ARM教學系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)概述

1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)及應用及應用年年10月月 l參考教材參考教材l1、英英Steve Furber 著著 .ARM SoC體系構造體系構造lARM System-on-Chip Architecture.北京航空航天北京航空航天大學出版社，大學出版社，2002年年 l2、杜春雷、杜春雷 編著編著.ARM體系構造與編程體系構造與編程.清華大學出版社清華大學出版社，2003年年l3、吳明輝主編、吳明輝主編.基于基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用.人民郵人民郵電出版社，電出版社，2004年年l4、著、著.嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS(第第2版版).北京航空航天大

2、北京航空航天大學出版社，學出版社，2003年年l實驗教材電子稿實驗教材電子稿l1、陳賾主編、陳賾主編ARM嵌入式技術理論教程北京航空航嵌入式技術理論教程北京航空航天大學出版社，天大學出版社，2005年年嵌入式系統(tǒng)及應用嵌入式系統(tǒng)及應用 1、電子技術根底模、數(shù)、電子技術根底模、數(shù)2、微機原理及接口技術、微機原理及接口技術 (或單片機原理或單片機原理3、C程序設計程序設計預備知識預備知識 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng) 硬件根底硬件根底 應用領域應用領域 嵌入式技術的開展趨勢嵌入式技術的開展趨勢開展歷史開展歷史嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持

3、嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的的MP3和一個和一個PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認為的微型工業(yè)控制計算機都可以認為是嵌入式系統(tǒng)。是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30近近50年的開展歷史，它是硬件和軟件年的開展歷史，它是硬件和軟件交替開展的雙螺旋式開展。交替開展的雙螺旋式開展。第一款微處理器是第一款微處理器是Intel的的4004，它出如今，它出如今1971年，然后是年，然后是Intel公司的公司的8048，它出如今，它出如今1976年；年；Motorola同時推出了同時推出了68HC05；Zilog公司推出了公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含

4、有系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的字節(jié)的RAM、4K的的ROM、4個個8位并口、位并口、1個全雙工串行口、兩個個全雙工串行口、兩個16位定位定 時時 器；器；在在80年代初，年代初，Intel又進一步完善了又進一步完善了8048，在它的根底上研制成功，在它的根底上研制成功了了8051。 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述1、8051的幾次飛躍的幾次飛躍第第1次：次：philips公司為主力，將以公司為主力，將以“單片微型計單片微型計算機算機SCM形態(tài)的形態(tài)的MCS-51系列推進到系列推進到80c51的的“微微控制器控制器MCU時代。時代。第第2次：次：Atmel公司以其先進的公司以其先進的F

5、lash ROM 技技術推出術推出AT89C 系列單片機，形成引領單片機系列單片機，形成引領單片機Flash ROM 潮流。潮流。第第3次：次：Cygnal公司推出公司推出C8051F 系列單系列單片機，把片機，把80c51從從MCU推向推向SOC時代。時代。嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述2、AVR高速嵌入式單片機高速嵌入式單片機繼繼Atmel公司推出公司推出AT89C 系列之后，又系列之后，又推出全新配置的精簡指令集推出全新配置的精簡指令集(RISC) AVR(Advance RISC) AT90系列。系列。特點：特點： 程序區(qū)程序區(qū)Flash 可屢次擦寫可屢次擦寫片內有片內有E2PROM可串

6、行下載可串行下載 最新最優(yōu)最全配置最新最優(yōu)最全配置 執(zhí)行速度高、指令效率高執(zhí)行速度高、指令效率高 低電壓、低功耗、高驅動低電壓、低功耗、高驅動 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述3、C8051F系列單片機系列單片機Cygnal公司推出公司推出C8051F 系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與片，具有與8051指令完全兼容的指令完全兼容的CIP-51內核。內核。外設功能部件包括：外設功能部件包括：ADC 、可編程增益放大器、可編程增益放大器、DAC、電壓放大器、電壓基準、溫度傳感器、電壓放大器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI

