嵌入式系統(tǒng)-浙江大學課件

嵌入式系統(tǒng)

什么是嵌入式計算機

——從產品的角度看嵌入式背景：計算機系統(tǒng)的三大應用領域服務器目標：可用性可擴展性有效帶寬利潤最大的市場包括大型機、超級計算機等桌面辦公等用途最廣闊的市場包括臺式機，筆記本嵌入式非計算機形態(tài)潛力最大的市場以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機)是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產品和系統(tǒng)中計算機系統(tǒng)的創(chuàng)新：多核2006年突然推出雙核，年底到四核2006年Q4英特爾內部已有16核處理器2007年2月英特爾展示了80核計算機2008年10月，英特爾展示32硬核128邏輯核的larlabee市場對多核反應冷淡技術準備不足多處理器技術長期以來針對服務區(qū)并行計算技術針對科學計算實際難點多應用軟件，事務處理如何使用多核？系統(tǒng)軟件對多核的支持不足軟件開發(fā)對多核支持不足機會與挑戰(zhàn)并存計算機系統(tǒng)的創(chuàng)新：桌面計算機平板計算機個人電腦ModBook平板電腦Toshiba平板電腦ClickStartMyFirstComputerViewsonic無線遙控平板人人電腦計劃(OLPC)「雙屏幕」筆記本電腦計算機系統(tǒng)的創(chuàng)新：UMPCUltra-MobilePC小巧的體積可以使UMPC輕松放到書包里面，隨身攜帶UMPC外形設計新潮，集成各種附加功能，一般有網絡、GPS、鍵盤或屏幕手寫等模塊。netbookHTCAthena大同UMPCoQoSony嵌入式系統(tǒng)移動終端UMPC，PDA，手機，移動電子書以及電子詞典信息家電智能冰箱、洗衣機、智能空調、數(shù)字電視、微波爐、無線家庭網關、數(shù)碼相機與數(shù)碼攝像機、游戲機汽車電子車載、車控智能儀器儀表通訊設備其他嵌入式系統(tǒng)：手機普通手機智能手機與PDA結合網絡手機gphone韓國電信手機/電視遙控器二合一產品SonyEricsson超小型手機電腦手機放在底座上成為電腦Nokia手機戶外音響內置DVB-H移動電視手機嵌入式系統(tǒng)：辦公用品錄音筆FLY數(shù)字筆能“看懂”在專用紙上所寫的內容能“閱讀”寫作和糾正語法錯誤完成簡單的算術運算將英文互相翻譯成西班牙文等Genius數(shù)字便箋存儲100頁便箋2000LPI分辨率32MB板載內存可通過USB連接電腦筆跡識別軟件PolymerVision手機書使用可卷電子紙的電子書閱讀器嵌入式系統(tǒng)：運動玩具游戲GTX公司定位的運動跑鞋內置的GPS接收器和可充電電池遙控蜻蜓次世代三大主流三款主機Xbox360，WII，PS3GameCubeXboX360PS3Wii,手柄,手套,槍嵌入式系統(tǒng)：攝像器材數(shù)碼相機DV智能家電智能冰箱（有時稱為網絡冰箱）在冰箱內部裝有攝像頭、RFID接收器或者條碼掃描器可以通過這些設備采集冰箱內部存貨的信息，并通過網絡進行傳輸信息對冰箱的溫度控制韓國一家公司的“網絡冰箱”，門上有一個15英寸液晶顯示器，用戶可以通過冰箱上網、打可視電話和觀看影片網絡微波爐、網絡電飯煲、網絡空調等家電功能現(xiàn)對簡單，可以通過網絡下載食譜，可以通過網絡進行控制嵌入式系統(tǒng)：智能家居智能家具智能家電Roto-Rooter公司馬桶組合筆記本/ipod/冰箱/Xbox360/健身高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb鬧鐘不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶i.Master浙江大學顯示營養(yǎng)智能果汁機浙江大學產品創(chuàng)新中心的智能割草機嵌入式系統(tǒng)：多媒體終端IP電話視頻會議可視電話基于視頻電話的小型視頻會議系統(tǒng)(MCU)語音識別電話基于H.323協(xié)議族的網絡視頻電話嵌入式系統(tǒng)：家庭音響引入計算機技術的音響配備B&O與Core2Duo的P.Guerra家庭影院SonosZP80無線音響LGHDDVD/藍光播放器Motorola支持M卡的HDDVR錄像機iPhone家庭相冊遠程寵物喂養(yǎng)器遠程觀看到寵物的行動跟它對話遠程喂養(yǎng)寵物嵌入式系統(tǒng)：通訊設備有計算機能力的各種通訊設備路由器/交換機/防火墻等Buffalo路由器/USB網卡套裝VPN產品千兆網關防火墻

嵌入式系統(tǒng)：交通相關汽車電子處理器個數(shù)可達三位數(shù)車載娛樂，定位等車控ABS、EBD等其他中國版月球車汽車立體聲音響HDRadio擴展包改裝遮陽板DVD/TV/MP3嵌入式系統(tǒng)：軍工武器控制系統(tǒng)數(shù)字化單兵系統(tǒng)有苛刻要求尺寸和重量功率消耗震動和沖擊溫度和濕度21世紀部隊旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)夜視掃描、全球定位、指揮通信嵌入式系統(tǒng)：新興硬件GPS/藍牙雙拼模塊芯片龍芯2號增強型處理器芯片Intel八十核心處理器2007年2月服用的RFID芯片IntelTolapai計劃要把南北橋做在芯片中AMDSwift已經集成了北橋、CPU、顯卡嵌入式系統(tǒng)應用案例分析：智能家電集成數(shù)字化家庭嵌入式系統(tǒng)應用案例分析：網絡產品集成信息化社會CCID數(shù)據(jù)2000年嵌入式軟件市場規(guī)模為70.33億元2001年為95.43億元2002年118.56億元2002年中國軟件市場為345.0億元，嵌入式軟件約占軟件總市場的34.37％。2003年嵌入式軟件市場中國市場規(guī)模達到188億元2004年，673.62億元軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)為：套裝軟件共計478億元，為具有獨立產品形態(tài)的軟件。其中包括系統(tǒng)軟件89億元（操作系統(tǒng)44.19億元、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)20.06億元、支撐軟件25.71億元）、中間件軟件6.98億元、應用軟件304.53億元（包括通用應用軟件（安全軟件、辦公軟件、管理軟件、游戲軟件、教育軟件等）與行業(yè)應用軟件（金融、電信、政府等））、嵌入式軟件（673.62億元）另外軟件服務（937.48億元）：除生產產品化軟件之外的所有的軟件研發(fā)及相關活動，包括系統(tǒng)集成、軟件外包、咨詢、數(shù)據(jù)加工和處理等2005年，1061.4億元2005年，中國嵌入式軟件產業(yè)在整個軟件產業(yè)中的比重已經接近40%,占全球嵌入式軟件產業(yè)的比重已經提升到4.8%嵌入式系統(tǒng)是一種技術，應用技術以實現(xiàn)產業(yè)產品為目的嵌入式產品任何包含一個或多個專用或者通用計算機部件的電子設備不以計算機形態(tài)出現(xiàn)將計算機”嵌入“在電子設備內能執(zhí)行特定功能的計算機硬件和軟件的結合體廣義:任何一個非計算機的計算系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)必要條件有處理器計算機五大部件運算器，控制器合稱處理器存儲器輸入輸出如果只有存儲器、輸入輸出，不能認為是嵌入式系統(tǒng)不能執(zhí)行計算機最基礎的功能常用32位處理器價格與單片機接近性能高網絡支持能力強嵌入式產品硬件特征通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備組成高集成度逐步形成單芯片解決方案系統(tǒng)芯片(SOC)定制性面向用戶面向產品面向應用解決方案不唯一不可壟斷的高度分散的工業(yè)，候選器件太多而PC由WINTEL（window，intel）壟斷嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式產品軟件特征包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件、開發(fā)工具軟件要求固態(tài)化存儲穩(wěn)定性要求高軟件代碼高質量、高可靠性可能無系統(tǒng)軟件軟硬件緊密結合，協(xié)同開發(fā)其他可能有的要求實時性強功耗低支持升級軟件和硬件結合緊密由于定制，可能無硬盤，無通用操作系統(tǒng)產品升級換代困難和硬件同步升級具有較長的生命周期定義微軟在2002年將嵌入式系統(tǒng)定義為完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌入式應用軟件的計算機或計算裝置。英國電機工程師學會的定義:“嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或甚至工廠操作的裝置”通常執(zhí)行特定功能以微電腦和外圍構成核心嚴格的時序和穩(wěn)定性要求全自動操作循環(huán)精確定義:以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)互聯(lián)網企業(yè)蠶食嵌入式Google手機發(fā)布T-MobileG1硬件高通MSM7201處理器，GPS衛(wèi)星導航、300萬像素攝像頭,3.17英寸觸摸屏480x320分辨率，1~8GBMicroSD卡支持WCDMA/HSPA網絡，理論下載速率7.2Mbps；支持Wi-Fi軟件Android操作系統(tǒng)各種谷歌的服務Gmail、GoogleMaps、YouTube、Google日歷、GoogleTalkChrome精簡版一鍵搜索AndroidMarket下載，全免費基于圖片的導航軟件“BreadCrumbz”用手機唱卡拉OK的軟件“TuneWiki”179美元幾個問題1、互聯(lián)網企業(yè)進入手機領域2、手機未來是否就是計算機3、手機技術走勢如何處理器作為發(fā)動機，讓手機飛起來處理器發(fā)展趨勢制造工藝發(fā)展到32nm，實現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本

