提纲
嵌入式系统组成原理
嵌入式最小系统
嵌入式系统扩展
2.2 嵌入式最小系统


嵌入式最小系统的作用 嵌入式最小系统的组成 JTAG接口在最小系统中的应用 实际的嵌入式最小系统
2.2.1 嵌入式最小系统的作用
嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以 运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的 最基本系统）。 最小系统是构建嵌入式系统的的第一步，保证嵌入式 处理器可以运作。然后才可以逐步增加系统的功能， 如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、 增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统。
嵌入式系统
第2课 嵌入式系统硬件组成
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本课程教学要求
嵌入式系统应用领域
嵌入式系统概念
嵌入式系统发展历程
嵌入式系统构成要素
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1.嵌入式系统的定义与特点？
嵌入式系统：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统” 2.单片机、嵌入式系统、通用计算机系统三 “嵌入性”-必须满足对象系统的环境要求 者之间的关系如何？
单片机可以理解成嵌入式系统的低端应用
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1.嵌入式系统的定义与特点？ 嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌

入式操作系统（可选），以及用户的应用软件系统等四 2.单片机、嵌入式系统、通用计算机系统三 个部分组成。 者之间的关系如何？
3. 嵌入式系统的一般组成结构有哪些？
编译 应用程序 软件部分 操作系统 开发环境
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
CPU对内存的两 种基本操作： •取指令 运算器 •读写内存
控制器 CPU 寄存器 ROM RAM
数据总线
地址总线
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
指令和数据的概念，只有处理器才会 去做区分。对于内存而言，并不会区 数据总线 分指令还是数据，只是在相应的位置 （也就是内存的地址）放入的二进制 的代码。


计算机系统的一般运行原理 嵌入式系统与通用计算机硬件组成的异同 嵌入式系统硬件结构
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
运算器
数据总线
控制器 CPU 寄存器
地址总线
ROM
RAM
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
运算器
控制器 CPU 寄存器
•控制器的功能是控制处 理器，如取指令、译码、 数据总线 执行指令、读写内存等； •运算器主要是在处理器 地址总线 的内部完成运算（算术 运算、位运算）操作， 一般只和寄存器打交道； •寄存器为处理器提供内 部的临时存储空间，它 ROM RAM 是处理器和内存的媒介。
序，技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向 是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制 能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、 控制能力与控制的可靠性。

通用计算机系统需要支持大量的、需求多样的应用程 3. 嵌入式系统的一般组成结构有哪些？
处理器地址空间 0x0 ROM PC 程序计数器
RAM
IO映射
冯·诺依曼体系内存结构模型
存储器 指令寄存器 控制器 程序 指令0 指令1 指令2 指令3 指令4 数据通道 输入 中央处理器 输出
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系内存结构模型
地址 指令寄存器 控制器 指令
程序存储器
指令0 指令1 指令2
0x0 指令操作一般包括： PC ROM •读写内存（处理器操 程序计数器 作内存） •处理寄存器中的数据 RAM （处理器不操作内存） •跳转到某个位置执行 指令（给PC赋值） IO映射 •上述操作的组合
处理器地址空间
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
处理器将所有的内存映 射到自己的地址空间中。 对于实际内存（RAM和 ROM等）的映射比较简 单，即为根据地址总线 和片选信号为一定大小 的内存分配一个固定的 地址区域，在操作的时 候使用区域地址+内存内 部地址来操作内存的每 一个位置。
地址 数据通道 输入 中央处理器 数据 输出
数据存储器
数据0 数据1 数据2
各种体系结构处理器的差别
处理器每次执行的指令的长度（1、2、4或者8字节）； 处理器指令可以完成的功能； 处理器执行一条指令所占用的时间单位； 指令系统是RISC还是CISC；
处理器可访问的地址空间大小；
处理器IO端口使用单独的空间，还是使用内存的地址空 间（x86处理器一般为前者）； 处理器是否具有流水线等。
嵌入式系统的非标准化使得嵌入式的硬 件工程师有了更大的发挥空间，同时也 要求嵌入式工程师需要拥有较高的专业 素质。
非标准化
接口非常复杂
2.1.2 嵌入式系统与通用计算机 硬件组成的异同 嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有 以下的特点： 集成度高
•有多种接口选择：I2C、SPI、蓝牙、 红外、CAN总线等等。 •嵌入式系统的设计者只有具备了广 泛的知识，才能选择出最合适的硬件， 设计出性价比最高的系统。
小结
计算机系统由处理器、内存、总线等主要部件组成。
处理器对内存的基本操作包括读取指令和读写数据。
指令操作的基本操作包括读写内存，处理寄存器中的 数据，跳转到某个位置执行指令。 处理器所能访问的地址空间包括：只读存储器、随机 存储器、IO端口、处理器特殊功能寄存器的地址映射。
2.1.2 嵌入式系统与通用计算机 硬件组成的异同 嵌入式系统本质上是计算机系统，但是具有 以下的特点： 集成度高
2.2.2 嵌入式最小系统的组成 在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：
处理器
对于任何一个计算机系统，处理器 都是整个系统的核心，整个系统式 靠处理器的指令工作起来的。
2.2.2 嵌入式最小系统的组成 在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：
处理器
内存
一个嵌入式处理器的运行，其指令 必须放入一定的存储空间内，运行 的时候也需要空间来存储临时的数 据，因此内存也是必不可少的。

