嵌入式系統(tǒng)架構(gòu) 硬件及軟件 2013

1、嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)提提 綱綱嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論嵌入式硬件嵌入式軟件嵌入式系統(tǒng)設(shè)計第一章：嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論第一章：嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 什么是嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的特征 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計什么是嵌入式系統(tǒng)什么是嵌入式系統(tǒng)u根據(jù)電氣工程師協(xié)會(IEEE)的一個定義： 嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機器、裝置或工廠等的大 規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。u國內(nèi)普遍的定義： 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并 且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成 本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特征嵌入式系統(tǒng)的特征u專用性：只執(zhí)行特定功能u軟硬件一體化：以微控制器、外圍器

2、件為中心，系統(tǒng)構(gòu)成可大可小u高可靠：在惡劣的環(huán)境或突然斷電情況下，系統(tǒng)仍能正常工作u實時性：實時處理能力及實時反映能力u軟件固化：軟件代碼一般都固化在只讀存儲器或閃存中嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型粗略劃分：粗略劃分： 嵌入式處理器嵌入式處理器 外圍設(shè)備外圍設(shè)備 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(可選可選) 嵌入式應(yīng)用軟件嵌入式應(yīng)用軟件稍細劃分：稍細劃分： 嵌入式處理器嵌入式處理器 外圍設(shè)備外圍設(shè)備 驅(qū)動程序驅(qū)動程序 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 應(yīng)用接口應(yīng)用接口 嵌入式應(yīng)用軟件嵌入式應(yīng)用軟件實時操作系統(tǒng)(RTOS)設(shè)備驅(qū)動程序、硬件抽象層(HAL)、板級支持包(BSP)用戶應(yīng)用程序(文

3、件系統(tǒng)、圖形用戶應(yīng)用程序接口)應(yīng)用層操作系統(tǒng)中間層軟件被控對象驅(qū)動器1驅(qū)動器2驅(qū)動器n.傳感器1傳感器2傳感器n.執(zhí)行機構(gòu)電源管理處理器/ARM核及其片內(nèi)外設(shè)硬件內(nèi)存：Flash、E2PROM、SRAM、SDRAM看門狗及復(fù)位電路輸入輸出接口電路人機交互接口：LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)硬件硬件軟件軟件應(yīng)用軟件層系統(tǒng)軟件層硬件層嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模型嵌入式設(shè)計嵌入式設(shè)計u 宇宙大爆炸模型 在開發(fā)一個系統(tǒng)之前或者在開發(fā)過程中，基本上沒有安排好規(guī)劃或 工作程序u 編碼與改錯模型 定義了產(chǎn)品需求，但在開始開發(fā)之前沒有安排好正式的工作程序u 瀑布模型 存在一個按步驟開發(fā)系統(tǒng)的工作程序，其中

4、一個步驟的結(jié)果流入下一 個步驟u 螺旋模型 存在一個按步驟開發(fā)系統(tǒng)的工作程序，并且貫穿各個步驟獲取反饋并 加入到工作程序之中產(chǎn)品概念初步需求分析創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)體系結(jié)構(gòu)工作版本加入反饋交付體系結(jié)構(gòu)工作版本審查并獲得反饋交付體系結(jié)構(gòu)最終版本開發(fā)（實現(xiàn)）系統(tǒng)審查和測試系統(tǒng)交互及維護系統(tǒng)加入反饋第1階段：創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)第2階段:實現(xiàn)體系階段第3階段：測試階段第4階段：維護階段嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)生命周期模型第二部分：嵌入式硬件第二部分：嵌入式硬件 嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)總線 嵌入式系統(tǒng)存儲器 嵌入式系統(tǒng)I/O嵌入式處理器的發(fā)展嵌入式處理器的發(fā)展 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 VLSI工藝的改進（摩爾定律）20

5、20世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代中后期中后期2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代初期初期2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代中后期中后期2121世紀(jì)世紀(jì)初期初期制作工藝制作工藝1 - 0.8 1 - 0.8 m m0.8 - 0.5 0.8 - 0.5 m m0.5 0.5 0.35 0.35 m m0.25 - 0.0.25 - 0.0202 m m主頻主頻 33 MHz 33 MHz100 MHz100 MHz200 MHz200 MHz 500K 500K2M2M5M5M22M22M位數(shù)位數(shù)8/16bit8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32bit8

6、/16/32/64bi8/16/32/64bit t體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 CISC RISC 第二代RISC 后RISC和可重構(gòu)處理器時代CISC處理器的特點處理器的特點 指令格式不固定，指令可長可短，操作數(shù)可多可少； 尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來自寄存器，也可來自存儲器； 采用微程序控制，執(zhí)行每條指令均需完成一個微指令序列； CPI ，指令越復(fù)雜，CPI越大。CISC的缺點的缺點 指令集雖大，但指令使用頻度不均衡；20%/80%定律：20%的指令的使用時間占80%的運行時間；常用指令數(shù)僅占指令集總數(shù)的10-20%。 微程序控制器制約了速度提高，因為存放微碼的存儲器速度比CPU慢5-1

