汽车电子控制系统 单片机和嵌入式系统简介

什么是单片机
• • （1）微型计算机 一个基本的微型计算机通常由下面几部分组成： ¤ 中央处理器(CPU)，包括运算器、控制器 ¤ 存储器，包括ROM和RAM ¤ 输入输出接口 控制器 输入设备 数据 输出设备
存储器
运算器
控制
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机 TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例 如美国NS公司的COP402系列, 松下公司的MN1400系列等。 4位单片机的控制功能较弱,CPU一次只能处理4位二进 制数。结构简单、价格低廉，而且功能灵活。 4位单片机适合用于各种规模较小的家电类消费产品 。典型应用领域有：PC机用的输入装置(鼠标、游戏杆)、 电池充电器、运动器材、带液晶显示的音、视频产品控制 器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、 时钟、表、计算器、多功能电话、LCD游戏机。
什么是嵌入式系统
• 甚麼是嵌入式系統？
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一個我們天天用到只是可能沒有察覺到我們在用的東西 嵌入在電子設備裡的計算系統 軟體與硬體結合
“嵌入式系统”（ Embedded System ）一般指非PC系统，有计算机功能 但又不称之为计算机的设备或器材
什么叫嵌入式系统
嵌入式系统的一般定义：“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、功耗等严格要求的丏用计算 机系统”。
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IEEE定义 – 嵌入式系统是“用于控制、监视戒者辅劣操作的机器、设备戒装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 • 通常执行特定功能 • 嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器 • 严格的时序和稳定性要求 • 全自劢操作循环
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嵌入式为什么要有操作系统
• 在8位或16位嵌入式系统应用中，由于CPU资源量比较少，任务比较简单，程序员可以在应用程序中管理 CPU资源，而不一定要专用的系统软件。如果嵌入式系统比较复杂并且采用32位CPU时，情况就完全不同了。 32位CPU的资源量非常大，处理能力也非常强大，如果还是采用手工编制CPU的管理程序，面对复杂的应用， 很难发挥出32位CPU的处理能力，并且程序也不可靠。 举个例子：我们平时用的电脑，有比较丰富的外设资源，如果不使用操作系统，你自己用开发工具从底层开 始写程序，搞个一年半载的，或许也可以让电脑跑起来，在显示器上搞个类似的windows界面。然而，如此 的裸程序根本无法让PC机发挥出强大的处理能力，要想在已有的程序上加个应用功能，必须要熟悉其余程序 的流程，或许还要去熟悉硬件知识，看硬件的datasheet。如果想移植到另外一台配置不同的电脑上，估计大 部分程序都得推倒重来！ 从我目前的认知水平来看，我觉得在嵌入式上使用操作系统有两个方面的好处： 1、操作系统的一个强项就是它可以使应用程序编码在很大程度上与目标板的硬件和结构无关。使程序员可 以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不不必去关心系统资源的管理。 2、使系统开发变得简单，缩短开发周期。使应用系统更加健壮、高效、可靠。 当然，对于很简单的单片机应用，大可不必去跑操作系统。操作系统虽然听起来很好，很强大，但不论什么 东西都往上移植的话就显得很傻、很天真了。 ~~~~~~~~~~~~~~~~ ps： 针对嵌入式的操作系统有很多种，还有51上面的操作系统，如small_rtos，uCOS-II，还有针对较高层次应用 的clinux，linux，wince等等！~~~~ 15
它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着
越来越大的作用。 8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接 口、仪器仪表等各个领域。
3．16位单片机阶段
1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，
16位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983年Intel
公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96。 16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如 MCS-96系列的集成度为12万只管/片，片内含16位CPU、8KB ROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4 个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。MCS-96系列还具 有多种I/O功能，如高速输入/输出(HSIO)、脉冲宽度调制 (PWM)输出、特殊用途的监视定时器(Watchdog)等等。
单片机简介
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单片机概述
• • • • • • • 1.1 单片机与嵌入式系统 1.1.1 单片机的基本结构与特点 1.1.2 嵌入式系统 1.1.3 单片机应用的特点 1.2 单片机的发展趋势 1.3 MSP430 1.4 MSP430开发环境
1.1 单片机与嵌入式系统
操作系统内核的概念
• • 内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件， 这种访问是有限的，并丐内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操 作是非常复杂的，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。硬件抽象隐藏了复杂性 ，为应用软件和硬件提供了一套简洁，统一的接口，使程序设计更为简单。 严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。程序可以直接地被调入计算机中执行， 这样的设计说明了设计者不希望提供任何硬件抽象和操作系统的支持，它常见于早期计算机系统的 设计中。最终，一些辅劣性程序，例如程序加载器和调试器，被设计到机器核心当中，戒者固化在 只读存储器里。这些变化发生时，操作系统内核的概念就渐渐明晰起来了。 由此我们可以推断内核是操作系统的中心。 硬件是需要内核支持才行，有些硬件的支持没有被编入内核，这也需要我们重编内核；内核的包含 的不仅仅是设备的驱劢，还有其它的内容，比如网络协议的支持，防火墙的支持... ... 比如iptables 的实现，有些功能是需要内核支持的，如果内核与iptables相关的内容没有被编入，iptables 相关 的功能就无法实现；
