Ch10 第十章 机械电子系统中的微处理器.pptx

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1、机械电子工程原理机械电子工程原理第十章第十章 机械电子系统中的微处理器机械电子系统中的微处理器2021/9/121微处理器进行控制和信息处理的优势微处理器进行控制和信息处理的优势 n1）可存贮、可编程控制。可存贮、可编程控制。程序是一系列操作的逻程序是一系列操作的逻辑顺序，而这些工作都是确定的、可重复的，因辑顺序，而这些工作都是确定的、可重复的，因而用程序实现数学运算、逻辑运算、控制和信号而用程序实现数学运算、逻辑运算、控制和信号处理是一种理想的方式。处理是一种理想的方式。n2）数字处理。数字处理。微处理器中的信息被转换为二进制微处理器中的信息被转换为二进制数据，这使得微处理器不会受到模拟噪声

2、的干扰，数据，这使得微处理器不会受到模拟噪声的干扰，并且可以根据不同的要求采用不同的处理方法。并且可以根据不同的要求采用不同的处理方法。n3）工作速度快。工作速度快。尽管微处理器只能按一定的顺序尽管微处理器只能按一定的顺序执行指令，但它运行速度非常快，能够在很短的执行指令，但它运行速度非常快，能够在很短的时间内执行许多操作。时间内执行许多操作。2021/9/122微处理器进行控制和信息处理的优势微处理器进行控制和信息处理的优势n4）设计的灵活性设计的灵活性：现在的硬件发展水平使系统设：现在的硬件发展水平使系统设计具有很大的灵活性，而更重要的是微处理器指计具有很大的灵活性，而更重要的是微处理器指

3、令系统的功能越来越丰富，使软件设计具有更大令系统的功能越来越丰富，使软件设计具有更大的灵活性，通过改变程序就可以改变同一个硬件的灵活性，通过改变程序就可以改变同一个硬件所能实现的功能。所能实现的功能。n5）集成化：集成化：随着超大规模集成电路技术水平的不随着超大规模集成电路技术水平的不断提高，可以在同一片硅片上集成许多硬件，甚断提高，可以在同一片硅片上集成许多硬件，甚至可以在一个硅片中集成一个完整的微处理器系至可以在一个硅片中集成一个完整的微处理器系统。统。n6）费用：费用：可接受的费用是微处理器获得应用的一可接受的费用是微处理器获得应用的一个极为重要的商业因素。个极为重要的商业因素。2021

4、/9/12310.1 嵌入式微处理器系统嵌入式微处理器系统 n典型的机械电子系统中常见的一类微处理器系统典型的机械电子系统中常见的一类微处理器系统是嵌入式微处理器系统，简称嵌入式系统。是嵌入式微处理器系统，简称嵌入式系统。n“嵌入嵌入”指的是在机械电子系统中微处理器从属指的是在机械电子系统中微处理器从属于另一个大得多的生产过程或系统。于另一个大得多的生产过程或系统。n除了嵌入式实时控制以外，微处理器系统的另一除了嵌入式实时控制以外，微处理器系统的另一类广泛应用是数据处理。在这类应用场合中，微类广泛应用是数据处理。在这类应用场合中，微处理器与外围设备组合成通用计算机系统，如个处理器与外围设备组合

5、成通用计算机系统，如个人计算机和工作站。人计算机和工作站。2021/9/124微处理器系统在嵌入式实时控制和数据处理微处理器系统在嵌入式实时控制和数据处理应用中的对比应用中的对比 2021/9/125嵌入式系统对存储器的要求嵌入式系统对存储器的要求 n存储器存储器指的是能直接被微处理器访问的那部分存储器，而指的是能直接被微处理器访问的那部分存储器，而不是指磁带、磁盘等外部存贮介质。不是指磁带、磁盘等外部存贮介质。n在对存储器的要求上，嵌入式系统与通用计算机系统有着在对存储器的要求上，嵌入式系统与通用计算机系统有着重大的差别，这主要是由于嵌入式系统通常重大的差别，这主要是由于嵌入式系统通常运行固