7、0倍；CPI很大； CISC不利于先進指令級并行技術(shù)的采用RISC基本設(shè)計思想基本設(shè)計思想 減小CPI（cycles per instruction）； 精簡指令集:保留最基本的,去掉復(fù)雜、使用頻度不高的指令； 采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有助于大大減少指令格式，統(tǒng)一了存儲器訪問方式； 采用硬接線控制代替微程序控制。RISC處理器的特點處理器的特點 CPI接近于1，大多數(shù)指令單周期完成 Load/Store指令結(jié)構(gòu) 硬接線控制器 尋址方式少，指令格式少且規(guī)整，指令長度統(tǒng)一(32bit)，便于提高流水線效率 有助于編譯優(yōu)化代碼RISC處理器典型處理器典型 SUN公司的SPARC MIPS公司的

8、SGI:MIPS HP公司的PA-RISC IBM，Motorola公司的PowerPC DEC、Compac公司的Alpha ARM系列處理器CISC和和RISC的簡單對比的簡單對比CISCRISC指令數(shù)多只取最常用指令指令復(fù)雜度高低指令長度變化短、固定指令執(zhí)行周期變化1CPI指令格式復(fù)雜簡單尋址方式多少主存訪問指令多l(xiāng)oad/store寄存器數(shù)量一般大量譯碼方式微程序控制硬件電路第二代第二代RISC并行性的提高并行性的提高 時間并行性 -超流水線結(jié)構(gòu) 空間并行性 -多指令發(fā)射 -多指令操作超流水結(jié)構(gòu)超流水結(jié)構(gòu) 特點 -增加流水線深度 -減少關(guān)鍵路徑中每級流水的時間 缺點 -引入更多寄存器，

9、增加面積開銷 -增加時鐘歪斜 -增加流水線沖突和流水線中斷的開銷多指令發(fā)射多指令發(fā)射 面臨問題 -如何保持應(yīng)用程序語義的正確性 典型結(jié)構(gòu) -MIMD -超標(biāo)量結(jié)構(gòu) -數(shù)據(jù)流技術(shù)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)超標(biāo)量結(jié)構(gòu) 處理器內(nèi)部集成幾條功能和特性完全相同的執(zhí)行流水線的體系結(jié)構(gòu) 采用時序指令流發(fā)射技術(shù) 指令的并行由硬件進行調(diào)度 -可用硬件資源 -數(shù)據(jù)依賴性 兼容性好、硬件開銷大、功耗大超標(biāo)量處理器性能超標(biāo)量處理器性能 CPI性能 -指令級并行性 -體系結(jié)構(gòu)字長寬度 -指令窗口大小 -并行性開發(fā)策略 時鐘頻率 -關(guān)鍵路徑時延超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)代表超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)代表 Intel的Pentium處理器 IBM和Motorol

10、a的PowerPC 604 Sun的SPARC64 X LSI的ZSP200，ZSP400，ZSP600 ADI的TigerSHARCZSP540內(nèi)核超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)內(nèi)核超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)ADSPTS201S超標(biāo)量體系超標(biāo)量體系多指令操作多指令操作 典型結(jié)構(gòu) -數(shù)據(jù)并行性SIMD -操作并行性VLIW -VLIW與SIMD的結(jié)合多媒體數(shù)據(jù)處理VLIW體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 特點 -采用水平編碼技術(shù) -指令中每個操作域可以并發(fā)進行 優(yōu)點 -指令操作域定長，譯碼簡單 -適合流水操作，減少CPI -編譯器開發(fā)程序潛在的指令級操作并行性VLIW體系結(jié)構(gòu)代表體系結(jié)構(gòu)代表 Philip的Trimedia Equato

11、r的MAP-CA Chromatic的Mpact TI的TMS320C66xx Intel和HP的IA64TMS320C66xx結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖后后RISC和可重構(gòu)處理器和可重構(gòu)處理器 特征 -系統(tǒng)架構(gòu)可配置 -DSP的靈活性和硬連線的專用性相結(jié)合 例子 -Tensilica的Xtensa LX可配置處理器 -Altera的Nios嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類 處理器的種類 GPP FPGA SoC ASIC GPP主流嵌入式處理器主流嵌入式處理器 ARM MIPS DSP X86 其他ARM處理器處理器 ARM特點 -引入Thumb指令、 Jazelle技術(shù)、 DSP指令、嵌入式IC

