嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、僅供個人參考本文由reddustzhang貢獻pdf文檔可能在WA嘲瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機查看。嵌入式計算機系統(tǒng)主講：茅旭初課時：18學時課程安排嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)ARM體系結(jié)構(gòu)ARM指令集Thumb指令集ARM匯編語言的介紹ARM和Thumb指令混編以及和C/C+語言的接口第一章、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)I.II.III.IV.嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢一、嵌入式系統(tǒng)概述1 、嵌入式系統(tǒng)的定義：EmbeddedSystem“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，它是相對于通用計算機系統(tǒng)而言的。英國電機工程師協(xié)會（IEE）的定義為：嵌入式系統(tǒng)為控制、

2、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器甚至工廠操作的裝置等大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)備。國內(nèi)的一般定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實際應(yīng)用中對功能、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。實際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。因為其已滲透到各個領(lǐng)域，在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費電子等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。手持MP3是否可以稱為嵌入式系統(tǒng)？微型工業(yè)控制計算機是嵌入式系統(tǒng)嗎？工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個典型應(yīng)用領(lǐng)域。我們發(fā)現(xiàn)，除了其中都嵌入有微處理器，二者幾乎完全不同。使用嵌入式技術(shù)的有：機頂盒、火星車、PDA移動電話、打印機、可視電話、機器人

3、等等。在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面，嵌入式系統(tǒng)都有用武之地。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，它可以涵蓋機電等附屬裝置。嵌入式系統(tǒng)的組成2 、嵌入式系統(tǒng)的組成：4大主要部分。A. 嵌入式處理器：核心部件。與通用處理器的最大不同點在于其大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中。它通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件廠商都會推出自己的嵌入式處理器，現(xiàn)在有1000多種嵌入式處理器芯片：ARMMIPS、PowerPGMC6800冷。嵌入式系統(tǒng)的組成B. 外圍設(shè)備：除

4、了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其它部件。根據(jù)功能可分為3大類：存儲器：RAM/SRAMDRAMFLASH。接口：并口、串口、紅外接口、SPI串行外圍設(shè)備接口、I2C總線接口、USB通用串行總線接口、以太網(wǎng)口等。人機交互：LCD鍵盤、觸摸屏等人機交互設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的組成C. 嵌入式操作系統(tǒng)在大型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開發(fā)更方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定、安全的軟件模塊集合，用于管理存儲器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等，即嵌入式操作系統(tǒng)。大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了應(yīng)用軟件的設(shè)計，但同時也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。一般在大

5、型或需要多任務(wù)的應(yīng)用場合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)常常有實時要求，所以，它又往往是“實時操作系統(tǒng)”(RTOS)。嵌入式系統(tǒng)的組成D. 應(yīng)用軟件：是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對嵌入式系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也與通用計算機有所不同。特點：軟件要求固態(tài)化存儲。提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性。軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。減少程序二進制代碼的長度，提高執(zhí)行速度。系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。任務(wù)調(diào)度由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。多任務(wù)實時操作系統(tǒng)成為嵌入式應(yīng)用軟件的必需。嵌入式系統(tǒng)的組成硬件和軟件的基本組成電源模塊時鐘復位外圍電路微處理器Flash應(yīng)用程序操作系統(tǒng)輸入輸出軟件結(jié)構(gòu)MPURAMRO

6、M處理器外設(shè)USBLCD鍵盤其他存儲器硬件結(jié)構(gòu)硬件軟件3 、嵌入式系統(tǒng)的特點軟硬件一體化，集計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)為一體。需要操作系統(tǒng)支持，代碼小，執(zhí)行速度快。專用緊湊，用途固定，成本敏感。可靠性要求高。多樣性，應(yīng)用廣泛，種類繁多。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力，才會有優(yōu)勢。它必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進行裁減，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、成本、體積等要求。4 、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用主要用于各種信號處理與控制，目前已在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。-軍用：各種武器控制。家用：各種信息家電產(chǎn)品。工業(yè)：各種智能儀表、機器人、電子設(shè)備等。商用：收款機、POS系統(tǒng)、電

