嵌入式系统 第1章 1.1-1.4嵌入式系统基础知识

第一章嵌入式系统基础知识1嵌入式系统的定义2嵌入微处理器体系结构3嵌入微处理器的结构和类型45嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统基础知识和应用领域1.0嵌入式系统举例1.0嵌入式系统举例第一章嵌入式系统基础知识1嵌入式系统的定义和应用领域2嵌入微处理器体系结构3嵌入微处理器的结构和类型45嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统基础知识Embeddedsystem个人电脑(PC)≠嵌入式系统1.1.1嵌入式系统定义目前计算机：超级计算机、大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。

嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。

1.1.1嵌入式系统定义顾名思义：包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。基本描述：专门用途的计算机系统常常用于控制广泛存在包含硬件和软件通用计算机系统技术要求技术发展方向通用计算机系统高速、海量的数值计算总线速度的无限提升、存储容量的无限扩大嵌入式系统自动化控制能力与对象密切相关的嵌入性能、控制力与控制的可靠性等8IEEE（国际电气和电子工程师协会）给出的定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助装置、机器或者设备运行的装置。

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.通常执行特定功能以微电脑和外围构成核心严格的时序和稳定性要求此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。1.1.1嵌入式系统定义从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。(国内普遍被认同的定义)从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。

术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。

嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。1.1.1嵌入式系统定义嵌入式系统定义“嵌入式系统”是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统中；凡带有微处理器的专用软硬件系统均可称为“嵌入式系统”；狭义定义使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有独立操作系统并具有某些特定功能的系统微处理器专指32位以上微处理器是现代科学多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进入Internet网络技术的连接，从而适应应用环境的产品。嵌入式系统无多余软件，软件以固化态出现，硬件亦无多余存储器，可靠性高，成本低，体积小，功耗少，包含于各种不同类型的设备。技术密集，投资强度大，高度分散，不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统－－综合描述·嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求·专用性：软、硬件按对象要求裁减·计算机：实现对象的智能化功能就是嵌入到对象体中的专用计算机系统三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点:由三要素引出1.1.1嵌入式系统定义141.1.2嵌入式系统的应用领域经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，并且这种改变还在加速。151.1.2嵌入式系统的应用领域嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、恒温空调、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。无所不在的嵌入式系统嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。嵌入式系统应用现状嵌入式软件产业现已成为中国IT产业中的一个重要新兴产业和增长点。

嵌入式系统在家电、电子、汽车、通信、交通、金融、网络、监控、工业自动化等领域有广泛应用。调查数据显示，嵌入式产品应用最多的三大领域是“消费电子、通信设备、工业控制”，所占比例分别是24%、21%和13%。特别是消费电子领域，随着3G时代的来临，智能手机软件开发这一领域的发展前景更是被看好。嵌入式系统市场现状分析：2010年，中国嵌入式产业规模保持快速增长态势，年均复合增长率25.8%，2010年达到3339.6亿元的规模。

嵌入式技术刺激了许多新的应用需求嵌入式技术发展又在不断刺激新的技术产生－信息家电、医疗电子病历、微小型智能武器消费电子嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备工业军事国防电子商务网络1.1.2嵌入式系统的发展史嵌入式系统出现于20世纪60年代，40多年来随着计算机技术、电子信息技术的发展，嵌入式系统的各项技术蓬勃发展，市场迅猛扩大，已深入生产和生活的各个角落。嵌入式系统发展的四个阶段（1）无操作系统阶段（2）简单操作系统阶段（3）实时操作系统阶段（4）面向Internet阶段第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统。应用于一些专业性极强的工业控制系统没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。嵌入式系统发展--第一阶段第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。嵌入式系统发展--第二阶段第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。嵌入式系统发展--第三阶段嵌入式系统发展--第四阶段第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。嵌入式系统的发展趋势硬件：精简系统内核、优化关键算法，降低功耗软件：嵌入式操作系统便于移植源代码开放内核小执行效率高网络结构完整开发平台强大的硬件开发工具软件支持包第一章嵌入式系统基础知识1嵌入式系统的定义和应用领域2嵌入微处理器体系结构3嵌入微处理器的结构和类型45嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统基础知识1.2嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户应用程序4部分组成。嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。系统软件层软件嵌入式处理器接口接口存储器板级支持包嵌入式操作系统应用程序输入输出硬件软件1.2嵌入式系统的组成硬件层中间层应用软件层（1）硬件层

