chapt-01-嵌入式系統(tǒng)概述.ppt

1、ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā),課程安排 Chapt 1 嵌入式系統(tǒng)概述 Chapt 2 ARM 體系結(jié)構(gòu)及編程模型 Chapt 3 ARM指令系統(tǒng) Chapt 4 ARM嵌入式程序設(shè)計基礎(chǔ) Chapt 5 總結(jié)交流,Chapt 1 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式微處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 常用Linux命令,典型嵌入式系統(tǒng)組成硬件,典型嵌入式系統(tǒng)組成軟件,嵌入式系統(tǒng)定義,IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義 嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置” （原文為devices used to control, monitor, or assist the operati

2、on of equipment, machinery or plants） 一般定義 “以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?！?嵌入式系統(tǒng)發(fā)展,第一階段：以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)； 第二階段：以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)； 第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)； 第四階段：以internet為標志的嵌入式系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)分類,按表現(xiàn)形式分：（硬件范疇） 芯片級嵌入（含程序或算法的處理器） 模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊） 系統(tǒng)級嵌入 按實時性要求分：（軟件范疇） 非實時系統(tǒng)

3、（PDA） 軟實時系統(tǒng)（消費類產(chǎn)品） 硬實時系統(tǒng)（導(dǎo)引頭等工業(yè)和軍工系統(tǒng)）,嵌入式微處理器,硬件基礎(chǔ) 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu) CISC與RICS 影響CPU性能的因素 存儲器系統(tǒng),馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu),馮諾依曼結(jié)構(gòu),哈佛結(jié)構(gòu),馮諾依曼結(jié)構(gòu) 1）數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中 2）被大多數(shù)計算機所采用 3）ARM7 馮諾依曼體系 哈佛結(jié)構(gòu) 1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開 2）提供了較大的數(shù)存儲器帶寬 3）適合于數(shù)字信號處理 4）大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu) 5）ARM9是哈佛結(jié)構(gòu),CISC和RISC,CISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有

4、大量的指令和尋址方式 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。 RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer) 8/2原則：80%的程序只使用20%的指令 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)計變得更為簡單,影響CPU性能的因素：流水線、超標量和緩存,RISC流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行 提高了CPU的運行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動,超標量執(zhí)行：超標量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu),高速緩存(Cache),1、為什么采用高速緩存 微處理器的時鐘頻率比內(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

5、存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。 Question ? 什么是虛擬內(nèi)存? 什么是物理內(nèi)存?,BUS and Bus Bridge,存儲器系統(tǒng),RAM：隨機存取存儲器 SRAM：靜態(tài)隨機存儲器 DRAM：動態(tài)隨機存儲器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗電多 3）DRAM存儲密度比SRAM高得多（體積） 4）DRAM需要周期性刷新 ROM：只讀存儲器 FLASH：閃存,嵌入式微處理器分類,嵌入式微控制器(EMCU),嵌入式微控制器的典型代表是單片機,這種位的電子器件 目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。 單片機芯片內(nèi)部集成ROM/E

6、PROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。 典型的EMCU有51 系列,MC68系列,PIC系列,MSP 430系列. 微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。 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，因此稱為微控制器. 近來Atmel推出的AVR單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發(fā)展。,嵌入式數(shù)字信號處理器（EDSP）,DSP處理器是專門用于信號處理方面

7、的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，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。 DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP片，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的運算速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。 目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000/C6000系列，ADI公司的DSP的如Blackfin系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有

8、各自的應(yīng)用范圍.,嵌入式微處理器(EMPU),EMPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，8038680387 與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(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現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。 和工業(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、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip),SoC 就是System on Chip

9、，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。 它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是萬用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。,SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他的好處可以分為下列幾種： 利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。 減少芯片對外管腳數(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，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。 內(nèi)嵌的線路可以避免外部電

10、路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)雜訊。,嵌入式操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)分類 （1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運行時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。如DOS操作系統(tǒng)。 （2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運行，把CPU的時間分按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如UNIX （3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán),按實時性分類 具有強實時特點的嵌入式操作系統(tǒng) 具有弱實特點的嵌入式操作系統(tǒng) 沒有實時特點的嵌入式操作系統(tǒng) 強實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機床）

11、一航實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒幾秒的 數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一 些（電子菜譜的查詢） 弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長（工程機械控制器）,按軟件結(jié)構(gòu)分類 （1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（Polling Loop） 最簡單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應(yīng)的處理。 Initialize() While(true) if(condition_1) action_1(); if(condition_2) action_2(); if(condition_n) acition_n(); ,（2）事件驅(qū)動系統(tǒng)：（Event-Driven

12、system） 事件驅(qū)動系統(tǒng)是能對外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺 、實時多任務(wù)、多處理器等，是嵌入式實時系統(tǒng)的主要形式。 應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行（background）。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為（foreground)。 后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫中斷級。 例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，如微波爐、電話機、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務(wù)來完成。,嵌入式操作系統(tǒng)及其特點,嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)的重要組