7、、定時器、可編程計數(shù)器、定時器、可編程計數(shù)器/定時器、內部振蕩器、看門狗定時器、內部振蕩器、看門狗、電源監(jiān)視器等。、電源監(jiān)視器等。4、有關、有關PC1041981年年Ready System開展了世界上第開展了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內核個商業(yè)嵌入式實時內核VTRX32,它它包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與互相排斥、中斷支包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與互相排斥、中斷支持、內存管理等功能。持、內存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如隨后，出現(xiàn)了如ISI (Integrated System Incorporation )的的PS/OS、IMG

8、的的VxWorks、QNX公司的公司的QNX等，等，Palm OS，WinCE，嵌入式，嵌入式Linux、uC/OS、Nucleus，以及國內的，以及國內的Delta OS等嵌入式操作系統(tǒng)。等嵌入式操作系統(tǒng)。今天今天RTOS RealTime Operating System已經(jīng)在全球形成了已經(jīng)在全球形成了1個產(chǎn)業(yè)，個產(chǎn)業(yè)，根據(jù)美國根據(jù)美國EMF電子市場分析報告，電子市場分析報告，1999年全球年全球RTOS市場產(chǎn)值達億多美元，而市場產(chǎn)值達億多美元，而相關的整個嵌入式開發(fā)工具包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調試器那么相關的整個嵌入式開發(fā)工具包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調試器那么高達

9、高達9億多美元。億多美元。 一、嵌入式系統(tǒng)的定義一、嵌入式系統(tǒng)的定義 根據(jù)根據(jù)IEEE國際電氣和電子工程師協(xié)會的定義：國際電氣和電子工程師協(xié)會的定義：嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置原文為設備的裝置原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants?？梢钥闯龃硕x是從應用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件可以看出此定義是從應用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。和硬件

10、的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。 “以應用為中心、以計算機技術為根底、軟件硬以應用為中心、以計算機技術為根底、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴格要件可裁剪、功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。求的專用計算機系統(tǒng)。 1系統(tǒng)內核小系統(tǒng)內核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得統(tǒng)資源相對有限，所以內核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。多。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常嚴密，一般要針對硬件進展系統(tǒng)的移植

11、。的結合非常嚴密，一般要針對硬件進展系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進展修改。統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進展修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進展較大更改，同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進展較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的“晉晉級是完全不同的概念。級是完全不同的概念。專用性強專用性強嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征系統(tǒng)精簡系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件

12、的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)本錢，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)平安。方面利于控制系統(tǒng)本錢，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)平安。高實時性高實時性OS這是嵌入式軟件的根本要求，而且軟件要求固態(tài)這是嵌入式軟件的根本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲，以進步速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性存儲，以進步速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性、實時性。、實時性。 嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境由于其本身不具備自主開發(fā)才能，即使設計完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進展修改，必須有一套開發(fā)工具和

13、環(huán)境才能進展開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目的機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目的機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進展。 嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PCPC是通用計算平臺是通用計算平臺嵌入式系統(tǒng)的資源比嵌入式系統(tǒng)的資源比PCPC少得多少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比PCPC機大得多機大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有本錢、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)大都有本錢、

14、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具MPU微處理器微處理器電源電源模塊模塊時鐘時鐘復位復位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路外圍電路Other外設外設典型嵌入式系統(tǒng)根本組成軟件典型嵌入式系統(tǒng)根本組成軟件處理器處理器存儲器存儲器輸入輸入輸出輸出操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應用程序應用程序軟件軟件構造構造硬件構硬件構造造嵌入式系統(tǒng)一般指非嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。 硬件包括處理器微處理器、存儲器及外設硬件包括處理器微處理器、存儲器及外設

