嵌入式系统简介资料优秀PPT.ppt

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1、嵌入式系统简介第一章绪 论绪 论n n嵌入式系嵌入式系统统是指以是指以应应用用为为中心中心,以以计计算机技算机技术为术为基基础础,软软件硬件可裁剪件硬件可裁剪,适用于系适用于系统对统对功能、牢功能、牢靠性、成本、体靠性、成本、体积积和功耗和功耗严严格要求的格要求的专专用用计计算算机系机系统统。n n嵌入式系嵌入式系统统并不是最近出并不是最近出现现的新技的新技术术，只是随，只是随着微着微电电子技子技术术和和计计算机技算机技术术的的发发展，微限制芯展，微限制芯片功能越来越片功能越来越强强大。嵌入了微限制芯片的大。嵌入了微限制芯片的设备设备和系和系统统越来越多，从而使得越来越多，从而使得这这种技种技

2、术术越来越引越来越引人注目。人注目。绪 论n n嵌入式系嵌入式系统统可以可以说说是是无无处处不在。从不在。从简洁简洁的的电电子体温子体温计计到到飞飞机的机的自自动导动导航系航系统统都是典都是典型的微型的微处处理器嵌入式理器嵌入式限制的系限制的系统统。绪 论n n实时嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各行业的具体应用相结合的产物，这就确定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的学问集成系统。绪 论n n 嵌入式系嵌入式系统统已广泛已广泛用于信息家用于信息家电电、移、移动动通信、手持信息通信、手持信息设备设备以及工以及工业业限制等限制等领领域。域。主要主要难题难题：

3、绪 论 如何针对某个特定的要求，设计出功耗低、精度高、实时性好、抗干扰实力强、价格低的实时嵌入式系统，并使其成功的运转以满足用户的需求。第一节嵌入式系统概论1.11.1.1.1 嵌入式系嵌入式系统统的概念与特点的概念与特点 一、嵌入式系一、嵌入式系统统（Embedded SystemEmbedded System）定）定义义：嵌入式系嵌入式系统统是指用于是指用于实时实时限制、限制、监视监视、管理或管理或协协助其他助其他设备设备运行的运行的设备设备，可以是，可以是专专用或多用途（但一般具有可用或多用途（但一般具有可编编程的特性）程的特性）的的设备设备，“嵌入嵌入”意味着意味着这这些系些系统统本身

4、与所本身与所限制和管理的系限制和管理的系统统融融为为一体的，是其中的一体的，是其中的一个有机一个有机组组成部分，是各种限制系成部分，是各种限制系统统的基的基本构造本构造单单元。元。由上面的定由上面的定义义，可以看出嵌入式系，可以看出嵌入式系统统的一些特征：的一些特征：1.1.嵌入式系嵌入式系统统是以嵌入式是以嵌入式应应用用为为目的的目的的计计算机系算机系统统。电电子子计计算机是算机是为为解决海量数解决海量数值计值计算而独算而独创创和和发发展起来的。展起来的。而微型机一旦而微型机一旦进进入入对对象体系中后，便失去了象体系中后，便失去了通用通用计计算机的形算机的形态态和功能，和功能，变变成了形形色

5、色的成了形形色色的自自动动化系化系统统。从而从而导导致了致了现现代代计计算机技算机技术术的两大分支：通的两大分支：通用用计计算机系算机系统统与嵌入式与嵌入式计计算机系算机系统统。2.2.单单片机是以嵌入式片机是以嵌入式应应用用为为唯一目的的典型的嵌入式系唯一目的的典型的嵌入式系统统。嵌入式应用分微限制器（MicrocontrolMCU）和嵌入式微处理器（Embedded MicroprocessorMPU）应用两种。微限制器即俗称为单片机（Single Chip Computer），设计的目标就是面对限制，面对嵌入式应用的。3.3.嵌入式系嵌入式系统统的的组组成：成：一般由：嵌入式微一般由：嵌

6、入式微处处理器、外理器、外围围硬件硬件设备设备、嵌入式操作系嵌入式操作系统统以及用以及用户应户应用程序等四个部分用程序等四个部分组组成。成。通常，嵌入式系通常，嵌入式系统统中的系中的系统统程序（包括操作程序（包括操作系系统统）和）和应应用程序是用程序是浑浑然一体的。然一体的。这这些程序被些程序被编编译连译连接成一个可以接成一个可以执执行的二行的二进进制映象文件制映象文件（imageimage），），并被固化在系并被固化在系统统中，在系中，在系统统复位后复位后自自动执动执行。行。4.4.嵌入式系嵌入式系统统的分的分类类：按形式上可以分按形式上可以分为为三大三大类类，即，即（1 1）系）系统级统级

