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1、单片机原理及应用,北京化工大学信息科学与技术学院主讲教师：林伟国E-mail:linwgmail.buct.edu,cn,课程内容,硬件结构指令系统外部功能扩展编程技术应用基础,第一章 绪论,什么是嵌入式 系统国内外普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统的发展,虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来，但是 这个概念并不是新进才出现。从二十 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了40年的发展。作为一个系统，往往是硬件和软件交
2、替发展的，双螺旋的支撑下逐渐趋于成熟和稳定的，嵌入式系统也不例外。,1）嵌入式系统的出现最初是基于单片机（70年代出现）的，此时的应用还只是执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念,2）从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，“嵌入式系统”真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation(ISI)的PSOS和IMG的
3、VxWorks、QNX公司的QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。,3）90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux
4、，以及国内的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。,常用的嵌入式系统,(1)VxWorks VxWorks是Wind River System公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统内核，具有先进的网络功能。VxWorks的开放式结构和对工业标准的支持，使得开发人员易于设计高效的嵌入式系统，并可以以很小的工作量移植到其它不同的处理器上。其主要特点如下：可裁剪微内核结构；高效的任务管理能力(多任务-具有256个优先级);具有内存共享技术。微秒级的中断处理能力。支持多种物理介质及标准和完整的TCP/IP网络协议。
5、灵活的引导方式(支持从ROM、U盘、本地盘、软盘、硬盘或网络中引导)。快速灵活的I/O系统管理能力。支持MS-DOS和RT-11等多种文件系统、支持本地盘、U盘、CD-ROM的使用。VxWorks是一个商用操作系统，用户需要购买licence。,(2)QNX QNX是由QNX软件系统有限公司开发的一套实时操作系统，它是一个实时的、可扩展的操作系统，部分遵循了POSIX相关标准，可以提供一个很小的微核级及一些可选择的配合进程。其内核仅提供四种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。其进程在独立的空间中运行，所有其它操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧，大约几千字
6、节，而且运行速度极快。,(3)Windows CE Microsoft Windows CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从PDA到专用的工业控制器用户的电子设备进行定制，操作系统的基本内核至少需要200KB。(4)uC/OS-II uC/OS-II系统源码开放，简单易学，提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执行效率。当然，uC/OS-II相对于商用嵌入式系统来说还是过于简单，而且存在开发调试困难的问题。uC/OS-II的主要特点包括：公开源代码、可移植性很强(采用ANSI C编写)
7、、可固化、可裁剪、占先式、多任务、系统任务、中断管理、稳定性和可靠性都很强。,(5)LinuxLinux是现在最为流行的一款开放源代码的操作系统。Linux从1991年问世到现在，短短10年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的Linux OS已成为Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的强劲对手。Linux系统不仅能够运行于PC平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下，Linux OS逐渐形成了可与Windows CE等EOS进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linu
8、x作为嵌入式操作系统。Linux现已成为嵌入式操作的理想选择。,常用的嵌入式处理器,嵌入式处理器种类繁多，有ARM,MIPS，PPC等多种架构1）POWERPC：PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM的IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；IBM Connect 电子报2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。二十世纪九十年代，IBM、Apple（和Motorola公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计
9、算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。2）MIPS：MIPS技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在通用方面，MIPS R系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。3）ARM(Advanced RISC Machines)应用最为广泛的嵌入式处理器,ARM处理器概述,ARM英文全称为Advanced RISC Machine，既可
