嵌入式系统设计与实例开发

1嵌入式系统设计与实例开发——ARM与LINUX第一讲引言南昌理工学院计算机系南昌理工学院计算机系21、掌握一种学习方法2、学习了解嵌入式技术研发的基本概念、方法和知识3、获得嵌入式开发设计实践经验4、获得学分希望大家有所收获3课程目的z本课程围绕基于ARM的微处理器和实时操作系统μC/OS，介绍了嵌入式系统前沿发展趋势，理解其设计方法，学会嵌入式编程技术。z课程采用讲课与实验相结合的方式。z着重培养学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌入式系统设计的基本方法。此外还增加了网络接口设计、嵌入式游戏开发等开放式实验，供基础较好的学生深入学习。z学生基础：是否学过C语言、微机原理或是单片机等4课程大纲（约24学时）课件题目课时数课件内容1．引言3嵌入式系统技术前沿、应用领域、发展趋势及相关领域研究成果2．嵌入式系统的基本知识3嵌入式系统的特点、分类、基本概念3．嵌入式实时操作系统6介绍主流实时操作系统，深入分析嵌入式实时操作系统μC/OS，包括系统结构、实时性及应用4．ARM微处理器体系结构3介绍主流硬件平台，详细介绍ARM微处理器的体系结构、功能及应用5．嵌入式系统的设计方法3以一个典型应用为例，介绍嵌入式系统设计的一般方法，6．嵌入式系统的硬件设计3介绍外围接口设计，以LCD、触摸屏为例，着重讲解人机交互接口设计7．嵌入式系统编程3介绍嵌入式软件的体系结构，着重讲解嵌入式GUI的编程方法8．嵌入式技术研讨3选择5-8名有嵌入式开发经验的学生做报告，师生点评，探讨。9．考试25实验大纲（约12学时）实验题目分类实验内容1、ARMSDT2.5开发环境介绍基本知识介绍嵌入式开发一般流程，并介绍开发过程中使用的软件和硬件的安装与调试，学生通过该实验可以了解和熟悉嵌入式的软硬件平台。2、开发基本的嵌入式应用程序基本知识通过一个最简单，最基本的嵌入式应用程序，介绍基本的嵌入式应用程序的开发方法。3、交通管制信号灯模拟实验——I/O接口基础技能通过模拟交通灯，掌握ARM中I/O接口的使用，以实现对外围设备开关量的控制。4、模拟电子画板实验——触摸屏应用基础技能通过在触摸屏上开发一个电子画板，掌握触摸屏的设计使用方法。5、ARM的图形界面设计实验——API绘图函数基础技能通过使用API函数，实现一个嵌入式用户图形界面。6、基于ARM的多通道仪表信号采集实验——多任务与A/D转换基础技能本实验用多任务模拟一个多通道的仪表信号采集器，根据优先程度的不同，对仪表信号进行监控。7、基于局域网的电子菜单设计综合应用设计一个基于局域网的电子点菜PDA，可以直接查看菜谱，进行实时点菜，所涉及技术点包括网络、触摸屏、LCD显示等。8、游戏图形界面的LCD控制与应用综合应用设计一个嵌入式游戏，如俄罗斯方块、贪吃蛇等注：1、实验1-6由学生根据自己情况选做，要求在课内12个学时内完成；2、实验7-8为大作业题目，要求在课外完成；61.王田苗主编.嵌入式系统设计及实例开发——ARM与μC/OS-Ⅱ（第二版）.北京：清华大学出版社，2003.92．（美）JeanJ.Labrosse,邵贝贝译.μC/OS-Ⅱ——源码公开的实时嵌入式操作系统.北京：中国电力出版社，2001.83.马忠梅等著.ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社参考资料7一、考核方式：平时作业（占10%）+大作业（占40%）+笔试（50%）z平时作业：2-3次，1次书面作业，1-2次实验报告；z大作业（大实验）：每两人一组，在嵌入式实验系统上设计一个小游戏，如搬运工、贪吃蛇、俄罗斯方块等，最后提交设计说明书，实验源代码；z笔试：占50%；二、评分标准：百分制考核方式和评分标准8您预期的收获通过本门课程的学习，你将获得以下知识：z提高C语言编程能力（期望值：★★★）z学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：★★）z了解嵌入式软件开发流程（期望值：★）z掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：★★）z独立或合作开发出嵌入式游戏（期望值：★★★）z掌握嵌入式软件编程（期望值：★★★）z掌握硬件设计知识（期望值：★★★★）z学会操作系统移植（期望值：★★★★）z成为嵌入式系统设计高手（期望值：★★★★★）9本节提要111333222555444为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域10一、为什么要学习嵌入式技术z市场需求－中国具有世界最大嵌入式技术市场，将成为世界第一，手持仪器设备、信息家电、城市建设、工业控制、军事应用，……，嵌入式技术无处不在。z企业人才需求－软硬件设计人才，应用开发人才，综合性人才，……z技术发展趋势要求－8位、16位、32位，实时操作系统，……11z美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。z嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，它正在成为信息技术（IT）产业争夺的重点之一。z每年只有10%-20%的计算机芯片用于台式机或笔记本电脑等，这就意味着每年有10-0亿块CPU是为嵌入式系统设计制造的：每年有超过1万个新的嵌入式系统计划产生。z未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。z据说，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。嵌入式技术正在形成一种产业12z它们被广泛地应用到工业控制系统、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。zPDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，作为企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等z自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。