7、：为为各种各种类类型的工控机，如型的工控机，如STDSTD工控机、工工控机、工业业PCPC等。等。例：将工控机嵌入到例：将工控机嵌入到舰舰船上构成航行自船上构成航行自动驾驶动驾驶仪仪。（2 2）板）板级级：各种各种类类型的型的带带CPUCPU的主板。的主板。（3 3）器件）器件级级：以以单单片机最片机最为为典型。典型。二、嵌入式系二、嵌入式系统统的特点：的特点：1.1.系系统统的困的困难难性性 据估据估计计，大，大约约有有100100250250亿亿个嵌入式系个嵌入式系统统正在运用，分布在特正在运用，分布在特别别广泛的范广泛的范围围，几乎全部的几乎全部的现现代代电电子子设备设备中都有嵌入式中都

8、有嵌入式系系统统，功能各异，困，功能各异，困难难程度可想而知。程度可想而知。2.2.系系统统的的实时实时性性 嵌入式系嵌入式系统统多数与生多数与生产过产过程的程的实时实时限制相关。限制相关。生生产过产过程本身的特性往往确定了程本身的特性往往确定了这这类类系系统统不行能随意中断正常的生不行能随意中断正常的生产过产过程程去去进进行行测试测试或修理。或修理。多数造价昂多数造价昂贵贵的嵌入式系的嵌入式系统统也往往也往往没有没有备备份系份系统统，实时诊实时诊断的断的难难度也相度也相应应增加。增加。3.3.系系统统的牢靠性的牢靠性 嵌入式系统在一些关键系统的限制过程中得到广泛应用（如：钢铁、石化等企业）。

9、限制系统的任何微小的错误都可能导致整个生产过程的中断和巨额的经济损失。嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难干脆接触限制，一旦工作就要求它牢靠运行。嵌入式产品的运用人员多为非计算机专业人士，运用环境不定，往往条件恶劣（高温、高湿、多尘、强电磁干扰等)。4.4.系系统统的的专专用性用性 用途固定，通常用途固定，通常执执行特定功能，用于行特定功能，用于特定特定设备设备，完成特定的任，完成特定的任务务。5.5.技技术术密集密集 是是计计算机技算机技术术、微、微电电子技子技术术和行和行业业技技术术相相结结合的合的产产物，必定是一个技物，必定是一个技术术密集，不密集，不断断创创新的学新的学问问集成系集

10、成系统统。6.6.开开发发困困难难 嵌入式系嵌入式系统统往往本身不具往往本身不具备备自自举举开开发发实实力，必力，必须须要一套开要一套开发发工具和工具和环环境才能境才能进进行开行开发发。其开。其开发发系系统统与与实际实际运行的系运行的系统统并并不相同，不相同，须须要交叉要交叉编译编译系系统统和适当的和适当的调试调试系系统统。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用 嵌入式系嵌入式系统统已广泛已广泛应应用于信息家用于信息家电电、移移动动通信、手持信息通信、手持信息设备设备以及工以及工业业限制等限制等领领域。域。用于用于实现对实现对宿主宿主设备设备的限制、的限制、监视监视或或管理。

11、管理。应应用范用范围围特特别别广泛，因此不存在所广泛，因此不存在所谓谓嵌入式系嵌入式系统统的典型的典型应应用。用。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用1.1.制造与制造与过过程限制程限制 自自动动化工厂、化工厂、柔性制造系柔性制造系统统（FMSFMS）、无人物）、无人物流小流小车车、机器人、机器人、加工中心、核加工中心、核电电站、站、污污水水处处理系理系统统、发发（变变）电电站、能源站、能源限制系限制系统统、石化企、石化企业业的限制的限制设备设备、建、建筑筑设备设备等。等。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的

12、的应应用用 2.2.运运输输 交通指交通指挥挥系系统统、售票系、售票系统统、航空、航空、铁铁路、路、马马路运路运输输系系统统、停、停车场车场管理系管理系统统、雷、雷达系达系统统、检检票票系系统统等。等。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用3.3.建筑建筑设设施施 电电力供力供应应、备备用用电电源、火警源、火警报报警与限制系警与限制系统统、供供热热与通与通风风系系统统、电电梯、梯、车库车库、安、安防系防系统统、闭闭路路电电视监视视监视、温湿度、温湿度限制等。限制等。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用4.4.通信通信 电话电话交交换换机、机、卫卫星和星和全

