第2節(jié)嵌入式系統(tǒng)基本知識(shí)

嵌入式系統(tǒng)第二節(jié)嵌入式系統(tǒng)基本知識(shí)嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)嵌入式處理器基本知識(shí)嵌入式軟件基本知識(shí)

嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成硬件軟件嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成－硬件層Cache主存嵌入式微處理器存儲(chǔ)器通用設(shè)備接口和I/O接口輔助存儲(chǔ)器硬件層嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)軟件構(gòu)成嵌入式處理器基本知識(shí)嵌入式處理器分類(lèi)嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)★馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)

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CISC與RISC

★信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序

★流水線技術(shù)

嵌入式處理器特點(diǎn)及發(fā)展方向

嵌入式處理器概述

嵌入式處理器現(xiàn)狀：品種繁多，結(jié)構(gòu)各異，參差不齊

嵌入式處理器分類(lèi)一般可將嵌入式處理器分為以下4類(lèi)：嵌入式微控制器（MicroControllerUnit,MCU）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip,SOC）嵌入式微控制器（MCU）微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)為微控制器。微控制器芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。單片機(jī)，這種８/16位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。嵌入式微處理器（MPU）嵌入式微處理器MPU是應(yīng)由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。非單片機(jī)，要有外部的RAMROM嵌入式微處理器（MPU）和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的嵌入式微處理器類(lèi)型有ARM、MIPS、PowerPC、68K系列等ARM：（AdvancedRISCMachines）

RISC(ReducedInstructionSetComputer)MIPS：MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages

(NOTMillionInstructionsPerSecond)PowerPC：早期Motorola和IBM聯(lián)合68K：

Motorola，較早的一款嵌入式處理器嵌入式DSP處理器(DSP)DSP(DigitalSignalProessor)的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專(zhuān)門(mén)的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。DSP處理器是專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）SoC

就是SystemonChip，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。EDA和VLSI及半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，催生了SOC的來(lái)臨。它以IPCORE為核心，結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上。ARMRISC、MIPSRISC、DSP或其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍(lán)牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理芯片。其它嵌入式芯片--FPGA設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)字頻率合成器。根據(jù)微機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制碼的控制,用來(lái)產(chǎn)生1Hz到1999999Hz,頻率間隔為1Hz的脈沖信號(hào)。分立式12片四位二進(jìn)制全加器74LS283、14片四位比較器74S85、3片八D觸發(fā)器74LS374、3片與非門(mén)74LS00、1片六反相緩沖器74LS06,共計(jì)33片集成電路,線路板面積太大。用FPGA僅需1片XC3030PC68、1片EPROM2732和1片六反相緩沖器74LS06就能達(dá)到同樣的功能,功耗也大降低。嵌入式處理器特點(diǎn)及發(fā)展方向特點(diǎn)：＊支持實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)＊強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能＊處理器結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展＊低功耗發(fā)展方向：小體積高性能低功耗嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)★馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)

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CISC與RISC

★信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序

★流水線馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)2指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1地址連續(xù)地址地址指令數(shù)據(jù)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)分離存放哈佛體系結(jié)構(gòu)CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）為增強(qiáng)指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成了擁有大量的指令和多種尋址方式的復(fù)雜但使用效率不高的指令系統(tǒng)8/2原則：80%的程序只使用20%的指令RISC：精簡(jiǎn)指令集（ReducedInstructionSetComputer)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜性，從而減少指令的種類(lèi)，只提供簡(jiǎn)單的操作，單周期內(nèi)完成，且指令長(zhǎng)度固定。CISC的優(yōu)缺點(diǎn)強(qiáng)調(diào)硬件的復(fù)雜性?xún)?yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化編譯器的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：指令使用頻度不均衡。高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時(shí)間，擴(kuò)充的復(fù)雜指令往往是低頻度指令。軟硬功能分配復(fù)雜指令增加硬件的復(fù)雜度，使指令執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)，直接訪存次數(shù)增多，降低了CPU性能。不利于先進(jìn)指令級(jí)并行技術(shù)的采用不利于采用流水線技術(shù)CISC與RISC的對(duì)比類(lèi)別CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少，通常少于100執(zhí)行時(shí)間有些指令執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，如整塊的存儲(chǔ)器內(nèi)容拷貝；或?qū)⒍鄠€(gè)寄存器的內(nèi)容拷貝到存貯器沒(méi)有較長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間的指令編碼長(zhǎng)度編碼長(zhǎng)度可變，1-15字節(jié)編碼長(zhǎng)度固定，通常為4個(gè)字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡(jiǎn)單尋址操作可以對(duì)存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作只能對(duì)寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu)編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序（32Bit)大端模式字?jǐn)?shù)據(jù)的高位字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中小端模式低地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)高地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)3124

