《嵌入式微型计算机原理》课件

嵌入式微型计算机原理本课件将深入探讨嵌入式微型计算机原理，涵盖微处理器、存储器、输入输出、总线系统、实时操作系统等核心内容从硬件结构到软件开发，从基础知识到实战应用，带您全面掌握嵌入式微型计算机的奥秘，为您的嵌入式系统设计奠定坚实基础嵌入式系统概述定义特点嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可体积小、功耗低、成本低、可靠性高、可定制性强，广泛应用于裁剪、适应应用系统特定环境要求的专用计算机系统工业控制、消费电子、汽车电子、航空航天等领域微型计算机系统组成中央处理器CPU负责执行指令、控制系统运行存储器用于存放程序、数据和中间结果输入输出设备I/O负责与外部世界进行数据交互总线系统连接各个部件，负责数据传输微处理器简介核心控制单元寄存器组算术逻辑单元ALU负责执行算术运算负责控制指令执行、数据传输和系统运临时存储指令、数据和地址和逻辑运算行微处理器的结构指令寄存器程序计数器堆栈指针通用寄存器IR PCSP存放当前正在执行的指令指向下一条要执行的指令地指向堆栈顶部的地址存放程序执行过程中的数据址和中间结果指令集体系指令格式寻址方式12指令由操作码和操作数组成，指令访问操作数的方式，如立用于描述操作类型和操作对即寻址、直接寻址、寄存器间象接寻址等指令类型3数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等汇编语言基础指令助记符操作数标号用英文缩写表示指令，便于记忆和书指令的操作对象，可以是寄存器、内存为程序中的特定位置或数据定义符号写地址或立即数名，便于程序跳转和访问汇编语言程序设计分析问题明确程序的功能和实现步骤编写汇编代码根据算法和数据结构编写汇编程序汇编和连接将汇编代码转换为机器码，并将其与其他模块链接在一起调试和测试通过仿真器或目标板进行调试，确保程序的正确性存储器系统2ROM只读存储器，存储系统引导程序，掉电数据RAM不丢失1随机存取存储器，读写速度快，掉电数据丢失FLASH闪存，可擦写可编程的非易失性存储器，兼3具RAM和ROM的优点存储器接口电路地址译码数据缓冲读写控制将CPU发出的地址信号转换为存储器的用于放大数据信号，提高数据传输效根据CPU的读写指令控制存储器的读写物理地址率操作输入输出系统输入设备接口I/O键盘、鼠标、传感器等，用于将外部信息输入到系统负责连接CPU和I/O设备，完成数据传输和控制123输出设备显示器、打印机、电机等，用于将系统信息输出到外部通用输入输出接口UART1通用异步收发器，用于串行通信SPI2串行外设接口，用于同步通信I2C3互联集成电路，用于双线串行通信CAN4控制器局域网络，用于汽车电子等领域定时计数器接口/12时间测量事件计时用于测量时间间隔、频率等用于产生定时器中断，实现定时任务3计数用于计数脉冲信号，实现计数功能中断系统中断请求I/O设备或系统事件向CPU发出中断请求中断响应CPU停止当前程序执行，转而处理中断事件中断处理执行相应的中断服务程序，处理中断事件中断返回中断处理完毕后，CPU返回到中断发生前的程序执行中断向量和中断处理中断向量表中断服务程序存储了每个中断事件对应的中断服务程序地址用于处理特定的中断事件，实现对中断的响应和处理串行通信接口异步串行通信1发送和接收数据时，不需要同步时钟信号，利用起始位和停止位进行同步同步串行通信2发送和接收数据时，需要同步时钟信号，保证数据传输的同步性数据格式3包括起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等并行通信接口特点数据传输速度快，但成本高，布线复杂，抗干扰能力弱应用适用于高速数据传输场合，如硬盘、打印机等总线系统数据总线2用于传输数据地址总线1用于传递存储器地址控制总线3用于控制数据传输和系统运行总线时序分析时钟信号数据传输过程用于同步系统中各个部件的运行包括地址信号、数据信号和控制信号的时序关系电源管理系统电源电路设计负责将外部电源转换为系统所需的电压和电流低功耗设计通过降低功耗，延长系统运行时间，提高电池寿命电源电路设计稳压电路滤波电路将不稳定的电压转换为稳定的直流电压滤除电源中的噪声和干扰低功耗设计降低工作电压1降低芯片的工作电压，减少功耗优化软件算法2采用更低功耗的算法，减少指令执行次数电源管理3根据系统状态动态调整电源供应，实现节能接口ADC/DAC模数转换数模转换ADC DAC将模拟信号转换为数字信号将数字信号转换为模拟信号数字信号处理离散傅里叶变换快速傅里叶变换DFT