15、器件和器件和IO端口、圖形控制器等。端口、圖形控制器等。 軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件OS要務實時和多要務實時和多任務操作和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組任務操作和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。合在一起。 應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。制著應用程序編程與硬件的交互作用。1、對實時多任務有很強的支持才能，能完成多任務并且有較短的、對實時多任務有很強的支持才能，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心的執(zhí)行時間減少中斷響應時間，從而

16、使內部的代碼和實時內核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。到最低限度。 2、具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件構、具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件構造已模塊化，而為了防止在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的穿插作用，需要設造已模塊化，而為了防止在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的穿插作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。 3、可擴展的處理器構造，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的、可擴展的處理器構造，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器。 4、嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便

17、攜式的無線及挪、嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及挪動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有要功耗只有mW甚至甚至W級。級。 嵌入式微處理器一般就具備以下嵌入式微處理器一般就具備以下4 4個特點：個特點：嵌入式處理器嵌入式處理器可編程片上系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)SOPC嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)SOC嵌入式微處理器嵌入式微處理器MPU嵌入式數(shù)字信號處理器嵌入式數(shù)字信號處理器DSP嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU嵌入式處理器嵌入式處理器 從單片機、從單片機、DSP到到FPGA，品種越來越多，速度越來

18、越快，性能越來越，品種越來越多，速度越來越快，性能越來越強，價格越來越低。強，價格越來越低。嵌入式微控制器嵌入式微控制器MicroController Unit,MCU 總線寬度一般為總線寬度一般為4位、位、8位或位或16位，處理速度有限，一般位，處理速度有限，一般在幾個在幾個MIPS，進展一些復雜的應用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難，進展一些復雜的應用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。嵌入式微控制器的典型代表就是單片機。嵌入式微控制器的典型代表就是單片機。嵌入式嵌入式DSP處理器處理器(Digital Signal Processor,DSP) 處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)構造處理器

19、是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)構造和指令算法方面進展了特殊設計，在數(shù)字濾波、和指令算法方面進展了特殊設計，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等、頻譜分析等各種儀器上各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。獲得了大規(guī)模的應用。 DSP是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不合適運行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。難。為了追求高執(zhí)行效率，不合適運行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。 嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式微處理器嵌入式微處理器MicroProcessor Unit,MPUMicroProcessor Unit,

20、MPU MPU MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPUCPU演變而來的，其中演變而來的，其中ARM/StrongARMARM/StrongARM是專為手持設備開發(fā)的嵌入式處理器，屬于中檔的價位。是專為手持設備開發(fā)的嵌入式處理器，屬于中檔的價位。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)System on ChipSystem on Chip，SOCSOC 它是它是ICIC設計的開展趨勢。采用設計的開展趨勢。采用SOCSOC設計技術，可以大幅度地進步系統(tǒng)的設計技術，可以大幅度地進步系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系統(tǒng)本錢，極大地進步系統(tǒng)的性能價格可靠性，減少系統(tǒng)的

21、面積和功耗，降低系統(tǒng)本錢，極大地進步系統(tǒng)的性能價格比。比。 SOC SOC芯片已經(jīng)成為進步挪動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、芯片已經(jīng)成為進步挪動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。多媒體應用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。嵌入式可編程片上系統(tǒng)嵌入式可編程片上系統(tǒng)System on ChipSystem on Chip，SOPCSOPC 它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)： 首先它是片上系統(tǒng)首先它是片上系統(tǒng)SOCSOC，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈敏的設計方式，可裁減、要邏輯

22、功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈敏的設計方式，可裁減、可擴大、可晉級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能?？蓴U大、可晉級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。嵌入式處理器嵌入式處理器 SOPC SOPC結合了結合了SOCSOC和和PLDPLD、FPGAFPGA各自的優(yōu)點，一般具備以下根本特征：各自的優(yōu)點，一般具備以下根本特征：至少包含一個嵌入式處理器內核；至少包含一個嵌入式處理器內核；具有小容量片內高速具有小容量片內高速RAMRAM資源；資源；足夠的片上可編程邏輯資源；足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調試接口和處理器調試接口和FPGAFPGA；單芯片、低功編程接口；單芯片、低功編程接口；可能包含部分