12、E-RT邏輯 ARM系列 -ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore、 ARM11、Cortex-A、Cortex-M、Cortex-R ARM指令集 -V1V11Cortex-M系列系列 更低的功耗，更長的電池壽命 更低的硅成本 更快的軟件開發(fā)和重用 更有競爭力的產(chǎn)品 Cortex-M4結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Cortex-A系列系列 廣泛支持媒體編解碼器 低功率設(shè)計，支持全天瀏覽和連接 支持 ARM 的第二代多核技術(shù) 支持Thumb-2、TrustZone、Jazelle等技術(shù) 主要應(yīng)用于數(shù)碼家電、汽車、上網(wǎng)本、激光打印機、路由器、無線基站、服務(wù)器等領(lǐng)域Cortex-A15結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)MIPS處理器

13、處理器 無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器(Microprocessor without interlocked piped stages) 設(shè)計理念：強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計 機制：盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題 基于流水線工作MIPS系列系列 MIPS系列處理器核 MIPS32 4K/24k/34k/74k/1004k/1074k，MIPS64 5k/20k MIPS指令系列 通用處理器指令體系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V 嵌入式指令體系MIPS16、MIPS32到MIPS64 MIPS1074K核的結(jié)構(gòu)框圖核的結(jié)構(gòu)框圖D

14、SP 目的 -提高 計算能力 特點 -（改進）havard總線結(jié)構(gòu) -多總線結(jié)構(gòu) -硬件乘法器 -硬件支持循環(huán)運算 -適用于信號處理的特殊指令( )( ) *()iy nh ix niDSP廠家廠家 TI ADI Freescale Agere（被并入LSI） 其他TI DSPC8xOMAPC57xDavinci66AK2Ex66AK2HxC665xC667xC3xC4xC67xC674xC1xC2xC5xC5xC64xC62x多核浮點定點ADI DSP210602116021266214672137521061210652116NADUC218x219xBlackFin多核低價定點Frees

15、cale DSPStarCore：多核：MSC8122、MSC8156、MSC8256等單核：MSC8151、MSX8251等高性價比：MSC7116、MSC8113等Symphony：56311、56374、56721、56725等DSC：MFC56F84XX、MFC56F83XXDSP56F82XX等Agere DSP(LSI)DSP16hDSP16KSP2704T2xxxX86系列系列主要由主要由AMD，Intel，NS，ST等公司提等公司提供，如：供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式、嵌入式K6，386EX、STPC等。等。 主要應(yīng)用在主要應(yīng)用在工業(yè)控制工業(yè)控制、通信通信等

16、領(lǐng)域。等領(lǐng)域。 國內(nèi)由于對國內(nèi)由于對X86體系比較熟悉，得到廣泛體系比較熟悉，得到廣泛應(yīng)用，特別是嵌入式應(yīng)用，特別是嵌入式PC的應(yīng)用非常廣泛。的應(yīng)用非常廣泛。FPGA-現(xiàn)場可編程門陣列現(xiàn)場可編程門陣列基本特點： 采用FPGA設(shè)計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。 FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。 FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。FPGA廠家廠家 Altera，開發(fā)平臺是Quartus

17、II Xilinx開發(fā)平臺是ISE Actel ，開發(fā)平臺是Libero Lattice Atmel 其他Altera高端FPGA：Startix10、Startix VStartix IV、Startix IIIStartix II中端FPGA：Arria10、Arria VArria GX、Arria II低成本FPGA：Cyclone 、Cyclone VCyclone IV、 Cyclone IIICyclone IIXilinxActel IGL002 -低功耗、穩(wěn)定性、安全性 -最多數(shù)目的收發(fā)器、GPIO、PCI IGLOO -功耗最低的FPGA系列 -Flash*Freeze技術(shù)

18、 ProASIC3 -低功耗 -可以提供可驅(qū)動ARM的內(nèi)核Soc基本概念：基本概念：一個產(chǎn)品一個產(chǎn)品：有專用目標(biāo)的集成有專用目標(biāo)的集成電路電路,其中包含完其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。件的全部內(nèi)容。SOC一種技術(shù)一種技術(shù)：用以實現(xiàn)從確定系用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始統(tǒng)功能開始,到軟到軟/硬件劃分硬件劃分,并完成并完成設(shè)計的整個過程。設(shè)計的整個過程。 SOC ( System - on - Chip)設(shè)計技設(shè)計技術(shù)始于術(shù)始于20世紀(jì)世紀(jì)90年年代中期，在集成電代中期，在集成電路路( IC)向集成系統(tǒng)向集成系統(tǒng)( IS)轉(zhuǎn)變的大方向下轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。1994