10、以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。ARM体系架构的版本就是它所使用的指令集的版本。ARM架构支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，后者使得代码的存储空间大大减小。还提供了一些扩展功能，比如Java加速器、用以提高安全性能的TrustZone技术、智能能源管理（Intelligent Energy Manager）、SIMD和NEONTMD等技术。目前应用比较广泛的ARM系列处理器有ARM7,ARM9等。其三大特点：耗电少功能强，16/32位双指令集，众多合作伙伴应用最广泛,嵌入式系统开发,1.嵌入式交叉编译环境搭建和Qt编程采用
11、宿主机目标机开发模式宿主机：普通PC机，安装UBUNTU8.10目标机：ARM9开发板（1）搭建ARMLinux交叉编译环境是在LINUX系统下开 发ARM体系结构运行代码的前提使用crosstool编译arm-linux交叉编译工具链装载Qt库和触摸屏库（2）NFS网络文件系统用于在线调试程序，需要安装NFS服务，连上网线（3）Qt是一个C+的图形库图形界面友好 良好的跨平台性,2.在ARM板上安装LINUX系统（1）移植Bootloader 系统上电开始执行，初始化硬件设备，准备好软件环境，最后调用系统内核，相当于WINDOWS启动时的BIOS(2)移植linux内核 完成进程管理，设备驱
12、动程序，中断管理，内存管理，进程间通信，网络管理和系统启动等操作系统功能的实现（3）烧写文件系统 目录结构遵循FHS（Filesystem Hierachy Standard）标准,配置编译内核时需要配置USB驱动,Linux系统对硬件设备的操作需要通过设备 驱动程序,一、什么是单片机,利用大规模集成电路技术将计算机的主要部件，如：CPU、存储器、定时/计数器、I/O接口等，集成在一块芯片上，构成芯片级的微型计算机，称单片微型计算机。,二、特点,1)功能全2)体积小，成本低3)可靠性高,4)面向实时控制,适应温度范围宽：工业级：-40+85OC军事级：-65+125OC,三、应用,工业方面：电
13、机控制、工业机器人、过程控制仪器仪表：智能仪表民用方面：家用电器、掌上电脑、IC卡军事装置：导弹控制、智能武器装置通讯技术,四、MCS-51系列单片微机,生产厂家：Intel主要产品：8051、80C51、8751、8031、8052、8032等特点：八位单片微机，引脚及指令系统兼容支持厂商：ATmel，Philip,东芝，三星，华邦等,五、当今世界著名单片机简介,C8051F系列8位单片机SILICON LAB公司出品主要特点：高速8位CIP-51内核，最高可达100MHz集成多种模拟数字片内外设，如DAC、ADC、比较器、CAN控制器、USB控制器等代表型号：C8051F020 C8051
14、F350等。,五、当今世界著名单片机简介,AVR8bit系列8位单片机ATMEL公司出品主要特点：内置低温漂时钟电路，可配置熔丝位进行时钟设置。内置I2C、SPI总线、10位ADC新型号内置CAN控制器。代表型号：ATMEGA128 ATTINY13 AT90CAN128等。,五、当今世界著名单片机简介,MSP430系列16位超低功耗单片机Texas Instrument公司出品主要特点：超低功耗，可以用在多种对功耗要求苛刻的场合，内部集成ADC、DAC、SPI、I2C、DMA、比较器等片内外设。全系列工业级要求封装。代表型号：MSP430F149 MSP430F169 MSP430F5438
15、等。,五、当今世界著名单片机简介,dsPIC系列16位数字处理单片机Microchip公司出品主要特点：结合了DSP的强大数字处理、浮点运算能力和MCU的强大控制能力，组成了全新的DSC（数字处理控制器），适合于对运算和控制要求均很严格的应用场合。代表型号：dsPIC30F5013等。,五、当今世界著名单片机简介,LPC2xxx32位单片机NXP公司出品主要特点：ARM7TDMI内核，封装形式多样，有多种不同型号供高中低端应用选择，集成多种片内外设，可以跑较小的C-OS、Clinux 等操作系统，目前应用较为广泛。代表型号：LPC2103 LPC2148等。,五、当今世界著名单片机简介,STM
16、32系列32位单片机ST公司出品主要特点：最新ARMv7架构ARM Cortex-M3内核，集成12位ADC、DAC、多路UART、SPI、I2C、USB、CAN控制器等。性价比很高，全系列工业级要求封装。代表型号：STM32F103C8T6 STM32F103ZET6等。,应用举例,磁记忆检测原始电路,在原始电路基础上改进而成的第二版电路,基于CPLD的多路并行采样电路,第三版电路,基于CPLD和单片机的磁记忆检测,第三版电路（反面）,基于ARM处理器的触摸屏,磁记忆检测系统,实物展示,系统组成结构,润滑油油品监测系统,现场仪表,润滑油油品监测系统,监测系统,基于MSP430F149单片机的
17、数据采集通信模块,系统应用,学到的知识能做些什么,系统组成 1）现场仪表 2）RTU（Remote Terminal Unit 现场终端 单元）3）监控工业控制计算机 4）控制机构（阀门定位器）,现场仪表（变送器）现场仪表主要涉及：传感器、微处理器（微型计算机）和电子电路设计。在该应用例子中，主要完成信号的放大、采样、数据通信（RS-485通信）或信号变送（4-20mA输出）工业现场仪表主要有：压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等等。,泄漏信号变送器、变送器电路和传感器实物图,3.学到的知识能做些什么,RTU模块（远程终端单元）RTU主要涉及：嵌入式工控机、远程网络通信（有线或无线）、数据采集（收集）、信息信号处理、（异常）诊断模型等。在本应用中，RTU主要负责：现场数据的采样/收集、GPS时间的接收（授时）、数据的数据库存储、数字信号实时处理、异常信号的诊断和识别、报警信息的远程网络通信。,嵌入式工控机/ARM主板图,基于ARM处理器的RTU终端主板,