13、成部分。嵌入時操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，并且把硬件虛擬化。常見的嵌入式系統(tǒng) Linux、uClinux、WinCE、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive 從應(yīng)用角度可分為通用型嵌入式操作系統(tǒng)和專用型嵌入式操作系統(tǒng)。常見的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、VxWorks、Windows CE.net等。 常用的專用型嵌入式操作系統(tǒng)有Smart Phone、Pocket PC、Symbian等。,幾種典型的嵌入式系統(tǒng),VxWorks VxWorks操

14、作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。 VxWorks所具有的顯著特點是： 可靠性、實時性和可裁減性。 它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC 、 XScale等等。 應(yīng)用領(lǐng)域: 廣泛應(yīng)用于軍事通信,導(dǎo)彈制導(dǎo),衛(wèi)星通信，飛機導(dǎo)航等 例如美-16戰(zhàn)斗機,B-2隱形轟炸機,Windows Embedded Windows CE 3.0：一種針對小容量、

15、移動式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng) 針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺， WindowsCE嵌入但不夠?qū)崟r，屬于軟實時操作系統(tǒng)，目前也開始中文手機的研究開發(fā)。 操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。,嵌入式Linux 嵌入式系統(tǒng)越來越追求數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。因此原來在某些設(shè)備或領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的軟件系統(tǒng)越來越難以為繼，整個系統(tǒng)必須是開放的、提供標準的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。 Linux的內(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力 uClinux 是針對沒有的處理

16、器設(shè)計的，它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，它對內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中訪問地址都是實際的物理地址ulinux專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作,uC/OS- COS不但提供了一個完整的嵌入式實時內(nèi)核的源代碼，而且對這 些代碼的細節(jié)作了詳盡的解釋，它不僅告訴讀者這個實時內(nèi)核是 怎么寫的，還解釋了為什么要這樣寫。而商業(yè)上的實時操作系統(tǒng) 軟件不但價格昂貴（一般都在5千到2萬美元的價位上），而且其 中很多都是所謂黑盒子，即不提供源代碼。 源代碼的絕大部分是用C語言寫的，經(jīng)過簡單的編譯，讀者就能在 PC機上運行，邊讀書、邊實踐。由于用匯編語言寫的部分只有200 行左右，該實時內(nèi)核可以方便地移植

17、到幾乎所有的嵌入式應(yīng)用類 CPU上。移植范例的源代碼可以從因特網(wǎng)上下載。 該操作系統(tǒng)支持多達64 個任務(wù)，大部分嵌入式微處理器都支持uC/OS-,Nokia N系列Symbian OS Moto A1200 Linux OS MPX220 Windows Mobile Dopod Windows Mobile,嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念 操作系統(tǒng)的分類 嵌入式實時操作系統(tǒng) 前臺與后臺 多任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級，調(diào)度 非占先式與占先式、可重入型函數(shù),前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）,多任務(wù),一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級， 有它

18、自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。 多任務(wù)運行的實現(xiàn)實際上是靠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，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。 在實際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位C合實驗（時鐘、位圖、USB、KEY）。,非占先式與占先式,非占先式（non-preemptive） 非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任（cooperativemultitasking），各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。 中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到

19、原來被中斷了的那個任務(wù)，直到改任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。 非占先式內(nèi)核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)。運行著的任務(wù)占有CPU，而不必擔心被別的任務(wù)搶占。 非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)慢，任務(wù)已經(jīng)進入就緒態(tài)，但還不能運行，也許要等很時間，直到當前運行著的任務(wù)釋放CPU。內(nèi)核的任務(wù)級響應(yīng)時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務(wù)才能拿到CPU的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時候釋放CPU。,非占先式（non-preemptive）,占先式（preemptive）,當系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先（preemptiv

20、e）內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。 當一個運行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進入了就緒態(tài)，當前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。 使用占先式內(nèi)核時，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務(wù)CPU的使用權(quán)被高優(yōu)先級任務(wù)剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。,占先式（preemptive）,中斷與中斷優(yōu)先級,同步與異步,一系列時間相關(guān)事件稱為同步事件，驅(qū)動的任務(wù)為同步任務(wù) 隨機發(fā)生的事件稱為異步事件，驅(qū)動的任務(wù)為異步任務(wù)，如中斷,系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel）,多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負責任務(wù)之間的通信。 內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。,調(diào)度（Dispatcher）,這是操作系統(tǒng)的主要職責之一，它決定該輪到哪個任務(wù)運行了。 往往調(diào)度是基于優(yōu)先級的，根據(jù)其重要不同被賦予任務(wù)不同的優(yōu)先級。CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。 何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，