需要計算能力，提供精巧的多媒體人機界面聯(lián)網成為必然的趨勢，芯片上集成Wifi、WiMax最新處理器ARM(16/32-bit),XScale(32-bit)VIANano?(64-bit,5-25w)IntelAtom?(32-bit,0.6-2.5w)★本地+遠程本地提供相對充足的計算能力遠程提供超級計算能力ScottMcNealy:Thenetworkisthecomputer.多核雙核->多核->千核能耗是風阻，讓手機飛行時間變短能耗是手機等移動終端所面臨的一個重要問題解決方法硬件節(jié)能：低功耗設計、工藝軟件節(jié)能：解決內存墻，動態(tài)調頻，節(jié)能編譯，節(jié)能調度提高電池容量燃料電池可能從根本上解決能耗問題其能量密度，理論上可為鋰離子電池的五至十倍以上補充供電燃料僅需數(shù)秒；最適合可攜式微小型系統(tǒng)質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池在室溫下運作、體積小、重量輕、方便電池堆設計挑戰(zhàn)：小型化；安全性聯(lián)網方式是飛行通道移動通信2G、2.5G3GWCDMACDMA2000TD-SCDMA★中國造WiMAX☆挑戰(zhàn)巨大4G：…無線接入技術802.15(無線個域網，WPAN)802.11(無線局域網，WLAN)802.16a/d(無線固定接入，F(xiàn)WA)802.20(寬帶移動接入，WBMA)發(fā)展方向帶寬更大，至少保證流暢視頻安全性更高多模手機存儲擴容，資料豐富器件速度、容量增長內存基本可以運行桌面上的軟件外存可以插拔網絡存儲依托互聯(lián)網本地存儲基本的程序、數(shù)據(jù)；其他數(shù)據(jù)保存在網絡存儲中終端硬件手機終端計算能力強支持多種互聯(lián)網和移動通訊網絡接入待機時間長便攜小尺寸分類界限逐步模糊手機PDAMID/PMPUMPC筆記本電腦手機硬件與臺式機無差別X86，大存儲，大屏幕，人機設備手機嵌入式軟件的需求變化1、實時性需求到底哪些嵌入式設備需要實時？手機實時性要求不高2、內核小小內存vs大內存3、處理器架構不一樣ARM（RISC架構）vsatom（X86架構）4、軟件定制化定制化的軟件vs可以隨意安裝卸載軟件5、基帶芯片協(xié)議棧已經非常完備手機軟件需要研究什么？手機嵌入式操作系統(tǒng)： No.有足夠多的解決方案了手機支撐軟件與應用軟件： 從桌面移植手機終端軟件架構傳統(tǒng)手機軟件:層次化架構↓BSP↓專業(yè)操作系統(tǒng)↓GUI↓定制應用軟件手機軟件革命：平臺結構↓平臺軟件封裝手機操作系統(tǒng)、驅動、網絡瀏覽器、GUI以API形式提供應用開發(fā)者↓應用軟件基于開放API開發(fā)的軟件通過網絡獲取定制應用，人機友好，用戶下載革了誰的命?網絡化手機軟件計算機的網絡化以前：單機為主現(xiàn)在：必須在網，大部分工作依賴于網絡手機的網絡化開機即在網連接移動通訊網→啟動計算機網絡手機=移動網絡終端在網的終端與非在網終端，軟件上的差異性在哪里計算機單機操作系統(tǒng)→網絡操作系統(tǒng)手機支持移動網的操作系統(tǒng) 普通手機→支持協(xié)議棧的操作系統(tǒng) 智能手機→網絡化操作系統(tǒng) 網絡手機WebOS應運而生WebOS基于網絡（Web）的操作系統(tǒng)Weboperatingsystem或者Web-basedOperatingSystem內涵運行在瀏覽器中的虛擬OS，是基于Web的服務的開放式集合提供了WebOSAPI，能夠根據(jù)WebOSAPI進行編程能夠在WebOS中打開應用程序外延用戶通過瀏覽器運行基于Web的在線應用能實現(xiàn)PC操作系統(tǒng)上的各種操作程序語言以PHP,XML,JS等Web語言為主，盡可能消滅高級語言Android是典型的WebOSWebOS是下一代手機軟件平臺嗎？優(yōu)點基于Web的標準化程度很高，不同的程序和服務能夠方便的對接無需下載，維護方便，軟件升級擴展性好免受病毒木馬的騷擾，容易解決盜版問題，解決了收費困難的問題可在不同瀏覽器、不同的OS上運行程序，甚至可以在其他的終端缺點執(zhí)行效率低機器碼運行os→os運行瀏覽器→瀏覽器運行webos→webos運行webservice傳統(tǒng)：機器碼運行os→os運行software網絡依賴性過強，對網絡要求高WebOS本身開發(fā)難度大，js調試困難，瀏覽器的兼容性差隱私性：操作在網上，數(shù)據(jù)在服務器上個人觀點WebOS使得一切工作都在線WebOS是一種趨勢、一種方向Android/chrome都是一種WebOSAndroid:googlephoneChrome：googlebrowser屏蔽底層OS/驅動/GUIOS可以是linux或其他驅動程序支持各種BSPGUI可以是各類提供上層應用以API非OS的API技術路線Linux內核+apache運行機制完全開放開源遵循Apachev2License免費的商業(yè)性使用軟件服務提供商提供專業(yè)的Android平臺應用服務手機開發(fā)廠商可以方便的基于Android平臺添加個性化的應用和服務收費廣告引擎終端軟件單點技術的研究熱情逐步消退與臺式機逐步融合平臺化趨勢明顯在網要求越來越強嵌入式熱點領域日益增長的功能密度更高的可靠性保障靈活的網絡連接分布式應用和移動應用多媒體信息處理更便捷的信息共享適應更加激烈的市場競爭