7、子秤等。辦公用：復印機、打印機等。醫(yī)用電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器。個人數(shù)字處理PDA：IPAQ、PocketPC機頂盒STB人機交互設(shè)備。IP電話嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用正從狹窄的應(yīng)用范圍，單一的應(yīng)用對象以及簡單的功能，向著未來社會需要的應(yīng)用需求進行轉(zhuǎn)變。目前，最熱門的幾種應(yīng)用：5 、實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的時間對系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。從輸入到輸出的滯后之間必須足夠小到一個可以接受的時限內(nèi)。是一個能夠在指定或者確定時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能以及對外部或內(nèi)部事件在同步或異步時間內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)。應(yīng)具備的幾個重要特性：- 實時性、并行性、多路性、獨立性、可預測性、可靠性。通過3個指

8、標來衡量系統(tǒng)的實時性：- 響應(yīng)時間、生存時間、吞吐量。根據(jù)響應(yīng)時間可分為3種類型：- 強實時系統(tǒng)、弱實時系統(tǒng)、一般實時系統(tǒng)。根據(jù)確定性可分為：- 硬實時、軟實時。二、嵌入式處理器1 .嵌入式處理器的分類：低端的微控制器（MicroControllerUnit,MCU）中高端的嵌入式微處理器（EmbeddedMicroProcessorUnit,EMPU）通信領(lǐng)域的DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）高度集成的片上系統(tǒng)（SystemonChip,SoC）嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元?，F(xiàn)在速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。

9、2 、嵌入式微處理器（EMPU）是由通用計算機的CPU寅變而來的。與之不同的是，在實際嵌入應(yīng)用中，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他冗余部分，配上必要的外圍電路，可以最低功耗和資源滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求。在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面作了各種增強。與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點。目前的主要類型有：ARM、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC、6800等。EMPU的主要特點：嵌入式處理器在設(shè)計中考慮低功耗。許多EMPU供幾種工作模式，如正常工作模式、備用模式、省電模式。采用可擴展的處理器結(jié)構(gòu)。一般在內(nèi)部都留有很

10、多擴展接口，以方便對應(yīng)用的擴展。具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。軟件結(jié)構(gòu)已模塊化。提供豐富的調(diào)試功能。很多開發(fā)都是在交叉調(diào)試中進行，豐富的調(diào)試接口更便于對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。對實時多任務(wù)具有很強的支持能力。內(nèi)部具有精確的震蕩電路、豐富的定時器資源，從而有較強的實時處理能力。3 、微控制器（MCU）俗稱單片機。將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成Flash、RAM總線邏輯、定時器/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、A/D、D/A、脈寬調(diào)制輸出等各種必要的功能模塊和外圍部件。單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降，可靠性提高。MCIM目前嵌入式系統(tǒng)的主流，占

11、嵌入式系統(tǒng)70%右的份額。8051系列已經(jīng)成為有眾多廠商支持的、發(fā)展出上百個品種的大家族。4 、DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合執(zhí)行DSP算法，編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在引入嵌入式領(lǐng)域。DSP應(yīng)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DSP處理器。兩個發(fā)展來源：-DSP處理系統(tǒng)經(jīng)過單片化、電磁兼容改造以及增加片上外設(shè)，成為DSP處理器。（TI公司的TMS系列）。-在通用單片機或SoC上增加DSPB處理器。（Intel的MCS-296等）。代表性產(chǎn)品：-TI的TMS320系歹U、ADI的ADSP21XX1列、