硬件层是由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路（ROM和SDRAM等），就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。MP3随声听的硬件组成

嵌入式系统的硬件组成嵌入式微处理器——核心存储器（ROM、RAM、FlashROM）时钟电路电源模块复位…嵌入式系统之最小系统嵌入式系统之接口模块USB模块LCD模块键盘模块…嵌入式系统的硬件组成与普通计算机硬件不同之处硬件可裁剪MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设嵌入式系统的软件组成应用软件层---应用程序中间层---板级支持包（BSP）（与硬件相关的底层驱动软件）系统软件层---嵌入式操作系统（是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。通用性强、可靠性强）（2）中间层中间层也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer,HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP），它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。BSP具有以下两个特点：1)操作系统相关性2)硬件相关性设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的初始化:片级初始化、板级初始化和系统级初始化设计硬件相关的设备驱动。（3）系统软件层软件层由嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口（GUI）、网络系统及通用组件模块组成。嵌入式操作系统的作用一般只是为了应用程序提供必要运行环境（任务调度），附加任务通讯、内存管理等功能。嵌入式系统和系统的硬件基础关系紧密，一般都需要移植和配置才可以使用。嵌入式操作系统让嵌入式系统的开发利用通用的功能模块，这可以让开发更加高效。

RTOSRTOS:RealTimeOperatingSystemRTOS是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。RTOS的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。RTOS实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在RTOS之上。RTOS是一个标准的内核，它将CPU时钟、中断、I/O、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个标准的API函数接口。（4）应用软件层在嵌入式系统中，应用程序的层级远远少于通用计算机。由于控制硬件是嵌入式系统基本的操作，因此嵌入式应用程序依然与系统的硬件基础关系密切。尤其在没有操作系统的情况下，嵌入式的应用程序需要直接访问寄存器或者设备的地址来操作硬件。基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。典型嵌入式系统组成处理器MMUGPIOUSBLCDCANDMA以太网LCD/触摸屏/鼠标FlashSDRAMSRAM看门狗复位电路电源管理驱动层OS应用设备驱动/BSP/HALLinux、u/COS、Wince…应用软件/文件系统/GUI/API软件输入输出硬件第一章嵌入式系统基础知识1嵌入式系统的定义和应用领域2嵌入微处理器体系结构3嵌入微处理器的结构和类型45嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统基础知识1.3嵌入式微处理器体系结构冯·诺依曼体系结构与哈佛结构精简指令集计算机流水线技术1.3.1冯·诺依曼和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数据2冯·诺依曼体系结构模型

将数据与指令存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。被大多数计算机采用

ARM7—冯·诺依曼体系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地址指令地址数据数据存储器数据0数据1数据2哈佛体系结构模型程序存储器与数据存储器分开，是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。设置了程序总线和数据总线，使数据的吞吐率提高了一倍。并行体系结构，取址和执行能完全重叠运行。适合于数字信号处理大多数DSP都是哈佛结构ARM9是哈佛结构CISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的复杂指令和寻址方式，使得指令集和为此要实现这些指令的计算机体系结构越来越复杂，不堪重负。8/2原则：各种指令的使用频度相差悬殊，80%程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令，指令规整、对称、简单。指令小于100条，基本寻址方式有2~3种。单周期指令，指令字长度一致，单拍完成，便于流水操作。大量的寄存器。不少于32个，数据处理器的指令只对寄存器的内容操作，只有加载/存储指令可以访问存储器。使CPU硬件结构设计变得更为简单

1.3.2CISC和RISC技术RISC体系结构特点：优先选取使用频率最高的、很有用的但不复杂的指令；固定指令的长度，减少指令的格式和寻址方式种类；指令之间各字段的划分比较一致；减少存储器访问指令，采用Load/Store指令；算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器内存取；大部分指令控制在1个或小于1个机器周期内完成。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取指令3执行指令3二级流水串行执行取指令

