嵌入式技术基础与实践第1章 概述

《嵌入式技术基础与实践》第一章概述主要内容嵌入式系统的含义与发展历史嵌入式系统常用术语嵌入式系统开发方法导引嵌入式系统的特点与学习建议《嵌入式技术基础与实践》1.1嵌入式系统的含义与发展历史1.1.1嵌入式系统与单片机（1）嵌入式系统的由来计算机产生：因科学家需要一个高速的计算工具而产生。计算机应用领域的发展：数字计算→逻辑运算与推理→信息处理→通信→工业控制→家用电器……嵌入式系统（EmbeddedSystem）含义：面向测控对象，嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。《嵌入式技术基础与实践》（2）单片机的含义单片机（MicrocontrollerUnit，MCU）是单片微型计算机的简称，也称之为微控制器或嵌入式计算机(Embeddedcomputer)，即在一块芯片上集成了中央处理单元(CPU)、存储器(RAM/ROM等)、定时器/计数器及多种输入输出(I/O)接口的比较完整的数字处理系统。《嵌入式技术基础与实践》目前典型的MCU内部框图MCU内部总线（控制总线、数据总线、地址总线）CPURAMFlash存储器A/D转换接口工作支撑模块定时器接口串行通信接口其他I/O模块……一个典型的MCU内部框图《嵌入式技术基础与实践》嵌入式系统通常有4种：①工控机；②通用CPU模块；③嵌入式微处理器（EmbeddedProcessor）；④嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller，即单片机，简称MCU），它是最典型的、最广泛的嵌入式系统。（3）MCU与嵌入式系统的关系《嵌入式技术基础与实践》1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCUF8，开创了MCU的初级阶段。1978年，Zilog公司推出Z8MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的基础上，推出了MCS-51，它使MCU的应用跃上了一个新台阶。Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器，在1979年开始生产MCUMC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系列。二十世纪九十年代是MCU制造业大发展时期，这个时期的Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等一批企业开发一批性能优越的MCU，极大地推动了MCU的应用。目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低价格化；③外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断地扩大。1.1.2MCU的发展简史1.1.3MCU在我国的应用与教学简况二十世纪八十年代前后，单片机在我国开始应用，各理工科院校陆续开设了有关课程。在教学及应用上，Zilog公司生产的Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。二十世纪八十年代末至九十年代初，我国的工业控制领域开始转向使用Intel公司生产的MCS-51。从1999年开始，Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列，已经对我国的单片机应用产生积极的影响。本书即以HC08系列单片机及HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。《嵌入式技术基础与实践》1.2嵌入式系统常用术语1.2.1与硬件相关的术语封装：封住集成电路所用的塑料、金属或陶瓷包装。常用的封装形式可分为通孔封装和贴片封装两大类。通孔封装有：单列直插(SIP)、双列直插(DIP)、Z字型直插式(ZIP)等。贴片封装主要有：小外形封装(SOP)、紧缩小外形封装(SSOP)、四方扁平封装(QFP)、薄方封装(LQFP)等。印刷电路板(PCB，Printedcircuitboard)：印刷电路板是组装电子元件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。它的主要功能是提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘；为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。《嵌入式技术基础与实践》1.2.1与硬件相关的术语动态可读写随机存储器(DRAM，DynamicRandomAccessMemory)：静态可读写随机存储器(SRAM，StaticRandomAccessMemory)：只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)：ROM有固定ROM、可编程ROM(PROM)和可擦除ROM(EPROM)三种。闪速存储器(FlashMemory)：是一种快速的E2PROM。模拟信号：时间连续、数值也连续的物理量，如温度、压力、流量等。数字信号：是一种二值信号，用两个电平（来表示两个逻辑值)。《嵌入式技术基础与实践》1.2.2与通信相关的术语并行通信：将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。数据的各位同时由源到达目的地。适合近距离、高速通信。常用有4位、8位、16位、32位等同时传输串行通信：数据在单线上按时间先后一位一位地传送，其优点是节省传输线，但是数据传送速度较慢。在嵌入式系统中，串行通信一词一般特指用串行通信接口SCI（SerialCommunicationInterface）与RS232芯片连接的通信方式。I2C、USB等也是串行通信，但它们有专用名词。串行外设接口(SPI，SerialPeripheralInterface)I2C(InterIntegratedCircuit)：I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接MCU及其外围设备。