嵌入式系統(tǒng) 第1章 1.1-1.4嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1嵌入式系統(tǒng)的定義2嵌入微處理器體系結(jié)構(gòu)3嵌入微處理器的結(jié)構(gòu)和類型45嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域1.0嵌入式系統(tǒng)舉例1.0嵌入式系統(tǒng)舉例第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1嵌入式系統(tǒng)的定義和應(yīng)用領(lǐng)域2嵌入微處理器體系結(jié)構(gòu)3嵌入微處理器的結(jié)構(gòu)和類型45嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)Embeddedsystem個(gè)人電腦(PC)≠嵌入式系統(tǒng)1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義目前計(jì)算機(jī)：超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、工作站、微計(jì)算機(jī)、亞微計(jì)算機(jī)亞微計(jì)算機(jī)(嵌入式計(jì)算機(jī))是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中嵌入式技術(shù)成為當(dāng)前微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)重要分支。

嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。一個(gè)手持的MP3和一個(gè)微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)。

1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義顧名思義：包含（安裝）在電子裝置（應(yīng)用對(duì)象）內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)?；久枋觯簩ｉT用途的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常常用于控制廣泛存在包含硬件和軟件通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)要求技術(shù)發(fā)展方向通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速、海量的數(shù)值計(jì)算總線速度的無限提升、存儲(chǔ)容量的無限擴(kuò)大嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)化控制能力與對(duì)象密切相關(guān)的嵌入性能、控制力與控制的可靠性等8IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）給出的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器或者設(shè)備運(yùn)行的裝置。

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.通常執(zhí)行特定功能以微電腦和外圍構(gòu)成核心嚴(yán)格的時(shí)序和穩(wěn)定性要求此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(國(guó)內(nèi)普遍被認(rèn)同的定義)從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。

嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)定義“嵌入式系統(tǒng)”是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中；凡帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)均可稱為“嵌入式系統(tǒng)”；狹義定義使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，具有獨(dú)立操作系統(tǒng)并具有某些特定功能的系統(tǒng)微處理器專指32位以上微處理器是現(xiàn)代科學(xué)多學(xué)科互相融合的以應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以通信技術(shù)為載體，以消費(fèi)類產(chǎn)品為對(duì)象，引入各類傳感器，進(jìn)入Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的連接，從而適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)無多余軟件，軟件以固化態(tài)出現(xiàn)，硬件亦無多余存儲(chǔ)器，可靠性高，成本低，體積小，功耗少，包含于各種不同類型的設(shè)備。技術(shù)密集，投資強(qiáng)度大，高度分散，不斷創(chuàng)新的知識(shí)密集型系統(tǒng)。反映當(dāng)代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統(tǒng)－－綜合描述·嵌入性：嵌入到對(duì)象體系中，有對(duì)象環(huán)境要求·專用性：軟、硬件按對(duì)象要求裁減·計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能就是嵌入到對(duì)象體中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三要素：嵌入、專用、計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn):由三要素引出1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義141.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂方式，并且這種改變還在加速。151.1.2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個(gè)性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電（全自動(dòng)洗衣機(jī)、恒溫空調(diào)、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統(tǒng)。無所不在的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5-10個(gè)嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一些學(xué)者斷言嵌入式技術(shù)將成為后PC時(shí)代的主宰。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已成為中國(guó)IT產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)重要新興產(chǎn)業(yè)和增長(zhǎng)點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)在家電、電子、汽車、通信、交通、金融、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用最多的三大領(lǐng)域是“消費(fèi)電子、通信設(shè)備、工業(yè)控制”，所占比例分別是24%、21%和13%。特別是消費(fèi)電子領(lǐng)域，隨著3G時(shí)代的來臨，智能手機(jī)軟件開發(fā)這一領(lǐng)域的發(fā)展前景更是被看好。嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析：2010年，中國(guó)嵌入式產(chǎn)業(yè)規(guī)模保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率25.8%，2010年達(dá)到3339.6億元的規(guī)模。