6、定的程运行固定的程序序，而通用计算机系统则必须能够反复调用各种各样的不，而通用计算机系统则必须能够反复调用各种各样的不同程序。同程序。n对永久性存储器来说，信息一旦写入后不会因系统掉电而对永久性存储器来说，信息一旦写入后不会因系统掉电而丢失，这类存储器一般用作丢失，这类存储器一般用作ROM；而对非永久性存储器；而对非永久性存储器来说，系统掉电后信息即消失，此类存储器一般用作来说，系统掉电后信息即消失，此类存储器一般用作RAM。n在嵌入式系统中，应用程序通常很小在嵌入式系统中，应用程序通常很小，只需少量的，只需少量的ROM。在一些大型的嵌入式系统中（如通信控制器），则需要数在一些大型的嵌入式系统

7、中（如通信控制器），则需要数百百KB的的ROM（用于存贮控制程序）和相当数量的（用于存贮控制程序）和相当数量的RAM（用来存贮通信数据）（用来存贮通信数据）2021/9/126人人-机界面和机机界面和机-机界面机界面n计算机系统基本的输入输出设备是键盘和显示单计算机系统基本的输入输出设备是键盘和显示单元，而影响系统工作的控制活动主要是人的操作。元，而影响系统工作的控制活动主要是人的操作。因此计算机需要一个与操作者协调的人因此计算机需要一个与操作者协调的人-机界面来机界面来提高工作效率。标准键盘通常被认为是低效率的提高工作效率。标准键盘通常被认为是低效率的人人-机界面，为提高效率导致了鼠标器的应

8、用，可机界面，为提高效率导致了鼠标器的应用，可以与可视化窗口与下拉式菜单配合使用。以与可视化窗口与下拉式菜单配合使用。n嵌入式系统的主要数据来源是安装在它所控制的嵌入式系统的主要数据来源是安装在它所控制的机器或设备上的传感器。系统的输出信号驱动执机器或设备上的传感器。系统的输出信号驱动执行器以控制机器或设备。因此在嵌入式系统中最行器以控制机器或设备。因此在嵌入式系统中最基本的界面是一个机基本的界面是一个机-机界面机界面。2021/9/127实时多任务系统实时多任务系统n通用计算机系统接受并执行从键盘输入的命令。而嵌入式通用计算机系统接受并执行从键盘输入的命令。而嵌入式系统除了接受键入命令以外，

9、也可以使用一种称为实时多系统除了接受键入命令以外，也可以使用一种称为实时多任务系统的操作系统，它是任务系统的操作系统，它是由系统外部的中断信号所驱动，由系统外部的中断信号所驱动，从而调用并执行特定的程序来为所要求完成的任务而服务从而调用并执行特定的程序来为所要求完成的任务而服务。n系统也可能具有内部的调度机制，使它能够控制若干个独系统也可能具有内部的调度机制，使它能够控制若干个独立程序的执行，从而产生一个多任务系统。因此一个实时立程序的执行，从而产生一个多任务系统。因此一个实时多任务执行系统提供了一系列服务，在这基础上，才能从多任务执行系统提供了一系列服务，在这基础上，才能从相互之间或与外设之

10、间有复杂联系的各项任务中建立起系相互之间或与外设之间有复杂联系的各项任务中建立起系统。统。n在嵌入式系统中，操作系统和应用程序一起贮留在程序存在嵌入式系统中，操作系统和应用程序一起贮留在程序存储器中，而在通用计算机系统中，操作系统和应用程序通储器中，而在通用计算机系统中，操作系统和应用程序通常是分别从磁盘装入存储器的。常是分别从磁盘装入存储器的。2021/9/128微处理器的工作性能指标微处理器的工作性能指标 n对嵌入式系统来说，一个很重要的性能指标是它的响对嵌入式系统来说，一个很重要的性能指标是它的响应时间。应时间。n“实时实时”一词通常用来描述那些在规定时间内对外部一词通常用来描述那些在规

