01. 嵌入式系统概要

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嵌入式系统概要

嵌入式系统的概念及特点

1. 概念

• 国外的定义：用于控制、监视或者辅助操作机器或设备的装置
• 国内的定义：嵌入到对象体系中，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

2. 特点

• 嵌入性：嵌入到对象系统，满足对象系统的要求，如物理环境、电气环境、成本
• 专用性：量身定做，专用开发环境，专用开发工具
• 计算机系统：以计算机技术基础，光、机、电，算、软一体化，多学科融合
  

3. 嵌入式应用的演变

嵌入式系统硬件

嵌入式处理器

• 嵌入式处理器主要可以分为4大类：微处理器MPU、微控制器MCU、数字信号处理器DSP、片上系统SOC
  
• MMU：Memory Management Unit，内存管理单元

计算机硬件

• 微机的硬件由CPU、存储器、输入\输出设备构成
• 输入\输出设备通过输入\输出接口与系统相连
• 各部件通过总线连接

微控制器MCU

ARM处理器

• ARM是技术：Advanced RISC Machines的缩写
• ARM是公司：ARM公司的特点就是只设计芯片，而不生产芯片
• ARM公司将技术授权给世界上许多著名的半导体厂商

ARM内核架构

• V7是ARM内核的版本
• Cortex-A：应用处理器：主要用于移动计算、智能手机、车载娱乐、自动驾驶、服务器、高端处理器等领域；时钟频率超过1GHZ,支持Linux、Android、Windows等完整操作系统需要的内存管理单元MMU
• Cortex-R：实时处理器：可用于无线通讯的基带控制、汽车传动系统、硬盘控制器等；时钟频率200HZ到大于1GHZ，多数不支持MMU，具有MPU、Cache和其他针对工业设计的存储器功能；响应延迟非常低，不支持完整版本的Linux和Windows，支持RTOS
• Cortex-M：微控制器处理器：时钟频率较低容易使用，应用于单片机和深度嵌入式市场
• cortex：大脑皮层

嵌入式外围电路

• SRAM：Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器
• DRAM：Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器

嵌入式系统软件

传统的嵌入式软件框架

演进的嵌入式软件框架

• HAL：Hardware Abstract ion Layer：硬件抽象层
• 引进HAL层的目的与意义：
  – （1）引进中间层（HAL层，硬件抽象层）屏蔽了底层硬件的多样性；应用程序与操作系统不再面对具体的硬件环境，而是面对由这个中间层所代表的、逻辑上的硬件环境
  – （2）减少嵌入式软件移植的工作量和难度，提高嵌入式软件的通用性和复用性
  –（3）应用程序与操作系统调用硬件抽象层（HAL层）提供的接口函数。只要接口函数能够在下层硬件平台上实现，那么操作系统和应用程序的代码就可以无缝移植：只要HAL层提供的接口方法不变，不同的硬件平台根据HAL层的接口方法提供不同的实现，对于应用程序与操作系统来说是透明的–>跨平台

板级支持包

• 板级支持包BSP（Board Support Package）是硬件抽象层HAL的一种实现形式
  
• BSP_LEB_Init在硬件A上有A的实现方式，在硬件B上有B的实现方法，但是BSP提供给上层（操作系统与应用程序）的接口就是BSP_LEB_Init
• 操作系统与应用程序根本不关心HAL层的具体实现，他们只关心HAL层提供的接口能够完成什么样的功能：只要结果，不管过程

嵌入式系统的编程模式

前后台编程模式

温度采集程序设计：

1. 温度的采集，每个1s；
2. 温度显示在数码管上；
3. 可以通过键盘设置温度的上/下限；
4. 温度超过上/下限，声光报警

int flag1s		= 0;
int flag20ms	= 0;
int flag10ms	= 0;
int flagAlarm	= 0;

void GetTemperatrue() {} // 采集温度
void DispTemperatrue() {}// 显示温度
void ReadKey() {}		 // 读取按键
void SendAlarm() {}		 // 报警处理

int main(void) {
	while (1) {
		if (flag1s == 1)
			GetTemperatrue(); // 每隔1s采集温度
		if (flag20ms == 1) 
			DispTemperatrue();// 每隔20ms将温度显示在数码管上
		if (flag10ms == 1)
			ReadKey();		  // 每隔10ms就检测按键是否被按下
		if (flagAlarm == 0)
			SendAlarm();	  // 温度超过上/下限,产生报警
	}
	return 0;
}

• 用户编程
  – 定义标志变量
  – 编写定时中断服务程序
  – 判断标志变量并清除

基于RTOS的编程模式

void GetTemperatrue(void) {} // 采集温度
void DispTemperatrue(void) {}// 显示温度
void ReadKey(void) {}		 // 读取按键
void SendAlarm(void) {}		 // 报警处理

// 温度采集任务
void Task_GetTemperatrue(void) {
	while (1) {
		GetTemperatrue();
		SendEventFlag(); // 如果温度超过上/下限就发送报警事件
		OsDelay(1000); // 1000ms
	}
}

// 温度显示任务
void Task_DispTemperatrue(void) {
	while (1) {
		DispTemperatrue();
		OsDelay(20); // 20ms
	}
}

//按键读取任务
void Task_ReadKey(void) {
	while (1) {
		ReadKey();
		OsDelay(10); // 10ms
	}
}

// 声光报警任务
void Task_SendAlarm() {
	while (1) {
		WaitEventFlag(); // 等待超过上/下限报警
		SendAlarm(); // 程序到达这里说明温度超过了上/下限
	}
}

• 使用RTOS提供的接口函数，用户不用编写定时中断程序与定义标志变量

几种常用的RTOS

FreeRTOS

• 实时内核，提供完整功能
• 开源免费
• 稳定性强、市场占有率高
• 开发文档完善，有大量的参考实例

μC/OS II

• 实时操作系统
• 闭源收费
• 稳定性强
• 开发文档完善，有大量的参考实例

RTX

• 实时内核
• 开源免费
• 偏向物联网应用
• 开发文档较少
• ARM推出的嵌入式操作系统的统一接口，便于用户在不同操作系统之间的程序移植：RTX封装为CMSIS-RTOS

RT-Thread

• 实时操作系统
• 开源免费
• 偏向物联网应用
• 国产系统，开发文档丰富，社区活跃

微控制器的程序开发方式（STM32为例）

寄存器开发

优点

• 从细节上更加清晰的了解和掌握STM32的架构、原理
• 程序代码简练、短小，执行效率高

缺点

• STM32外设多，每个外设对应多个寄存器，需要用户了解每个寄存器的功能以及寄存器中每一位的定义
• 程序后期维护、移植会相对困难

开发要求

• 熟悉所有外设的初始化设置流程，读写方法
• 熟悉所涉及寄存器的功能以及每个寄存器的定义与作用

读写操作

• 利用赋值语句设置或读取相关寄存器的值

固件库开发

优点

• 对硬件的理解要求相对较低，会调用函数就会写程序，容易上手
• 程序代码容错性好，后期维护相对简单

缺点

• 程序冗余较多，代码量大，运行速度相对会有影响，但是现在的嵌入式处理器的速度越来越快，机会没啥影响

开发要求

• 学习STM32的固件库官方手册和范例程序
• 掌握固件库接口函数的功能与调用方法

读写操作

• 通过函数调用来设置或去读相关寄存器的值

寄存器开发 vs 固件库开发

// 设置引脚PA5输出高电平

// 寄存器开发
GPIOA->BSRR |= 0x00000020;

// 固件库开发
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);