電子設計自動化第1匯編

1、電子設計自動化第1講山西大學 張志才主講1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成第一章 嵌入式系統(tǒng)概述廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。如各類單片機和DSP系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在完成較為單一的專業(yè)功能時具有簡潔高效的特點。但由于他們沒有操作系統(tǒng)，管理系統(tǒng)硬件和軟件的能力有限，在實現(xiàn)復雜多任務功能時，往往困難重重，甚至無法實現(xiàn)。從狹義上講，那些使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨立系統(tǒng)，具有自己操作系統(tǒng)，具有特定功能，用于特定場合的專用軟硬件系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征 1.系統(tǒng)內(nèi)核?。?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

2、有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。2.專用性強： 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(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行操作系統(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)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。 3.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)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。4.高實時性OS： 這是嵌入式軟件的基本要求。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實時性。5.嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)工具和環(huán)境： 由于其本身不具備自主開發(fā)能力，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行修改，必須有一

3、套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成。嵌入式硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內(nèi)部。嵌入式軟件是實時多任務操作系統(tǒng)和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)對嵌入式微處理器的要求對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間。具有功能很強的存儲區(qū)保護功能?？蓴U展的處理器結(jié)構(gòu)，能迅速地開發(fā)出滿足應用需求的產(chǎn)品。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移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mW甚至W級。嵌入式微處理器分類嵌入式系統(tǒng)硬件核心是嵌入式處理

4、器。嵌入式處理器可以分為四類： 嵌入式微處理器EMPU （Embedded Microprocessor Unit） 嵌入式微控制器EMCU （Embedded Microcontroller Unit） 嵌入式數(shù)字信號處理器EDSP （Embedded Digital Signal Processor） 嵌入式片上系統(tǒng)ESoC （Embedded System on Chip） 嵌入式系統(tǒng)硬件核心嵌入式微處理器EMPU嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功

5、耗低的要求。嵌入式微處理器制造商：摩托羅拉、英特爾、IBM、日立、NEC、東芝、AMD、國家半導體、Zilog、IDT、富士通、Atmel、太陽、微系統(tǒng)、夏普、Oki、飛利浦等。主要的嵌入式微處理器包括：Motorola PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。 嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設接口封裝在同一片集成電路里。嵌入式微控制器制造商：摩托羅拉、英特爾、英飛凌科技、 Atmel、日立、NEC、三菱、東芝、松下、Microchip、富士、飛利

6、浦、德州儀器、三星、三洋、索尼、Oki、凌陽科技等。主要的嵌入式微控制器包括：MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR等系列。 嵌入式微控制器EMCU嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域應用廣泛。DSP正在大量進入嵌入式市場，目前廣泛應用的是TI產(chǎn)品TMS320C2000 /C5000系列，另外Intel和Siemens也有相應的產(chǎn)品。嵌入式數(shù)字信號處理器EDSPESoC：在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)。各種通用處理器內(nèi)

7、核將作為SoC設計公司的標準庫，成為 VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述。 用戶只需定義出整個應用系統(tǒng)，仿真通過后，就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 嵌入式片上系統(tǒng)ESoC 嵌入式系統(tǒng)軟件核心包括： 系統(tǒng)軟件：嵌入式操作系統(tǒng) 支撐軟件：嵌入式軟件開發(fā)平臺及工具 應用軟件：嵌入式應用軟件 嵌入式系統(tǒng)軟件核心1軟件要求固態(tài)化存儲 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯

8、在磁盤中。2軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 盡管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征3操作系統(tǒng)軟件具有高實時性 在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對各項任務進行統(tǒng)籌兼顧、合理調(diào)度是保證系統(tǒng)功能的關鍵，單純提高處理器的速度是無法完成這些要求的，也是沒有效率的，這種任務調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此操作系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。4 嵌入式系統(tǒng)應用語言： 據(jù)統(tǒng)計，在嵌入式系統(tǒng)設計中，最受歡迎的前3種編程語言分別是C(74.

9、6%)、匯編(69.6%)和C+ (50.1%)。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應用程序用匯編語言和C語言來開發(fā)，可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，比如：任務的調(diào)度、任務之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時鐘管理等。其它的應用組件，比如網(wǎng)絡功能、文件系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進程或函

10、數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應的組件。 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 1微內(nèi)核結(jié)構(gòu)任務的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。不可搶占式調(diào)度：一個任務一旦獲得CPU就獨占CPU運行，除非由于某種原因，它決定放棄CPU的使用權(quán)；可搶占式調(diào)度：基于任務優(yōu)先級，當前正在運行的任務可以隨時讓位給優(yōu)先級更高的處于就緒態(tài)的其它任務；時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：當兩個或兩個以上任務有同樣的優(yōu)先級，不同任務輪轉(zhuǎn)地使用CPU，直到系統(tǒng)分配的CPU時間片用完。目前，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對不同優(yōu)先級的任務采用基于優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度法，對相同優(yōu)先級的任務則采用時間片輪轉(zhuǎn)

11、調(diào)度法。 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 2任務調(diào)度多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對時間的要求較高，稱之為實時系統(tǒng)。有兩種類型的實時系統(tǒng)：硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)并不要求限定某一任務必須在一定的時間內(nèi)完成，只要求各任務運行得越快越好；硬實時系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有嚴格要求，一旦系統(tǒng)響應時間不能滿足，就可能會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤，一般在工業(yè)控制中應用較多。 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 3硬實時和軟實時一些桌面操作系統(tǒng)使用了虛擬存儲器的概念。采用段式管理、頁式管理、或段頁式管理。但是，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)不使用虛存技術(shù)，對內(nèi)存的訪問是直接的，使用物理地址；而且，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，各個進程共享同一個

12、運行空間。一個進程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器。由此可見，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員必須參與系統(tǒng)的內(nèi)存管理，對軟件中的一些內(nèi)存操作必須格外小心。 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 4內(nèi)存管理嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核可以在Flash上直接運行，也可以加載到內(nèi)存中運行。 嵌入式實時操作系統(tǒng)特點 5內(nèi)核加載方式常見的實時操作系統(tǒng) 國內(nèi)RTOS：女媧Hopen桑夏2000Delta OS中軟Linux2.0Linux HardHatLinux (Monta Vista)Red Flag Linux（紅旗Linux）HBOS（“天堂之鳥”）SuseRed HatEmbedixLynxOS (LynuxWorks) 常見的實時操作系統(tǒng) 國外RTOS：VX Works (風河系統(tǒng))Windows CE (微軟)VRTX (明導資訊)PalmPowerTVAMX (KADAK)C ExecutivePSX (JMI)VelOSity (Green Hil