嵌入式系統(tǒng)中的處理器1嵌入式系統(tǒng)中的處理器嵌入式系統(tǒng)的核心部件

品種總量已經超過1000多種每個月都有新產品出現(xiàn)流行體系結構有三十幾個系列8051體系的占有多半32,64位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等2001年嵌入式系統(tǒng)國際會議年會JimTurley的報告中，統(tǒng)計得到PC的數(shù)量只占CPU總耗量的0.1%。

數(shù)字化產品上游嵌入式系統(tǒng)軟件平臺下游芯片、硬件嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應用組件嵌入式開發(fā)環(huán)境2嵌入式計算機內核分類與綜述嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)嵌入式微處理器(EMPU)通用計算機中的CPU專門設計的電路板

只保留和嵌入式應用有關的母板功能

增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與和工業(yè)控制計算機相似嵌入式處理器主要類型Am186/88386EXSC-400PowerPC68000MIPSARM系列嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機以某一種微處理器內核為核心芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設特點單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高代表性的通用系列8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。半通用系列支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額嵌入式DSP處理器(EDSP)DSP應用數(shù)字信號處理限時完成DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。代表性的產品TexasInstruments的TMS320系列TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。Motorola的DSP56000系列DSP56000目前已經發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng)

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

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中代表性的產品:Philips的SmartXA處理器位數(shù)4位8位163264單片機型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05Z88096/9768200ARMRISCCOREMIPS32COREMIPS64CORE一般用途型4004404080856809Z806502680280868028680186Z8000803868048668000/10/20/30/40PentiumII/III/IV/?

/Core2duo嵌入式處理器應用產品4位遙控器相機防盜器玩具簡易計量表等8位電視游戲機空調傳真機電話錄音16位手機攝象機錄象機各種多媒體應用32位MODEM掌上電腦路由器數(shù)碼相機GPRS網絡家庭64位高級工作站新型電腦游戲機各種多媒體應用嵌入式CPU特點處理速度快或者相當I/O功能強功率損耗低實時響應快3維處理器發(fā)展前沿微處理器成為處理器的主流研究熱點進一步提高單個微處理器的性能全面提高計算機的系統(tǒng)性能：可用性，可維護性，可縮放性?；谖⑻幚砥鞯亩嗵幚砥黧w系結構。多核三維器件背包SOC三維VLSI光速極限問題IC電路有極限：線寬不能無限縮小；性能價格+低功耗新型器件光計算機分子計算機DNA計算機Multicore3DChip主流處理器迅速在嵌入式領域得到使用CISCEIA:EmbeddedIA,工業(yè)控制Multicore:ViiV歡躍雙核,用于數(shù)字電視RISCARMMIPSPPCPA-RISC等嵌入式中的主流數(shù)字信號處理器(DSP)乘法與加法運算離散傅立葉變換(DFT)離散余弦變換(DCT)FiniteImpluseResponesFilterRISC主流的理由指令使用頻度較均衡控制邏輯規(guī)整，適于VLSI工藝軟硬功能分配合理利于指令級并行技術芯片代碼公開可定制性強桌面市場被CISC積壓,需要尋找出路性能強IA架構的挑戰(zhàn)EIA通用性太強開放環(huán)境成熟度高嵌入式處理器五大類體系結構ARMMIPSPOWERPCX86SH系列4主流嵌入式處理器ARM屬于RISC體系工業(yè)標準ARM:AdvancedRISCMachines只設計內核的英國公司85年英國劍橋ARM原型90年成立ARMltd.不制造VLSI設備，只提供授權2001年，市場占有率75％ARM內核被授權給數(shù)百家廠商ARM主要應用于無線局域網、3G、手機、手持設備、有線網絡通訊應用形式：集成到專用芯片中作控制器集成ARM內核的芯片英特爾、德洲儀器、三星半導體、摩托羅拉、飛利浦半導體、意法半導體、億恒半導體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon，ParthusARM體系結構ARM7采用馮.諾依曼體系ARM9采用哈佛體系對匯編程序員透明ARM架構V1版架構V2版架構V3版架構V4版架構V5版架構ARM流水線ARM7的三級流水線ARM9的五級流水線ARM系列產品表示ARM系列產品很多,以ARM7系列為例,其內核ARM7TDMI表示為：·ARM7：ARM系列具有32位整數(shù)運算核·T：內含16位壓縮指令集Thumb·D：支持片內Debug調試,·M：采用增強型乘法器(Multiplier),·I：內含嵌入式ICE宏單元另外,各產品的后綴提供了各種形式與功能的選擇：·-S：可綜合的軟核Softcore·-E：具有DSP的功能·-J：Jazeller,允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼系列ARM7系列產品ARM7TDMI/ARM7TDMI/ARM720TARM7EJ－最低功耗具有：嵌入式ICE-RT邏輯－硬件上提供片上斷點與調試點支持非常低的功耗提供0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮.諾依曼體系ARM9系列產品ARM920T與ARM922TARM940T具有：5級流水線1.1MIPS/MHz的哈佛結構ARM9E系列產品ARM966E-SARM946E-SARM926EJ-S提供DSP擴充嵌入式ICE-RT調試邏輯1.1MIPS/MHz的5級流水線和哈佛結構緊耦合存儲器（TCM）接口，可使存儲器以最高處理器速度運轉，可直接連到內核上ARM10E產品系列ARM1022Erev0/ARM1020Erev1提供DSP擴展嵌入式ICE-RT全性能MMUCache對于指令與數(shù)據(jù)，64位AHB接口6級流水線內部64位數(shù)據(jù)通道1.25MIPS/MHz比同等ARM9器件，同樣時鐘下，性能提高50％Securcore專為安全設計抗竄改（resisttampering）逆向工程（reverseengineering）保護機構－確保操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)安全采用ARM7內核最多最典型為ARM7TDMI、ARM720TARM特定功能的變種T變種(Thumb指令集)：Thumb指令集嚴格控制產品成本比采用ARM指令更多的指令，不適合對時間要求苛刻的場合M變種(長乘法指令)：增加了兩條用于進行長乘法操作的ARM指令首先在ARM體系版本3引入，在ARM體系版本4之后，M變種成為系統(tǒng)的標準功能；E變種(增強型DSP指令)：包含附加指令用于增強處理器對一些典型DSP算法的處理性能E變種首先在ARM體系版本5T中使用J變種(Java加速器Jazelle)：提供Java加速功能D變種(片內Debug)：支持片內Debug調試；I變種(嵌入式ICE)：集成嵌入式ICE宏單元；SIMD變種(ARM媒體功能擴展)：高性能的音頻/視頻處理技術ARM體系結構特點11）16/32位指令集并存Thumb指令集的16位指令集32ARM指令集的子集代碼密度高，性能高狀態(tài)ARM狀態(tài)，Thumb狀態(tài)每指令集都有切換狀態(tài)的指令ARM指令集32位長度字對準可以傳送8bit，16bit，32bit符號/無符號數(shù)據(jù)Thumb指令集16位長度半字對準操作寄存器中是32bit數(shù)據(jù)訪問和取指使用全32bit地址條件分支指令是唯一一句CPSR的Thumb指令大多數(shù)指令訪問R0－R7ARM體系結構特點22）寄存器37個寄存器31個32bit通用寄存器6個32bit狀態(tài)寄存器（實際只用12bit）R13堆棧R14返回地址R15=PC寄存器分成可以重疊的組Thumb狀態(tài)的寄存器集可訪問的寄存器集是ARM的子集8個通用寄存器R0－R7PC(R15)SP（R13）LR(R14)CPSRThumb指令集與ARM指令集的區(qū)別分支語句向后轉移條件下向前轉移轉向子程序從Thumb狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送指令操作的結果放第一個寄存器eg:R1=R1+R2數(shù)據(jù)處理操作少訪問R8－R15受到限制單寄存器加載與存儲指令只訪問R1－R7多寄存器加載與存儲指令LDMIAR3!,{R0-R7}STMIAR0!,{R6,R7}PUSH{R3,R5-R7}POP{R2,R5}沒有協(xié)處理器指令沒有信號量指令沒有訪問CPSR指令ARM特點內核耗電少成本低功能強特有16/32位雙指令集部分軟件功能硬件化硬件支持調試開發(fā)5ARM系列高端處理器XScale基于ARMV5TE體系結構兼容ARMV5TEISA指令集（不支持浮點指令集）在處理器內核周圍提供了指令和數(shù)據(jù)存儲器管理單元指令、數(shù)據(jù)和微小數(shù)據(jù)緩存寫緩沖、掛起緩沖和分支目標緩沖器電源管理性能監(jiān)控調試JTAG單元以及協(xié)處理器接口MAC協(xié)處理器內核存儲總線XScale系統(tǒng)結構圖

