【医学课件】嵌入式系统与PCA技术

顾庆水Email: guqs@163.comTel: 83202204Address: 科技实验大楼808室嵌入式系统与PCA技术课程设置的必要性应用需求日趋复杂微处理器技术长足发展嵌入式软件技术成为核心课程涉及的主要内容阐述嵌入式系统的要素介绍嵌入式系统软硬件设计基础介绍嵌入式系统最新设计理念项目开发流程与自由实验课程设置的预期目标对嵌入式系统设计技术有比较全面的了解，并具备一定的设计实践能力，为深入开展相关研究奠定良好的基础。理解并掌握实时操作系统和实时软件开发技术课程内容（课堂部分）第一章嵌入式系统概述第二章PXA255开发系统第三章嵌入式开发环境的建立第四章嵌入式操作系统第五章设备抽象层(板级支持包)第六章嵌入式文件系统第七章嵌入式系统的调试第八章嵌入式Linux的设备驱动第九章嵌入式GUI基于IntelXscale开发板的实验课程内容(实验部分)

1、ADS软件的使用及PXA255测试2、移植嵌入式Linux操作系统3、移植MinGui到PXA2554、嵌入式应用程序的设计实验平台教学安排理论教学（16学时）上机实践（16学时）分基础实验和课外实验（需另外申请）2学分

考核方式实验成绩（实验报告）×30％理论笔试（考试）×70％预备基础C、C++、汇编语言数据结构操作系统原理单片机、微机原理、组成原理电子、电路、信号、通讯多媒体、网络协议参考资料1、教材《嵌入式系统开发原理与实践》，陈文智等编，清华大学出版社2、参考书及资料

1）《Linux内核源代码情景分析》毛德操胡希明，浙江大学出版社2）《Linux驱动程序(第二版)》魏永明等译，中国电力出版社

3）《嵌入式Linux系统设计与应用》，王学龙编著，清华大学出版社4）《嵌入式技术与系统－IntelXscale结构与开发》,陈章龙北航出版社5）《嵌入式系统采用公开源代码合StrongARM/Xscale处理器》毛德操、胡希明浙江大学出版社6）PCA技术培训教程7）/chinese/8）9）/10）/或者/qt.html学习本课程的建议巩固相关的基础知识明确目标认真听课、积极实验常查阅手册、参考书第一章嵌入式系统概述计算机系统的三大领域服务器利润最大的市场可用性可扩展性有效带宽桌面最广阔的市场嵌入式潜力最大的市场1.嵌入式系统介绍嵌入式系统硬件软件嵌入式微处理器存储器外设器件图形控制器实时操作系统应用程序WindowsCELinuxpSOSytem……嵌入在电子设备内部的计算系统任何包含一个或多个专用的计算机、微处理器或微控制器的电子设备能执行特定功能的计算机硬件和软件的结合体广义定义:任何一个非计算机的计算系统嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展的处理器结构；嵌入式微处理器一般功耗要求较严格1.1计算机工业的分类以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：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1.2嵌入式系统的定义英国电机工程师学会的定义:

“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”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全自动操作循环精确定义:

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

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

1.3嵌入式系统工业的特点和要求

1.3.1嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业PC由WINTEL垄断嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。面向用户、面向产品、面向应用升级换代也是和具体产品同步,具有较长的生命周期软件和硬件结合紧密嵌入式处理器的发展也体现出稳定性普通处理器18月嵌入式处理器8~10年1.3.2嵌入式系统具有的产品特征1.3.3嵌入式系统软件的特征

软件要求固态化存储软件代码高质量、高可靠性系统软件(OS)的高实时性是基本要求多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础1.3.4嵌入式系统开发需要开发工具和环境

通用计算机具有完善的人机接口界面嵌入式系统本身不具备自举开发能力这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。1.3.5嵌入式系统软件需要RTOS开发平台

通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，但一

般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。但为了保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。需要选配RTOS开发平台1.3.6嵌入式系统开发人员以应用专家为主

通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士。嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的，其开发人员往往是各个应用领域的专家。

因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。

1.4嵌入式系统的组成各种不同应用软件应用平台套件APS中间件嵌入式OS芯片1.4.1嵌入式计算机内核分类

嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

嵌入式片上系统(SystemOnChip)

