外围硬件+辅助设备。2.1.3嵌入式系统的硬件结构嵌入式处理器总线内部设备（GPIO、定时器、中断控制器）CPU总线控制器供电模块SRAM\SDRAM\FLASH网络\USB\AD,DA等GPIO扩展模块外围硬件时钟模块带有总线扩展的嵌入式处理器的系统构建方式比较灵活！2.1.3嵌入式系统的硬件结构嵌入式处理器内部设备（GPIO、定时器、中断控制器）CPU供电模块片内SRAM\FLASHGPIO扩展模块外围硬件时钟模块无总线扩展的嵌入式处理器的系统适用于集成度要求比较高的应用！嵌入式系统硬件结构的多样性和复杂性，也决定了嵌入式系统的工程师比通用计算机的工程师要更多地关注硬件的设计。小结嵌入式系统和一般的计算机系统类似，也是由CPU、内存、IO端口、总线等几个部分组成。在嵌入式系统中，一些基本的设备（如GPIO、定时器、中断控制器）一般都是集成在处理器之中的。嵌入式的处理器带有外部总线的时候，可以在总线上扩展内存（如SRAM、FLASH等），还可以扩展类似内存的部件（可以映射到内存空间），如网络芯片、USB芯片、A/D、D/A等。提纲嵌入式系统组成原理嵌入式最小系统嵌入式系统扩展2.2嵌入式最小系统嵌入式最小系统的作用嵌入式最小系统的组成JTAG接口在最小系统中的应用实际的嵌入式最小系统2.2.1嵌入式最小系统的作用嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。最小系统是构建嵌入式系统的的第一步，保证嵌入式处理器可以运作。然后才可以逐步增加系统的功能，如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统。2.2.2嵌入式最小系统的组成在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器对于任何一个计算机系统，处理器都是整个系统的核心，整个系统式靠处理器的指令工作起来的。2.2.2嵌入式最小系统的组成在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存一个嵌入式处理器的运行，其指令必须放入一定的存储空间内，运行的时候也需要空间来存储临时的数据，因此内存也是必不可少的。2.2.2嵌入式最小系统的组成在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟处理器的运行时需要时钟周期的，一般来说处理器在一个或者几个周期内执行一条指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提供一定频率，处理器使用该频率的时候可能还需要进行倍频处理。2.2.2嵌入式最小系统的组成在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：处理器内存时钟电源和复位电源是为处理器提供能源的部件，在嵌入式系统中一般使用直流电源；复位电路连接处理器的引脚，实现通过外部电平让处理器复位的目的。如何将指令代码放入到内存中？传统最小系统构建方式主机(PC)嵌入式系统处理器ROM\FlashRAM电源ROM\Flash时钟烧写传统最小系统构建方式如果要更改程序，需将上述整个过程重复一遍。尤其连接存储器和处理器的过程非常复杂，可能需要重做整个系统！2.2.3JTAG接口在最小系统中的应用调试与测试接口原不是系统运行必须的，但现代系统设计越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也越来越受到重视。目前高级的嵌入式处理器中，内置有JTAG调试接口，即联合测试行动小组（JointTestActionGroup）接口，可以控制芯片的运行并获取内部信息，为下载和调试程序提供了很大的方便。对于具有JTAG接口的处理器，可以将其与主机(PC)连接起来，通过JTAG将主机中的程序载入到嵌入式系统的内存中。2.2.3JTAG接口在最小系统中的应用使用JTAG的最小系统构建方式主机（PC）嵌入式系统处理器ROM\FlashRAM电源时钟JTAG并口下载烧写调试使用JTAG的时候可以将程序直接载入到目标机的RAM中，然后直接运行。因此ROM/FLASH在最小系统中已不是必须的了。小结在嵌入式系统的开发中，最小系统起着至关重要的作用。构建一个嵌入式系统，首先要让系统的核心——嵌入式处理器运作起来，然后再逐步增加系统的功能，最终形成符合需求的完整系统。嵌入式最小系统的组成，包括处理器、内存、时钟、电源和复位。为了能够支持程序的下载和调试，一般还需要在最小系统中添加对JTAG接口的支持。嵌入式最小系统框图嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)可选，因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据存储器可选，但是在样品阶段通常都会设计这部分电路2.2.4实际的嵌入式最小系统我们的实验平台：EasyARM2103开发板1.处理器LPC2103微控制器基于ARM7TDMI-SCPU内核。支持ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。ARM7TDMI-S支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM7TDMI的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说编程模型与ARM7TDMI一致；1.处理器2103PACK板：与EasyARM2103底板配套应用，含有核心控制芯片LPC2103及其必要外围电路的PACK板。2.内存（片内资源）1MB512KB64KB32KB256KB128KB64KB32KB16KB8KB片内SRAM0KB4KB2KB16KB8KBLPC2136LPC2146LPC2103LPC2131LPC2141LPC2101LPC2102LPC2105LPC2106LPC2888片内FlashLPC2101LPC2102LPC2103LPC21