嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介課件

第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)本講提要13254嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個(gè)部分組成嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)處理器存儲(chǔ)器輸入接口操作系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)程序)應(yīng)用程序軟件子系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)組成輸出接口外圍設(shè)備

應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器DMA圖2-1典型的嵌入式系統(tǒng)組成人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、HAL、BSP文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口驅(qū)動(dòng)層OS層應(yīng)用層軟件硬件以太網(wǎng)看門狗及復(fù)位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存電源管理嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖作用：防止程序發(fā)生死循環(huán)（程序跑飛）。工作原理：系統(tǒng)運(yùn)行后即啟動(dòng)看門狗，開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到一定時(shí)間未清看門狗，看門狗就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。軟件系統(tǒng)軟件(software)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關(guān)數(shù)據(jù)(data)及其說明文檔(document)。其中：程序是按照事先設(shè)計(jì)的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)是程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；文檔是與程序開發(fā)維護(hù)和使用有關(guān)的各種圖文資料。嵌入式軟件系統(tǒng)的分類嵌入式軟件系統(tǒng)軟件支撐軟件應(yīng)用軟件控制、管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式中間件(CORBA、Java)等等輔助軟件開發(fā)的工具系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具仿真開發(fā)工具交叉開發(fā)工具測(cè)試工具配置管理工具維護(hù)工具等面向應(yīng)用領(lǐng)域手機(jī)軟件路由器軟件交換機(jī)軟件飛控軟件等嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)層操作系統(tǒng)層中間件層板級(jí)初始化FLASH驅(qū)動(dòng)RTC/定時(shí)器驅(qū)動(dòng)串口驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)LCD驅(qū)動(dòng)鍵盤驅(qū)動(dòng)其他驅(qū)動(dòng)內(nèi)核TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)文件系統(tǒng)嵌入式GUI電源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件應(yīng)用任務(wù)1應(yīng)用任務(wù)2……應(yīng)用任務(wù)n嵌入式軟件運(yùn)行流程系統(tǒng)升級(jí)引導(dǎo)/升級(jí)系統(tǒng)系統(tǒng)初始化應(yīng)用初始化多任務(wù)應(yīng)用上電復(fù)位、板級(jí)初始化遠(yuǎn)程升級(jí)本地升級(jí)基于多任務(wù)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的主要運(yùn)行流程該運(yùn)行流程主要分為5個(gè)階段BSP的概念和特點(diǎn)BSP（板級(jí)支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的操作。BSP的特點(diǎn)：硬件相關(guān)性：因?yàn)橛布哂袘?yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，針對(duì)不同的操作系統(tǒng)具有特定的接口形式。BoardSupportPackage設(shè)計(jì)BSP的方法一、以典型的BSP做為參考二、參照操作系統(tǒng)或芯片廠商提供的BSP模板第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)13254嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)4/2/2023嵌入式處理器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外圍接口軟件硬件單元中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行。包括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(SystemonChip)

存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)信息的功能可分為只讀存儲(chǔ)器ROM（ReadOnlyMemory）和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤等

輸出設(shè)備則主要有LCD顯示和語音輸出外圍接口主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE1394總線等等

典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件

20世紀(jì)80年代中后期20世紀(jì)90年代初期20世紀(jì)90年代中后期21世紀(jì)初期制作工藝1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主頻<33MHz<100MHz<200MHz<600MHz晶體管個(gè)數(shù)>500K>2M>5M>22M位數(shù)8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit嵌入式微處理器的發(fā)展嵌入式微處理器的特點(diǎn)基礎(chǔ)是通用微處理器與通用微處理器相比的區(qū)別：體積小、重量輕、成本低、可靠性高功耗低工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面增強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)指令集性能功耗和管理成本集成度嵌入式微處理器的集成度用于桌面和服務(wù)器的微處理器的芯片內(nèi)部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、總線接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系統(tǒng)總線、外部總線和外部設(shè)備獨(dú)立在其他芯片和電路內(nèi)。嵌入式微處理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、總線等部分外，還集成了各種外部接口和設(shè)備，如中斷控制器、DMA、定時(shí)器、UART等。符合嵌入式系統(tǒng)的低成本和低功耗需求，一塊單一的集成了大多數(shù)需要的功能塊的芯片價(jià)格更低，功耗更少。單芯片方式(SingleChip)芯片組方式(ChipSet)：由微處理器主芯片和一些從芯片組成嵌入式微處理器的種類1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia

