第二章嵌入式体系结构

1、1第二章第二章嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构22第二章 嵌入式系统体系结构所有嵌入式系统都包含某种输入和输出。嵌入式系统的输出几乎总是它的输入和其它一些因素的函数。内存 处理器输入输出一个基本的嵌入式系统3嵌入式系统的组成44嵌入式系统硬件结构ConnectionChipBoard Circurt2.1CPUDMA时时钟钟日日历历O/I中中断断coreCPU核心处理器电源电源晶振晶振复位复位端口端口SRAMDRAMFlashROM外围电路USBLCDPenKeyboarderintPrOthersExternalDevices外部设备A/D55嵌入式系统的硬件部分可以分成三层：实际环境中

2、，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。除实际环境中，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。除CPU和基本外围和基本外围电路外，其余部分都可以进行裁减电路外，其余部分都可以进行裁减。外部设备外部设备：嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备：嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备（如（如Flash Card）、）、I/O设备（如键盘、鼠标、设备（如键盘、鼠标、LCD等）和打印设备等）和打印设备（如打印机）。（如打印机）。核心处理器（核心处理器（ CPU Core ）：它是嵌入式系统的核心部件，负责控制：它是嵌入式系统的核心部件，负责控制 整个嵌入式系统的执行整个嵌入式系统的执行。外围电路外围

3、电路：该电路包括嵌入式系统的内存、：该电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位和电源等，端口、复位和电源等， 与与CPU Core一起构成一个完整的嵌入式目标系统一起构成一个完整的嵌入式目标系统。66OSCoreManagerPowerManagerFileManagerGUIIP/TCPWAPDatabaseBroswerHTTPBasicExtendedCPU)eerInterfacDeviceDriv(DDIonAppelicati(APIgminogramPr)InterfaceonAppelicati嵌入式系统软件体系结构嵌入式系统软件体系结构77嵌入式系统软件结构设备驱动接口（设

4、备驱动接口（DDI）：负责嵌入式系统与外部设备的信负责嵌入式系统与外部设备的信息交互；息交互；操作系统操作系统RTOS：基本部分与扩展部分。基本部分与扩展部分。基本部分：操作系统核心，任务调度、存储分配、时钟、文件与中断管理基本部分：操作系统核心，任务调度、存储分配、时钟、文件与中断管理等，并提供文件、等，并提供文件、GUI等基本服务；等基本服务；扩展部分：系统扩展功能，网络、数据库服务等。扩展部分：系统扩展功能，网络、数据库服务等。应用程序接口（应用程序接口（API）：应用编程中间件；为编制应用程序应用编程中间件；为编制应用程序提供各种编程接口库（提供各种编程接口库（LIB）。）。应用系统（

5、程序）应用系统（程序）：嵌入式系统的应用软件嵌入式系统的应用软件。8软件硬件基本要素软件硬件基本要素硬件硬件l嵌入式处理器嵌入式处理器l各种类型存储器各种类型存储器l模拟电路及电源模拟电路及电源l接口控制器及接插件接口控制器及接插件软件软件l实时操作系统（实时操作系统（RTOS）l板级支持包（板级支持包（BSP）l设备驱动（设备驱动（Device Driver）l协议栈（协议栈（Protocol Stack）l应用程序（应用程序（Application）9常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和

6、免费型。两种，商用型和免费型。l商用型商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。l免费型免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有前主要有LinuxLinux和和C/OSC/OS，稳定性与服务性存在挑，稳定性与服务性存在挑战战。10VxWorkslVxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WinDriverWinDriver公司于公司于19831983年年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RT

7、OSRTOS），），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。牢牢占据着一席之地。lVxWorksVxWorks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是： 可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、i960i960、Sun Sun SparcSparc、Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS 、POWER PCPOWER PC等等等。等。11

8、Windows EmbeddedlWindows CE 6.0Windows CE 6.0：一种针对小容量、移动式、智能化：一种针对小容量、移动式、智能化、3232位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。l针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，了一种功能丰富的操作系统平台， WindowsCEWindowsCE嵌入但嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，不够实时，属于软实时操作系统，l由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。背景，界面比较统一认可。l

9、操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200K200K的的ROMROM。 1213Palm OSlPalm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3COM3COM旗下的旗下的Palm ComputingPalm Computing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。lPalm OSPalm OS在在PDAPDA市场市场上占有很大的市场份额，上占有很大的市场份额， Palm OSPalm OS的市场份额占到将近的市场份额占到将近90%90%，最近下降，最近下降7070，目前主要与，目前主要与WIN CEWIN CE进行激烈竞争。进行激烈竞争。 14QNX