13、球定位系全球定位系统统（GPSGPS）、）、移移动电话动电话等。等。5.5.办办公公设备设备 电话电话系系统统、传传真系真系统统、复印机、照相机和、复印机、照相机和摄摄像机、商用像机、商用电脑电脑、掌、掌上上电脑电脑等。等。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用6.6.银银行和金融行和金融 自自动动柜柜员员机、机、信用卡系信用卡系统统、验钞验钞机、点机、点钞钞机、平安机、平安系系统统等。等。7.7.医医疗诊疗诊断断监视监视系系统统 心心脏脏起搏器、起搏器、理理疗疗限制系限制系统统、热热疗疗机、机、X X光光设备设备、电电磁成像系磁成像系统统等。等。1.1.1.2 1.2 嵌入

14、式系嵌入式系统统的的应应用用 8.8.家庭中的家庭中的应应用用 每个家庭运用的嵌入每个家庭运用的嵌入式式处处理器理器约约30304040个。个。一台一台PCPC机中就可能运机中就可能运用了用了1010来个嵌入式来个嵌入式处处理理器。器。其他家其他家电电中，中，电电冰箱、冰箱、微波炉、洗衣机、微波炉、洗衣机、录录像像机、机、电电子子钟钟、洗碗机、洗碗机、DVDDVD播放机、播放机、电视电视机、音机、音响响设备设备、通用遥控器、通用遥控器、电电子玩具、子玩具、电电子子宠宠物等。物等。1.1.1.2 1.2 嵌入式系嵌入式系统统的的应应用用9.9.汽汽车车中的嵌入式系中的嵌入式系统统 汽汽车车内部正

15、快速内部正快速发发展成展成为为一个具有相当一个具有相当规规模的局域模的局域网，如网，如CANCAN（限制局域网）（限制局域网）总总线线网网络络。汽汽车车中的中的GPSGPS系系统统与与电电子子导导航系航系统统（电电子地子地图图）、防）、防碰撞系碰撞系统统（平安气囊）、油（平安气囊）、油/气比限制、气比限制、车车用用电脑电脑、音响、音响、车车灯、智能化的灯、智能化的侧视镜侧视镜。据据资资料介料介绍绍，S S级级的梅塞的梅塞德斯德斯轿车轿车，每，每辆车辆车内平均装内平均装有有6464个微个微处处理器。理器。1.1.1.3 1.3 嵌入式系嵌入式系统统工工业业的特点和要求的特点和要求一、嵌入式系一、

16、嵌入式系统统是不行是不行垄垄断的高度分散的工断的高度分散的工业业 从某种意从某种意义义上上说说，通用，通用计计算机行算机行业业的技的技术术是是垄垄断的。当代的通用断的。当代的通用计计算机工算机工业业被被认为认为是由是由WintelWintel（MicrosoftMicrosoft和和Intel 90Intel 90年年头头初建立的初建立的联联盟）盟）垄垄断的工断的工业业。嵌入式系嵌入式系统则统则是一个分散的工是一个分散的工业业，充溢了，充溢了竞竞争、机遇与争、机遇与创创新，没有哪一个系列的新，没有哪一个系列的处处理器理器和操作系和操作系统统能能够垄够垄断市断市场场。嵌入式系嵌入式系统统工工业业

17、的基的基础础是以是以应应用用为为中心的中心的“芯片芯片”设计设计和面和面对应对应用的用的软软件件产产品开品开发发。二、嵌入式系二、嵌入式系统统具有的具有的产产品特征品特征1.1.嵌入式系嵌入式系统统是面是面对对用用户户、面、面对产对产品、面品、面对应对应用的。假如独立于用的。假如独立于应应用自行用自行发发展，展，则则会失去市会失去市场场。因此，嵌入式。因此，嵌入式处处理器的功能、体理器的功能、体积积、成本、牢靠性、速度、成本、牢靠性、速度、处处理理实实力、力、电电磁兼容性等方面均受到磁兼容性等方面均受到应应用要求的制用要求的制约约。2.2.嵌入式系嵌入式系统统的硬件和的硬件和软软件都必需高效率

18、的件都必需高效率的设设计计，量体裁衣，去除冗余。，量体裁衣，去除冗余。3.3.嵌入式系嵌入式系统统和具体和具体应应用有机的用有机的结结合在一起，合在一起，它的升它的升级换级换代也是和具体的代也是和具体的产产品同步品同步进进行。因行。因此，嵌入式系此，嵌入式系统产统产品一旦品一旦进进入市入市场场，具有，具有较长较长的生命周期。的生命周期。4.4.嵌入式嵌入式处处理器的理器的发发展也体展也体现现出出稳稳定性。一个定性。一个体系体系结结构一般要存在构一般要存在8 81010年的年的时间时间。一个体。一个体系系结结构及其相关的片上外构及其相关的片上外设设、开、开发发工具、工具、库库函数、嵌入式函数、嵌