（Philips）StrongARM

（Intel）Xscale

（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）對(duì)比嵌入式微處理器嵌入式微控制器嵌入式DSP處理器嵌入式片上系統(tǒng)硬件尺寸(包括外圍)大小小最小功耗大小中中開發(fā)難度小大大大軟件移植性好壞壞壞成本高最低低中性能強(qiáng)弱較強(qiáng)較強(qiáng)應(yīng)用領(lǐng)域通用較通用低端專用較通用高端網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)弱較弱強(qiáng)實(shí)時(shí)性差好好一般從計(jì)算機(jī)角度看單片機(jī)功能太簡(jiǎn)單,性能太差DSP太專用,可以看成一個(gè)外設(shè)通用處理器與SOC是主要發(fā)展方向主流的嵌入式微處理器目前主流的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和X86系列等。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有上千種以上。Units

(millions)Source:AndrewAllison,InsideTheNewComputerIndustry,January2001嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口

嵌入式外圍設(shè)備：在嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，除核心控制部件(嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SoC)以外的各種存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、作為人機(jī)接口的顯示器/鍵盤、串行通信接口等。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類:

存儲(chǔ)器通信接口輸入輸出設(shè)備設(shè)備擴(kuò)展接口電源及輔助設(shè)備嵌入式處理器可編程邏輯器件大容量存儲(chǔ)器電源模塊解決方案嵌入式系統(tǒng)周邊元器件嵌入式系統(tǒng)必備接插件PowerPC微處理器ARM微處理器TMS320C6000系列DSPTMS320C5000系列DSPTMS320C2000系列DSPTI公司其它DSP系列VirtexIIPlatformFPGAVirtex（E）系列FPGASpartan（XL）系列FPGASpartanII（E）系列FPGAXC95(XL)系列CPLDCoolRunner系列CPLD嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成XilinxTI&Intel&MotorolaTIPowerTrend嵌入式電源方案美國ERICSSON電源模塊日本COSEL電源模塊美國VICOR電源模塊法國GAIA軍用電源懷特電子高可靠性存儲(chǔ)器系列IDT公司FIFO及雙口RAMCypress公司高速SRAM系列現(xiàn)代電子公司SDRAM系列Intel公司大容量Flash系列AMP公司接插件系列AI公司PCB插座系列AMP&AI嵌入式系統(tǒng)硬件馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型馮·諾依曼體系的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)空間中統(tǒng)一編址，指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問被大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用ARM7——馮諾依曼體系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)器空間程序指令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數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)缺點(diǎn)：取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線 傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行哈佛體系結(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)器空間指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：程序與數(shù)據(jù)在不同存儲(chǔ)空間；每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問使用程序和數(shù)據(jù)總線，使數(shù)據(jù)吞吐率提高一倍適合于數(shù)字信號(hào)處理大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)1944年，哈佛大學(xué)的HowardAiken發(fā)明了HarvardMark系列計(jì)算機(jī)，并且在其中采用了分開的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這就是后來著名的“哈佛結(jié)構(gòu)”由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer） 具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。RISC：精簡(jiǎn)指令集（ReducedInstructionSetComputer)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)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展引入了各種各樣的復(fù)雜指令，使得指令集和為此要實(shí)現(xiàn)這些指令的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，已經(jīng)不堪重負(fù)。指令規(guī)整、對(duì)稱、簡(jiǎn)單，指令小于100條，基本尋址方式只有2～3種單周期指令，便于流水操作大量的寄存器（不少于32個(gè)）CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出IFIDREGALUMEM開始退出單通數(shù)據(jù)通道CISC的數(shù)據(jù)通道RISC的數(shù)據(jù)通道CISC與RISC的對(duì)比

CISCRISC價(jià)格由硬件完成部分軟件功能，硬件復(fù)雜性增加，芯片成本高由軟件完成部分硬件功能，軟件復(fù)雜性增加，芯片成本低性能減少代碼尺寸，增加指令的執(zhí)行周期數(shù)使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數(shù)，但增加代碼尺寸指令集大量的混雜型指令集，有簡(jiǎn)單快速的指令，也有復(fù)雜的多周期指令，符合HLL（highlevellanguage）簡(jiǎn)單的單周期指令，在匯編指令方面有相應(yīng)的CISC微代碼指令高級(jí)語言支持硬件完成軟件完成尋址模式復(fù)雜的尋址模式，支持內(nèi)存到內(nèi)存尋址簡(jiǎn)單的尋址模式，僅允許LOAD和STORE指令存取內(nèi)存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器控制單元微碼直接執(zhí)行寄存器數(shù)目寄存器較少寄存器較多影響CPU性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行（使指令的執(zhí)行速度或數(shù)據(jù)的處理速度更快，克服早期計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理串行進(jìn)行產(chǎn)生的處理器閑置時(shí)間的弊端）提高了CPU的運(yùn)行效率內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)取指分析執(zhí)行譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmp△t2△t3△t4△t5△t流水線：在CPU中把一條指令分解成多個(gè)可單獨(dú)處理的操作，使每個(gè)操作在一個(gè)專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多個(gè)站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個(gè)站間重疊執(zhí)行，因此可以實(shí)現(xiàn)指令的并行處理。指令流水線—以ARM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中用到的寄存器寄存器讀（從寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫（到寄存器Bank）PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb最佳流水線該例中用6個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行了6條指令。所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。指令周期數(shù)(CPI)=1。