取指令单元完成总有一个部件空闲指令预取若取指和执行阶段时间上完全重叠指令周期减半速度提高1倍…执行指令

执行指令单元

完成取指令1执行指令1取指令2执行指令2取指令3执行指令3取指令2执行指令2取指令1执行指令11.3.3流水线技术流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。1.3.3流水线技术InstructionFetchShift+ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARMorThumb

InstDecodeRegSelectRegReadShiftALURegWriteThumb®ARM

decompressARMdecodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMI三级流水线五级流水线1.3.3流水线技术指令取指

移位+ALU寄存器写寄存器读寄存器译码FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM或Thumb

指令解码ARM10指令地址生成移位+ALU数据Cache

接口寄存器写FETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITE寄存器读+结果前向迁移+记分板乘法乘加协处理器数据接口分支预测指令取指ISSUE寄存器访问数据+分支地址生成ARM或Thumb

指令解码协处理器指令发出五级流水线六级流水线1.3.3流水线技术超标量执行超标量技术：通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条指令，实现并行操作来达到提高处理速度的目的。执行1预取指令CACHE译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流水线1流水线2数据第一章嵌入式系统基础知识1嵌入式系统的定义和应用领域2嵌入微处理器体系结构3嵌入微处理器的结构和类型45嵌入式系统的组成嵌入式系统的设计与开发嵌入式系统基础知识1.4嵌入式处理器的结构和类型嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器一般都具有较高的集成度。1000多种硬件处理器，分为MPU

、MCU、DSP、SOCSOPC、多核处理器1.4嵌入式处理器的结构和类型嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器一般都具有较高的集成度。1000多种硬件处理器，分为MPU

、MCU、DSP、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）SOPC、多核处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。可以认为是“增强型”通用微处理器。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。特点:功能和微处理器基本一样,是具有32位以上的处理器,具有较高的性能.具有体积小,功耗少,成本低,可靠性高的特点.有的可提供工业级应用.CPUROMRAM外设1外设2单板计算机1.4.1嵌入式微处理器（MPU）嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM,RAM,总线,总线逻辑,定时/计数器,Watchdog,I/O,串行口等各种必要功能和外设。1.4.2嵌入式微控制器（MCU）特点：一个系列的微控制器具有多种衍生产品;单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高;是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统70%的份额;多是8位和16位处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及众多专用MCU和兼容系列。1.4.2嵌入式微控制器（MCU）CANBUS(ControllerAreaNetwork(控制器局域网络))是一种传输协议。I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品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结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。1.4.3嵌入式DSP处理器（DSP）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、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。1.4.4嵌入式片上系统（SOC）SoC，Systemonchip，或者Systemonachip。基本定义是：以知识产权核为设计基础，在单个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等部件，组成一个部分完整的计算机系统，可以完成特定的应用功能。目前，大多数32位的嵌入式处理器芯片都是SoC。嵌入式SoC是追求产品系统最大包容的集成器件。绝大多数系统构件都在一个系统芯片内部。特点：结构简洁体积小、功耗小可靠性高设计生产效率高SOC体系结构ASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterfaceIP核（IntellectualPropertyCore,知识产权核）SOC（SytemOnChip,片上系统）现代集成电路设计的发展方向。IP核：具有知识产权的、功能具体的、接口规范的、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现SOC的基本构件。软IP核固IP核硬IP核用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。1.4.5嵌入式SoPC（SystemonProgrammablechip）1.4.6多核处理器将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。实现两个或多个内核协调工作：对称（Symmetric）多处理技术（IBMPower4）非对称多处理（Asymmetric）（OMAP、DAVINCI）OMAPARM+DSP诺基亚N90、N91典型的嵌入式处理器1．ARM处理器2．MIPS处理器3．PowerPC处理器4．SH处理器5．x86处理器

典型的嵌入式处理器

ARM处理器

ARM（AdvancedRISCMachines）公司于1991年成立于英国剑桥是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。

ARM处理器有3大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球众多的合作伙伴。

ARM处理器分ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11、Cortex和SecurCore系列。遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，MIPS处理器

MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）技术公