19、年年Motorola發(fā)布的發(fā)布的Flex Core系統(tǒng)和系統(tǒng)和1995年年LSILogic公司為公司為Sony公司設(shè)計的公司設(shè)計的SOC, 是基于是基于IP 核核完成完成SOC設(shè)計的最設(shè)計的最早報導(dǎo)。早報導(dǎo)。2011年全球年全球SOC市市場規(guī)模已超過場規(guī)模已超過700億美元，并在持續(xù)億美元，并在持續(xù)增長；主要集中在增長；主要集中在移動通信設(shè)備、數(shù)移動通信設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計算據(jù)通信設(shè)備、計算機及消費產(chǎn)品領(lǐng)域機及消費產(chǎn)品領(lǐng)域。 發(fā)展歷程：發(fā)展歷程：微處理器模塊微處理器模塊控制邏輯模塊控制邏輯模塊存儲器模塊存儲器模塊電源功耗管理模塊電源功耗管理模塊用戶定義邏輯用戶定義邏輯DSP模塊模塊SOC的構(gòu)

20、成的構(gòu)成SoC構(gòu)成設(shè)計流程開發(fā)和研究開發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用核生成及復(fù)用技術(shù)技術(shù),特別是大特別是大容量的存儲模容量的存儲模塊嵌入的重復(fù)塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等應(yīng)用等基于單片集成基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計和驗協(xié)同設(shè)計和驗證。證。超深亞微米超深亞微米(UDSM) 、納、納米集成電路的米集成電路的設(shè)計理論和技設(shè)計理論和技術(shù)術(shù)功能劃分功能劃分IPIP核設(shè)計核設(shè)計后端設(shè)計后端設(shè)計SoC關(guān)鍵技術(shù)： 總線結(jié)構(gòu)及互連技術(shù) 軟、硬件的協(xié)同設(shè)計技術(shù) IP可重用技術(shù) 低功耗設(shè)計技術(shù) 后端電路設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù) -可測性設(shè)計方法學(xué) -超深亞微米實現(xiàn)技術(shù)ASIC 分類： - 定制 - 半定制 發(fā)展歷程手工設(shè)

21、計計算機輔助設(shè)計（ICCAD）電子設(shè)計自動化EDA電子系統(tǒng)設(shè)計自動化ESDA用戶現(xiàn)場可編程器階段設(shè)計方法： 全定制設(shè)計 半定制設(shè)計 -基于標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計方法 -基于門陣列的ASIC門陣列 可編程器件的ASIC設(shè)計總線總線 嵌入式系統(tǒng)的總線一般集成在嵌入式微處理器中。 從微處理器的角度來看，總線可分為片外總線(如：PCI、ISA等)和片內(nèi)總線（如：AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE等）。 選擇總線和選擇嵌入式微處理器密切相關(guān)，總線的種類隨不同的微處理器的結(jié)構(gòu)而不同。兩大類總線結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu) 總線是CPU與存儲器和設(shè)備通信的機制，是計算機各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息

22、的公共通道。片內(nèi)總線或內(nèi)部總線：連接片內(nèi)總線或內(nèi)部總線：連接CPUCPU內(nèi)部各主要功能部件內(nèi)部各主要功能部件片外總線：片外總線：CPUCPU與存儲器（與存儲器（RAMRAM和和ROMROM）和和I/OI/O接口之間進行信息交換的通道接口之間進行信息交換的通道數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DbusDbus地址總線地址總線AbusAbus控制總線控制總線CbusCbus總總線線分分類類總線寬度總線寬度總線頻率總線頻率總線帶寬總線帶寬總線帶寬總線帶寬( (單位單位:MB/s) :MB/s) = =（總線寬度（總線寬度/8/8） 總線頻率總線頻率如：總線寬度如：總線寬度3232位，頻率位，頻率66MHZ66MHZ，

23、則，則總線帶寬總線帶寬= =（32/832/8）* * 66MHz=264MB/s66MHz=264MB/s總總線線的的主主要要參參數(shù)數(shù)又稱總線位寬，指的是總線能同時又稱總線位寬，指的是總線能同時傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。如傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。如1616位總線就是位總線就是具有具有1616位數(shù)據(jù)傳送能力。位數(shù)據(jù)傳送能力?？偩€工作速度的一個重要參數(shù)，總線工作速度的一個重要參數(shù)，工作頻率越高，速度越快。工作頻率越高，速度越快。通常用通常用MHzMHz表示。表示。又稱總線的數(shù)據(jù)傳送率，是指在一又稱總線的數(shù)據(jù)傳送率，是指在一定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，用每秒最大傳送數(shù)據(jù)量來衡量。