19、入式应应用用产产品是一套困品是一套困难难的学的学问问系系统统。因此，用。因此，用户户和半和半导导体厂商都不会体厂商都不会轻轻易的易的放弃一种放弃一种处处理器。理器。5.5.嵌入式系嵌入式系统统中的中的软软件一般都固化在件一般都固化在ROMROM中，其中，其应应用用软软件生命周期也和嵌入式件生命周期也和嵌入式产产品一品一样长样长，常常强强调调可可继继承性和技承性和技术连术连接性，接性，发发展比展比较稳较稳定。定。1.1.1.3 1.3 嵌入式系嵌入式系统统工工业业的特点和要求的特点和要求三、嵌入式系三、嵌入式系统软统软件的特征件的特征 嵌入式嵌入式处处理器的理器的应应用用软软件是件是实现实现嵌入

20、式嵌入式系系统统功能的关功能的关键键，其特征主要有：，其特征主要有：1.1.软软件要求固件要求固态态化存化存储储。2.2.软软件代件代码码高高质质量、高牢靠性：以削减程序量、高牢靠性：以削减程序二二进进制代制代码码的的长长度，提高度，提高执执行速度。行速度。3.3.系系统软统软件（件（OSOS）的高的高实时实时性是基本要求性是基本要求 在多任在多任务务嵌入式系嵌入式系统统中，中，对对重要性各不重要性各不相同的任相同的任务进务进行行统统筹兼筹兼顾顾的合理的合理调调度是保度是保证证每每个任个任务刚务刚好好执执行的关行的关键键。这这种任种任务调务调度只能由度只能由优优化化编编写的系写的系统软统软件来

21、完成。件来完成。4.4.嵌入式系嵌入式系统软统软件一般件一般须须要要RTOSRTOS开开发发平台平台 虽虽然嵌入式系然嵌入式系统统的的应应用程序可以没有用程序可以没有OSOS直直接在接在“裸机裸机”上运行，但是上运行，但是为为了合理的了合理的调调度多任度多任务务。利用系。利用系统资统资源系源系统统函数以及和函数以及和专专家家库库函数函数接口，用接口，用户户必需自行必需自行选选配配RTOSRTOS开开发发平台，平台，这样这样才能保才能保证证程序程序执执行的行的实时实时性和牢靠性，并削减性和牢靠性，并削减开开发时间发时间，保障，保障软软件件质质量。量。四、嵌入式系四、嵌入式系统统开开发须发须要开要

22、开发发工具和工具和环环境境 嵌入式系嵌入式系统统本身不具本身不具备备自自举举开开发发的的实实力，力，设计设计完成后，用完成后，用户户必需有一套开必需有一套开发发工具和工具和环环境才能便利的境才能便利的对对其硬件、其硬件、软软件件进进行行调试调试与与修改。修改。五、嵌入式系五、嵌入式系统统开开发发人人员员以以应应用用专专家家为为主主 嵌入式系嵌入式系统统要和各个不同行要和各个不同行业业的的应应用相用相结结合，要求更多的合，要求更多的计计算机以外的算机以外的专业专业学学问问，其开，其开发发人人员员往往是各个往往是各个应应用用领领域的域的专专家。因此家。因此对对开开发发工具的基本要求是易学、易用、高

23、效、牢靠。工具的基本要求是易学、易用、高效、牢靠。返回返回书书目目下一下一节节嵌入式系嵌入式系统统的特点：的特点：1.1.系系统统的困的困难难性性2.2.系系统统的的实时实时性性3.3.系系统统的牢靠性的牢靠性4.4.系系统统的的专专用性用性5.5.技技术术密集密集6.6.开开发发困困难难其次节 嵌入式系统的硬件介绍 1.2.11.2.1嵌入式系嵌入式系统统微微处处理器的理器的发发展展 一、嵌入式系一、嵌入式系统统微微处处理器的分理器的分类类与与发发展展 嵌入式系嵌入式系统统微微处处理器在目前的嵌入理器在目前的嵌入式系式系统统硬件硬件设计设计上占了很大的影响力，上占了很大的影响力，嵌入式系嵌入

24、式系统统开开发发人人员员必必须须要从琳琅要从琳琅满满目目的嵌入式系的嵌入式系统统微微处处理器中理器中选择选择一个最适一个最适当的微当的微处处理器理器产产品作品作为为嵌入式系嵌入式系统统限制限制核心，才能核心，才能够够兼具低成本、高效率的兼具低成本、高效率的产产品品优势优势。以微以微处处理器在理器在单单一指令内所能一指令内所能处处理的理的位数来衡量，嵌入式微位数来衡量，嵌入式微处处理器的理器的发发展可展可以分以分为为以下几个以下几个阶阶段。段。表表1.2.1 1.2.1 以位数来以位数来对对嵌入式系嵌入式系统统微微处处理器分理器分类类 4 4位位 8 8位位 1616位位 3232位位 6464