XScale架構特點（一）采用7/8級超級流水線動態(tài)跳轉預測、分支目標緩沖器BTB(BranchTargetBaffer)支持多媒體處理技術新增乘/加器MAC、40位累加器、兼容ARMV5TE指令、特定DSP型協(xié)處理器CP0指令快存(I-Cache)：32K字節(jié)數(shù)據(jù)快存(D-Cache)：32K字節(jié)可以重構為28K字節(jié)片內RAM微小數(shù)據(jù)快存(Mini-DCache)：2K字節(jié)指令存儲器管理單元IMMU32路變換后備緩沖器TLB(快表)動態(tài)電源管理XScale架構特點（二）數(shù)據(jù)存儲器管理單元DMMU32路變換后備緩沖器TLB(快表)中斷控制器總線控制器1G字節(jié)/秒、ECC協(xié)議調試(Debug)接口：性能監(jiān)控：協(xié)處理器CP14、硬件斷點、硬件觀察點、BKPT指令、異常中斷、JTAG接口、跡緩沖器6主流x86處理器，嵌入式IA架構EmbeddedIA，嵌入式IA架構芯片組（Chipset）技術“支持電路”和“接口電路”簡化硬件部分的設計，減少主板上芯片的數(shù)量，增加可靠性用少量幾片VLSI芯片的組合稱為“控制芯片組”，簡稱“芯片組”“整合型芯片組”1999年開始將板卡（I/O卡）或其它部件的功能，如顯示卡、聲卡、MODEM、ATA－66/33硬盤接口等支持功能集成于芯片組19751980198519901995200010,0001,0001010010.1MIPS8086Pentium

?IV

80286i386i486Pentium?

Pentium

?

IIPentium

?