嵌入式技術(shù)刺激了許多新的應(yīng)用需求嵌入式技術(shù)發(fā)展又在不斷刺激新的技術(shù)產(chǎn)生－信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器消費(fèi)電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，40多年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)迅猛擴(kuò)大，已深入生產(chǎn)和生活的各個(gè)角落。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的四個(gè)階段（1）無操作系統(tǒng)階段（2）簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段（4）面向Internet階段第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器系統(tǒng)。應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。主要特點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第一階段第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。主要特點(diǎn)：CPU種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第二階段第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。主要特點(diǎn)：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口（API），開發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第三階段嵌入式系統(tǒng)發(fā)展--第四階段第四階段是以嵌入式Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)硬件：精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、優(yōu)化關(guān)鍵算法，降低功耗軟件：嵌入式操作系統(tǒng)便于移植源代碼開放內(nèi)核小執(zhí)行效率高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整開發(fā)平臺(tái)強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具軟件支持包第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1嵌入式系統(tǒng)的定義和應(yīng)用領(lǐng)域2嵌入微處理器體系結(jié)構(gòu)3嵌入微處理器的結(jié)構(gòu)和類型45嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(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)及用戶應(yīng)用程序4部分組成。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。系統(tǒng)軟件層軟件嵌入式處理器接口接口存儲(chǔ)器板級(jí)支持包嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序輸入輸出硬件軟件1.2嵌入式系統(tǒng)的組成硬件層中間層應(yīng)用軟件層（1）硬件層

硬件層是由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）組成。在一片嵌入式微處理器基礎(chǔ)上增加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路（ROM和SDRAM等），就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。MP3隨聲聽的硬件組成

嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式微處理器——核心存儲(chǔ)器（ROM、RAM、FlashROM）時(shí)鐘電路電源模塊復(fù)位…嵌入式系統(tǒng)之最小系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)之接口模塊USB模塊LCD模塊鍵盤模塊…嵌入式系統(tǒng)的硬件組成與普通計(jì)算機(jī)硬件不同之處硬件可裁剪MPU微處理器電源模塊時(shí)鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設(shè)嵌入式系統(tǒng)的軟件組成應(yīng)用軟件層---應(yīng)用程序中間層---板級(jí)支持包（BSP）（與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件）系統(tǒng)軟件層---嵌入式操作系統(tǒng)（是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的難題。通用性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)）（2）中間層中間層也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer,HAL）或板級(jí)支持包（BoardSupportPackage，BSP），它把系統(tǒng)軟件與底層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)。BSP具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1)操作系統(tǒng)相關(guān)性2)硬件相關(guān)性設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的初始化:片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。（3）系統(tǒng)軟件層軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。嵌入式操作系統(tǒng)的作用一般只是為了應(yīng)用程序提供必要運(yùn)行環(huán)境（任務(wù)調(diào)度），附加任務(wù)通訊、內(nèi)存管理等功能。嵌入式系統(tǒng)和系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)關(guān)系緊密，一般都需要移植和配置才可以使用。嵌入式操作系統(tǒng)讓嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)利用通用的功能模塊，這可以讓開發(fā)更加高效。