11、定时间内对外部信息做出响应并实现某种功能的系统。信息做出响应并实现某种功能的系统。n当从传感器收到数据信息后，处理器必需在一定的时当从传感器收到数据信息后，处理器必需在一定的时间内向执行机构输出控制信号，这种控制系统称为间内向执行机构输出控制信号，这种控制系统称为硬硬实时系统实时系统，因为时间界限是系统正常工作的严格条件。，因为时间界限是系统正常工作的严格条件。n而对通用计算机系统来说，对于操作者输入命令的响而对通用计算机系统来说，对于操作者输入命令的响应时间并不是很苛刻的。应时间并不是很苛刻的。n而当系统达到时间界限时并不会产生灾难性故障，只而当系统达到时间界限时并不会产生灾难性故障，只是工

12、作性能有所下降的系统被称为软实时系统。是工作性能有所下降的系统被称为软实时系统。2021/9/129嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史 n自从自从1971年年Intel公司推出第一款微处理器公司推出第一款微处理器4004之之后，嵌入式系统开始出现。后，嵌入式系统开始出现。n经历了经历了30多年的发展，嵌入式系统已经广泛地渗多年的发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到各类自动控制和智能设备之中。据统计，透到各类自动控制和智能设备之中。据统计，嵌嵌入式微处理器占据了微处理器产量的入式微处理器占据了微处理器产量的94%。嵌入。嵌入式系统每年的工业产值已经超过了式系统每年的工业产值已经超过了1万亿美元

13、。万亿美元。2021/9/1210嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 n嵌入式系统至今仍没有统一的定义。嵌入式系统至今仍没有统一的定义。n一般认为，一般认为，嵌入式系统嵌入式系统是指以应用为中心，以计是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可配置、可剪裁，适算机技术为基础，软件硬件可配置、可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。耗严格要求的专用计算机系统。n它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，用于式操作系统以及用户应用软件等

14、部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。通常嵌入在主要设备中运行。2021/9/1211嵌入式系统的发展历史阶段嵌入式系统的发展历史阶段n根据嵌入式系统软件与硬件的关系，其发展的历根据嵌入式系统软件与硬件的关系，其发展的历程大致可以划分为四个阶段：程大致可以划分为四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统系统 第二阶段是以嵌入式处理器为基础、以简单操作系第二阶段是以嵌入式处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。统为核心的嵌入式系统。第三阶段是以

15、嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。第四阶段是以融合网络通讯功能的嵌入式系统第四阶段是以融合网络通讯功能的嵌入式系统。2021/9/1212嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 n目前通用计算机技术的发展的可以分为软、硬件两目前通用计算机技术的发展的可以分为软、硬件两个方向。与之相同，嵌入式系统的相关技术也在软、个方向。与之相同，嵌入式系统的相关技术也在软、硬件两条道路上飞速前行。硬件两条道路上飞速前行。n嵌入式硬件技术的发展嵌入式硬件技术的发展嵌入式硬件技术正在沿着三个方向发展：嵌入式硬件技术正在沿着三个方向发展：单片机（单片机（SingleC

16、hipMicrocomputer,SCM）数字信号处理器（数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）可编程逻辑器件可编程逻辑器件(ProgrammableLogicalDevice,PLD)2021/9/1213单片机的发展单片机的发展 n单片机是将中央处理单元单片机是将中央处理单元(CPU)、ROM、RAM和和I/O接口集成到单一芯片上的微型计算机。它具有很强的接口集成到单一芯片上的微型计算机。它具有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MicroControlUnit,MCU)，也可以构成所谓的片上，

17、也可以构成所谓的片上系统系统(SystemOnchip,SOC)，实现对各种便携式电子，实现对各种便携式电子产品的控制。产品的控制。n目前单片机的发展出现了目前单片机的发展出现了功能不断拓展和处理器位数功能不断拓展和处理器位数不断提高的趋势不断提高的趋势。32位的处理器主要有四种典型架构：位的处理器主要有四种典型架构：ARM(AdvancedRISCMachines)、PowerPC、MIPS和和EIA(EmbeddedIntelArchitecture)。n其中最流行的是其中最流行的是ARM系列处理器，它凭借着低功耗、系列处理器，它凭借着低功耗、高性能、灵活易用的特点，应用已经遍及工业控制、