III凌動ATOM采用45nmHigh-KCMOS工藝制造集成4700萬個晶體管DIE核心面積均為7.8×3.1毫米＝24.2平方毫米封裝硅片體積13×14×1.6毫米統(tǒng)一配備512KB二級緩存支持SSE3指令集、VT虛擬化技術、EDB防毒技術、高級散熱管理技術功耗在800MHz頻率下的Silverthorne只有不到0.65瓦的功耗7嵌入式DSP案例：SHARC處理器哈佛結構的DSP支持浮點操作與并行執(zhí)行位數(shù)SHARC指令48位基本數(shù)據(jù)字32位地址位32位主要設計為浮點密集型運算32位IEEE單精度浮點40位IEEE擴展精度浮點32位整數(shù)片上帶大量的存儲器系列中的21061有1Mbit片上存儲器存儲器包括PM：程序存儲器DM：數(shù)據(jù)存儲器兩個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器（DAG)數(shù)據(jù)可以并行取出芯片外還能夠加更多的存儲器指令并行性允許幾個操作同時執(zhí)行允許一條指令進行多數(shù)據(jù)提取以下操作可以在單指令完成：定點累加和加、減或平均浮點乘法和ALU操作乘法與雙加減限制：操作數(shù)的來源來自不同輸入口8其他嵌入式微處理器IntelStrongARM停產TI的OMAP智能手機MIPSRISC32位和64位MotorolaDragonBall龍珠AMDAlchemyPPC系列日立SH體系結構PhilipsTrimedia9FPGAFieldProgrammableGateArray現(xiàn)場可編程門陣列FPGA與CPLD(復雜可編程邏輯器件)可編程邏輯器件CPLD是基于與或陣列的FPGA是基于查找表（Look-up-Table）可重構的計算嵌入式處理器，片內可編程FPGA特點靜態(tài)可重復編程動態(tài)在系統(tǒng)重構硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改極大地提高了電子系統(tǒng)設計的靈活性和通用性縮短了產品的上市時間降低了電子系統(tǒng)的開發(fā)成本基于FPGA的數(shù)字設計將在軟硬件協(xié)同設計中介紹FPGA發(fā)展歷史FPGA–FieldProgrammableGateArraysFPGA起源于可編程邏輯最早的可編程器件——PROM:PROM(mask)EPROM—可擦寫PROM(field)EEPROM—電可擦寫PROM(field)PLD—ProgrammableLogicDevicePLD由一堆與門陣列和或門陣列連接而成，原理就是根據(jù)邏輯電路可以變換成SOP表達式,PLD是FieldProgrammablePAL–ProgrammableArrayLogic，由可編程的與門陣列和固定（不可編程）或陣列構成PLA–ProgrammableLogicArray,與門陣列和或門陣列都可編程FPGA發(fā)展歷史PROM雖然可以用來實現(xiàn)邏輯電路，但它的特點更適合作存儲器。PLD采用SOP方式，冗余內容較多。FPGA由一系列基本單元構成的邏輯陣列，單元之間的連接可以由用戶定義。1985年，F(xiàn)PGA由Xilinx公司發(fā)明FPGA的架構基于SRAM結構的FPGA（Xilinx）PLD結構（Altera）基于多路選擇器結構（Actel）其他目前主流是SRAM和PLD結構各個公司都有自己的專利技術結構和CAD技術密切相關SSSSLLLLLLLLLCLB可配置邏輯塊SwitchBox交換布線盒基于SRAM結構FPGAXilinx系列FPGA多采用SRAM技術層次化的結構由可配置的可配置邏輯塊（CLB）和可編程的互聯(lián)資源（布線資源）構成。頂層結構如下圖所示：島式結構(islandstyle)CPLD結構CPLD:ComplexProgrammableLogicDevices復雜可編程邏輯器件層次化的結構由PIA（ProgrammableInterconnectArray，可編程互聯(lián)陣列－作布線資源）和LAB（LogicArrayBlock，邏輯陣列塊－作邏輯功能單元）組成Altera公司專利結構，基于EPROM編程技術（與RAM不同）頂層示意圖如下：CPLD結構LAB實現(xiàn)類似PLD功能。Altera對PLD機構進行改進，形成了由宏單元Macrocell和擴展乘積項ExpanderProductTerms構成的LAB這里不詳細介紹LAB功能，只介紹一下PLD的原理，CPLD是基于類似的原理。PLD一般基于與或陣列實現(xiàn)，這是因為任何一個邏輯表達式可以化成SOP模式（SumofProduction）即積之和。例：F=A+BC⊕D列出真值表：AB\CD00011110000110010101111111101111找出所有令F＝1的項，然后根據(jù)變量值建立表達式，如果變量值為1，則不變，為0取反，將各個令F=1的項用“或”操作連接起來，化成SOP格式如下：F=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD顯然，上式完全可以用與或陣列實現(xiàn)，當然，冗余很多。FPGA和CPLD的區(qū)別FPGA的邏輯塊CLB，扇入（Fan-in）?。籆PLD的邏輯塊扇入大互聯(lián)方式：FPGA是分布式的，延時與系統(tǒng)布局有關；CPLD是集總式的開關元件，等延時CPLD邏輯能力強而寄存器少控制密集型；FPGA邏輯能力較弱但寄存器多—數(shù)據(jù)密集型。大規(guī)模的設計還是選用FPGA。嵌入式外設1總線總線是連接I/O設備、CPU、存儲器各子系統(tǒng)間的共享通信線路優(yōu)點價格低、通用性、靈活性好缺點通信瓶頸（帶寬）總線的主要參數(shù)有總線的帶寬總線的位寬總線的工作時鐘頻率傳輸方向單向雙向（半雙工、全雙工）通常采用用法專用：流量高、無爭用現(xiàn)象、控制簡單；總線數(shù)目多，時間利用率低，難小型化。非專用：共享性。造價低、模塊性強，易擴充，會出現(xiàn)爭用現(xiàn)象、對失效敏感。常用系統(tǒng)總線PC總線：IBM公司1981年基于8位機PC/XT的總線AT總線：IBM公司于1984年推出了16位PC機PC/ATISA總線：Intel公司IEEE和EISA集團，與IBM/AT相近的8/16位的“工業(yè)標準結構”(IndustryStandardArchitecture)PCI總線：1991年，Intel、IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團，PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIGCPCI、ATCA、PCIEXPRESSESIA總線：IBM-PC的ISA發(fā)展而來，32,33MSCSI總線:來源于數(shù)組多路通道IPI總線I2C(interIC總線)PHILIPS用于內部IC控制簡單的雙向兩線串行總線PC104為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線緊湊型的IEEE-P996有兩個版本8位和16位，分別與PC和PC/AT相對應PC104PLUS則與PCI總線相對應嵌入式系統(tǒng)中的總線嵌入式系統(tǒng)總線定制性非擴展性結構簡單雙向專用與通用并存專用:適用于器件固定,運行模式固定通用:通用,需要擴展CPU總線傳統(tǒng)計算機：CPU－內存總線，I/O總線商用事務處理系統(tǒng)：I/O頻繁科學計算系統(tǒng)：I/O速度要與處理機速度相匹配嵌入式系統(tǒng)：CPU，存儲器加上設備無需通用性無需PNPCAN總線控制器局域網ControllerAreaNetwork被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置總結嵌入式系統(tǒng)中總線針對設備無通用性功耗低2高速輸入與輸出接口IrDA/FastIrDA紅外線發(fā)光二極管發(fā)射硅晶PIN光檢二極管接受控制電路距離小于一尺低速9.6~115Kbps高速1~4Mbps更高速16Mbps藍牙模塊（bluetooth)無線傳輸收發(fā)單元基頻處理單元數(shù)據(jù)傳輸接口通信頻率在1.2GHZ以內。USBIBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel及Microsoft12Mbps距離<5米樹拓撲結構，127個點低速1.5MbpsUSB2.0速率高達480MbpsEthernet/FastEthernet802.3/802.3n10MEthernet100MEthernet采用什么協(xié)議?CSMA/CDIEEE139420~400Mbps起源于APPLE的FireWire支持63個器件長度幾米使用1394的數(shù)字機頂盒架構圖通訊現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)基本都有通訊有線無線使用什么協(xié)議?netbios嵌入式TCP/IP協(xié)議棧嵌入式TCP/IP協(xié)議棧嵌入式TCP/IP協(xié)議棧連接在互聯(lián)網上意味著提高智能化管理水平TCP/IP是一項應用廣泛的標準通過TCP/IP與基礎設施連接十分簡單最大優(yōu)越性也許在于使得嵌入式裝置支持WWW主要用途是進行遠程監(jiān)測,還可以遠程配置嵌入式TCP/IP協(xié)議棧局限性首先嵌入式棧是建在專用的軟插座API之上的提供可靠傳輸，占用了大量的資源體積太大，許多場合不適用實現(xiàn)方式1采用軟件的方式2硬件方法采用iReady的芯片或芯核，雖然使用的是4位微處理器也能夠和互聯(lián)網實現(xiàn)直接連接3DSP方法也可以選用DSP為基礎的TCP／IP協(xié)議棧采用方法選擇根據(jù)設計的電子裝置的實際情況來決定使用硬件功能如何？打算如何來實現(xiàn)和互聯(lián)網的連接？需要發(fā)送和接收那些種類的信息？將軟件或硬件芯片整合到所設計的電子裝置中去，有沒有困難？增加一個協(xié)議棧，是否需要對所設計的電子裝置進行重大更改等等無線通訊介紹嵌入式系統(tǒng)中無線通訊更是隨處可見。無線通訊都是基于無限傳輸媒介是電磁波，信號都以電磁波的方式被發(fā)送和接收無線傳輸?shù)碾姶挪úㄗV一般從無線電波(radio)開始到可見光部分無線電波因為頻率不是很高，較容易產生，可以遠距離傳輸，并能夠較容易地穿透和繞過障礙物線電波的傳播是如水波似的擴散型的無線電波的特性跟它的頻率有關無線局域網WirelessLocalAreaNetworks無線局域網可以有兩種組織方式：一種是以一個基站（basestation）為中心，所有的移動設備都連接到這個基站上去，因此基站也稱為接入點（accesspoint）；另一種是沒有基站，移動設備之間相互連接組成局域網802.11由IEEE制定第一個高速無限局域網是802.11a,1999年1999年，數(shù)據(jù)傳輸速率達到54Mbps/72Mbps(Turbo)，傳輸距離控制在10～100米1999年9月IEEE802.11b數(shù)據(jù)傳輸速率達到11Mbps2003年6月，IEEE推出最新版本IEEE802.11g認證標準擁有IEEE802.11a的傳輸速率，安全性較IEEE802.11b好IEEE802.11e標準對無線局域網MAC層協(xié)議提出改進支持多媒體傳輸支持所有無線局域網無線廣播接口的服務質量保證QoS機制IEEE802.11f定義訪問節(jié)點之間的通信支持IEEE802.11的接入點互操作協(xié)議（IAPP）IEEE802.11h用于802.11a的頻譜管理技術IEEE802.11i標準結合IEEE802.1x中的用戶端口身份驗證和設備驗證對無線局域網MAC層進行修改與整合定義了嚴格的加密格式和鑒權機制改善無線局域網的安全性個人無線局域網wirelesspersonalareanetworks標準802.15，這就是藍牙的技術標準zigbee無線移動通訊無線通訊分為兩類無線局域網無線移動通訊無線設備可以是單向的，也可以是雙向的單向通信包括只接收信號的BP機雙向通信系統(tǒng)包括分組無線電通信（Packet－RadioCommunication）蜂窩數(shù)字分組通信（CellularDigitalPacketCommunication）三種無線移動通訊復用方式頻分多址時分多址碼分多址GSM&GPRS全球移動通信系統(tǒng)GlobalSystemforMobilecommunications蜂窩概念即所謂小區(qū)制實現(xiàn)頻率再用，大大提高了系統(tǒng)容量GSM使用時分多址方法為了話音業(yè)務和低速數(shù)據(jù)業(yè)務設計的GSM移動臺分為兩部分一部分包含無線接口特有的軟件和硬件另一部分是用戶數(shù)據(jù)——用戶識別卡（SIM）GeneralPacketRadioService以分組的形式傳送數(shù)據(jù)基于包轉發(fā)機制的171.2kbps訪問速度支持了移動Internet的功能GPRS的缺點一個蜂窩小區(qū)內用于容量有限實際數(shù)據(jù)傳輸速度遠低于理論值CDMA碼分多址接入技術（CodeDivisionMultipleAccess）建立在正交編碼、相關接收的理論基礎上運用擴頻通信技術解決無線通信的選址問題的多址接入方式先用一個擴頻碼（spreadingcode）對數(shù)據(jù)進行調制然后傳輸優(yōu)點能充分利用多路衰減現(xiàn)象CDMA與GSM/GPRS比較GSM/GPRS系統(tǒng)有一個缺點先斷后連的轉臺（handover），又稱為硬轉臺（hardhandover）移動臺在跨越兩個蜂窩小區(qū)的時候先跟原來所在的小區(qū)的基站斷開連接然后跟后來所在的小區(qū)的基站進行連接這種情況下，正在進行的通話就要被斷開在CDMA技術中不存在硬轉臺所有的基站都使用相同的頻道可以在斷開之前先跟下一個基站連接好稱為先連后斷的轉臺，又稱為軟轉臺（softhandover）CDMA信號功率遠小于GSM等系統(tǒng)的功率CDMA輻射也很小從1G到4G大容量、高速率、全方位的第三代移動通信系統(tǒng)（3G）1G網絡NMT,C-Nets,AMPS,TACS最早的模擬蜂窩系統(tǒng)2G網絡GSM,cdmaOne,DAMPS最早的