2316

158

70字地址11109887654432100

低地址

高地址3124

2316

158

70

字地址89101184567401230

低地址

高地址示例A.小端存儲(chǔ)法(0x01234567)地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）0x670x450x230x01數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）01100111010001010010001100000001B.大端存儲(chǔ)法地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)（16進(jìn)制表示）0x010x230x450x67數(shù)據(jù)（二進(jìn)制表示）00000001001000110100010101100111流水線技術(shù)非流水線技術(shù)的汽車(chē)生產(chǎn)線采用流水線技術(shù)的汽車(chē)生產(chǎn)線流水線技術(shù)流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運(yùn)行效率譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmp指令流水線—以ARM7為例為增加處理器指令流的速度，ARM7系列使用3級(jí)流水線.允許多個(gè)操作同時(shí)處理，比逐條指令執(zhí)行要快。

PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令FetchDecodeExecute從存儲(chǔ)器中讀取指令解碼指令寄存器讀（從寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫(xiě)（到寄存器Bank）PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb返回嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成（CACHE）1、為什么采用高速緩存微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。2、高速緩存的工作原理高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址返回嵌入式系統(tǒng)中兩種常用的FLASH返回3.1嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成－系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層嵌入式操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)圖形用戶(hù)接口（GraphicalUserInterface：GUI）應(yīng)用軟件嵌入式操作系統(tǒng)基本知識(shí)無(wú)操作系統(tǒng)的單片機(jī)時(shí)代為什么需要嵌入式操作系統(tǒng)目前常見(jiàn)的４種嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)（1）無(wú)操作系統(tǒng)的情形

在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展初期，由于硬件的配置比較低，對(duì)于是否有系統(tǒng)軟件的支持，要求還不是很強(qiáng)烈。在這個(gè)階段，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)主要是以應(yīng)用為核心，應(yīng)用軟件直接建立在硬件上，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的操作系統(tǒng)。

1.循環(huán)輪詢(xún)系統(tǒng)：（PollingLoop）最簡(jiǎn)單的軟件結(jié)構(gòu)，程序依次檢查系統(tǒng)的每個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理。Initialize();while(1){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……

if(condition_n)acition_n();}嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)（2）ISRISR后臺(tái)前臺(tái)ISR時(shí)間前后臺(tái)系統(tǒng)（后臺(tái)循環(huán)、前臺(tái)中斷）為什么需要操作系統(tǒng)為什么需要操作系統(tǒng)

?：使硬件方便使用

?：高效組織和正確使用系統(tǒng)硬件資源操作系統(tǒng)的主要任務(wù)：進(jìn)程管理進(jìn)程間通信與同步內(nèi)存管理I/O資源管理嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)（3）有操作系統(tǒng)的情形硬件板級(jí)

初始化設(shè)備

驅(qū)動(dòng)層以太網(wǎng)

驅(qū)動(dòng)串口

驅(qū)動(dòng)LCD

驅(qū)動(dòng)鍵盤(pán)

驅(qū)動(dòng)操作

系統(tǒng)層應(yīng)用

軟件層TCP/IP

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件

系統(tǒng)內(nèi)核嵌入式

GUIWWW

瀏覽器MP3

播放器電子

郵件…常見(jiàn)的4種嵌入式操作系統(tǒng)Linux/uClinux

WindowsCEvxWorks

μC/OS-II

uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開(kāi)放代碼。

uClinux從Linux

2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)。它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。*嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)——嵌入式Linux*

嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE是微軟開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類(lèi)的電子設(shè)備操作.它是精簡(jiǎn)的Windows95。WindowsCE的圖形用戶(hù)界面相當(dāng)出色。WinCE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無(wú)關(guān)等特點(diǎn)。繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在WinCE平臺(tái)上可以使用PCWindows上的編程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺(tái)上繼續(xù)使用。

——WinCE*

嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測(cè)器上也使用到了VxWorks。*

嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)

μC/OS-II是一個(gè)源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSIC寫(xiě)的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類(lèi)型的處理器。μC/OS-II通過(guò)了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證。自1992年問(wèn)世以來(lái)，μC/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品中。μC/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源?！藽/OS-II嵌入式系統(tǒng)軟件分類(lèi)嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)軟件分類(lèi)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在工作在實(shí)時(shí)計(jì)算模式下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)系