18、高性能、灵活易用的特点，应用已经遍及工业控制、消费类电子产品、网络及无线通讯设备等各领域，在消费类电子产品、网络及无线通讯设备等各领域，在32位位RISC微处理器市场中的占有率达到微处理器市场中的占有率达到75%。2021/9/1214数字信号处理器数字信号处理器DSP的发展的发展nDSP芯片主要应用于高密度、大容量、重复的数芯片主要应用于高密度、大容量、重复的数据处理领域，例如音频或视频信号的压缩编码、据处理领域，例如音频或视频信号的压缩编码、加密解密、调制解调、频谱分析等处理运算。加密解密、调制解调、频谱分析等处理运算。n由于由于DSP内部存储器采用了不同于普通处理器普内部存储器采用了不同

19、于普通处理器普林斯顿结构（冯林斯顿结构（冯诺依曼结构）的改进的哈佛结诺依曼结构）的改进的哈佛结构，并拥有多总线和流水线结构，硬件乘法器和构，并拥有多总线和流水线结构，硬件乘法器和专用的运算指令，所以专用的运算指令，所以DSP可以进行高速的并行可以进行高速的并行运算。运算。n目前目前DSP已经广泛地应用于通信、航空、雷达、已经广泛地应用于通信、航空、雷达、家用电器等领域，常见的手机、数字电视、数码家用电器等领域，常见的手机、数字电视、数码相机都离不开相机都离不开DSP。2021/9/1215可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的发展n可编程逻辑器件是电子设计自动化（可编程逻辑器件是电子设计自动化（

20、ElectronicDesignAutomation,EDA）的物质基础。）的物质基础。n所谓电子设计自动化是在所谓电子设计自动化是在EDA的软件平台上，对用硬的软件平台上，对用硬件描述语言件描述语言HDL完成的设计文件自动地进行逻辑编完成的设计文件自动地进行逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片进行适配直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑映射和编程下载等。编译、逻辑映射和编程下载等。n设计者只需用设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述，借助语言完成系统功能的描述，借助EDA工

21、具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。目前主要的可编程逻辑目标芯片就可在硬件上实现。目前主要的可编程逻辑器件有器件有CPLD和和FPGA。nEDA技术作为一种现代电子系统开发方式，具有软硬技术作为一种现代电子系统开发方式，具有软硬件高度关联、高速高可靠性的优点。件高度关联、高速高可靠性的优点。2021/9/1216嵌入式软件技术的发展嵌入式软件技术的发展 n嵌入式软件的发展主要体现在嵌入式软件的发展主要体现在嵌入式应用软件嵌入式应用软件和和嵌入嵌入式操作系统式操作系统两个方面。两个方面。n嵌入式系统的应用软件具有固化存储、可

22、靠性和正确嵌入式系统的应用软件具有固化存储、可靠性和正确性要求高等特点，目前的嵌入式应用软件的开发已经性要求高等特点，目前的嵌入式应用软件的开发已经逐渐转向应用高级语言，例如逐渐转向应用高级语言，例如C和和Java。嵌入式系统。嵌入式系统应用软件的开发手段和工具的改变，一方面使得嵌入应用软件的开发手段和工具的改变，一方面使得嵌入式软件的功能更为丰富，另一方面也使开发的复杂程式软件的功能更为丰富，另一方面也使开发的复杂程度和风险大大提高。度和风险大大提高。n与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统不单要与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统不单要管理各种硬件资源、处理各种冲突、为各类应用程序管

23、理各种硬件资源、处理各种冲突、为各类应用程序提供与硬件无关的系统调用接口，还必需具备通用操提供与硬件无关的系统调用接口，还必需具备通用操作系统不具备的内核体积小、实时性、可裁剪、可移作系统不具备的内核体积小、实时性、可裁剪、可移植、高可靠性等特点。植、高可靠性等特点。2021/9/121710.2 机械电子系统中微处理器的作用机械电子系统中微处理器的作用 n一个典型的用于控制的微处理器系统的框图。一个典型的用于控制的微处理器系统的框图。2021/9/1218使用微处理器系统控制机械手使用微处理器系统控制机械手n机器人控制器的首要功能是控制机器人手臂的轴。机器人控制器的首要功能是控制机器人手臂的