23、可編程模擬電路耗、微封裝?？赡馨糠挚删幊棠M電路耗、微封裝。嵌入式處理器嵌入式處理器馮馮諾依曼體系構造和哈佛體系構造諾依曼體系構造和哈佛體系構造CISC(Complex Instruction Set Computer)與與RISC(Reduced Instruction Set Computer)影響影響CPU性能的因素性能的因素存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)I/O接口接口二、硬件根底二、硬件根底馮馮諾依曼體系構造模型諾依曼體系構造模型指令存放器指令存放器控制器控制器數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器存儲器存儲器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)

24、據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)21取指令取指令Instruction Fetch)：TF2指令譯碼指令譯碼Instruction Decode：TD3執(zhí)行指令執(zhí)行指令Instruction Execute：TE4存儲存儲Storage：TS每條指令的執(zhí)行周期：每條指令的執(zhí)行周期：T= TF+TD+TE+TS1數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中2被大多數(shù)計算機所采用被大多數(shù)計算機所采用3ARM7馮諾依曼體系馮諾依曼體系哈佛體系構造哈佛體系構造指令存放器指令存放器控制器控制器數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器程序存儲器程序存儲器指令指令0指令指令1指令指令2數(shù)據(jù)存儲

25、器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2地址地址指令指令地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開2提供了較大的數(shù)據(jù)存儲器帶寬提供了較大的數(shù)據(jù)存儲器帶寬3合適于數(shù)字信號處理合適于數(shù)字信號處理4大多數(shù)大多數(shù)DSP都是哈佛構造都是哈佛構造5ARM9是哈佛構造是哈佛構造CISCCISC和和RISCRISCCISCCISC：復雜指令集：復雜指令集Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer具有大量的指令和尋址方式具有大量的指令和尋址方式大多數(shù)程序只使用少量的指令就可以運行大多數(shù)程序只使用少

26、量的指令就可以運行8/28/2原那么：原那么：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令RISCRISC：精簡指令集：精簡指令集Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使使CPUCPU硬件構造設計變得更為簡單硬件構造設計變得更為簡單 IFIDREGALUMEM開場退出IFIDALUMEMREG微操作通道開場退出單通數(shù)據(jù)通道取指取指指令譯碼指令譯碼取指取指指令譯碼指令譯碼CIS

27、C：RISC：影響影響CPUCPU性能的因素：流水線、超標量和緩存性能的因素：流水線、超標量和緩存 流水線技術：流水線技術： 幾個指令可以并行執(zhí)行幾個指令可以并行執(zhí)行 進步了進步了CPU的運行效率的運行效率 內部信息流要求通暢流動內部信息流要求通暢流動譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp超標量執(zhí)行超標量執(zhí)行超標量執(zhí)行：超標量超標量執(zhí)行：超標量CPU采用多條流水線構造采用多條流水線構造 執(zhí)行1預取指令Cache譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)1、為什么采用高速緩存、為什么采用高速緩存 微處理器的時鐘頻率比內存速度進步快得多

28、，高速緩存可以進步內存的平微處理器的時鐘頻率比內存速度進步快得多，高速緩存可以進步內存的平均性能。均性能。2、高速緩存的工作原理、高速緩存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內容的拷高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內容的拷貝。貝。 CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)RAM：隨機存取存儲器：隨機存取存儲器 SRAM：靜態(tài)隨機存儲器：靜態(tài)隨機存儲器 DRAM：動態(tài)隨機存儲器：動態(tài)隨機存儲器 1SRAM比比DRAM快快 2SRAM比比DRAM耗電多耗電多 3DRAM存儲密度比存儲密度比SRAM高得多高得多 4DRAM需要周期性刷