25、位位 嵌入式微处理器嵌入式微处理器（单片机型）（单片机型）TMS1000TMS1000COPS COPS 8048/49/508048/49/508051/52,8051/52,Z8Z86801/04/056801/04/05 8096/8096/97976820068200 ARM RISC ARM RISC corecoreMIPS 32Bits MIPS 32Bits RISC coreRISC core MIPS 64 MIPS 64 Bits Bits RISC RISC core core 嵌入式微处理器嵌入式微处理器（一般用途型）（一般用途型）40044004，4040 4040

26、 80858085，Z80Z806802 68096802 68096502 6502 8086 8086 80186801868028680286Z8000Z8000 80386 8048680386 8048668000/10/2068000/10/20/30/40/30/40 Pentium Pentium/二、二、CISCCISC和和RISCRISC 两种不同两种不同结结构的微构的微处处理器：理器：CISCComplex Instruction Set Computer CISCComplex Instruction Set Computer 困困难难指令集指令集计计算机算机RISCR

27、ISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer 精精简简指令集指令集计计算机算机RISCRISC与与CISCCISC相比具有如下特点：相比具有如下特点：1)1)运用相当少的指令运用相当少的指令类别类别及及寻寻址方式址方式2)2)在在单单一一执执行的周期内完成指令行的周期内完成指令3)3)CPUCPU中中拥拥有更多的寄存器有更多的寄存器4)4)运用最运用最优优的程序代的程序代码编译码编译 由于由于RISCRISC架构的架构的CPUCPU的硬件的硬件设计单纯设计单纯，成，成本低廉、省本低廉、省电电效益佳等特点

28、，深受嵌入式系效益佳等特点，深受嵌入式系统产统产品的品的欢欢迎。迎。三、数字信号三、数字信号处处理器（理器（DSPDSP）即即Digital Signal ProcessDigital Signal Process是特地是特地处处理理数字信号数据的微数字信号数据的微处处理器，基本上理器，基本上DSPDSP是是针对针对特定的任特定的任务务而而发发展的一种微展的一种微处处理器。理器。DSP DSP最重要的是大量的即最重要的是大量的即时时运算功能；最基本运算功能；最基本的运算功能是乘法与加法运算如：的运算功能是乘法与加法运算如：aibi aibi。DSPDSP的内置硬件构架可以在很短的的内置硬件构架

29、可以在很短的时间时间内内处处理如理如离散傅立叶离散傅立叶转换转换之之类类的困的困难难的加法和乘法的加法和乘法问题问题。1.2.21.2.2嵌入式嵌入式应应用的开用的开发设计发设计技技术术 一、嵌入式一、嵌入式应应用系用系统统开开发发的的特征特征 1.1.嵌入式嵌入式应应用常将性能要求放在第一位用常将性能要求放在第一位2.2.与与通通用用计计算算机机相相比比，嵌嵌入入式式系系统统的的软软、硬硬件件更更关关注注时时间间限限制制、性性能能约约束束和和对对外外交互等交互等问题问题。3.3.即即它它不不但但要要求求满满足足功功能能要要求求，还还要要求求满满足足性性能能需需求求，甚甚至至将将性性能能需需求

30、求放放在在第第一位。一位。2.2.性能要求体性能要求体现现在限定在限定时间时间的的约约束或代束或代码码大小的大小的约约束上，如：束上，如：一个一个处处理算法能否理算法能否满满足足严严格的格的时间约时间约束，是否束，是否须须要建立特殊的硬件来完成其任要建立特殊的硬件来完成其任务务？OSOS能否能否满满足高效的中断足高效的中断处处理、多任理、多任务务和通信的要和通信的要求？求？编编程程语语言能否支持并言能否支持并发发程序的程序的设计设计，等等，等等 3.3.结论结论：嵌入式系嵌入式系统统的开的开发发不不仅仅要考要考虑软虑软件的件的设设计计，同，同时还时还要考要考虑虑硬件的硬件的设计设计，不但要考，

31、不但要考虑虑功能的功能的设计设计，还还要考要考虑虑性能的性能的设计设计。事事实实上，嵌入式系上，嵌入式系统统的最大的最大问题问题是是设设计问题计问题，而不是，而不是实现问题实现问题。二二.嵌入式系嵌入式系统设计统设计的的3 3个个层层次次 1.1.第一第一层层次：次：以以PCB CADPCB CAD软软件和件和ICE ICE 为为主主要工具的要工具的设计设计方法。方法。PCB CADPCB CAD印制板印制板计计算机算机协协助助设计软设计软件和件和PROTEL 99PROTEL 99ICEICE在在线线（联联机）仿真器。机）仿真器。这这是至今国内是至今国内单单片机片机应应用系用系统统开开发发人