《嵌入式技术基础与实践》通用串行总线(USB，UniversalSerialBus)控制器局域网(CAN，ControlAreaNetwork)：它是一种全数字、全开放的现场总线控制网络。背景调试模式(BDM，BackgroundDebugMode)：背景调试模式是Freescale半导体公司提出的一种调试接口，开创了片上集成调试资源的趋势。边界扫描测试协议(JTAG，JointTestActionGroup)：该协议由国际联合测试行动组开发，提供一种串行扫描路径。JTAG能获取芯片寄存器等内容，或者测试遵守IEEE规范的器件之间引脚连接情况。《嵌入式技术基础与实践》1.2.3与功能模块相关的术语普通输入/输出(GPIO，GeneralPurposeI/O)A/D与D/A：A/D转换模块的功能是将电压信号转换为对应的数字信号。D/A转换则是将数字信号转换为电压信号。脉冲宽度调制器(PWM，PulseWidthModulator)：PWM是一个D/A转换器，可以产生一个高电平和低电平之间重复交替的输出信号，这个信号就是PWM信号。看门狗(WatchDog)：为防止程序跑飞而设计的一种自动定时器。当程序跑飞时，由于无法正常执行清看门狗定时器，定时器会溢出使系统程序复位。液晶显示(LCD，LiquidCrystalDispaly)发光二极管(LED，LightEmittingDiode)《嵌入式技术基础与实践》中断：指中央处理器CPU正在处理某件事情的时候，外部发生了某一事件，请求CPU迅速去处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完后，再回到原来中断的地方，继续原来的工作，这样的过程称为中断。实时操作系统RTOS(RealTimeOperatingSystem)：指的是一种操作环境，运行于嵌入式系统上，并在可预测的时间间隔内，程序能对特定的事件做出反应。中断服务程序：响应特定中断而运行的一段程序。这段程序所在的地址称为中断向量。µC/OS-II：是一个可移植和可裁剪的抢占式多任务实时操作系统，并且开放源代码，在嵌入式系统中得到广泛的应用。临界区(CriticalSection)：RTOS中使用的一个术语，它是指一段必须按次序执行的代码，并且不能被中断，否则程序有可能无法正常运行。1.2.4与嵌入式软件相关的术语《嵌入式技术基础与实践》1.3嵌入式系统开发方法导引1.3.1嵌入式产品的一般构成一个以MCU为核心的比较复杂嵌入式产品或实际嵌入式应用系统，包含模拟量的输入、模拟量的输出，开关量的输入、开关量的输出及数据通信的部分。《嵌入式技术基础与实践》嵌入式应用系统框图放大器：将微弱电信号放大成MCU可接受的电信号传感器：将实际物理信号转换为微弱电信号实际模拟信号MCUD/A转换接口I/0接口A/D转换接口将实际开关信号转换成MCU可接受的电信号实际开关信号模拟量驱动机构：将MCU送出的信号放大模拟量执行机构通信接口开关量驱动机构：将MCU送出的信号放大开关量执行机构通信信号匹配电路其他通信设备图1-2一个典型的嵌入式应用系统框图MCU工作支撑电路其他输入信号其他输出信号《嵌入式技术基础与实践》1．基本输入/输出分析2．MCU的选择3．选择评估系统并对与MCU相关的硬件进行初步评估4．设计并制作硬件系统5．进行硬件系统的模块测试6．软件系统设计7．系统测试8．进一步工作1.3.2嵌入式产品的一般开发方法1.4嵌入式系统的特点与学习建议1.4.1嵌入式系统的特点认识嵌入式系统的特点有助于学习嵌入式系统。嵌入式系统最主要特点是软件与硬件的结合，只有充分认识这个特点，才能学好嵌入式系统。1．嵌入式系统资源受限嵌入式系统通常专用于某一特定应用领域，其硬件资源不会像普通计算机一样丰富，MCU的处理能力也比不上通用CPU。2．嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法嵌入式系统不像通用计算机那样有了计算机就可以进行应用开发。其芯片本身不具备开发功能，必须要有一套与该MCU相配套的开发工具和开发软件。3．嵌入式系统要求较高可靠性和稳定性嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，与产品关系密切，升级换代也是和具体产品同步进行。而应用于一些关键性产品的嵌入式系统要求具有很高的可靠性和稳定性。《嵌入式技术基础与实践》4．嵌入式系统有实时约束嵌入式系统有比较严格的实时性要求，对于外部事件的发生要能够及时的响应。5．嵌入式系统通常极其关注成本在大多数情况下，需要注意的成本是系统成本。如果使用高集成度的微控制器，就能节省许多印刷电路板面积，并能使用功率更小的电源，从而节约相当多的成本。6．嵌入式系统大多要求低功耗许多嵌入式系统往往工作时间比较长，但是又无法像通用计算机那样有充足的电源供应，低功耗方式就成为嵌入式系统解决这对矛盾的有效途径。7．嵌入式系统专用性很强嵌入式系统通常是用在特定应用领域，如嵌入在手机、电冰箱、空调、各种机械设备、智能仪器仪表中起核心作用，功能是专用的。8．嵌入式系统技术含量高嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。其产品技术含量高，涉及多种学科，不容易开发，因此也不容易形成技术垄断。9．嵌入式系统具有很长生命周期嵌入式系统比通用计算机系统生命周期长，升级换代比通用计算机慢。1.4.2嵌入式系统的学习建议首先，要明确为什么要学习以MCU为核心的嵌入式应用技术。针对读者不同的学习目的，学习嵌入式系统的方法和侧重点略有不同。对于在校学生，学习嵌入式应用技术，主要以书本知识为主，理解嵌入式系统的原理和基本编程方式，为将来的学习和发展打好基础。其次，学习以MCU为核心的嵌入式应用技术，要选择入门的机型。MCU种类繁多，应用于各行各业，在应用中需要设计者对各种MCU都有所了解，以便确定最佳的性能价格比。本书选择Freescale公司HC08/S08系列的MCU。第三，MCU指令系统不大，特别是关键字不多，学习时，在了解基本性能的前提下，可先把关键字及其含义记住，这样，在以后的学习中可起到事半功倍的效果。《嵌入式技术基础与实践》第四，学习以MCU为核心的嵌入式应用技术，一定要勤于实践。必须通过实践，理解MCU原理，掌握基本的编程规范与方法，才能学会设计应用系统。第五，学习以MCU为核心的嵌入式应用技术，必须与输入输