24、用每秒最大傳送數(shù)據(jù)量來衡量。總線帶寬越寬，傳輸率越高?？偩€帶寬越寬，傳輸率越高。原因：數(shù)據(jù)寬度：高速總線通常提供較寬的數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)寬度：高速總線通常提供較寬的數(shù)據(jù)連接。成本：高速總線通常采用更昂貴的電路和連接器。成本：高速總線通常采用更昂貴的電路和連接器。橋允許總線獨立操作，這樣在橋允許總線獨立操作，這樣在I/OI/O操作中可提供某些并操作中可提供某些并行性。行性。一個微處理器系統(tǒng)可能含有多條總線一個微處理器系統(tǒng)可能含有多條總線高速總線高速總線低速總線低速總線高速設(shè)備高速設(shè)備低速設(shè)備低速設(shè)備橋橋總線互聯(lián)的電路總線互聯(lián)的電路存儲器存儲器高速設(shè)備高速設(shè)備CPU CPU 低速設(shè)備低速設(shè)備低速設(shè)備低

25、速設(shè)備橋橋高速總線高速總線低速總線低速總線多總線系統(tǒng)多總線系統(tǒng)Processor-localbusMicro-processorCacheMemorycontrollerDMAcontrollerBridgePeripheralPeripheralPeripheralbus嵌入式系統(tǒng)總線嵌入式系統(tǒng)總線PCI總線總線PCI總線是地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32位和64位總線。2.1版本定義了64位總線擴展和66MHz總線時鐘的技術(shù)規(guī)范。從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI 總線有32bit 、64bit 之分從總線速度上分，有33MHz、66MHz 兩種PCI總線總線與ISA 總線不同，PCI 總線的地址總線與

26、數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的，支持即插即用(Plug and Play) 、中斷共享等功能。分時復(fù)用的好處是一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。PCI總線總線數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI 設(shè)備做發(fā)起者(主控、Initiator或Master)，而另一個PCI 設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備、Target 或Slave)。總線上所有時序的產(chǎn)生與控制都由Master來發(fā)起。PCI 總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(gòu)，來決定誰有權(quán)拿到總線的主控權(quán)。存儲器存儲器 嵌入式系統(tǒng)的存儲器包括主存和外存。 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)都存儲在處理器可直接訪問的存儲空間即主存中。 系統(tǒng)

27、上電后在主存中的代碼直接運行。主存儲器的特點是速度快，一般采用ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存儲器件。 目前有些嵌入式系統(tǒng)除了主存外，還有外存。外存是處理器不能直接訪問的存儲器，用來存放各種信息，相對主存而言具有價格低、容量大的特點。 在嵌入式系統(tǒng)中一般不采用硬盤而采用電子盤做外存，電子盤的主要種類有NandFlash、 SD （Secure Digital）卡、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、 DOC（Disk On Chip）等。 嵌入式系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)嵌入式嵌入式微處理器微處理器Cache

28、片內(nèi)片內(nèi)RAM和和ROM主存：主存：NorFlash、SRAM、DRAM等等外存：外存：NandFlash、DOC、CF、SD、MMC等等高速緩存Cache高速緩沖存儲器中存放的是當(dāng)前使用得最多的程序代碼和數(shù)據(jù)，即主存中部分內(nèi)容的副本。在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部都集成在嵌入式微處理器內(nèi)。可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache。不同的處理器其Cache的大小不一樣。一般32位的嵌入式微處理器都內(nèi)置Cache。CacheCache命中命中：CPU每次讀取主存時，Cache控制器都要檢查CPU送出的地址，判斷CPU要讀取的數(shù)據(jù)是否在Cache中，如果在就稱為命中。CacheCache

29、未命中未命中：讀取的數(shù)據(jù)不在Cache中，則對主存儲器進行操作，并將有關(guān)內(nèi)容置入Cache。寫入方法：通寫（通寫（Write ThroughWrite Through）：寫Cache時，Cache與對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)容同步更新?；貙懀ɑ貙懀╓rite BackWrite Back）：）：寫Cache時，只有寫入Cache內(nèi)容移出時才更新對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)容。CPU地址地址索引索引機構(gòu)機構(gòu)置換控制器置換控制器高速緩沖高速緩沖存儲器存儲器主主存存段（頁）段（頁）地址地址高位地址高位地址低位地址低位地址地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線Cache結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖主存 主存是處理器能直接訪問的存儲器，用來存放系統(tǒng)和用戶

30、的程序和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的主存可位于SoC內(nèi)和SoC外，片內(nèi)存儲器存儲容量小、速度快，片外存儲器容量大?？梢宰鲋鞔娴拇鎯ζ饔校篟OM類：Nor Flash、EPROM、E2PROM、PROM等RAM類：SRAM、DRAM、SDRAM等主存主存靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）存儲信息：六管基本存儲電路典型芯片規(guī)格：2114（1KX4） 6116（2KX8） 6264（8KX8）62128（16KX8）62256（32KX8）A5A0A2A1CS-1921141810VCCA9I/O1A6A4A3A7A8I/O2I/O3WE- 符 號引腳名 A0A9地址輸入 I/01I/04數(shù)據(jù)輸入/輸出 CS-片