24、轴。每一个坐标轴都构成一个独立的控制环，称为独每一个坐标轴都构成一个独立的控制环，称为独立任务模块或程序模块。立任务模块或程序模块。n机器人轴的运动速度、方向的运算和控制算法使机器人轴的运动速度、方向的运算和控制算法使CPU的运算量很大。因此，的运算量很大。因此，CPU必须具有足够的必须具有足够的性能以满足在应用处理方面和实时性方面的要求，性能以满足在应用处理方面和实时性方面的要求，因而采用高性能的因而采用高性能的16位或位或32位位CPU。在许多应用。在许多应用场合中，还采用高速运算的协处理器来提高场合中，还采用高速运算的协处理器来提高CPU的运算能力。的运算能力。n机器人的手臂与微处理器系

25、统通过各模拟传感器机器人的手臂与微处理器系统通过各模拟传感器和数字传感器以及不同的执行器连接起来。和数字传感器以及不同的执行器连接起来。2021/9/1219使用微处理器系统控制机械手使用微处理器系统控制机械手n像机器人这样的系统很少会单独工作，它一般都像机器人这样的系统很少会单独工作，它一般都从属于一个更大的控制系统，这个大控制系统同从属于一个更大的控制系统，这个大控制系统同时控制着相互协作的许多台机器人和控制器。时控制着相互协作的许多台机器人和控制器。n因此本例中的机器人控制器配备有键盘和显示器因此本例中的机器人控制器配备有键盘和显示器两个人机界面以及一个用来连接其它机器人和系两个人机界面

26、以及一个用来连接其它机器人和系统的通信接口。统的通信接口。n尽管这些机器人和系统可能位于不同的地点，但尽管这些机器人和系统可能位于不同的地点，但通信网络提供了一个联系手段。通过这个网络，通信网络提供了一个联系手段。通过这个网络，机器人之间能够相互通信，或与掌管全局的中心机器人之间能够相互通信，或与掌管全局的中心计算机通信。计算机通信。n这种类型的系统称为这种类型的系统称为分布式控制系统分布式控制系统，其作用主，其作用主要在于使通信系统的设计符合实际要求。要在于使通信系统的设计符合实际要求。2021/9/122010.3 嵌入式系统的设计方法嵌入式系统的设计方法 n无论在机械电子系统中的作用是控

27、制还是信息处理，无论在机械电子系统中的作用是控制还是信息处理，如果微处理器嵌入的是一个相对较大、较复杂的系统，如果微处理器嵌入的是一个相对较大、较复杂的系统，由于监控变量多，数据量大，计算复杂，显示要求高，由于监控变量多，数据量大，计算复杂，显示要求高，那么可以选用那么可以选用PC机。机。n由于由于PC机具有广阔的硬件支持厂商，而且其软件产品机具有广阔的硬件支持厂商，而且其软件产品类型多样、品种齐全，软硬件开发环境及有关工具也类型多样、品种齐全，软硬件开发环境及有关工具也非常丰富，再加上其良好的用户界面有图形显示功能，非常丰富，再加上其良好的用户界面有图形显示功能，因而因而PC机对于工控领域的

28、吸引力是巨大的。正是在这机对于工控领域的吸引力是巨大的。正是在这样的背景下，工业样的背景下，工业PC机产生了。机产生了。2021/9/1221工业工业PC机的局限性机的局限性n标准结构的工业标准结构的工业PC机也有许多局限性，主要问题机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用场合（例是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用场合（例如航空航天产品、智能仪器仪表、医疗设备、通如航空航天产品、智能仪器仪表、医疗设备、通信设备、机电一体化产品等）无法胜任，因而出信设备、机电一体化产品等）无法胜任，因而出现了采用基于模块化设计方法的嵌入式系统。现了采用基于模块化设计方法的嵌入式系统。2021

29、/9/1222可编程控制器可编程控制器PLCn可编程控制器应当说是一种真正的工业控制计算机，它的可编程控制器应当说是一种真正的工业控制计算机，它的设计过程是通过广泛地征求各个工业领域对各种现场环境设计过程是通过广泛地征求各个工业领域对各种现场环境的要求，并把这些要求综合成十几条标准后完成的。的要求，并把这些要求综合成十几条标准后完成的。n可编程控制器的积木化结构使得它在不同的应用场合中显可编程控制器的积木化结构使得它在不同的应用场合中显得非常灵活，在一个基本系统上，根据监控变量数量的要得非常灵活，在一个基本系统上，根据监控变量数量的要求，可以灵活地选用模拟通道和数字通道的数量，并可以求，可以灵