FFT将时域信号转换为频域信号，用快速计算DFT，提高效率于频谱分析数字滤波器用于去除噪声，提取有用信号数字滤波器设计低通滤波器1滤除高频信号，保留低频信号高通滤波器2滤除低频信号，保留高频信号带通滤波器3滤除特定频率以外的信号，保留特定频率信号带阻滤波器4滤除特定频率的信号，保留其他频率信号嵌入式实时操作系统任务管理时间管理管理系统中的多个任务，实现任务调度和资源分配提供时间管理机制，实现定时任务和时间同步内存管理通信机制管理系统内存，分配和回收内存资源提供任务间通信机制，实现任务同步和数据交换任务管理RTOS任务调度1根据优先级、时间片等因素决定哪个任务运行任务切换2在不同任务之间进行切换，保证系统运行效率任务同步3协调多个任务之间的运行顺序，避免冲突任务间通信与同步信号量互斥量消息队列用于同步访问共享资源，避免资源竞用于保证同一时间只有一个任务访问共用于任务之间异步通信，实现数据交争享资源换设备驱动程序12硬件抽象中断处理屏蔽硬件差异，提供统一的访问接处理设备产生的中断，实现异步数据口传输3数据传输完成数据在设备和系统之间传输嵌入式网络通信网络接口1负责连接嵌入式系统到网络通信协议2定义数据传输格式和规则，保证数据传输的可靠性和效率网络应用3实现基于网络的应用功能，如数据采集、远程控制等协议栈TCP/IP应用层传输层网络层数据链路层提供各种网络应用服务，如负责数据传输可靠性，如负责数据路由，如IP协议负责数据帧传输，如以太网HTTP、FTP等TCP、UDP等协议嵌入式服务器WEB功能应用提供网页服务，实现网页访问和数据交互用于远程监控、设备管理、数据可视化等嵌入式安全技术密码学基础利用数学方法和算法实现数据加密和解密加密算法对数据进行加密，防止信息泄露安全通信协议保证数据传输的安全性，如SSL/TLS协议硬件安全机制通过硬件设计实现安全保护，如安全启动、硬件加密等密码学基础对称加密非对称加密哈希算法加密和解密使用相同的密钥，速度快，加密和解密使用不同的密钥，安全性将任意长度的数据转换为固定长度的哈适合大量数据的加密高，适合密钥交换和数字签名希值，用于数据完整性校验嵌入式加密算法AES1高级加密标准，对称加密算法，安全性高，广泛应用于硬件加密DES2数据加密标准，对称加密算法，安全性相对较低，已逐渐被AES取代RSA3非对称加密算法，安全性高，常用于密钥交换和数字签名安全通信协议IPsecSSL/TLS互联网协议安全，用于提供网络层安全服务，如数据加密和身份安全套接字层协议，用于建立安全的网络连接，保证数据传输的认证机密性和完整性硬件安全机制安全启动安全存储确保系统启动时加载的程序是可信的，防止恶意代码入侵使用安全存储器存储敏感信息，防止数据泄露123硬件加密使用硬件加密模块对数据进行加密，提高安全性测试与调试技术单步调试断点调试逐条执行指令，观察程序运行设置断点，程序运行到断点处状态，便于定位错误停止，方便查看变量值和程序状态仿真器模拟目标硬件环境，方便进行软件测试和调试单步调试步骤优势设置断点、单步执行、查看寄存器和内存能够深入了解程序执行过程，便于定位错误仿真器使用功能模拟目标硬件环境，包括CPU、存储器、I/O设备等优势可以在软件环境下进行测试和调试，提高开发效率开发环境配置12编译器调试器将高级语言代码转换为机器码用于调试程序，查找和修复错误3仿真器模拟目标硬件环境，方便进行软件测试和调试项目管理实践需求分析明确项目目标，确定功能需求和性能指标系统设计设计系统架构，确定硬件和软件方案编码与测试编写代码并进行单元测试，保证代码质量集成与部署将各个模块集成在一起，进行系统测试，最终部署到目标硬件平台需求分析与设计功能需求性能需求接口需求系统需要实现的功能和操作系统的速度、可靠性、安全性等指标系统与其他设备的接口定义编码与单元测试编码规范1遵循代码规范，提高代码的可读性和可维护性单元测试2对代码进行单元测试，确保代码功能的正确性代码审查3进行代码审查，保证代码质量集成与系统测试模块集成测试系统功能测试将各个模块集成在一起，进行测试系统的功能是否符合需测试，确保模块之间能够正常求协作系统性能测试测试系统的性能指标是否满足需求性能优化与部署代码优化通过优化代码，提高程序运行效率硬件优化通过选择合适的硬件平台，提高系统性能系统部署将系统部署到目标硬件平台，并进行最终的测试和调试总结与展望总结展望本课件涵盖了嵌入式微型计算机原理的方方面面，从硬件结构到随着技术的不断发展，嵌入式系统将更加智能化、网络化和小型软件开发，为您的嵌入式系统设计提供了全面的指导化，为我们带来更加便捷、高效和智能的生活。