32、人员员始始终终沿用的方法：沿用的方法：系系统统总总体体设设计计选购通用元器件功能检验设计电气原理图设计PCB板图PCB板加工、焊接硬件调试模块划分流程(算法)设计编码软件联调联调联调“产品定型产品定型”硬件设计软件设计2.2.其次其次层层次：以次：以EDAEDA工具工具软软件和件和EOSEOS为为开开发发平平台的台的设计设计方法。方法。EDAEDA电电子子设计设计自自动动化化 EOSEOS嵌入式嵌入式实时实时操作系操作系统统 这这是一种利用各种通用的可是一种利用各种通用的可编编程半定制程半定制逻逻辑辑器件来器件来设计设计和制作部分和制作部分专专用的大用的大规规模集成模集成电电路（路（ASICA

33、SIC），），然后将然后将ASICASIC、可可编编程外程外围围器器件、件、cc或或pp在在PCBPCB板上布局、布板上布局、布线线以构成以构成系系统统的的设计设计方法。方法。其中关其中关键键是是ASICASIC的开的开发发与与设计设计，即硬件，即硬件设设计计人人员员从从过过去去选择选择和运用和运用标标准通用准通用ICIC，逐步，逐步转转向自己向自己设计设计和制作部分和制作部分专专用的用的ICIC器件。器件。作作为为ASICASIC基基础础的半定制的半定制逻辑逻辑器件器件经验经验了如了如下下发发展展过过程：程：PLAPLA可可编编程程逻辑阵逻辑阵列；列；PALPAL可可编编程程阵阵列列逻辑逻辑

34、；GALGAL通用通用阵阵列列逻辑逻辑；CPLDCPLD困困难难可可编编程程逻辑逻辑器件；器件；FPGAFPGA现场现场可可编编程程门阵门阵列。列。发发展的展的趋势趋势是：集成度、速度不断提高；功是：集成度、速度不断提高；功能不断增加；能不断增加；结结构更合理；运用更便利、敏捷。构更合理；运用更便利、敏捷。3.3.第三第三层层次：次：以以IPIP内核内核库为库为基基础础，用，用软软、硬、硬件件协协同同设计设计的的设计设计方法。方法。*.IP*.IP（Intellectual Property Intellectual Property 学学问产权问产权）内核模内核模块块是一种是一种预预先先设计

35、设计好的具有某种确好的具有某种确定功能的集成定功能的集成电电路、器件或部件。路、器件或部件。*.*.IPIP有三种不同的形式：有三种不同的形式：(1)(1)软软IPIP内核（内核（soft IP coresoft IP core）:主要描述功能行主要描述功能行为为（behaviorbehavior）提交提交给给用用户户的是的是经过经过行行为级设计优为级设计优化和功化和功能能验证验证的的HDLHDL（硬件描述硬件描述语语言）文本。言）文本。亦称亦称为为虚虚拟拟器件。器件。(2)(2)硬硬IPIP内核（内核（firm IP corefirm IP core）：）：基于物理（基于物理（physica

36、lphysical）描述并）描述并经过经过工工艺验艺验证证，是基于某种半，是基于某种半导导体工体工艺艺的物理的物理设计设计，供供应应应应用用户户的是的是电电路物理路物理结结构掩膜版构掩膜版图图和和全套工全套工艺艺文件，即可以拿了就用的全套技文件，即可以拿了就用的全套技术术。(3)(3)固固IPIP内核（内核（firm IP corefirm IP core）：）：完成完成结结构（构（structurestructure）描述，）描述，设计设计的的深度介于深度介于软软IPIP内核和硬内核和硬IPIP内核之内核之间间。供。供应应应应用用户户的一般是的一般是门电门电路路级级网表。网表。软软IPIP内

37、核、固内核、固IPIP内核、硬内核、硬IPIP内核相内核相当于集成当于集成电电路（器件或部件）的毛坯、路（器件或部件）的毛坯、半成品、成品。半成品、成品。常用的常用的IPIP内核模内核模块块有：有：各种各种CPUCPU（如：如：32/6432/64位位CISC/RISCCISC/RISC结结构的构的CPUCPU）；）；各种微限制器各种微限制器/单单片机（片机（8/168/16）；）；32/6432/64位位DSPDSP、DRAMDRAM、SRAMSRAM、EEPROMEEPROM、FlashmemoryFlashmemory、A/DA/D、D/AD/A、USBUSB、PCIPCI、网网络络单单