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecode。FetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchFetchExecuteDecodeExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetch流水線能夠正常工作的條件：任意時(shí)刻，每一級(jí)所使用的硬件必須能獨(dú)立操作，不能多級(jí)同時(shí)占用同一硬件資源。在正常情況下，每條指令都被劃分成這樣3個(gè)時(shí)鐘周期來完成，即指令執(zhí)行時(shí)間（Latency）是3周期。流水線的執(zhí)行使得程序計(jì)數(shù)器PC必須在當(dāng)前指令取指前計(jì)數(shù)。對(duì)于ARM處理器的3級(jí)流水線，以當(dāng)前PC取指后，PC值會(huì)增加為PC＋4。超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量：配置多個(gè)執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時(shí)執(zhí)行多條 指令。超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)。執(zhí)行1預(yù)取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預(yù)取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)借助硬件資源重復(fù)(例如有兩套譯碼器和ALU等)來實(shí)現(xiàn)空間的并行操作高速緩存（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依據(jù)：程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性原理。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Cache的設(shè)計(jì)思想：把在一段時(shí)間內(nèi)、一定地址范圍中被頻繁訪問的信息集合，成批地從主存中讀到一個(gè)能高速存取的小容量存儲(chǔ)器中存放起來,供程序在這段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)使用，從而減少或不再去訪問速度較慢的主存，以加快程序的運(yùn)行速度。以CPU為核心看，將CPU直接參與的事件稱為同步事件，CPU未直接參與的稱為異步事件。cache的操作都是同步的，但是如果在寫一個(gè)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)時(shí)為了減少CPU的參與,用DMA來搬移數(shù)據(jù)，那么DMA搬移數(shù)據(jù)這個(gè)事件便是異步事件。

圖1中，RAM內(nèi)存從地址0x00000000到0x000ffffff1M范圍內(nèi)的內(nèi)容全部被調(diào)入cache中;現(xiàn)假定外部設(shè)備有新的數(shù)據(jù)到來并發(fā)生了中斷，CPU在設(shè)定完DMA控制器后繼續(xù)其工作，DMA根據(jù)設(shè)定將1M的新數(shù)據(jù)裝入RAM中并通知CPU新的數(shù)據(jù)到了。(此時(shí)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致)當(dāng)CPU要對(duì)新的數(shù)據(jù)操作時(shí)，因?yàn)榇送獠吭O(shè)備的數(shù)據(jù)被存放在從0x00000000開始的RAM中，而此段數(shù)據(jù)又恰好被cache命中，那么CPU將直接訪問cache中的數(shù)據(jù)，可是cache中的數(shù)據(jù)并非剛剛得到的新數(shù)據(jù)。CPU并不知道此時(shí)cache中的數(shù)據(jù)已經(jīng)過時(shí)。解決的辦法：在CPU訪問異步事件控制的數(shù)據(jù)前一定要強(qiáng)行刷新cache中的內(nèi)容；反 之，從內(nèi)存到外部設(shè)備搬移數(shù)據(jù)前一定要回寫內(nèi)存。一般CPU都提供了cache的刷新和回寫機(jī)制，甚至有的CPU還有cache保護(hù)（即強(qiáng)制其不要對(duì)某一范圍內(nèi)的內(nèi)存使用cache機(jī)制）。