31、選 WE-寫允許VCC、GND電源、地動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）存儲信息的基本單元（1位）電路可采用4管、3管和單管電路需要不斷刷新（為維持動態(tài)存儲單元所存儲的信息，必須設(shè)法使信息再生，這即所謂的刷新）與SRAM不同的是：為節(jié)省外部引腳，同樣容量的DRAM外部地址線引腳是SRAM一半DRAM采用行/列地址選通，將地址通過內(nèi)部分成兩路DRAM控制器：解決刷新和多路CPU刷刷新新定定時時器器仲裁仲裁電路電路定定時時發(fā)生器發(fā)生器刷新地址刷新地址計數(shù)器計數(shù)器地址地址多路開關(guān)多路開關(guān)DRAM讀讀/寫寫地址總線地址總線地址地址RASCASWRDRAMController的邏輯框圖的邏輯框圖SDRAM（

32、Synchronous RAM)CPU和RAM共享相同的時鐘周期，以相同的速度同步工作基于雙存儲器結(jié)構(gòu)，內(nèi)含兩個交錯的存儲陣列，讀取效率得到成倍提高是DRAM中速度最快的一種外存 外存是處理器不能直接訪問處理器不能直接訪問的存儲器，用來存放用戶的各種信息，容量大。在嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：NandFlashDOC（Disk On Chip）CF（Compact Flash）SD（Secure Digital）MMC（Multi MediaCard）等 外存外存uSD卡 SD（Secure Digital）卡由松下電器、東芝和SanDisk聯(lián)合推出，1999年8月首次發(fā)布。 2000年2月1日

33、成立了SD協(xié)會（SDA），成員公司超過90個，其中包括Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Motorola，NEC、Samsung Electronics，Toyota Motor等巨頭。 SDA是開放式的，繳納1500美元就可以成為一般會員，繳納4000美元可以成為執(zhí)行會員。SD存貯卡的詳細規(guī)范并沒有公開，只有SDA會員或簽定了保密協(xié)議才能獲得。 SD卡需付版稅3224mmuMemory Stick 1997年7月Sony宣布開發(fā)Memory Stick Memory Stick被很多人形象地稱為口香糖存貯卡，其尺寸為50mm21.5mm2.8mm，重4克 Memor

34、y Stick也包括了控制器在內(nèi)，采用10針接口，數(shù)據(jù)總線為串行，最高頻率可達20MHz，電壓為2.7伏到3.6伏，電流平均為45mAuCompact FlashCompact Flash的誕生比較早，由最大的Flash Memory卡廠商之一美國SanDisk于1994年首次推出。大小僅為43mm x 36mm x 3.3mm，體積只有PCMCIA卡的1/4，看起來就像是PCMCIA卡的縮小版。CompactFlash提供了完整的PCMCIA-ATA功能而且通過ATA/ATAPI-4兼容TrueIDE。和68針接口的PCMCIA卡不同，同樣遵從ATA協(xié)議的CompactFlash的接口只有5

35、0針。uSmartMedia SmartMedia是由東芝公司Toshiba America Electronic Components（TAEC）在1995年11月發(fā)布的Flash Memory存貯卡，三星公司在1996年購買了生產(chǎn)和銷售許可，這兩家公司成為主要的SmartMedia廠商。 最開始時SmartMedia被稱為SSFDC,即Solid State Floppy Disk Card，1996年6月改名為SmartMedia，并成為東芝的注冊商標(biāo)。 SmartMedia采用了NAND型Flash Memory，因此體積做得很?。?5mm x 37mm x 0.76mm，非常的薄，僅

36、重1.8克。接口方面，SmartMedia采用了22針的接口，我們在卡上看到的是遍平的金手指。 SmartMedia為了節(jié)省成本，存貯卡上只有Flash Memory模塊和接口，并沒有包括控制芯片，所以使用SmartMedia的設(shè)備必須自己裝置控制機構(gòu)。uDOCDisk On Chip，簡稱DOC，是采用NandFlash芯片作為基本存貯單元，外加一些控制芯片及軟件，通過特殊的軟硬件來操作的一種模塊化、系列化的電子存貯裝置。它采用了TureFFS硬盤仿真技術(shù)對Flash進行管理，可以把Flash模擬成為硬盤。也正是因為采用了TureFFS技術(shù)對數(shù)據(jù)在Flash中的讀寫操作進行管理，大大提高了D