12、移動通信的C5000系列、Motorola的DSP5600系列。DSP處理器已得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用，特別在運算量較大的智能化系統(tǒng)中。5 、片上系統(tǒng)（SoC）隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計的普及，以及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)多個更為復雜的系統(tǒng)。將整個嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)的電路板變得簡潔，減少體積和功耗，提高了可靠性。SoC的優(yōu)點：-通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。-減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程。-減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。-內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成的系統(tǒng)雜訊。SoC是嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的最高

13、形式，而SoC的核心技術(shù)是IP核(IntellectualPropertyCore,知識產(chǎn)權(quán)核)。-IP核分為硬核、軟核和固核，是嵌入式技術(shù)的重要支持技術(shù)。通過把不同的IP模塊嵌在一個硅片上，形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。-IP技術(shù)極大地簡化了SoC的設(shè)計過程，縮短了設(shè)計時間，因此，已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)中設(shè)計的重要的基本技術(shù)。6 、典型的嵌入式處理器1 .ARM處理器ARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商。它通過將其高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(shù)轉(zhuǎn)讓給合作伙伴來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司已成為移動

14、通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標準。ARM處理器有3大特點：小體積、低功耗、低成本而高性能。16/32位雙指令集。全球眾多的合作伙伴。ARM處理器分ARM7ARM9ARM9EARM10ARM1侏口SecureCore系歹U。ARM7是低功耗的32位核，最適合應(yīng)用于對價位和功耗敏感的產(chǎn)品。-ARM7TDMIARM7TDMI-S適用于實時環(huán)境。-ARM720T適用于開放平臺。-ARM7EJ適用于DSP運算及支持Java?；贏RM核的產(chǎn)品：Intel：StrongARM和XScale系列。Motorola：龍珠系列i.MX處理器。TI：DSP+ARM處理器OMA吸C5470

15、等。CirrusLogic:EP7212、EP7312EP9312等。Samsung：S3C44B0S3c2400等。Atmel:AT91系歹U:AT91M40800等。Philips:LPC2014Netsilicon：NET+ARMTriscend：A7系列。2 .MIPS處理器(MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages)MIPS公司是一家設(shè)計制造高性能、高檔次嵌入式32/64位處理器廠商。在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS設(shè)計的RISC處理器始于1980s,其戰(zhàn)略已發(fā)生變化，重點已放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS發(fā)布MIPS

16、32和MIPS64體系結(jié)構(gòu)標準，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。MIPS公司推出了一套集成開發(fā)工具-MIPSIDE，特別適合于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。MIPS定位很廣。高端和低端。-機頂盒、視頻游戲機、路由器、激光打印機等。3 、PowerPC處理器PowerPC體系結(jié)構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活。品種很多，既有通用處理器，又有微控制器和內(nèi)核。應(yīng)用范圍很廣，從高端到低端。典型的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器是舊M開發(fā)的PowerPC405Gp它是一個集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器等。4 、MC68K/Coldfire處理器5、x86處理器是最常用的，源于

17、Intel架構(gòu)的8080,發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4、Athlon和AMDde6牧處理器Harmmer。486DXshi當時與ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。三、嵌入式操作系統(tǒng)1. 操作系統(tǒng)的概念和分類操作系統(tǒng)OS是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，及合理地對資源進行調(diào)度，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。從資源管理的角度，OS主要包含的功能：處理器管理。歸結(jié)為對進程的管理，包括進程控制、進程同步、進程通信、作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度。存儲器的管理。內(nèi)存分配、保護和擴充、地址映射等。設(shè)備管理。緩沖管理、設(shè)備分配和處理等。文件管理。文件存儲空

18、間的管理、文件讀寫和目錄管理。用戶接口。圖形用戶接口（GUI）等。按程序調(diào)度的方法來分：順序執(zhí)行系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)只含一個運行程序。它獨占CPU時間，按語句順序執(zhí)行。DOS分時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時可有多道程序運行。支持多用戶。UNIX實時操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時有多道程序運行，每道程序各有不同的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運行。當多個事件發(fā)生時，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低來確定哪道程序在此時此刻占有CPU，以保證優(yōu)先級高的事件、實時信息及時被采集。面向信息家電：高端和低端面向個人通信終端（手機、PDA、PocketPC）面向通信設(shè)備面向汽車電子和工業(yè)控制。嵌入式操作系統(tǒng)從應(yīng)用的角度來看，分為：從實時性的角度，