RTOSRTOS:RealTimeOperatingSystemRTOS是指能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠處理和存儲(chǔ)控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。RTOS的正確性不僅依賴于系統(tǒng)計(jì)算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的時(shí)間。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。RTOS實(shí)際上是一段嵌入式目標(biāo)代碼中的程序，系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，相當(dāng)于用戶的主程序，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。RTOS是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，它將CPU時(shí)鐘、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都封裝起來，留給用戶的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)接口。（4）應(yīng)用軟件層在嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的層級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于通用計(jì)算機(jī)。由于控制硬件是嵌入式系統(tǒng)基本的操作，因此嵌入式應(yīng)用程序依然與系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)關(guān)系密切。尤其在沒有操作系統(tǒng)的情況下，嵌入式的應(yīng)用程序需要直接訪問寄存器或者設(shè)備的地址來操作硬件?；赗TOS開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來完成對(duì)被控對(duì)象的控制功能。功能層是面向被控對(duì)象和用戶的，為方便用戶操作，往往需要提供一個(gè)友好的人機(jī)界面。典型嵌入式系統(tǒng)組成處理器MMUGPIOUSBLCDCANDMA以太網(wǎng)LCD/觸摸屏/鼠標(biāo)FlashSDRAMSRAM看門狗復(fù)位電路電源管理驅(qū)動(dòng)層OS應(yīng)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)/BSP/HALLinux、u/COS、Wince…應(yīng)用軟件/文件系統(tǒng)/GUI/API軟件輸入輸出硬件第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1嵌入式系統(tǒng)的定義和應(yīng)用領(lǐng)域2嵌入微處理器體系結(jié)構(gòu)3嵌入微處理器的結(jié)構(gòu)和類型45嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1.3嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)1.3.1馮·諾依曼和哈佛體系結(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數(shù)據(jù)2馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型

將數(shù)據(jù)與指令存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令還是數(shù)據(jù)。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。被大多數(shù)計(jì)算機(jī)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程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2地址指令地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2哈佛體系結(jié)構(gòu)模型程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。并行體系結(jié)構(gòu)，取址和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。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)CISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的復(fù)雜指令和尋址方式，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，不堪重負(fù)。8/2原則：各種指令的使用頻度相差懸殊，80%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，指令規(guī)整、對(duì)稱、簡(jiǎn)單。指令小于100條，基本尋址方式有2~3種。單周期指令，指令字長(zhǎng)度一致，單拍完成，便于流水操作。大量的寄存器。不少于32個(gè)，數(shù)據(jù)處理器的指令只對(duì)寄存器的內(nèi)容操作，只有加載/存儲(chǔ)指令可以訪問存儲(chǔ)器。使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單

1.3.2CISC和RISC技術(shù)RISC體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：優(yōu)先選取使用頻率最高的、很有用的但不復(fù)雜的指令；固定指令的長(zhǎng)度，減少指令的格式和尋址方式種類；指令之間各字段的劃分比較一致；減少存儲(chǔ)器訪問指令，采用Load/Store指令；算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)都在通用寄存器內(nèi)存?。淮蟛糠种噶羁刂圃?個(gè)或小于1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。CISC與RISC的對(duì)比類別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)代碼程序取指令3執(zhí)行指令3二級(jí)流水串行執(zhí)行取指令

取指令單元完成總有一個(gè)部件空閑指令預(yù)取若取指和執(zhí)行階段時(shí)間上完全重疊指令周期減半速度提高1倍…執(zhí)行指令

執(zhí)行指令單元

完成取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2取指令3執(zhí)行指令3取指令2執(zhí)行指令2取指令1執(zhí)行指令11.3.3流水線技術(shù)流水線(Pipeline)技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運(yùn)行效率內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)流水線(pipeline)是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。1.3.3流水線技術(shù)InstructionFetchShift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARMorThumb

InstDecodeRegSelectRegReadShiftALURegWriteThumb?ARM

decompressARMdecodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI三級(jí)流水線五級(jí)流水線1.3.3流水線技術(shù)指令取指

移位+ALU寄存器寫寄存器讀寄存器譯碼FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM或Thumb

指令解碼ARM10指令地址生成移位+ALU數(shù)據(jù)Cache

接口寄存器寫FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITE寄存器讀+結(jié)果前向遷移+記分板乘法乘加協(xié)處理器數(shù)據(jù)接口分支預(yù)測(cè)指令取指ISSUE寄存器訪問數(shù)據(jù)+分支地址生成ARM或Thumb