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)3G網絡UMTSFDDandTDD，cdma20001xEVDO，cdma20003x，TD-SCDMA，AribWCDMA,EDGE，IMT-2000DECT目前已投入商用的帶寬最高的無線通訊網絡系統(tǒng)4G固定狀態(tài)下數(shù)據(jù)傳輸速度達到1Gbps移動狀態(tài)下數(shù)據(jù)傳輸速度達到100Mbps在以60公里時速行駛的汽車內進行100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸和超高速移動通信服務的無縫切換多個用戶同時以1Gbps的速度下載32個頻道的HD廣播同時使用超高速互聯(lián)網上傳下載、可視電話、論壇直播等服務3G的數(shù)據(jù)業(yè)務范圍移動音頻業(yè)務通過互聯(lián)網協(xié)議傳送聲音靜態(tài)圖像移動圖像虛擬本地環(huán)境電子代理未來的移動手持設備將不僅是現(xiàn)在的移動電話一樣以通話作為主要功能，而將是一種移動通訊設備跟移動計算設備的結合，也就是智能手機（IntelligentCellPhone）3輸入輸出裝置觸控面板電阻式，最常用電容式音波式紅外線式近場感應式XGT式防水、防火、防刮、抗菌語音輸入輸出技術可以軟件實現(xiàn)前提：處理器功能足夠強大可用專用芯片加硬件模塊Keypad6個I/O口實現(xiàn)的5×5按鍵矩陣的示意圖電阻式觸控面板結構LCD顯示器LiquidCrystalDisplay液晶介于固態(tài)和液態(tài)用于顯示GUI環(huán)境下的文字和圖象數(shù)據(jù)適用于低壓、微功耗電路段式液晶常見段式液晶的每字為8段組成，即8字和一點，只能顯示數(shù)字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于顯示字符和數(shù)字的，對于圖形和漢字的顯示方式與段式液晶無異圖形點陣式液晶又將其分為TN、STN（DSTN）、TFT等幾類彩色LCD分：主動式LCD(有源,active)高端產品使用,如TFT被動式LCD(無源,passive)中低端產品，如STN手機等4存儲器RAMSRAM、DRAMROMROM、EPROM、EEPROM、FLASHROMCFCompactFlashSDSecureDigitalMemoryStickSonySpringboardPalm的Visor專用SSDFlash閃速存儲器(FLASH)相對EEPROM，flash可以用電氣的方法快速地擦寫Flash快擦寫存儲器不需要存儲電容器集成度更高制造成本低于DRAM特點使用方便與SRAM類似，讀寫的靈活性和較快的訪問速度與ROM類似，在斷電后可不丟失信息快擦寫存儲器技術發(fā)展迅速NORflashNOR技術，亦稱為Linear技術源于傳統(tǒng)的EPROM器件最早出現(xiàn)，多數(shù)廠家支持特點程序和數(shù)據(jù)可存放在同一芯片上，有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機讀取XIP（eXecuteInPlace）：允許直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行，無需先將代碼載至RAM中執(zhí)行可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或對整片執(zhí)行擦除操作對存儲器進行重新編程之前需要對塊或整片進行預編程和擦除操作缺點擦除和編程操作所花費的時間很長NOR的擦除和編程速度較慢塊尺寸又較大適用范圍擦除和編程操作較少直接執(zhí)行代碼尤其是純代碼存儲的應用如PC的BIOS固件、移動電話、硬盤驅動器的控存不適用純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應用NANDflash三星1999年底第一顆1GbNANDNAND的存儲器可以取代硬盤以頁為單位進行讀和編程操作，1頁為256或512B（字節(jié)）以塊為單位進行擦除操作，1塊為4K、8K或16KB具有塊編程和塊擦除的功能nand塊擦除時間是2msNOR技術塊擦除時間達到幾百ms數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，串行讀取隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程位成本(bitcost)最低的固態(tài)存儲器芯片尺寸小，引腳少嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)－基本概念嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源的控制中心以盡量合理有效的方法組織多個用戶共享嵌入式系統(tǒng)的各種資源通常復雜的操作系統(tǒng)支持文件系統(tǒng)用戶系統(tǒng)程序之上的所有軟件。合理有效的方法操作系統(tǒng)如何協(xié)調并充分利用硬件資源來實現(xiàn)多任務嵌入式操作系統(tǒng)概述－發(fā)展階段嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展主要經歷了以下四個階段：1無操作系統(tǒng)的嵌入式算法階段單芯片為核心具有與一些監(jiān)測、伺服、指示設備相配合的功能一般沒有明顯的操作系統(tǒng)支持通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制。主要特點系統(tǒng)結構和功能都相對單一，針對性強無操作系統(tǒng)支持幾乎沒有用戶接口嵌入式操作系統(tǒng)概述－發(fā)展階段簡單監(jiān)控式的實時操作系統(tǒng)階段以嵌入式處理器為基礎以簡單監(jiān)控式操作系統(tǒng)為核心主要特點：處理器種類繁多，通用性比較弱；開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，具有一定的兼容性和擴展性；用戶界面不夠友好，主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序運行。嵌入式操作系統(tǒng)概述－發(fā)展階段通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段以通用型嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)典型代表有：VxWorks、pSos、WindowsCE等主要特點：運行在不同的微處理器具有強大的能用型操作系統(tǒng)的功能文件和目錄管理多任務設備驅動支持網絡支持圖形窗口用戶界面具有豐富的API和嵌入式應用軟件嵌入式操作系統(tǒng)概述－發(fā)展階段以Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)與Internet的真正結合嵌入式操作系統(tǒng)與應用設備的無縫結合代表著嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的未來嵌入式操作系統(tǒng)概述－特點實時性基于優(yōu)先級設計內核可搶占實時相關函數(shù)可重入小內核存儲資源小可配置硬件要求不同應用需求變化多端對操作系統(tǒng)功能的選擇性易移植大量嵌入式處理器高可靠性運行時間長出錯不可能人工重啟低功耗：微電量及省電的管理2常見的商品EOS－WindowsCE(1/3)微軟開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)基于掌上型電腦類的電子設備操作精簡的Windows95繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面可以使用Windows平臺上的編程工具（如VB、VC等）應用范圍手掌型小型設備,移動電話,小型終端設備,汽車,私用電器常見的商品EOS－WindowsCE(2/3)WindowsCE主要具有以下特點：靈活的電源管理功能。包括瞬眠/喚醒模式。對象存儲（objectstore）技術。包括文件系統(tǒng)、注冊表及數(shù)據(jù)庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（heap）等。良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域連接以及撥號連接，并提供與PC、內部網以及Internet的連接，還提供與Windows9x/NT的最佳集成和通信。支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應，而不是等待低級別的ISR完成。具備實時性。常見的商品EOS－WindowsCE(3/3)更好的線程響應能力。對高級別IST(中斷服務線程)的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進，幫助開發(fā)人員掌握線程轉換的具體時間，并通過增強的監(jiān)控能力和對硬件的控制能力幫助他們創(chuàng)建新的嵌入式應用程序。256個優(yōu)先級?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時序安排方面有更大的靈活性。支持大量API。WindowsCE的API是Win32API的一個子集，支持近1500個Win32API。常見的商品EOS－PalmOS(1/2)PalmOS是3Com公司的產品，專用于掌上電腦。主要特點：良好的節(jié)能功能。由掌上電腦要求使用電源盡可能小，因此在PalmOS的應用程序中，如果沒有事件運行，則系統(tǒng)設備進入半休眠（doze）的狀態(tài)；如果應用程序停止活動一段時間，則系統(tǒng)自動進入休眠（sleep）狀態(tài)。合理的內存管理。Palm的存儲器全部是可讀寫的快速RAM為全局變量和其它不需永久保存的數(shù)據(jù)提供臨時的存儲空間；存儲RAM永久保存應用程序和數(shù)據(jù)。PalmOS占有非常小的內存。常見的商品EOS－PalmOS(2/2)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的格式存儲。數(shù)據(jù)庫由一組記錄（records）和一些數(shù)據(jù)庫頭信息組成。為保證程序處理速度和存儲器空間，在處理數(shù)據(jù)的時候，PalmOS不是把數(shù)據(jù)從存儲堆（StorageHeap）拷貝到動態(tài)堆（DynamicHeap）后再進行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤調用存儲器地址，PalmOS規(guī)定，這一切都必須調用其內存管理器里的API來實現(xiàn)。常見的開源EOS－EmbeddedLinux(1/3)目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇。所有基于Linux的EOS大多數(shù)具有以下特點：精簡的內核。性能高、穩(wěn)定，多任務。持多種體系結構。如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。提供良好的開發(fā)環(huán)境。能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。常見的開源EOS－EmbeddedLinux(2/3)支持大量嵌入式應用程序。提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應用程序。具有良好的開發(fā)環(huán)境。提供完整的開發(fā)工具和SDK，同時提供PC上的開發(fā)版本。用戶可定制?？商峁﹫D形化的定制和配置工具。豐富的硬件驅動。常用嵌入式芯片的驅動集，支持大量的周邊硬件設備，驅動豐富。常見的開源EOS－EmbeddedLinux(3/3)提供完善的解決方案。針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。完善的中文支持。特別部分國產基于Linux的EOS，具有強大的技術支持，完整的文檔。開放源碼。豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價格低廉，結構靈活，適用面廣。常見的開源EOS－C/OS(1/3)μC/OS是一個基于搶占式的實時多任務內核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性，其最鮮明的特點就是源碼公開，便于移植和維護。主要特點：可移植性（Portable）絕大部分C/OS的源碼是用移植性很強的ANSIC寫的。和微處理器硬件相關的那部分是用匯編語言寫的。匯編語言寫的部分已經壓到最低限度，使得C/OS便于移植到其他微處理器上。C/OS可以在絕大多數(shù)8位、16位、32位甚至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器（DSP）上運行?？晒袒≧OMable）C/OS是為嵌入式應用而設計的，這就意味著，開發(fā)人員可以利用固化手段（C編譯、連接、下載和固化）將系統(tǒng)嵌入到產品中。常見的開源EOS－C/OS(2/3)可裁剪（Scalable）可以只使用C/OS中應用程序需要的那些系統(tǒng)服務。也就是說某產品可以只使用很少幾個C/OS調用，而另一個產品則使用了幾乎所有C/OS-II的功能，這樣可以減少產品中的C/OS-II所需的存儲器空間（RAM和ROM）。這種可剪裁性是靠條件編譯實現(xiàn)的。搶占式（Preemptive）基于優(yōu)先級的可搶占調度。多任務C/OS可以管理64個任務，其中系統(tǒng)預留8個。應用程序最多可以有56個任務?？纱_定性全部C/OS的函數(shù)調用與服務的執(zhí)行時間具有可確定性。常見的開源EOS－C/OS(3/3)任務棧每個任務有自己單獨的棧，C/OS允許每個任務有不同的空間，以便壓低應用程序對RAM的需求。系統(tǒng)服務