38、元、元、编译编译器、器、编码编码/解解码码器、模器、模拟拟器件模器件模块块等。等。丰富的丰富的IPIP内核模内核模块库为块库为快速地快速地设计专设计专用集用集成成电电路和路和单单片系片系统统SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）以）以尽快占据市尽快占据市场场供供应应了基本保了基本保证证。从从2020世世纪纪9090年年头头起先的，由起先的，由“集成集成电电路路”级级设计设计不断不断转转向向“集成系集成系统统”级设计级设计，目前已，目前已进进入入SOCSOC设计阶设计阶段。段。SOC SOC的的设计设计方法不是把系方法不是把系统统所所须须要的全部的要的全部的集成

39、集成电电路路简洁简洁地二次集成到地二次集成到1 1个芯片上，个芯片上，这样这样实现实现的系的系统统是不行能达到是不行能达到SOCSOC所要求的高密度、所要求的高密度、高速度、高性能、小体高速度、高性能、小体积积、低、低电压电压、低功耗、低功耗等指等指标标的。的。一个最有效的途径（高速、高牢靠性）便是通一个最有效的途径（高速、高牢靠性）便是通过过授授权权运用成熟运用成熟优优化的化的IPIP内核模内核模块块来来进进行行设计设计集成和集成和二次开二次开发发。4.4.三个三个层层次的次的设计设计方法并行存在，各有方法并行存在，各有应应用用范范围围，不会，不会简洁简洁地用后者取代前者。地用后者取代前者。

40、初初级应级应用用设计设计人人员员会以第一种方法会以第一种方法为为主，主，富有富有阅历阅历和确定条件的和确定条件的设计设计人人员员会以其次种会以其次种方法方法为为主；很主；很专业专业且具有相当条件的且具有相当条件的设计设计人人员员会以第三种方法会以第三种方法进进行行简洁简洁的的SOCSOC的的设计设计和和应应用。但全部的用。但全部的设计设计人人员员都可以都可以应应用大厂商用大厂商推出的用第三种方法推出的用第三种方法设计设计的的专专用用SOCSOC。困困难难的的SOCSOC只有那些有相当的只有那些有相当的实实力和力和实实力力的半的半导导体大厂商才能体大厂商才能设计设计和和实现实现。如：如：TITI

41、、philipsphilips、WINBONDWINBOND和和AtmelAtmel等厂等厂商就是通商就是通过过IntelIntel授授权权，用其，用其MCS-51MCS-51的的IPIP内内核模核模块结块结合自己的特合自己的特长长，开，开发发出有特性的与出有特性的与Intel MCS-51Intel MCS-51兼容的兼容的单单片机，如：片机，如：P80CL51P80CL51、AT89C51AT89C51、AT89C2051AT89C2051、9058515 9058515、W78E516W78E516等。等。1.2.3 SOC1.2.3 SOC嵌入式微嵌入式微处处理器理器 一一.定定义义

42、SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）嵌入式微嵌入式微处处理器，理器，顾顾名思名思义义，是，是单单个芯片上构个芯片上构成的系成的系统统，它，它结结合了合了许许多功能模多功能模块块，做在一个芯片上。例如：做在一个芯片上。例如：DSPDSP微微处处理理器加通信接口器加通信接口单单元（含有：元（含有：USB、TCP/IP、GSM通信接口等）。通信接口等）。二二.SOCSOC嵌入式系嵌入式系统统的的优优点点：*.*.高密度高密度高集成度；高集成度；*.*.低低电电压压、低低功功耗耗利利用用变变更更内内部部工工作作电压电压，降低芯片功耗；，降低芯片功耗；*.*.高高速速

43、度度削削减减了了各各单单元元电电路路及及电电路路板板上上的的信信号号传传递递，整整体体上上提提高高了了pp的的运运行行速度；速度；*.*.高高抗抗干干扰扰性性能能内内嵌嵌的的线线路路，大大大大避避开开了了外外部部电电路路板板在在信信号号传传递递时时造造成成的的损损耗耗和干和干扰扰。注注1 1：SOC SOC并不是并不是简洁简洁的将所要的集成的将所要的集成电电路二路二次集成到一个芯片上，而是在全新理念上次集成到一个芯片上，而是在全新理念上通通过过系系统统硬、硬、软软件件协协同同设计设计，在，在单单个芯片个芯片上完成整个系上完成整个系统统的功能。的功能。注注2 2：SOCSOC与与单单片机的区分：