CACHE刷新與回寫DMA參與操作情況下的cache操作

◆總線是計(jì)算機(jī)中各模塊傳輸信息的公共信號(hào)線集合。為各模塊間，甚至模塊各部件之間提供公共的、標(biāo)準(zhǔn)化的信息通路?！艨偩€的特點(diǎn)在于其公用性(即它可以同時(shí)掛接多個(gè)模塊或設(shè)備，作為所有掛接模塊或設(shè)備公用的信號(hào)載體)?？偩€在同一時(shí)刻，只能允許一對(duì)模塊或設(shè)備進(jìn)行信息交換。當(dāng)有多個(gè)模塊或設(shè)備需要同時(shí)使用總線進(jìn)行信息傳輸時(shí)，只能采用分時(shí)方式，并且要對(duì)總線使用的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行仲裁管理?！艨偩€結(jié)構(gòu)包括：傳輸信息的傳輸線路和總線控制邏輯◆嵌入式系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)： 總線和總線橋⑴簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。⑵優(yōu)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。⑶便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新。存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存SRAM主存儲(chǔ)器DRAM本地存儲(chǔ)器Flash、ROM、磁盤網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器Flash、ROM、磁盤時(shí)鐘周期01—1050—100存儲(chǔ)器系統(tǒng)RAM：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，DRAM：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗電多3）DRAM存儲(chǔ)密度比SRAM高得多4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲(chǔ)器FLASH：閃存

NORNAND寫入/擦除一個(gè)塊的操作時(shí)間1～5ms2～4ms讀性能1200～1500KB600～800KB寫性能<80KB200～400KB接口/總線SRAM接口/獨(dú)立的地址數(shù)據(jù)總線8位地址/數(shù)據(jù)/控制總線，I/O接口復(fù)雜讀取模式隨機(jī)讀取串行地存取數(shù)據(jù)成本較高較低，單元尺寸約為NOR的一半，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，同樣大小的芯片可以做更大的容量容量及應(yīng)用場(chǎng)合1～64MB，主要用于存儲(chǔ)代碼8MB～4GB，主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)(耐用性)約10萬次約100萬次位交換(bit位反轉(zhuǎn))少較多，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)需要錯(cuò)誤探測(cè)/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)算法壞塊處理無，因?yàn)閴膲K故障率少隨機(jī)分布，無法修正輸入輸出接口

I/OA/D、D/A

鍵盤

LCD

存儲(chǔ)器接口設(shè)備接口USB：UniversalSerialBus，通用串行總線大家生活中常見的與USB有關(guān)的東西有：U盤、移動(dòng)硬盤、無驅(qū)型的MP3（U盤）USB接口的鍵盤、Mouse、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)……即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展（127個(gè)）USB2.0以低成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Mb/s的傳輸率(USB1.1的全速設(shè)備可達(dá)12Mb/s；USB1.0的全速設(shè)備可達(dá)1.5Mb/s)接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電例如:USB一個(gè)典型的USB通訊系統(tǒng)HOST系統(tǒng)HUBDEVICEDDEVICE應(yīng)用軟件+驅(qū)動(dòng)程序Ms.Win+接口芯片HUBU盤其他數(shù)據(jù)采集器驅(qū)動(dòng)代碼+嵌入式處理器+HOST芯片HUBU盤其他數(shù)據(jù)采集器通用系統(tǒng)模型PC機(jī)中的情況嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IP核,intellectualproperty）知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)電路或核是設(shè)計(jì)好并經(jīng)過驗(yàn)證的集成電路功能單元。IP復(fù)用意味著設(shè)計(jì)代價(jià)降低（時(shí)間，價(jià)格）。IP核的類別:微處理器:ARM,PowerPC;存儲(chǔ)器:RAM,memorycontroller;外設(shè):PCI,DMAcontroller;多媒體處理:MPEG/JPEG;encoder/decoder;數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；通信:Ethernetcontroller,router。SoftCores(“code”)（軟核）HDL語言描述；靈活度高，可修改；與工藝獨(dú)立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；IP很難保護(hù)。Firmcores(“code+structure”)(固核）邏輯綜合后的描述；與工藝相關(guān)。Hardcores(“physical”)(硬核）物理綜合后的描述；準(zhǔn)備流片；包含工藝相關(guān)的布局和時(shí)序信息；IP很容易保護(hù)，但靈活性和可移植性差。多數(shù)的處理器和存儲(chǔ)器IP核的商業(yè)模型三種模式1.設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)和工具的許可證DSPGroup(PineandOakCores),3Soft,ARM。提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。使用者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造。2.核廠商設(shè)計(jì)并制造集成電路芯片TI,Motorola,Lucent。VLSI,SSI,Cirrus,Adaptec。3.核廠商賣核,負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計(jì)并制造芯片LSIlogic,TI,Lucent。固化宏單元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可綜合內(nèi)核（軟核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S測(cè)試芯片ARM10200E第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)13254嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)4/2/2023軟件組成有時(shí)也叫板級(jí)支持包，是一個(gè)介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作