30、活地选用模拟通道和数字通道的数量，并可以配置通讯模块，联成工业控制的局域网络。配置通讯模块，联成工业控制的局域网络。n可编程控制器有着非常优良的可靠性，它在工业界的应用可编程控制器有着非常优良的可靠性，它在工业界的应用中极少出现故障，即使出现故障，也有相当一部分是由于中极少出现故障，即使出现故障，也有相当一部分是由于接线引起的。但对一些监控变量少、计算量小的机电系统接线引起的。但对一些监控变量少、计算量小的机电系统来说，显得价格偏高。来说，显得价格偏高。2021/9/1223模块化：一种行之有效的嵌入式系统设计方法模块化：一种行之有效的嵌入式系统设计方法 n长期以来，微型计算机系统设计者常采用

31、下述几长期以来，微型计算机系统设计者常采用下述几种方法设计嵌入式系统：种方法设计嵌入式系统：基于模板的设计方法基于模板的设计方法基于模块的设计方法基于模块的设计方法基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法2021/9/1224基于模板的设计方法基于模板的设计方法n于模板的设计方法是指使用市场上销售的总线模于模板的设计方法是指使用市场上销售的总线模板来构成自己的专用嵌入式系统，这种设计方法板来构成自己的专用嵌入式系统，这种设计方法能大大缩短产品的开发周期，但设计出来的产品能大大缩短产品的开发周期，但设计出来的产品往往成本高、体积大、灵活性差。往往成本高、体积大、灵活性差。n国内目前较为流行的国内目前

32、较为流行的STD总线工控机和总线工控机和PC总线工总线工控机系统就属于这种设计方法。由于系统需要庞控机系统就属于这种设计方法。由于系统需要庞大的机箱或总线底板，因而在许多嵌入式应用场大的机箱或总线底板，因而在许多嵌入式应用场合，其应用受到限制。合，其应用受到限制。2021/9/1225基于模块的设计方法基于模块的设计方法n基于模块的嵌入式系统设计，即采用现成的、由基于模块的嵌入式系统设计，即采用现成的、由厂家提供的模块来设计嵌入式系统。所谓厂家提供的模块来设计嵌入式系统。所谓“模块模块”是指一种体积较小的多集成块组件，通常在是指一种体积较小的多集成块组件，通常在210in2的电路板上，安装了许

33、多满足某种特定功能的电路板上，安装了许多满足某种特定功能的集成电路和元件。的集成电路和元件。n基于模块的设计的优点：基于模块的设计的优点：不需很高的投资即可获得较高的器件密度不需很高的投资即可获得较高的器件密度 降低开发费用降低开发费用 增多产品档次，便于升级换代增多产品档次，便于升级换代 n预先定义的模块的机械电气标准也会大大简化用预先定义的模块的机械电气标准也会大大简化用户模块的设计，减少技术风险。户模块的设计，减少技术风险。2021/9/1226基于芯片的设计方法基于芯片的设计方法n基于芯片的设计是指设计全部从芯片开始做起。它能基于芯片的设计是指设计全部从芯片开始做起。它能非常有针对性地

34、满足系统的要求，但需花费较多的开非常有针对性地满足系统的要求，但需花费较多的开发费用、较长的开发时间和冒较大的风险。当然，开发费用、较长的开发时间和冒较大的风险。当然，开发出来的产品体积小、功耗低、成本也较低。发出来的产品体积小、功耗低、成本也较低。n典型的实例是采用单片机（例如，典型的实例是采用单片机（例如，Intel8051系列、系列、8096系列）来设计专用的嵌入式系统，这是一种大家系列）来设计专用的嵌入式系统，这是一种大家比较熟悉传统的设计方法。在当今激烈竞争的市场环比较熟悉传统的设计方法。在当今激烈竞争的市场环境中，这种方法由于周期长，开发费用高，因而有时境中，这种方法由于周期长，开