z尤其是在最近几年，嵌入式设备不断地进入到新的应用领域，比如PDA、手持设备、AutoPC、智能电话和机项盒（STB）等。嵌入式技术正在形成一种产业13z在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。z北京数字电视，凤凰数字卫视，高清晰、互动点播、机顶盒。z在中国有8000万有线电视网用户，1亿以上的有线电话网用户，为其发展提供了巨大市场。z针对如此巨大的市场，嵌入式系统的研发和生产也给我国信息产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。嵌入式技术正在形成一种产业14z据国外某研究机构的统计，1999年，嵌入式操作系统全球产值3.62亿美元，比1998年的3.05亿美元增长了18.7%。而另一研究机构则预计，从1997年到2001年，嵌入式系统市场将以年均240％的速度增长，2001年的市场规模将达到317亿美元z再从手持设备市场来看，2000年的全球产销量为1290万部，而到2004年时预计将为6340万部。z据预测，2001年中国信息家电市场将达到500亿-700亿元，2004年有望达到3500亿-5000亿元。z目前，嵌入式操作系统的品种较多，一年前的统计显示，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有40种左右。嵌入式系统市场分析15z高级酒店，电话、TV、INTERNET、PLAY、EMAIL、KEY、无线集成；美国正在启动一项计划，网络无线介入平台z飞机的电子设备，巴黎、东京、汉城等城市地铁买票系统z电子菜单、日本数码相机等；z未来超市购买东西不排队，施乐Xerox公司于70年代初开始实施其无纸办公室的计划，首先开发了自动付款机系统。它设想要求超市中的每件商品都有一个存贮商品价钱的芯片。当商品小推车经过记帐。当信用卡“扫过”时，就给出清单，这样记账时就不用排队了。z医疗电子病历、手持医疗仪器、德国血压仪、举例说明16z通讯行业：华为、中兴、大唐、……z国内IT业：联想、同方、方正、……z外资企业：微软、IBM、GE、……z工业领域：Siemens、ABB、研华、……z国内中小型高新技术企业社会对嵌入式系统设计人才的迫切需求17z嵌入式系统设计是一门综合性的课程，涉及涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，综合性强，可包括微机原理、单片机设计、操作系统等课程内容。嵌入式系统是软件、硬件设计的完美结合。z理论与实践相结合：实践是嵌入式系统课程的重要环节，缺乏实践的嵌入式系统课程是纸上谈兵。z通过嵌入式系统课程学习，可提升嵌入式系统设计的专业知识和实际设计能力。z知识的积累是与精力和时间的付出成正比的，要成为高手和专家，就需要不断的努力。z学无止境。对提高专业知识和实践能力大有帮助18本节提要111333222555444为什么要学习嵌入式系统嵌入式系统的定义、特点及架构嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统与单片机、PC的区别嵌入式系统的应用领域19二、嵌入式系统的定义、特点与体系结构嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备消费电子军事国防电子商务网络工业控制20嵌入式系统的应用领域21zPDA可视电话z机器人SONY机器狗嵌入式系统的应用领域22IEEE定义根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。23一般定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”24z嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级z系统级：各种类型的工控器、PC104模块z板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品z片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品微机学会的定义25嵌入式系统的几个重要特征（1）系统内核小z由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。z比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。26（２）专用性强z嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。z即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。z同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。27（３）系统精简z嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。28（４）高实时性OSz这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。29（5）嵌入式软件开发走向标准化z嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。z为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。30（6）嵌入式系统需要开发工具和环境z由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。z这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。z开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。31嵌入式系统的架构处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件结构硬件结构32嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器