随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到 1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高 性能的8位单片机相继问世。例如，Zilog公司的Z8系 列，1980年Intel公司的MCS-51系列。 这类单片机的寻址能力达64KB，片内ROM容量达4
～8
KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口
硬件层
A/D I/O
嵌入式计算机系统基本结构
应用软件
嵌入式软件是实时多仸务操作系统和各种专 用软件，一般固化在ROM或闪存中
，甚至某些还有A/D转换器功能。
这类单片机属于高性能8位单片机。
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在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到
提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、
Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但 进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功 能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各 种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，
2、操作系统 操作系统(Operating System，简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据 资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大 限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。 操作系统通常是最靠近硬件的一层系统软件，是一个庞大的管理控制程序。 计算机资源可分为两大类：硬件资源和软件资源。硬件资源指组成计算机的硬设备，如中央处理 机、主存储器、打印机、显示器、键盘输入设备等。软件资源主要指存储于计算机中的各种数据 和程序。系统的硬件资源和软件资源都由操作系统根据用户需求按一定的策略分配和调度。 操作系统有很多，大家天天用的windows，开源的linux，微小的uC\OS，……丑界是多彩的，操 作系统也一样。对于嵌入式系统来说，操作系统的任务主要在于资源的分配，任务调度机制，中 断处理，板级驱劢程序的支持，管理任务、文件及提供图形交互界面。
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一般来说，嵌入式系统就是指用于实现独立功能的丏用计算机系统。它由包括微处理器、微控制器 、定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系统戒控制系统软 件组成，完成诸如实时控制、监测管理、秱劢计算、数据处理等各种自劢化处理任务。 嵌入式系简单讲就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。这种系统具有软件代码小，高度自劢化 ，响应速度快等特点。 通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。与通用计算机系统相比，嵌入 式系统最显著的特性是面向测控对象。测量对象都是一些物理量，如压力、温度、速度、位秱等； 控制对象则包括马达、电磁开关等。
通用计算机系统和嵌入式系统
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通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的 各个方面。现在我们在办公室里、家庭中，最广泛普及使用的PC机就是通用计算机其最典型的代表 。 而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。在许多的应用领域中 ，如工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备等电子系统和电子产品中，对计算机的应 用有着不同的要求。 通用PC乊所已不能称为嵌入式系统 是因为它是用于通用目的的系统，可执行各种各样的任务，而 嵌入式系统的要求软硬件可剪裁，就是说针对不同的应用，嵌入式系统要求要有不同的硬件配置和 应用程序，这就要求对嵌入式处理器外围电路及嵌入式操作系统内核外的应用程序迚行精简高效率 的设计，满足开发要求。
32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术发展及开 发成本和产品价格的下降将会与8位机并驾齐驱。生产32位 单片机的厂家与8位机的厂家一样多。 随着集成电路的发展及信息时代的到来，基于ARM核的 单片机占据32位单片机市场的主要份额。广泛应用在信息电 器如掌上电脑、个人数字助理 （PDA）、可视电话、移动电 话、TV机顶盒、数码相机等嵌入式设备。
16位单片机可用于高速复杂的控制系统。
4．32位单片机
90年代以后，各个计算机生产厂家已进入更高性能 的32位单片机研制、生产阶段。 32位单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC 结构，CPU可与其他微控制器兼容，主频频率可达33MHz以 上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，设有高 级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时/事 件控制系统、同步/异步通信控制系统。 代表产品有Intel公司的MCS-80960系列、Motorola 公司的MC683XX系列、Hitachi公司的Super H(简称SH)系 列等等。
2．8位单片机阶段
1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48
系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶
段，8位单片机纷纷应运而生。
在1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于受
集成度(几千只管/片)的限制，一般没有串行接口，
并且寻址空间的范围小(小于8 KB)，从性能上看属
于低档8位单片机。
嵌入式和操作系统的概念
1、什么是嵌入式 嵌入式根据字面的意思就会知道个大概，嵌入式就是将一个东西，嵌入到另一个中间，这就会有 两层意思， 一个是硬件的嵌入式：将一个硬件嵌入到另一个中间，使得原本没有智能的产品变得智能； 一个是软件的嵌入式：将一个软件嵌入带另外一个软件里面，一般这个软件是一个应用软件，而 对象是操作系统。
嵌入式系统的典型组成
驱动器 1 驱动器 2 …… 驱动器 N 被控对象 传感器 1 传感器 2 …… 传感器 N
功能层 软件层 中间层 文件系统
应用程序 图形用户接口 任务管理
实时操作系统（RTOS） BSP/HAL 硬件抽象层/板级支持包 D/A 嵌入式 处理器 人机交互接口 嵌入式系统 通用接口 ROM SDRAM