嵌入式微处理器(EMPU)

通用计算机中的CPU专门设计的电路板

只保留和嵌入式应用有关的母板功能

增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面功能与和工业控制计算机相似嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等嵌入式微控制器(MCU)又称单片机

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、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设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。

代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。

嵌入式DSP处理器(EDSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器(EDSP)有代表性的产品是TexasInstruments的

TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统

整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去应用系统电路板将变得很简洁

SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的SmartXA1.4.2嵌入式系统软件的特征

(1)软件要求固态化存储

(2)软件代码高质量、高可靠性

(3)系统软件(OS)的高实时性是基本要求

(4)多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础

嵌入式软件主流VxWorks

是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。Os-9是主要为高科技产品设计的，提高了很好的安全和容错性，并且有很好的升级能力和灵活性。PalmOs，是Palm公司的操作系统，和微软的WindowsCE是PDA操作系统的两大巨头。嵌入式操作系统特点

编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行

面向应用，可裁减和移植：可进一步缩小编码体积

实时性强：一般都要求实时多任务操作系统（RealTimeOperatingSystem,RTOS）

可靠性高：嵌入式系统可无需人工干预就能独立运行，并处理各类事件和故障嵌入式操作系统基于或面向Windows兼容:WindowsCE,嵌入式Linux

工业与通信类：VxWorks,pSOSystem,Symbian

单片机类：μC/OS

面向Internet类：PalmOSIDC数据:2006年全球操作系统份额对比

Symbian：53%微软：27%

Palm：10%Linux：4.2%

其他：5.8%

SymbianSymbian为1998年6月，由Ericsson、Nokia、Psion，及Motorola合资成立，成立目的以发展无线信息产品为主，特别是结合行动电话与PDA功能的手持式智慧装置；其中，Psion把本身软件部门转移到Symbian，并提供发展手持式智慧装置所需的操作系统－EPOC。诺基亚、三星、索尼爱立信、爱立信、西门子、松下、Motorola国内厂商门槛太高：消耗2000万到1亿美金，近乎天价，看来不参股Symbian就没戏微软WindowsMobile智能手机PalmOSPalm一直都是全球PDA市场的绝对老大，但是在东方尤其是中国市场上，Palm已经落后在了它最大的竞争对手微软身后。PDA的全称是PersonalDigitalAssistant，也就是个人数字助手，最初只是帮助人们规划日常的安排或者一些简单的运算处1理等工作，但是随着硬件技术的不断发展，现在的PDA已经达到了几年前台式PC的运算能力，在Palm的鼎盛时期，PalmOS占据了PDA市场90%以上的份额。智能手机本身还是一个移动通讯的终端，显然这对于消费者来说，是更具有吸引力的。Linux智能手机MontavistaLinux+Qtopia

OpenPDA5->7->10->年底“LinuxOS+Java软件”一直是摩托罗拉最倚重的平台，也是其倾注了最多心血的秘密武器。据Bernstein研究公司称，摩托罗拉用了三年的时间研制基于Linux的MotoJUIX操作系统，投入的研发经费高达1.5亿美元。1.5嵌入式系统的应用

----无处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。嵌入式系统热点应用信息家电车载系统军事工业医疗器械信息家电应用特点市场巨大低成本要求利润空间小竞争激烈人机界面友好网络化车载系统应用特点与汽车工业相配套利润空间较大可靠性要求较高无线通讯要求军事工业应用特点市场垄断性强高利润可靠性要求高安全性要求高成本要求不高数字化单兵信息装备夜视扫描、全球定位、指挥通信医疗行业应用特点市场广阔，进入门槛较高利润极高心脏除颤器、心脏起搏器、患者信息和监视系统、理疗控制系统、电磁成像系统等1.6嵌入式微处理器ARM1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；4、大多数数据操作都在寄存器中完成；5、寻址方式灵活简单，执行效率高；6、指令长度固定

ARM微处理器特点ARM:AdvancedRISCMachines1.6.1ARM微处理器结构

采用RISC（ReducedInstructionSetComputer

）体系结构

采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种；

使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率；所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率