37、OC的寫操作的次數(shù)，遠遠超過了普通Flash的寫壽命，提高了Flash的可靠性。輸入輸入/輸出接口和設(shè)備輸出接口和設(shè)備 嵌入式系統(tǒng)的大多數(shù)輸入/輸出接口和部分設(shè)備已經(jīng)集成在嵌入式微處理器中。 輸入/輸出接口主要有中斷控制器、DMA、串行和并行接口等，設(shè)備主要有定時器（Timers）、計數(shù)器（counters）、看門狗（watchdog timers）、RTC、UARTs、PWM（Pulse width modulator）、AD/DA、顯示器、鍵盤和網(wǎng)絡(luò)等。 一些常見的輸入輸出設(shè)備 嵌入式軟件架構(gòu) 設(shè)備驅(qū)動程序 嵌入式操作系統(tǒng) 應(yīng)用軟件第三部分：嵌入式軟件第三部分：嵌入式軟件軟件系統(tǒng)的分類軟件

38、系統(tǒng)的分類嵌嵌入入式式軟軟件件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件支撐軟件支撐軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件控制、管理計算控制、管理計算機系統(tǒng)的資源機系統(tǒng)的資源嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式中間件（嵌入式中間件（CORBA、 Java）等等等等輔助軟件開發(fā)的輔助軟件開發(fā)的工具工具系統(tǒng)分析設(shè)計工具系統(tǒng)分析設(shè)計工具仿真開發(fā)工具仿真開發(fā)工具交叉開發(fā)工具交叉開發(fā)工具測試工具測試工具配置管理工具配置管理工具維護工具等維護工具等面向應(yīng)用領(lǐng)域面向應(yīng)用領(lǐng)域手機軟件手機軟件路由器軟件路由器軟件交換機軟件交換機軟件飛控軟件等飛控軟件等嵌入式軟件架構(gòu)嵌入式軟件架構(gòu)硬件硬件應(yīng)用層應(yīng)用層驅(qū)動層驅(qū)動層操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層中間件層中間件層板級板級初

39、始化初始化FLASH驅(qū)動驅(qū)動RTC/定定時器驅(qū)動時器驅(qū)動串口串口驅(qū)動驅(qū)動以太網(wǎng)以太網(wǎng)驅(qū)動驅(qū)動LCD驅(qū)動驅(qū)動鍵盤鍵盤驅(qū)動驅(qū)動其他其他驅(qū)動驅(qū)動內(nèi)核內(nèi)核TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件文件系統(tǒng)系統(tǒng)嵌入式嵌入式GUI電源電源管理管理嵌入式嵌入式CORBA嵌入式嵌入式JAVA嵌入式嵌入式DCOM面向應(yīng)用領(lǐng)域面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件的中間件應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)1應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)2應(yīng)用應(yīng)用任務(wù)任務(wù)n 驅(qū)動程序 驅(qū)動層是直接與硬件打交道的一層，它對操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供所需的驅(qū)動的支持。該層主要包括三種類型的程序。 板級初始化程序板級初始化程序 這些程序在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)的硬這些程序在嵌入式系統(tǒng)上電后初始化系統(tǒng)

40、的硬件環(huán)境，包括嵌入式微處理器、存儲器、中斷件環(huán)境，包括嵌入式微處理器、存儲器、中斷控制器、控制器、DMA、定時器等的初始化。、定時器等的初始化。 與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動 這類驅(qū)動是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所這類驅(qū)動是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所需的驅(qū)動程序，它們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件需的驅(qū)動程序，它們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件的要求進行。的要求進行。 目前操作系統(tǒng)內(nèi)核所需的硬件支持一般都已目前操作系統(tǒng)內(nèi)核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微處理器中了，因此操作系統(tǒng)集成在嵌入式微處理器中了，因此操作系統(tǒng)廠商提供的內(nèi)核驅(qū)動一般不用修改。廠商提供的內(nèi)核驅(qū)動一般不用修改。 與應(yīng)用軟件相關(guān)

41、的驅(qū)動與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動 與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動不一定需要與操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動不一定需要與操作系統(tǒng)連接，這些驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā)由應(yīng)用決定。連接，這些驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā)由應(yīng)用決定。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng) 嵌入式OS 嵌入式操作系統(tǒng)的引導(dǎo)實時操作系統(tǒng)（實時操作系統(tǒng)（RTOS） 實時操作系統(tǒng)的簡介 實時操作系統(tǒng)特征 實時操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程 實時操作系統(tǒng)的評價指標(biāo) C/OS-II、VxWorks實時操作系統(tǒng)簡介實時操作系統(tǒng)簡介 定義：是保證在一定時間限制內(nèi)完成特定功能的操作系統(tǒng)。適用于嵌入式設(shè)備和有實時性要求的系統(tǒng)中。 特點：提供及時響應(yīng)和高可靠性 分