29、新需要周期性刷新ROM：只讀存儲器：只讀存儲器FLASH：閃存：閃存E2PROM :Electrically Erasable Programmable ROM EPROM:Erasable Programmable ROM 1SRAM 2DRAMCSR/WAddrDataCSR/WCASDataRASAddr輸入輸出接口輸入輸出接口1I/O2A/D、D/A3鍵盤鍵盤4LED、LCD5存儲器接口存儲器接口6設備接口設備接口l操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類l嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)l多任務，任務優(yōu)先級，調度多任務，任務優(yōu)先級，調度l前臺與后臺前臺與后臺l非占先式與占先式、可重入型函數(shù)非

30、占先式與占先式、可重入型函數(shù)1多道批處理操作系統(tǒng)：適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)。多道批處理操作系統(tǒng)：適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)。2分時操作系統(tǒng)：適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源。分時操作系統(tǒng)：適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源。3實時操作系統(tǒng)：適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中。實時操作系統(tǒng)：適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中。 具有具有強實時強實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)特點的嵌入式操作系統(tǒng) 具有具有弱實時弱實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)特點的嵌入式操作系統(tǒng) 沒有實時沒有實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)特點的嵌入式操作系統(tǒng)按實時性分類按實時性分類1、強實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間在毫秒或微秒級數(shù)、強實時系統(tǒng)，

31、其系統(tǒng)響應時間在毫秒或微秒級數(shù)控機床。控機床。2、一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間在毫秒幾、一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間在毫秒幾秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些電子菜譜的查詢。些電子菜譜的查詢。3、弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間約為數(shù)十秒或更、弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間約為數(shù)十秒或更長工程機械。長工程機械。按實時性分類按實時性分類ISRISR后臺后臺 前臺前臺ISR時間時間多任務多任務CPU寄存器寄存器任務任務控制控制塊塊1任務任務控制控制塊塊2任務任務控制控制塊塊n休眠、就緒、運行、掛起、被中斷休眠、就緒、運行、掛起、被中斷任務任務1任務

32、任務2任務任務nCPU寄存器寄存器一個任務，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每一個任務，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先級，級， 有它自己的一套有它自己的一套CPU存放器和自己的?？臻g。存放器和自己的?？臻g。多任務運行的實現(xiàn)實際上是靠多任務運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU中央處理單元在許中央處理單元在許多任務之間轉換、調度。多任務之間轉換、調度。 CPU只有一個，輪番效勞于一系列任務中的某一個。多只有一個，輪番效勞于一系列任務中的某一個。多任務運行使任務運行使CPU的利用率得到最

33、大的發(fā)揮，并使應用程序模塊的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應用程序模塊化?；Ｔ趯嶋H應用中，多任務的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的在實際應用中，多任務的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的應用程序層次化。應用程序層次化。 嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)是面向詳細應用，對外來事件在限定時間內能做出反響的系統(tǒng)。限實時系統(tǒng)是面向詳細應用，對外來事件在限定時間內能做出反響的系統(tǒng)。限定時間的范圍很廣可以從微秒級如信號處理到分級如聯(lián)機查詢系統(tǒng)。定時間的范圍很廣可以從微秒級如信號處理到分級如聯(lián)機查詢系統(tǒng)。在實時系統(tǒng)中主要有三個指標來衡量系統(tǒng)的實時性，即響應時間在實時系統(tǒng)中主要有三個指標來衡量系統(tǒng)

34、的實時性，即響應時間Response Time、生存時間、生存時間Survival Time、吞吐量、吞吐量Throughput。響應時間響應時間Response Time：是計算機識別一個外部事件到作出：是計算機識別一個外部事件到作出響應的時間，在控制應用中它是最重要的指標，假如事件不能及時的處理，系響應的時間，在控制應用中它是最重要的指標，假如事件不能及時的處理，系統(tǒng)可能就會崩潰。統(tǒng)可能就會崩潰。生存時間生存時間Survival Time：是數(shù)據(jù)有效等待時間，在這段時間里數(shù)：是數(shù)據(jù)有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是有效的。據(jù)是有效的。吞吐量吞吐量Throughput：是在一給定時間內秒，系統(tǒng)