C/OS提供很多系統(tǒng)服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數(shù)等。中斷管理中斷可以使正在執(zhí)行的任務暫時掛起，如果優(yōu)先級更高的任務被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達255層。穩(wěn)定性與可靠性幾種實時操作系統(tǒng)VxWorks、mC/OS-II、RT-Linux、QNX都是優(yōu)秀的強實時操作系統(tǒng)，各有特色：VxWorks的衡量指標值最好；uC/OS-II最短小精悍；RT-Linux支持調度策略的改寫；QNX支持分布式應用。LynxOS操作系統(tǒng)就是一種符合POSIX標準的類UNIX硬實時操作系統(tǒng),它的中斷處理、線程調度、優(yōu)先級倒置問題的解決都有自己獨特的特點。VxWorks操作系統(tǒng)概述VxWorks由美國WindRiver系統(tǒng)公司出品，在嵌入式操作系統(tǒng)領域中頗具優(yōu)勢。目前該操作系統(tǒng)的版本為VxWorks5.4，其核心功能主要有微內核wind，任務間的通信機制，高級的網絡支持，功能強大的文件系統(tǒng)（VxWorks支持4種文件系統(tǒng)：dosFs、rt11Fs、rawFs、tapeFs）和I/O管理，POSIX標準實時擴展，C++和其他標準支持等核心功能。VxWorks系統(tǒng)結構VxWorks是現(xiàn)在所有獨立于處理器的實時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)。VxWork系統(tǒng)運行環(huán)境支持的CPU包括PowerPC、68K、SPARC、i960、x86等，同時支持RISC、DSP技術。它的微內核Wind是一個具有較高性能的標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)內核，其主要特點包括快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信手段多樣化等。從Linux到RTLinuxLinux當前主流通用操作系統(tǒng)之一,在網絡服務器、集群技術和pc桌面領域都取得了引人注目的成就。Linux操作系統(tǒng)的設計目標是取得最優(yōu)平均性能,因此有很多方面無法滿足實時系統(tǒng)的要求。在Linux系統(tǒng)中,基于最大吞吐量標準的調度算法、不可中斷的系統(tǒng)調用、中斷屏蔽,以及虛擬內存的使用等因素,都會導致系統(tǒng)在時間上的不可預測性,決定了Linux系統(tǒng)不能處理硬實時任務。RTlinux是建立在Linux之上的一個實時操作系統(tǒng)實現(xiàn),不僅具有硬實時的機制,同時又能極大地發(fā)揮Linux自身的各種優(yōu)點。LynxOS美國LynuxWorks公司的LynxOS操作系統(tǒng)就是一種符合POSIX標準的類UNIX硬實時操作系統(tǒng),它的中斷處理、線程調度、優(yōu)先級倒置問題的解決都有自己獨特的特點。硬實時操作系統(tǒng)LynxOS能夠創(chuàng)建精確運行的符合POSIX標準的實時進程,它提供一套功能強大、易于使用的開發(fā)工具,具有Linux/UNIX開發(fā)經驗的程序員可以很快地熟悉并開發(fā)出LynxOS下的實時應用,并且有很強的通用性,適合于高端網絡打印機、自動控制、航空航天等對實時性要求較高的領域。http:∥LynxOS相關資料BootLoader嵌入式系統(tǒng)中的OS啟動加載程序引導加載程序包括固化在固件(firmware)中的boot代碼(可選)，和BootLoader兩大部分是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼相對于操作系統(tǒng)內核來說，它是一個硬件抽象層PC機中的引導加載程序兩部分組成BIOS(其本質就是一段固件程序)位于硬盤MBR中的OSBootLoader（如LILO和GRUB等）流程BIOS在完成硬件檢測和資源分配后，將硬盤MBR中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權交給OSBootLoaderBootLoader的主要運行任務就是將內核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，即開始啟動操作系統(tǒng)。開放環(huán)境如ARMADT/ADS等嵌入式系統(tǒng)中引導加載程序沒BIOS那樣的固件程序有的嵌入式CPU也會內嵌一段短小的啟動程序系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由BootLoader來完成ARM7TDMI中，系統(tǒng)在上電或復位時從地址0x00000000處開始執(zhí)行這個地址是BootLoader程序BootLoader的概念在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序功能初始化硬件設備建立內存空間的映射圖調整系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，以便操作系統(tǒng)內核啟動不通用依賴于硬件依賴于具體的板級配置不同的CPU有不同的BootLoader有些BootLoader支持多CPU，如U-Boot支持ARM和MIPSBootLoader的安裝媒介第一條指令eg：地址0x00000000嵌入式系統(tǒng)通常有固態(tài)存儲設備(比如：ROM、EEPRO