19、嵌入式操作系統(tǒng)可分為：強實時特點、弱實時特點、沒有實時特點。同步和異步實時系統(tǒng)中常用同步或異步來說明事件發(fā)生的時序或任務(wù)執(zhí)行的順序關(guān)系。-同步：用于事件1停止而引起事件2的發(fā)生，或者必須有事件2發(fā)生，事件3才能發(fā)生，如此類推，這一系列事件相關(guān)事件成為同步事件。由同步事件驅(qū)動的任務(wù)稱為同步任務(wù)。-異步：異步事件是指隨機發(fā)生的事件。異步事件發(fā)生的原因很復雜，又稱為隨機事件。由異步事件驅(qū)動的任務(wù)稱為異步任務(wù)。中斷任務(wù)就是異步任務(wù)，優(yōu)先級高于同步任務(wù)。2 、實時操作系統(tǒng)（RTOS）是具有實時性且能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源來完成實時控制任務(wù)，其次才著眼于提高計算機

20、系統(tǒng)的使用效率。其重要特點是能滿足對時間的要求。RTOS與通用af算機OS的區(qū)別：實時性。相應(yīng)速度快，只有幾微秒；執(zhí)行時間確定，可預測。應(yīng)用程序開發(fā)較難。需要專用開發(fā)工具：仿真器、編譯器和調(diào)試器等。RTOS經(jīng)過多年的發(fā)展，先后從實模式進化到保護模式，從微內(nèi)核技術(shù)進化到超微內(nèi)核技術(shù)；在系統(tǒng)規(guī)模上從單處理器的RTOS發(fā)展到支持多處理器的RTOS和網(wǎng)絡(luò)RTOS實時操作系統(tǒng)的組成RTOS是能夠根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境的要求對內(nèi)核進行裁減和重配置的操作系統(tǒng)。分為以下幾個部分：實時內(nèi)核。一般是多任務(wù)的。主要實現(xiàn)各種管理功能。網(wǎng)絡(luò)組件。實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它本身是可裁減的，目的是盡可能少地占用系統(tǒng)資源。文件系統(tǒng)。也是

21、可裁減的。用戶圖形界面（GUI）。為用戶提供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入?？刹脺p。實時操作系統(tǒng)的特點RTOS和一般的OS有一定的差異。IEEE的Unix委員會規(guī)定了RTO%須具備：支持異步事件。具有中斷和異步處理的能力。中斷和調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先機制。區(qū)分用戶的中斷以及調(diào)度任務(wù)的輕重緩急。支持搶占式調(diào)度。保證高優(yōu)先級的中斷或任務(wù)的響應(yīng)時間。確定的任務(wù)切換時間和中斷延遲時間。是區(qū)別于普通OS的一個重要標志，是衡量RTOSB勺實時性的重要標準。支持同步。提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)的使用。RTOS這些突出特點表明，通常所用的OS是沒有實時性能的。3 、常見的嵌入式操作系統(tǒng)國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟，占據(jù)了機頂盒、PDA等的絕大部分市場。一般商用嵌入式OS都采用計費許可證，采用它的好處是能得到較好的技術(shù)支持。1.2.3.4.5.6.7.8.9.VxWorks。目前使用最廣泛、市場占有率最高Uc/OS。WindowsCE。微軟公司產(chǎn)品嵌入式Linux。代表產(chǎn)品：RT-LinuxPalmOS。3Com產(chǎn)品，掌上電腦和PDAQNXDeltaOS。全中文嵌入式OSHopenOS凱思集團自主研發(fā)