35、可以處理的事件：是在一給定時間內秒，系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù)。例如通訊控制器用每秒鐘處理的字符數(shù)來表示吞吐量，吞吐量是平均響應時間總數(shù)。例如通訊控制器用每秒鐘處理的字符數(shù)來表示吞吐量，吞吐量是平均響應時間的倒數(shù)。的倒數(shù)。實時系統(tǒng)的評價指標實時系統(tǒng)的評價指標系統(tǒng)內核系統(tǒng)內核 多任務系統(tǒng)中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配多任務系統(tǒng)中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。時間，并且負責任務之間的通信。 內核提供的根本效勞是任務切換。內核本身也增加了應用程序的內核提供的根本效勞是任務切換。內核本身也增加了應用程序的額外負荷，代碼空間增加額外負荷，代碼

36、空間增加ROM用量，內核本身的數(shù)據(jù)構造增加了用量，內核本身的數(shù)據(jù)構造增加了RAM的用量。內核本身對的用量。內核本身對CPU的占用時間一般在的占用時間一般在2到到5個百分點之間個百分點之間。 這是操作系統(tǒng)的主要職責之一，它決定該輪這是操作系統(tǒng)的主要職責之一，它決定該輪到哪個任務運行了。到哪個任務運行了。往往調度是基于優(yōu)先級的，根據(jù)其重要不同被賦往往調度是基于優(yōu)先級的，根據(jù)其重要不同被賦予任務不同的優(yōu)先級。予任務不同的優(yōu)先級。 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務先運行。級最高的任務先運行。何時讓高優(yōu)先級任務掌握何時讓高優(yōu)先級任務掌握CPU的使用權，有兩種的使用權，有兩種

37、不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，是非占是非占先式的還是占先式先式的還是占先式的內核。的內核。 調度dispatcher 每個任務都有其優(yōu)先級每個任務都有其優(yōu)先級priority，靜態(tài)優(yōu)，靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級。先級和動態(tài)優(yōu)先級。應用程序執(zhí)行過程中諸任務優(yōu)先級不變，那么稱應用程序執(zhí)行過程中諸任務優(yōu)先級不變，那么稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務以之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務以及它們的時間約束在程序編譯時是的。及它們的時間約束在程序編譯時是的。應用程序執(zhí)行過程中，假如任務的優(yōu)先級是可變的應用程序執(zhí)行過程中，假如任務的優(yōu)先級是可

38、變的，那么稱之為動態(tài)優(yōu)先級，那么稱之為動態(tài)優(yōu)先級.非占先式非占先式non-preemptive非占先式調度法也稱作合作型多任務非占先式調度法也稱作合作型多任務cooperative multitasking，各個任務彼此合作共享一個各個任務彼此合作共享一個CPU。中斷效勞可以使一個高優(yōu)先級的任務由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷效中斷效勞可以使一個高優(yōu)先級的任務由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷效勞以后控制權還是回到原來被中斷了的那個任務，直到該任務主動放棄勞以后控制權還是回到原來被中斷了的那個任務，直到該任務主動放棄CPU的使用權時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得的使用權時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得C

39、PU的使用權。的使用權。非占先式內核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)。運非占先式內核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)。運行著的任務占有行著的任務占有CPU，而不必擔憂被別的任務搶占。，而不必擔憂被別的任務搶占。非占先式內核的最大缺陷在于其響應高優(yōu)先級的任務慢，任務已經(jīng)非占先式內核的最大缺陷在于其響應高優(yōu)先級的任務慢，任務已經(jīng)進入就緒態(tài)，但還不能運行，也許要等很長時間，直到當前運行著進入就緒態(tài)，但還不能運行，也許要等很長時間，直到當前運行著的任務釋放的任務釋放CPU。內核的任務級響應時間是不確定的，不知道什么。內核的任務級響應時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務