ARM微处理器的寄存器结构

ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK）；

31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器

6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位

ARM微处理器的指令结构

支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集

ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度

CISC与RISC复杂指令集计算机(ComplexInstructionSetComputer）背景:存储资源紧缺,强调编译优化增强指令功能，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指令系统来实现。CISC的特点为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少；寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器；采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列；CPI>５，指令越复杂，CPI越大。

--CPI：每条指令执行的平均周期数CISC的主要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。大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。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，数据重复利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用RISC基本设计思想减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制RISC精华:减少指令平均执行周期数CPUtime=IC*CPI*CCICRISC>ICCISC,30%---40%CCRISC<CCCISC，CPIRISC<CPICISC

差距在缩小超标量、超流水线、VLIW（超长指令集架构）等系统结构目标在于减小CPI，可使CPI<11.6.2ARM系列产品ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。①ARM架构：

共推出了6中版本的架构V1～V6。

V1和V2架构

V3架构：ARM6V4架构：ARM7，ARM8，ARM9，StrongARMV5架构：ARM10，XscaleV6架构：2002年推出，还没有具体针对该结构的微处理器②体系扩展Thumb:以16位系统的成本，提供32位RISC性能③嵌入式ICE（In-circuitEmluator）调试集成了类似于ICE的CPU内核调试技术，简化原型设计和系统芯片的调试④微处理器ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存（Cache）、内存管理、写缓冲和JTAG。应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。ARM940T、920T系列:低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有Cache、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、机顶盒、便携计算机和高档打印机。ARM7500和ARM7500FE:高度集成的单芯片RISC计算机，基于一个缓存式ARM732位内核，拥有内存和I/O控制器、3个DMA通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端口;ARM7500FE还增加了一个浮点运算单元以及对EDODRAM的支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机（NC）。1.6.3ARM微处理器的选择

ARM微处理器内核的选择

系统时钟控制器：

它直接决定了ARM芯片的处理速度

芯片内存储器的容量

片内外围电路的选择：如USB控制器、GPIO数量、IIS接口、LCD控制器、扩展总线、IrDA等1.6.4Intel嵌入式微处理器

Intel960系列

MCS96微控制器HSIO系列

IntelX86系列

IntelStrongARM

系列

基于IntelXScale技术的微处理器

采用Xscale内核，频率为200～400MHz，加强了微处理器速度的管理，加快了多媒体处理的速度，并支持802.11b及蓝牙技术、USB接口、SecureDigital和CompactFlash扩展技术、电源管理功能，其缓存达到了64KB，并整合了内存控制器、LCD(液晶显示器)控制器和扩展控制器等

基于Xscale微架构的处理器

PXA210：嵌入式应用处理机

PXA250/PXA255:嵌入式应用处理机

PXA26X：嵌入式应用处理机＋FlashPXA800F：嵌入式应用处理机＋MSA＋Flash/SRAM其中：PXA26X和PXA800F采用了多芯片封装技术MCP（Multiple-ChipProduct)。PXA26X内含了一块16/32MBFlash；PXA800F则集成了信号处理器MSA(MicroSignalArchitecture)、512KBSRAM和4MBFlash。1.7IntelPCA体系结构奔腾4处理器为代表的IA32架构

针对手持终端产品的英特尔个人互联网客户端架构（PCA架构）针对网络产品家族的英特尔互联网交换架构（IXA架构）以安腾处理器家族为代表的服务器架构（IPF）

IntelPCA体系结构特点1、将蜂窝平台的开发环境分为两个不同的子系统：通信子系统和应用子系统，底层硬件架构基于通用组件和接口；2、支持通信软件和应用软件之间的应用编程接口和服务。3、支持多种操作系统和无线空中接口，提供跨越不同市场和地域的可移植性和可伸缩性。Intel®PersonalInternetClientArchitecture(Intel®PCA)基于StrongARM/XScale嵌入式处理器面向互联网手持式设备（智能手机、PDA等）由应用子系统、通信子系统、存储器子系统和总线接口组成PCAApplicationSubsystemIntelPCA应用子系统是基于StrongARM（XScale）处理器的可编程的计算环境。它在嵌入式操作系统支持下，能够管理用户输入/输出设备，扩充设备内存管理与接口，电源管理以及与通讯子系统交互的通信资源。

PlatformServices：提供硬件提取和PCA硬件的接口

OperatingSystemandService:为各种任务及应用提供结构框架和基本服务

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