44、片机的区分：SOCSOC使使单单片片机机应应用用技技术术发发生生了了革革命命性性的的变变更更：从从选选择择厂厂家家供供应应的的定定制制产产品品时时代代进进入入了了由用由用户户自行开自行开发设计发设计器件的器件的时时代。代。(2)SOC(2)SOC设设计计中中，设设计计者者面面对对的的不不再再是是电电路路芯芯片片，而而是是能能实实现现设设计计功功能能的的IPIP模模块块库库，即即SOCSOC设设计计的的观观念念是是：“设设计计自自己己的的专专用用集成集成电电路路”。三三.RISCRISC结结合合DSPDSP的的SOCSOC嵌入式系嵌入式系统统微微处处理器理器 DSPDSPDigital Sign

45、al ProcessDigital Signal ProcessRISCRISCReduced Instruction Set Computer Reduced Instruction Set Computer DSPDSP的的龙龙头头老老大大德德州州仪仪器器公公司司倚倚仗仗性能性能优优越的越的DSPDSP处处理器称霸世界理器称霸世界DSPDSP市市场场。最近推出的一最近推出的一项项非常先非常先进进的的SOCSOC嵌嵌入式系入式系统统微微处处理器技理器技术术，称，称为为OMAPOMAP。OMAPOMAPOpen Open Multimedia Multimedia Application Ap

46、plication Platform Platform 开开放放式式多多媒媒体体应应用用平平台台，其其构构成成为为：DSP+RISC(ARM)+DSP+RISC(ARM)+若干外若干外围电围电路模路模块块代表芯片代表芯片为为OMAP1510OMAP1510，其其结结构构见图见图:OMAP1510OMAP1510硬件硬件结结构框构框图图 主要主要应应用于用于实时实时的多媒体影音数据的多媒体影音数据处处理、理、语语音音识别识别系系统统、因特网通信、无、因特网通信、无线线通信与通信与电电子商子商务务等。等。上上图图中中，DSPDSP或或ARMARM微微处处理理器器分分别别完完成成各各自自的的操操作作

47、或或运运算算，两两者者之之间间通通过过DSP/BIOS BridgeDSP/BIOS Bridge接口交接口交换换数据。数据。四四.整合型嵌入式系整合型嵌入式系统统微微处处理器理器 1.1.ARMARM公司公司ARM RISCARM RISC架构微架构微处处理器理器 ARMARM公公司司是是一一家家供供应应RISCRISC架架构构嵌嵌入入式式系系统统微微处处理理器器的的公公司司，位位于于英英国国，成成立立于于19901990年年1111月。月。ARMARM公公司司既既不不生生产产芯芯片片，也也不不销销售售芯芯片片，它它只只出出售售芯芯片片技技术术授授权权。接接受受ARMARM技技术术IPIP核

48、核的的微微处处理理器器遍遍及及汽汽车车、消消费费电电子子、成成像像、工工业业限限制制、海海量量存存储储、网网络络、安安保保和和无无线线等各等各类产类产品市品市场场。ARMARM嵌嵌入入式式处处理理器器是是一一种种16/3216/32位位的的高高性性能能、低低功功耗耗的的RISCRISC芯芯片片。世世界界上上几几乎乎全全部部的的主主要要半半导导体体厂厂商商都都生生产产基基于于ARMARM体体系系结结构构的的通通用用芯芯片片，或或在在其其专专用用芯芯片片中中嵌入嵌入ARMARM的相关技的相关技术术。如如：TITI、IntelIntel、MotorolaMotorola、AtmelAtmel、Phi

49、lipsPhilips、NecNec、SharpSharp、NSNS、HynixHynix 2001 2001年基于年基于ARMARM内核的内核的处处理器已占据理器已占据了了3232位位RISCRISC芯片芯片7575的市的市场场份份额额，可以，可以说说ARMARM技技术术几乎无几乎无处处不在。不在。ARM RISC ARM RISC架构微架构微处处理器系列目前主要分理器系列目前主要分为为几个家族几个家族产产品，分品，分别为别为ARM 7 ThumbARM 7 Thumb、ARM ARM 9 Thumb9 Thumb、ARM 10 ThumbARM 10 Thumb以及以及Strong ARM

50、Strong ARM等等家族。其中家族。其中Strong ARMStrong ARM已有已有IntelIntel公司取得公司取得专专用授用授权权，只能由，只能由IntelIntel公司从事公司从事Strong Strong ARMARM架构微架构微处处理器的改理器的改进进与生与生产产。(1)(1)ARM 7 ThumbARM 7 Thumb系列系列 含含ARM ARM 710T710T、ARM ARM 720T720T、ARM740TARM740T是是一一种种以以ARM ARM 7 7 TDMITDMI微微处处理理器器为为运运算算核核心心的的RISCRISC架架构构的的3232位位嵌嵌入式系入