10、l 加拿大加拿大QNXQNX公司的产品。公司的产品。l QNXQNX是在是在X86X86体系上面开发出来的，这和别的体系上面开发出来的，这和别的RTOSRTOS不一样，别的好多不一样，别的好多RTOSRTOS都是从都是从68K68K的的CPUCPU上面开发上面开发成熟，然后再移植到成熟，然后再移植到X86X86体系上面来的。体系上面来的。l QNXQNX是一个实时的、可扩充的操作系统，由于是一个实时的、可扩充的操作系统，由于QNXQNX具有具有强大的图形界面功能强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPSGPS

11、设备的实设备的实时操作系统使用。时操作系统使用。15嵌入式嵌入式Linuxl嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的APIAPI，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。lLinuxLinux是是开放源码开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多众多LinuxLinux爱好者又是爱好者又是L

12、inuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术后盾。lLinuxLinux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力在价格上极具竞争力。lLinuxLinux不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支持其他数十种，还可以支持其他数十种CPUCPU芯片。芯片。16 l嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过经过小型化裁剪小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百后，能够固化在容量只有几百K K字

13、节或字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用嵌入式场合的专用LinuxLinux操作系统。嵌入式操作系统。嵌入式LinuxLinux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有主要有RTLinuxRTLinux和和 CLinuxCLinux。嵌入式嵌入式Linux17 lLinuxLinux在嵌入式领域应用越来越多，越来越多的用在嵌入式领域应用越来越多，越来越多的用户决定开始使用户决定开始使用LinuxLinux作为嵌入式操作系统的开发作为嵌入式操作系统的开发原型。原型。 嵌入式嵌入

14、式Linux18什么是什么是 Android？Android一词的本义指“机器人” Android是Google在2007年11月5日公布的基于Linux平台的开源智能手机操作系统名称。该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。让互联网尽在你的掌握19Android 主要特点主要特点20Android 主要特点良好的开放性平台主要特点良好的开放性平台Android手机系统最震撼人心之处在于它的开放性和服务免费。Android是一个对第三方软件完全开放的平台，开发者在为其开发程序时拥有更大的自由度，突破了iPhone等只能添加为数不多的固定软

15、件的枷锁；同时与Windows Mobile、Symbian等厂商不同，Android操作系统免费向开发人员提供。21Android 主要特点良好的开放性平台主要特点良好的开放性平台网站下载：安卓网、机峰网、91助理等，支持所有.apk文件登陆附件中心下载拷入SD卡安装手机下载：登陆附件中心下载安装最开放的海量应用市场22Android 主要特点实现个性化应用设定主要特点实现个性化应用设定Android系统对所有应用程序一视同仁，不会区分手机的核心应用程序和第三方应用程序。它们可以平等的享有手机性能，向用户提供广泛的应用和服务。用户可以随心所欲的设定、替换手机屏幕上的各种应用程序、小插件等，打

16、造出完全符合自己使用需求的个性化手机。23Android 主要特点实现个性化应用设定主要特点实现个性化应用设定个性化界面设置轻松添加，得心应手您可以随意重新排列主页屏幕项目多种插件、快捷方式和文件夹，打造个性化的主页屏幕以适合您的个性24Android 主要特点与主要特点与Google应用的无缝结合应用的无缝结合由于Android系统是由Google主导研发，因此Android操作系统手机将无缝结合这些优秀的Google互联网服务，如大家熟知的Google Map、Google Search、Gmail等，在手机上同样可以方便的使用25支持谷歌全方位移动服务，丰富最新网络体验Android 主

17、要特点与主要特点与Google应用的无缝结合应用的无缝结合Google MapsCalendar (Sync)G-mailGoogle TalkSearchAndroid Market26嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下入式微处理器一般就具备以下4 4个特点：个特点：l对实时多任务有很强的支持能力对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。嵌入式处理器嵌入式处理器

18、27l具有功能很强的存储区保护功能具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。断。l可扩展的处理器结构可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。足应用的最高性能的嵌入式微处理器。l嵌入式微处理器必须功耗很低嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中

19、靠电池携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。 嵌入式处理器嵌入式处理器28嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类29（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器l嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。泛的应用。l单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线、总线逻辑、定时总线逻辑、定时/ /计数器、看门狗、计

20、数器、看门狗、I/OI/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。30l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。从而使功耗和成本下降、可靠性提高。l微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。片上外微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。设资源一般比较丰富，适合于控制。（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器31（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器lDSP

21、DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、滤波、FFTFFT、谱分析等各种仪器上、谱分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模获得了大规模的应用。的应用。l目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/C5000/C6000TMS320C2000/C5000/C6000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCor

22、eTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。32lMPUMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而演变而来的。来的。l与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。现嵌入式应用的特殊要求。（3 3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（MPU)MPU)33l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积和

23、工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有的嵌入式处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等（3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（MPU)34lSoC SoC 就是就是System on Chip System on Chip ，SoCSoC嵌入式系统微处理嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。器就是一种电路系统。l它结合了许多功能模块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能模块，将功能