35、发费用高，因而有时在时间上不能满足用户的需要，最好能预先开发。在时间上不能满足用户的需要，最好能预先开发。2021/9/1227嵌入式系统标准模块嵌入式系统标准模块PC/104总线模块总线模块 nPC/104的概念起源于美国的概念起源于美国AMPRO公司在公司在1987年开年开发出来的、用于该公司发出来的、用于该公司“小板小板”系列系列PC兼容单板计兼容单板计算机的一些扩展模块算机的一些扩展模块“最小模块最小模块”(MiniModule)。n由于这些由于这些MinModule的体积很小、尺寸标准化的体积很小、尺寸标准化(9096mm)、功耗很低、结构独特，因此，、功耗很低、结构独特，因此，AM

36、PRO公司设想是否能将公司设想是否能将CPU模块也可以按上述模块也可以按上述标准来设计。标准来设计。n1990年，这些设想成为现实：年，这些设想成为现实：AMPRO公司推出了公司推出了第一个第一个CPU模块模块CoreModuleXT，接着许多计，接着许多计算机厂商和算机厂商和OEM用户也不断推出了与用户也不断推出了与CoreModule和和MiniMoule标准兼容的产品。标准兼容的产品。2021/9/1228PC/104的由来的由来 n目前目前MiniMoule系列已有通信控制、磁盘接口控制、系列已有通信控制、磁盘接口控制、显示控制、网络控制四大类十多种产品，与显示控制、网络控制四大类十多

37、种产品，与MiniModule兼容的其它外围模块。兼容的其它外围模块。n为了使为了使“PC/104”产品进一步普及和应用，以产品进一步普及和应用，以AMPRO公司为首的厂家，已联合了其它七十多个公司，成立公司为首的厂家，已联合了其它七十多个公司，成立了了“PC/104”协会，从而形成较大的声势，在全世界协会，从而形成较大的声势，在全世界推广嵌入式推广嵌入式PC/104模块及其产品。模块及其产品。n2008年年AMPRO公司已经公司已经被被AD-link公司收购。公司收购。2021/9/1229PC/104IEEE-P996.1 nIEEE-P996.1是指是指IBMPC和和PC/AT总线标准，

38、它总线标准，它已成微型机事实上的工业标准，已成微型机事实上的工业标准，PC/104总线只有总线只有与之兼容，才能有生命力。与之兼容，才能有生命力。nPC/104模块正是在电气和机械特性与模块正是在电气和机械特性与IEEE-P996.1兼容的基础上，缩小了体积空间、降低了兼容的基础上，缩小了体积空间、降低了功耗，从而满足了嵌入式计算机应用系统的需要。功耗，从而满足了嵌入式计算机应用系统的需要。n之所以将模块命名为之所以将模块命名为“PC/104”，是因为其总线，是因为其总线之间的互连使用了之间的互连使用了104个信号线（一个个信号线（一个64引脚连接引脚连接器，一个器，一个40引脚连接器）。因此

39、，引脚连接器）。因此，“PC/104”总总线线完全可以作为完全可以作为IEEE-P996.1标准的扩展。标准的扩展。2021/9/1230PC/104与与IEEE-P996.1的主要不同点的主要不同点 n1）非常小的体积，尺寸仅为）非常小的体积，尺寸仅为9096mm，可以当，可以当作普通元件组件来使用。作普通元件组件来使用。n2）独特的自层叠式总线，无需机壳、母板或总线）独特的自层叠式总线，无需机壳、母板或总线板，从而降低了成本。板，从而降低了成本。n3）总线驱动电流仅需）总线驱动电流仅需6mA，采用低功耗设计和高，采用低功耗设计和高集成度的元件，模块的典型功耗集成度的元件，模块的典型功耗12

40、W。2021/9/1231PC/104总线模块系统总线模块系统已成为事实上的嵌入式已成为事实上的嵌入式PC机的标准机的标准n我们认为，采用我们认为，采用PC/104总线结构设计的产品，最总线结构设计的产品，最适合于嵌入式控制的应用。适合于嵌入式控制的应用。PC/104模块与模块与IBMPCXT/AT软硬件完全兼容，因此软硬件完全兼容，因此完全可以利用现有的硬件、软件、开发工具、设计知完全可以利用现有的硬件、软件、开发工具、设计知识等资源，为技术人员提供了良好的开发环境。识等资源，为技术人员提供了良好的开发环境。PC/104模块体积小模块体积小(9096mm)、功耗低（采用、功耗低（采用CMOS