40、才能拿到時候最高優(yōu)先級的任務才能拿到CPU的控制權，完全取決于應用程的控制權，完全取決于應用程序什么時候釋放序什么時候釋放CPU。非占先式非占先式(Non-Preemptive)(Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務程序使中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒高優(yōu)先級任務就緒低優(yōu)先級任務釋放低優(yōu)先級任務釋放CPU使用權使用權TIME占先式占先式preemptive當系統(tǒng)響應時間很重要時，要使用占當系統(tǒng)響應時間很重要時，要使用占先式先式preemptive內核。最高優(yōu)先級內核。最高優(yōu)先級的任務一旦就緒，總能

41、得到的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制的控制權。權。當一個運行著的任務使一個比它優(yōu)先級當一個運行著的任務使一個比它優(yōu)先級高的任務進入了就緒態(tài)，當前任務的高的任務進入了就緒態(tài)，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說被掛起了，那個使用權就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務立即得到了高優(yōu)先級的任務立即得到了CPU的控制權的控制權。使用占先式內核時，應用程序不應直接使使用占先式內核時，應用程序不應直接使用不可重入型函數(shù)。假如調入可重入型函數(shù)用不可重入型函數(shù)。假如調入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務時，低優(yōu)先級的任務CPU的使用權被高優(yōu)先的使用權被高優(yōu)先級任務剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可

42、級任務剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。能被破壞。占先式占先式(Preemptive)(Preemptive)占先式占先式(Preemptive)(Preemptive)低優(yōu)先級任務低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務程序使中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒高優(yōu)先級任務就緒高優(yōu)先級任務得到高優(yōu)先級任務得到CPU使用權使用權TIMEl社會經(jīng)濟的開展產(chǎn)生了一些新的需求，同時促進了嵌入式社會經(jīng)濟的開展產(chǎn)生了一些新的需求，同時促進了嵌入式技術的廣泛應用。技術的廣泛應用。l中國正在成為世界制造大國，在消費電子、工業(yè)應用、軍中國正在成為世界制造大國，在

43、消費電子、工業(yè)應用、軍事國防、網(wǎng)絡設備等領域都有嵌入式系統(tǒng)的應用。事國防、網(wǎng)絡設備等領域都有嵌入式系統(tǒng)的應用。l嵌入式技術開展又在不斷刺激新的技術產(chǎn)生嵌入式技術開展又在不斷刺激新的技術產(chǎn)生 信息家電、醫(yī)療電信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器。子病歷、微小型智能武器。消費電子消費電子嵌入式應用嵌入式應用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設備通信設備移動存貯移動存貯工控設備工控設備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網(wǎng)絡設備網(wǎng)絡設備工業(yè)工業(yè)軍事國防軍事國防電子商務電子商務網(wǎng)絡網(wǎng)絡l過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)平安過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)平安、電

44、網(wǎng)設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型、電網(wǎng)設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設備主要采用是位單片機。設備主要采用是位單片機。 q隨著技術開展，目前許多設備除了進展實時控制，還須將設備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域 只有按鈕、開關的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的只有按鈕、開關的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。日常需求。 具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是將來的開展趨勢，如冰箱、空調等的網(wǎng)絡化、是將來的開展趨勢，如冰箱、空調等的網(wǎng)絡化、智能化等。智能化等。 信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大

45、的應用領域。信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域。嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域l交通管理在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車效勞方交通管理在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車效勞方面，目前面，目前GPS設備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭設備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭。q水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩平安，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污平安，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。染監(jiān)測。q加油站、停車場管理。加油站、停車場管理。嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式系統(tǒng)的應用領域可穿戴設備可穿戴設備 手環(huán)手環(huán) watch宏觀方面開展趨勢： 經(jīng)濟性幾十萬