嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

圖書目錄

第1章 嵌入式系統(tǒng)入門導(dǎo)引

1.1 嵌入式系統(tǒng)的含義與發(fā)展歷史

1.1.1 嵌入式系統(tǒng)與單片機

1.1.2 MCU的發(fā)展簡史

1.2 嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語

1.2.1 與硬件相關(guān)的術(shù)語

1.2.2 與通信相關(guān)的術(shù)語

1.2.3 與功能模塊相關(guān)的術(shù)語

1.2.4 與嵌入式軟件相關(guān)的術(shù)語

1.3 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法導(dǎo)引

1.3.1 嵌入式產(chǎn)品的一般構(gòu)成

1.3.2 嵌入式產(chǎn)品的一般開發(fā)方法

1.4 嵌入式系統(tǒng)的特點與學習建議

1.4.1 嵌入式系統(tǒng)的特點

1.4.2 嵌入式系統(tǒng)的學習建議

練習題

第2章 HCS12/HCS12X系列MCU簡介與MC9S12DG128的最小系統(tǒng)

2.1 HCS12系列MCU概述

2.1.1 HCS12系列MCU的命名規(guī)則

2.1.2 HCS12各子系列MCU簡介

2.2 HCS12X系列MCU概述

2.2.1 HCS12X系列MCU與HCS12系列MCU的主要差異

2.2.2 典型HCS12X系列MCU簡介

2.2.3 HCS12X系列MCU中的新增模塊簡介

2.3 MC9S12DG128 MCU及其最小系統(tǒng)

2.3.1 MCU性能概述

2.3.2 運行模式

2.3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖、引腳圖及引腳功能

2.3.4 MC9S12DG128 MCU的最小系統(tǒng)設(shè)計

2.4 MC9S12DG128的存儲器映像

2.5 MC9S12DG128 MCU的并行I/O接口

2.5.1 I/O接口的基本概念

2.5.2 A口、B口、E口和K口

2.5.3 H口、J口、M口、P口、S口和T口

2.5.4 其他I/O口

練習題

第3章 CPU12核

3.1 CPU12基本構(gòu)成

3.2 尋址方式

3.3 指令系統(tǒng)

3.3.1 數(shù)據(jù)傳送類指令

3.3.2 算術(shù)運算類指令

3.3.3 位操作類指令

3.3.4 移位類指令

3.3.5 程序控制類指令

3.3.6 模糊指令

3.3.7 其他指令

3.4 CPU12與CPU08的比較

3.5 CPU12匯編語言基礎(chǔ)

3.5.1 HCS12匯編源代碼格式

3.5.2 MT-IDE for HCS12開發(fā)環(huán)境中的匯編偽指令

3.5.3 Code Warrior for HCS12開發(fā)環(huán)境中的匯編偽指令

練習題

第4章 HCS12工程組織及第一個樣例程序

……

第5章 串行通信接口SCI

第6章 鍵盤、LED與LCD

第7章 SPI和I2C模塊及其應(yīng)用實例

第8章 A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換

第9章 定時器接口模塊

第10章 CAN總線及其應(yīng)用

第11章 Flash存儲器的在線編程

第12章 系統(tǒng)時鐘與其他功能模塊

第13章 μC/OS-Ⅱ在S12上的移植與應(yīng)用

第14章 基于UF32的USB 2.0應(yīng)用

附錄

參考文獻

嵌入式系統(tǒng)的定義:

以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的特點:

系統(tǒng)內(nèi)核小:嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多

專用性強:嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植

系統(tǒng)精簡:嵌入式系統(tǒng)一般不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于系統(tǒng)安全

實時性操作系統(tǒng):這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固化存儲，以提高速度，軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實時性

專用的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。

嵌入式系統(tǒng)的組成:

嵌入式操作系統(tǒng):

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程:

裸機開發(fā):對于功能簡單僅包括應(yīng)用程序的嵌入式系統(tǒng)一般不使用操作系統(tǒng)，僅有應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序

帶操作系統(tǒng)的開發(fā):當設(shè)計較復(fù)雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)(OS)來管理控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等，現(xiàn)代高 性能嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，操作系統(tǒng)使用成為必然發(fā)展趨勢

硬件開發(fā)--->啟動加載程序--->操作系統(tǒng)內(nèi)核--->根文件系統(tǒng)--->設(shè)備驅(qū)動--->應(yīng)用程序

通常基于linux系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)步驟:

開發(fā)目標硬件系統(tǒng):如選擇微處理器、Flash及其它外設(shè)等

建立交叉開發(fā)環(huán)境:安裝交叉編譯工具鏈、安裝開發(fā)調(diào)試工具

開發(fā)Bootloader:移植uboot，vivi

移植linux內(nèi)核:如linux2.6.31內(nèi)核

開發(fā)根文件系統(tǒng):CRAMFS，YAFFS

開發(fā)相關(guān)硬件的驅(qū)動程序:led,adc等驅(qū)動

開發(fā)上層的應(yīng)用程序:如QT GUI開發(fā)

一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成， 嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開;也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

(1)嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系或哈佛體系結(jié)構(gòu);指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)(Reduced Instruction Set Computer，RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC(Complex Instruction Set Computer，CISC)。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。

(2)存儲器

嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器，其存儲結(jié)構(gòu)如圖1-2所 示。

1>Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能的從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標就是:減小存儲器(如主存和輔助存儲器)給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。

在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

2>主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。

常用作主存的存儲器有:

ROM類 NOR Flash、EPROM和PROM等。

RAM類 SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中NOR Flash 憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

3>輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大、但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。

嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有:硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

(3)通用設(shè)備接口和I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備的或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設(shè)通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設(shè)的種類很多，可從一個簡單的串行通信設(shè)備到非常復(fù)雜的802.11無線設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設(shè)備接口有A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口)，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網(wǎng)接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現(xiàn)場總線)、SPI(串行外圍設(shè)備接口)和IrDA(紅外線接口)等。

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)或板級支持包(Board Support Package，BSP)，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。

硬件相關(guān)性:因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

操作系統(tǒng)相關(guān)性:不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作:嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。