42、類：硬實時和軟實時實時操作系統(tǒng)特征實時操作系統(tǒng)特征 高精度計時系統(tǒng) 多級中斷機制 實時調(diào)度機制 實時操作系統(tǒng)發(fā)展歷程實時操作系統(tǒng)發(fā)展歷程實時操作系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展,先后從分實模式進化到保護模式,從微內(nèi)核技術(shù)進化到超微內(nèi)核技術(shù),在系統(tǒng)規(guī)模上也從單處理器的RTOS發(fā)展到支持多處理器的RTOS和網(wǎng)絡(luò)RTOS,在操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域中形成了一個重要分支。早期的實時操作系統(tǒng)專用實時操作系統(tǒng)通用實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的評價指標(biāo)實時操作系統(tǒng)的評價指標(biāo) 任務(wù)調(diào)度機制 內(nèi)存管理 內(nèi)存開銷 最大中斷禁止時間 任務(wù)切換時間實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)C/OS-II簡介簡介 C/OS-II是一個搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。它是用

43、ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可以提供給不同架構(gòu)的微處理器使用。 至今，從8位到64位，C/OS-II已經(jīng)在40多種不同架構(gòu)的微處理器上使用。 使用C/OS的領(lǐng)域包括：照相機行業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動提款機以及工業(yè)機器人等。 C/OS-II全部以源代碼的方式提供，大約有5500行。 CPU相關(guān)的部分使用的是針對Intel80 x86微處理器的代碼。 C/OS-II可以很容易地移植到不同架構(gòu)的嵌入式微處理器上。 C/OS-II的特點： 源代碼源代碼 可移植可移植 可固化可固化 可裁減可裁減 可搶占性可搶占性 支持多任務(wù)支持多任務(wù) 可確定性可確定性 任務(wù)棧任務(wù)棧

44、 系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù) 中斷管理中斷管理 穩(wěn)定性和可靠性穩(wěn)定性和可靠性 源代碼文件介紹 對函數(shù)和環(huán)境的定義： PC.C 與處理器類型無關(guān)部分： OS_CORE.C OS_FLAG.C OS_MBOX.C OS_MEM.C OS_MUTEX.C OS_Q.C OS_SEM.C OS_TASK.C OS_TIME.C COS-II.C COS-II.H 與處理器類型相關(guān)部分： OS_CPU_A.S OS_CPU_C.C OS_CPU.H 給整個內(nèi)核庫提供總體的include文件：INCLUDES.H 配置文件，定義使用C/OS-II中的哪些功能：OS_CFG.H實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)VxWorks簡

45、介簡介獨立于硬件的軟件硬件非獨立于硬件的軟件應(yīng)用工具I/O系統(tǒng)VxWorks庫TCP/IPFile System VxWorks庫BSP網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器SCSI驅(qū)動器SCSI控制器串口控制器時鐘定時器以太網(wǎng)控制器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) Linux Android WindowsMobileLinuxLinux內(nèi)核結(jié)構(gòu) 內(nèi)核模塊 -進程調(diào)度模塊 -內(nèi)存管理模塊 -文件系統(tǒng)模塊 -進程間通信模塊 -網(wǎng)絡(luò)接口模塊Linux發(fā)展歷程發(fā)展歷程Linux內(nèi)核奇數(shù)版本為開發(fā)版本，偶數(shù)版本為穩(wěn)定版本?，F(xiàn)已從V1.0版本發(fā)展到最新的V3.10版本。UNIXGUN和POSIXLinux商用嵌入式商用嵌入式Linu

46、xAMIRIX 嵌入式 Linux-來源于DebianCoollogic Coollinux -結(jié)合linux和javaCoventive Xlinux-內(nèi)核可以小到143KBEsfia RedBlue Linux -為無線應(yīng)用程序而設(shè)計 其他開源開源Linux實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng) ART Linux KURT Linux-SRT Qlinux RTAI 其他Android 定義：Android一詞的本義指“機器人”，泛指微型電子設(shè)備，是Google基于Linux內(nèi)核開發(fā)的手機嵌入式操作系統(tǒng)。 組成：Linux內(nèi)核、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件Android的發(fā)展前景的發(fā)展前景 成本低、開放性高，吸引眾多的終端廠商。成本低、開放性高，吸引眾多的終端廠商。 Android智能手機2013年第一季度全球市場份額達64% 移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，終端移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，終端+應(yīng)用的趨勢成為主流。應(yīng)用的趨勢成為主流。 Android主要針對手機開發(fā)的操作系統(tǒng)，具有強大的優(yōu)勢。 有有Android Market和眾多第三方應(yīng)用商家做后盾。和眾多第三方應(yīng)用商家做后盾。 在應(yīng)用方面的資源非常豐富。 電信運營商、終端廠商、應(yīng)用商，目前都向操作系統(tǒng)領(lǐng)域進軍