指令解碼協(xié)處理器指令發(fā)出五級(jí)流水線六級(jí)流水線1.3.3流水線技術(shù)超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量技術(shù)：通過重復(fù)設(shè)置多套指令執(zhí)行部件，同時(shí)處理并完成多條指令，實(shí)現(xiàn)并行操作來達(dá)到提高處理速度的目的。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)第一章嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1嵌入式系統(tǒng)的定義和應(yīng)用領(lǐng)域2嵌入微處理器體系結(jié)構(gòu)3嵌入微處理器的結(jié)構(gòu)和類型45嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)1.4嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)和類型嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。嵌入式處理器一般都具有較高的集成度。1000多種硬件處理器，分為MPU

、MCU、DSP、SOCSOPC、多核處理器1.4嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)和類型嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。嵌入式處理器一般都具有較高的集成度。1000多種硬件處理器，分為MPU

、MCU、DSP、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）SOPC、多核處理器嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU?？梢哉J(rèn)為是“增強(qiáng)型”通用微處理器。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。特點(diǎn):功能和微處理器基本一樣,是具有32位以上的處理器,具有較高的性能.具有體積小,功耗少,成本低,可靠性高的特點(diǎn).有的可提供工業(yè)級(jí)應(yīng)用.CPUROMRAM外設(shè)1外設(shè)2單板計(jì)算機(jī)1.4.1嵌入式微處理器（MPU）嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM,RAM,總線,總線邏輯,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,Watchdog,I/O,串行口等各種必要功能和外設(shè)。1.4.2嵌入式微控制器（MCU）特點(diǎn)：一個(gè)系列的微控制器具有多種衍生產(chǎn)品;單片化,體積大大減小,功耗和成本降低,可靠性提高;是目前嵌入式工業(yè)的主流,約占嵌入式系統(tǒng)70%的份額;多是8位和16位處理器流行的嵌入式微控制器通用系列:8051,MCS251,MCS-96/196/296半通用系列:支持I2C,CANBUS及眾多專用MCU和兼容系列。1.4.2嵌入式微控制器（MCU）CANBUS(ControllerAreaNetwork(控制器局域網(wǎng)絡(luò)))是一種傳輸協(xié)議。I2C(Inter－IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品TI的TMS320系列和Freescale的DSP56000系列。PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R.E.A.LDSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。1.4.3嵌入式DSP處理器（DSP）DSP處理器是專門用于信號(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、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP是運(yùn)算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。1.4.4嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）SoC，Systemonchip，或者Systemonachip。基本定義是：以知識(shí)產(chǎn)權(quán)核為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在單個(gè)芯片上集成處理器、存儲(chǔ)器、各種接口等部件，組成一個(gè)部分完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以完成特定的應(yīng)用功能。目前，大多數(shù)32位的嵌入式處理器芯片都是SoC。嵌入式SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件。絕大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)件都在一個(gè)系統(tǒng)芯片內(nèi)部。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔體積小、功耗小可靠性高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率高SOC體系結(jié)構(gòu)ASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterfaceIP核（IntellectualPropertyCore,知識(shí)產(chǎn)權(quán)核）SOC（SytemOnChip,片上系統(tǒng)）現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。IP核：具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、功能具體的、接口規(guī)范的、可在多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)SOC的基本構(gòu)件。軟IP核固IP核硬IP核用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。1.4.5嵌入式SoPC（SystemonProgrammablechip）1.4.6多核處理器將兩個(gè)或多個(gè)CPU核封裝在一個(gè)芯片內(nèi)部，可節(jié)省大量的晶體管和封裝成本，同時(shí)還能顯著提高處理器的性能。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)內(nèi)核協(xié)調(diào)工作：對(duì)稱（Symmetric）多處理技術(shù)（IBMPower4）非對(duì)稱多處理（Asymmetric）（OMAP、DAVINCI）OMAPARM+DSP諾基亞N90、N91典型的嵌入式處理器1．ARM處理器2．MIPS處理器3．PowerPC處理器4．SH處理器5．x86處理器

典型的嵌入式處理器

ARM處理器

ARM（AdvancedRISCMachines）公司于1991年成立于英國(guó)劍橋是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商。

ARM處理器有3大特點(diǎn)：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ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11、Cortex和SecurCore系列。遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，MIPS處理器

MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）技術(shù)公