41、器件，无需散热）、可层叠，完全可以嵌入到各种设器件，无需散热）、可层叠，完全可以嵌入到各种设备中。备中。核心模块核心模块(CPUModule)已有已有XT、AT、386SDX、486、CMF8680等不同型式的标准化产品，给用户以较大的等不同型式的标准化产品，给用户以较大的选择余地，也便于升级和更新。选择余地，也便于升级和更新。所有所有CPUModule均支持均支持SSD（固态磁盘），用以取代（固态磁盘），用以取代软硬盘，适合于嵌入式工业控制环境。软硬盘，适合于嵌入式工业控制环境。2021/9/1232PC/104总线模块系统总线模块系统已成为事实上的嵌入式已成为事实上的嵌入式PC机的标准机的

42、标准工作温度范围宽（工作温度范围宽（070）。）。模块之间采用纵向层叠或侧向插接的接合方式，将通模块之间采用纵向层叠或侧向插接的接合方式，将通常印制板的边缘插接改为接触可靠的插针插座结构，常印制板的边缘插接改为接触可靠的插针插座结构，并且模块叠接后两角还有支柱和螺钉连接固定，因而并且模块叠接后两角还有支柱和螺钉连接固定，因而可靠性高，配置灵活方便，便于排障和修理。可靠性高，配置灵活方便，便于排障和修理。外围模块齐全，用户可以选择各种不同的功能模块，外围模块齐全，用户可以选择各种不同的功能模块，如同搭积木一样设计满足各种要求的专用系统。如同搭积木一样设计满足各种要求的专用系统。系统级的性能，芯片

43、组级的大小，在许多应用场合完系统级的性能，芯片组级的大小，在许多应用场合完全可以取代嵌入式微控制器全可以取代嵌入式微控制器(单片机单片机)。绝大多数绝大多数PC/104模块均采用单一的模块均采用单一的+5V电源，从而降电源，从而降低了系统对电源的要求。低了系统对电源的要求。无需机壳和机箱的低成本设计，产品价格低廉。无需机壳和机箱的低成本设计，产品价格低廉。2021/9/1233PC/104总线产品应用前景总线产品应用前景 nPC/104模块显示出极强的生命力，采用模块显示出极强的生命力，采用PC/104模模块来设计产品，不仅缩短了开发周期，改进了产块来设计产品，不仅缩短了开发周期，改进了产品的

44、性能，为产品提供了可升级的能力，而且系品的性能，为产品提供了可升级的能力，而且系统造价低、无需专门的开发系统，因此非常适合统造价低、无需专门的开发系统，因此非常适合我国国情，便于大量推广。我国国情，便于大量推广。n一个体积小、功能强、功耗低、可靠性高、兼容一个体积小、功能强、功耗低、可靠性高、兼容性好、成本低的性好、成本低的PC/104嵌入式系统可以嵌入到需嵌入式系统可以嵌入到需要微型计算机的任何产品中。要微型计算机的任何产品中。n相信不久的将来，相信不久的将来，PC/104总线产品必将在工业控总线产品必将在工业控制设备、机电一体化产品、医疗设备、航空设备、制设备、机电一体化产品、医疗设备、航空设备、通信设备、航管系统、高级仪器仪表等领域得到通信设备、航管系统、高级仪器仪表等领域得到广泛应用。广泛应用。2021/9/1234思考题思考题 n什么是嵌入式微处理器？什么是嵌入式微处理器？n工业现场对嵌入式系统的性能和功能主要有哪些工业现场对嵌入式系统的性能和功能主要有哪些要求？要求？n嵌入式微处理器与通用计算机的微处理器有什么嵌入式微处理器与通用计算机的微处理器有什么不同？不同？n嵌入式系统有哪些设计方法，它们各有什么优缺嵌入式系统有哪些设计方法，它们各有什么优缺点？点？2021/9/1235