第2节嵌入式系统基本知识

嵌入式系统第二节嵌入式系统基本知识嵌入式系统的基本知识嵌入式处理器基本知识嵌入式软件基本知识

嵌入式系统的构成硬件软件嵌入式系统嵌入式系统的构成－硬件层Cache主存嵌入式微处理器存储器通用设备接口和I/O接口辅助存储器硬件层嵌入式系统的存储结构软件构成嵌入式处理器基本知识嵌入式处理器分类嵌入式微处理器体系结构★冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构

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CISC与RISC

★信息存储的字节顺序

★流水线技术

嵌入式处理器特点及发展方向

嵌入式处理器概述

嵌入式处理器现状：品种繁多，结构各异，参差不齐

嵌入式处理器分类一般可将嵌入式处理器分为以下4类：嵌入式微控制器（MicroControllerUnit,MCU）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）嵌入式片上系统（SystemOnChip,SOC）嵌入式微控制器（MCU）微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。微控制器芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。单片机，这种８/16位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。嵌入式微处理器（MPU）嵌入式微处理器MPU是应由通用计算机中的CPU演变而来的。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。非单片机，要有外部的RAMROM嵌入式微处理器（MPU）和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。目前主要的嵌入式微处理器类型有ARM、MIPS、PowerPC、68K系列等ARM：（AdvancedRISCMachines）

RISC(ReducedInstructionSetComputer)MIPS：MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages

(NOTMillionInstructionsPerSecond)PowerPC：早期Motorola和IBM联合68K：

Motorola，较早的一款嵌入式处理器嵌入式DSP处理器(DSP)DSP(DigitalSignalProessor)的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。DSP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，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。嵌入式片上系统（SoC）SoC

就是SystemonChip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。EDA和VLSI及半导体工艺的发展，催生了SOC的来临。它以IPCORE为核心，结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上。ARMRISC、MIPSRISC、DSP或其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。其它嵌入式芯片--FPGA设计的一个数字频率合成器。根据微机产生的二进制码的控制,用来产生1Hz到1999999Hz,频率间隔为1Hz的脉冲信号。分立式12片四位二进制全加器74LS283、14片四位比较器74S85、3片八D触发器74LS374、3片与非门74LS00、1片六反相缓冲器74LS06,共计33片集成电路,线路板面积太大。用FPGA仅需1片XC3030PC68、1片EPROM2732和1片六反相缓冲器74LS06就能达到同样的功能,功耗也大降低。嵌入式处理器特点及发展方向特点：＊支持实时多任务操作系统＊强大的存储区保护功能＊处理器结构可扩展＊低功耗发展方向：小体积高性能低功耗嵌入式微处理器体系结构★冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构

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CISC与RISC

★信息存储的字节顺序

★流水线冯·诺依曼体系结构数据2指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1地址连续地址地址指令数据冯·诺依曼体系结构哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据程序和数据分离存放哈佛体系结构CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）为增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现，形成了拥有大量的指令和多种寻址方式的复杂但使用效率不高的指令系统8/2原则：80%的程序只使用20%的指令RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)设计重点是降低由硬件执行的指令的复杂性，从而减少指令的种类，只提供简单的操作，单周期内完成，且指令长度固定。CISC的优缺点强调硬件的复杂性优点：简化编译器的结构缺点：指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。软硬功能分配复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，降低了CPU性能。不利于先进指令级并行技术的采用不利于采用流水线技术CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器进行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序信息存储的字节顺序（32Bit)大端模式字数据的高位字节存储在低地址中字数据的低字节则存放在高地址中小端模式低地址中存放字数据的低字节高地址中存放字数据的高字节3124

2316

158

70字地址11109887654432100

低地址

高地址3124

2316

158

70

字地址89101184567401230

低地址

高地址示例A.小端存储法(0x01234567)地址0x80000x80010x80020x8003数据（16进制表示）0x670x450x230x01数据（二进制表示）01100111010001010010001100000001B.大端存储法地址0x80000x80010x80020x8003数据（16进制表示）0x010x230x450x67数据（二进制表示）00000001001000110100010101100111流水线技术非流水线技术的汽车生产线采用流水线技术的汽车生产线流水线技术流水线技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp指令流水线—以ARM7为例为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用3级流水线.允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。

PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指令寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb返回嵌入式系统的构成（CACHE）1、为什么采用高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址返回嵌入式系统中两种常用的FLASH返回3.1嵌入式系统的构成－系统软件层系统软件层嵌入式操作系统文件系统图形用户接口（GraphicalUserInterface：GUI）应用软件嵌入式操作系统基本知识无操作系统的单片机时代为什么需要嵌入式操作系统目前常见的４种嵌入式操作系统嵌入式操作系统的实时性嵌入式软件体系结构（1）无操作系统的情形

在嵌入式系统的发展初期，由于硬件的配置比较低，对于是否有系统软件的支持，要求还不是很强烈。在这个阶段，嵌入式软件的设计主要是以应用为核心，应用软件直接建立在硬件上，没有专门的操作系统。

1.循环轮询系统：（PollingLoop）最简单的软件结构，程序依次检查系统的每个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。Initialize();while(1){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……

if(condition_n)acition_n();}嵌入式软件体系结构（2）ISRISR后台前台ISR时间前后台系统（后台循环、前台中断）为什么需要操作系统为什么需要操作系统

♪：使硬件方便使用

♫：高效组织和正确使用系统硬件资源操作系统的主要任务：进程管理进程间通信与同步内存管理I/O资源管理嵌入式软件体系结构（3）有操作系统的情形硬件板级

初始化设备

驱动层以太网

驱动串口

驱动LCD

驱动键盘

驱动操作

系统层应用

软件层TCP/IP

网络系统文件

系统内核嵌入式

GUIWWW

浏览器MP3

播放器电子

邮件…常见的4种嵌入式操作系统Linux/uClinux

WindowsCEvxWorks

μC/OS-II

uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。

uClinux从Linux

2.0/2.4内核派生而来。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。*嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——嵌入式Linux*

嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作.它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用PCWindows上的编程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE平台上继续使用。

——WinCE*

嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统——VxWorks

VxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。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占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。*

嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统

μC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。μC/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，μC/OS-II已经被应用到数以百计的产品中。μC/OS-II占用很少的系统资源。——μC/OS-II嵌入式系统软件分类嵌入式系统实时系统分时系统硬实时系统软实时系统嵌入式系统软件分类嵌入式实时系统是在工作在实时计算模式下的计算机系统，简称实时系