M或FLASH等)被映射到這個預先安排的地址上系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行BootLoader程序用來控制BootLoader的設備或機制主機和目標機之間一般通過串口建立連接BootLoader執(zhí)行時通常會通過串口進行I/O如輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等BootLoader的啟動過程是單階段（SingleStage）還是多階段（Multi-Stage）多階段的BootLoader提供更為復雜的功能，以及更好的可移植性從固態(tài)存儲設備上啟動的BootLoader大多都是2階段的啟動過程啟動過程可以分為stage1和stage2兩部分BOOTLOADER一般分為2部分匯編部分執(zhí)行簡單的硬件初始化C語言部分負責復制數(shù)據(jù),設置啟動參數(shù),串口通信等功能.BOOTLOADER的生命周期1.初始化硬件,如設置UART(至少設置一個),檢測存儲器等2.設置啟動參數(shù),告訴內核硬件的信息,如用哪個啟動界面,波特率.3.跳轉到操作系統(tǒng)的首地址.4.消亡嵌入式調試開發(fā)環(huán)境1嵌入式集成開發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，是以開發(fā)嵌入式系統(tǒng)為目的的工程開發(fā)環(huán)境。包括辦公環(huán)境支持、軟件支持、硬件設備支持。軟件支持，指集成開發(fā)環(huán)境與軟件模擬器等。硬件支持，指仿真器、目標板、示波器、燒錄器等。集成開發(fā)系統(tǒng)包括一整套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調試工具。一般包括編輯器、編譯器、連接器、調試器、工程管理器和底層調試接口設備（BDM/JTAG仿真器）嵌入式軟件嵌入式應用軟件嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式硬件嵌入式硬件模塊嵌入式處理器嵌入式開發(fā)工具2編譯器嵌入式語言：ASM/Ada/C/C++/EC/Java/OP/STAPLEC++標準95年初在日本成立的EmbeddedC++技術委員嵌入式c/c++編譯器交叉編譯能力：能夠在pc/unix平臺上生成其他cpu平臺目標代碼連接/定址器：因為無法提供dos/windows的動態(tài)定位執(zhí)行能力。嵌入式一般需要目標代碼靜態(tài)定位到具體地址，定址器完成這一工作。啟動代碼：初始化處理器和c語言堆棧區(qū)等環(huán)境的匯編碼。EC++:針對嵌入式的一些實時要求等特點，對標準C++語言規(guī)范的修改擴充。提供目標調試(remote/rommonitor)能力.另外還有其他一些地方需要注意，如I/O庫，大小尾段等主流嵌入式編譯器：GNU、CADUL、CodeWarrior、GreenHill、Diab/SDS、IAR、BC/VC+Toolkit….等3調試器原理遠程調試調試器運行于通用桌面操作系統(tǒng)的應用程序被調試的程序則運行于嵌入式系統(tǒng)（目標系統(tǒng)）兩種遠程調試的方案一插樁（stub）二片上調試（OnChipDebugging）三代理插樁（stub）在目標操作系統(tǒng)和調試器內分別加入某些功能模塊，二者互通信息來進行調試。調試器與被調試程序的通信被調試程序產生異常及時通知調試器調試器控制、訪問被調試程序調試器識別有關被調試程序的多任務信息并控制某一特定任務調試器處理與目標硬件平臺相關的信息目標操作系統(tǒng)支持遠程調試協(xié)議的通信模塊（包括簡單的設備驅動）多任務調試接口改寫異常處理的有關部分定義一個設置斷點的函數(shù)例如：LINUX內核時若將kgdb駐留于ROM中則稱為ROMmonitor片上調試（OnChipDebugging）在處理器內部嵌入額外的控制模塊當滿足了一定的觸發(fā)條件時進入某種特殊狀態(tài)，在該狀態(tài)下被調試程序停止運行主機的調試器可以通過處理器外部特設的通信接口訪問各種資源（寄存器、存儲器等）并執(zhí)行指令主機通信端口與目標板調試通信接口信號轉換電路板連接內嵌的控制模塊以基于微碼的監(jiān)控器（microcodemonitor）或純硬件資源的形式存在包括一些提供給用戶的接口（如斷點寄存器等）代理（agent）代理（agent）針對:實時系統(tǒng)，延時，監(jiān)視點tracepoint處理方法：監(jiān)視點緩沖命中監(jiān)視點，自動喚醒代理，存儲數(shù)據(jù)到緩沖代理無需通訊實時監(jiān)視的可行方案CPU支持串行工作針對指令緩沖4常用的調試方法調試工作需要配合其他的模塊或者產品方可完成目前常用的調試方法有以下幾種：指令集模擬器駐留監(jiān)控軟件JTAG仿真器在線仿真器1)指令集模擬器源程序模擬器(Simulator)通過指令解釋方式逐條