HardwareAbstractionLayer：BSP&DeviceDriverSCSI

DriverFlashDriverMMU

DriverCache

DriverSerial

DriverEthernet

DriverDevice

Drivers支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等HardwareIndependentSoftwareTCP/IPStackI/OSystemRTOSlibrariesRTOSKernelBootLoader中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應(yīng)用程序接口的事實(shí)，向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序，同時(shí)也使應(yīng)用程序具有跨平臺(tái)的特性。

嵌入式應(yīng)用程序運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用，不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。它是整個(gè)系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)的能力總是通過應(yīng)用程序表現(xiàn)出來。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)可簡(jiǎn)單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應(yīng)用軟件，否則它就不能成為一個(gè)系統(tǒng)。

概述 嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時(shí)具有嵌入式軟件的特點(diǎn)，主要有：

可固化存儲(chǔ)可配置、可剪裁獨(dú)立的板級(jí)支持包，可修改不同的CPU有不同的版本應(yīng)用的開發(fā)需要有集成的交叉開發(fā)工具一般操作系統(tǒng)只注重平均性能，如對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，所有任務(wù)的平均響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵，而不關(guān)心單個(gè)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最主要的特征是性能上的“實(shí)時(shí)性”，也就是說系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計(jì)算的邏輯結(jié)果，也依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。從這個(gè)角度上看，可以把實(shí)時(shí)系統(tǒng)定義為“一個(gè)能夠在指定的或者確定的時(shí)間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的系統(tǒng)”。概述近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器；從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場(chǎng)在不斷細(xì)分，出現(xiàn)了針對(duì)不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領(lǐng)域的要求和標(biāo)準(zhǔn)提供特定的功能。嵌入式操作系統(tǒng)的演變*PercentoftotalsoftwaresuppliedbyRTOSvendorinatypicalembeddeddevice10%*Kernel30%*KernelNetworking75%*KernelNetworkingMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIApplicationApplicationApplicationApplication90%*KernelNetworkingMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI嵌入式操作系統(tǒng)分類從應(yīng)用領(lǐng)域來分面向信息家電的嵌入式操作系統(tǒng)面向智能手機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)，如SymbianOS、MSMobileOS、PalmOS、EmbeddedLinux等面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)

……….從實(shí)時(shí)性的角度來分實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)：具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)，如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各種ITRONOS等。非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)：一般只具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)，如WinCE、版本眾多的嵌入式Linux、PalmOS等。從嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)模式來分類商用型：功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，開發(fā)費(fèi)用+版稅。開源型：開放源碼，只收服務(wù)費(fèi)，沒有版稅。如Embeddedlinux，RTEMS，eCOS。嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成常見的嵌入式操作系統(tǒng)

μC/OS-IIWinCELinux

VxWorksPalmOSQNX…第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)13254嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個(gè)關(guān)鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時(shí)間先后適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們關(guān)注的重點(diǎn)任務(wù)的定義及其主要特性任務(wù)是一個(gè)具有獨(dú)立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運(yùn)行活動(dòng)，是實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度的單位，具有以下特性：動(dòng)態(tài)性：任務(wù)狀態(tài)是不斷變化的。一般分為就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和等待態(tài)。在多任務(wù)系統(tǒng)中，任務(wù)的狀態(tài)將隨著系統(tǒng)的需要不斷進(jìn)行變化。并行性：系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)在宏觀上是同時(shí)運(yùn)行的。異步獨(dú)立性：每個(gè)任務(wù)各自按相互獨(dú)立的不可預(yù)知的速度運(yùn)行，走走停停。任務(wù)的內(nèi)容任務(wù)主要包含以下內(nèi)容：代碼：一段可執(zhí)行的程序數(shù)據(jù)：程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量、工作空間、緩沖區(qū)等）堆棧程序執(zhí)行的上下文環(huán)境嵌入式操作系統(tǒng)與多任務(wù)多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是靠CPU(中央處理單元)在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個(gè)，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個(gè)。多任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?。時(shí)間軸任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3CPU寄存器任務(wù)控制塊1任務(wù)控制塊2任務(wù)控制塊n休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)n……CPU寄存器任務(wù)的狀態(tài)睡眠態(tài)相當(dāng)于該任務(wù)駐留在內(nèi)存中，但并不被內(nèi)核所調(diào)度