LPC2103微控制器基于ARM7TDMI-S CPU内核。支持 ARM和Thumb指令集，芯片内集成丰富外设，而且具 有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特别适用于 工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。 ARM7TDMI-S
ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核）， 对应用工程师来说编程模型与ARM7TDMI 一致； 支持EmbededICE观察硬件； 支持64位乘法； 支持片上调试； 支持高密度16位的Thumb指令集；
2.2.2 嵌入式最小系统的组成 在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：
处理器
内存 时钟
处理器的运行时需要时钟周期的，一般来 说处理器在一个或者几个周期内执行一条 指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提 供一定频率，处理器使用该频率的时候可 能还需要进行倍频处理。
2.2.2 嵌入式最小系统的组成 在嵌入式系统中，最简单的系统包括以下单元：
对于具有JTAG接口的处理器，可以将其与主机(PC)连 接起来，通过JTAG将主机中的程序载入到嵌入式系统 的内存中。
2.2.3 JTAG接口在最小系统中的应用
主机（PC） 并口 下载 烧写 调试 使用JTAG的时候可以将
JTAG RAM
电源 时钟
程序直接载入到目标机的 RAM中，然后直接运行。 因此ROM/FLASH在最小 系统中已不是必须的了。
2.2.3 JTAG接口在最小系统中的应用
调试与测试接口原不是系统运行必须的，但现代系统 设计越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也越 来越受到重视。 目前高级的嵌入式处理器中，内置有JTAG调试接口， 即联合测试行动小组（Joint Test Action Group）接口， 可以控制芯片的运行并获取内部信息，为下载和调试 程序提供了很大的方便。
嵌入式处理器
带有总线扩展的嵌入式处理器的系统
2.1.3 嵌入式系统的硬件结构
模块外围硬件
பைடு நூலகம்
CPU 嵌入式系统硬件结构的多样性和复杂性，也决定了嵌 GPIO扩展 供电模块 入式系统的工程师比通用计算机的工程师要更多地关 内部设备 （GPIO、定时器、中断控制器） 注硬件的设计。
片内 SRAM\FLASH
地址总线
内存 运算器
指令
控制器
地址
数据（只读）
CPU
数据（读写）
寄存器 ROM RAM
2.1.1 计算机系统的一般运行原理
程序计数器在系统复位后， 指向的内容是内存的某一个 点区域，处理器从该处的内 存依次取出指令，然后译码、 执行。处理器在执行完一条 指令之后，将自动将程序计 数器寄存器的内容增加一个 单位，然后根据其地址自动 执行下一条指令。
时钟模块
嵌入式处理器
无总线扩展的嵌入式处理器的系统
适用于集成度要求比较高的应用！
小结
嵌入式系统和一般的计算机系统类似，也是由CPU、 内存、IO端口、总线等几个部分组成。 在嵌入式系统中，一些基本的设备（如GPIO 、定时器、 中断控制器）一般都是集成在处理器之中的。 嵌入式的处理器带有外部总线的时候，可以在总线上 扩展内存（如SRAM、FLASH等），还可以扩展类似 内存的部件（可以映射到内存空间），如网络芯片、U SB芯片、A/D、D/A等。
嵌入式最小系统框图
时钟系统
调试测试接口
可选，但是在样 品阶段通常都会 设计这部分电路
供电系统 (电源)
嵌入式控制器
复位及其 配置系统
可选，因为许多面向嵌入 式领域的微控制器内部集 成了程序和数据存储器
存储器系统
2.2.4 实际的嵌入式最小系统
我们的实验平台：EasyARM2103开发板
1.处理器