嵌入式系统设计原理及应用课件

嵌入式系统设计原理及应用

关英春

第1章绪论嵌入式系统设计原理及应用参考书目

1．ARMArchitectureReferenceManual(2ndEdition)DaveJagger,DavidSeal.Addison-WesleyPubCo.20002．嵌入式系统--IntelStrongARM结构与开发陈章龙涂时亮.北航出版社20023.EmbeddedEthernetandInternetcompleteCopyright2003byJanAxelson.PublishedbyLakeviewResearchLLC.5310ChinookLn.Madison,WI53704,USAAllrightsreserved.4.(中文版)嵌入式Ethernet和Internet通信设计技术骆丽张岳强欧小龙译北京航空航天大学出版社1.1什么是嵌入式系统可编程计算机设备嵌入其他设备实现智能控制应用：实用设备打印机数码相机早期：8位cpu，74系列芯片，一体化监控、不需要操作系统平台1.1什么是嵌入式系统目前16位、32位cpu，特殊功能处理器特殊功能集成芯片。提供系统设计方法、开发工具。典型嵌入式系统基本组成－硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设软件组成1.2嵌入式系统的发展。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PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。最早的单片机是Intel公司的4044，它出现在1971年Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。1.2嵌入式系统的发展1981年ReadySystem发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。1.炊3阵IE构EE削定义IE槐EE啄（国遗际电勤气和剖电子掠工程或师协校会）晋的定惭义：嵌入姨式系铁统是焦“用晒于控滑制、勒监视氏或者插辅助劲操作机器武和设处备的丝式装置盲”（产原文旋为d程ev犬ic劣es候u愚se治d刮toco陷nt安ro帜l,苹m伯on平it贤or雀,喂or怪a磨ss伪is者t羽th妄e毛op抢er腔at微io缘瑞n绿ofeq倦ui个pm肌en劈燕t,搞m送ac堡hi亚ne绣ry良o狂r蹲pl让an藏ts殃）。可以铜看出影此定块义是忽从应域用上那考虑肆的，版嵌入忆式系统是捷软件矛和硬衣件的稿综合离体，弯还可势以涵苏盖机劲电等拳附属装置锅。一般多定义“以枕应用斥为中简心、厚以计待算机躺技术为仆基础荒、软弃件硬煌件可贤裁剪墨、功能、尼可靠连性、奋成本冰、体抬积、见功耗础严格要催求的熔专用莲计算口机系突统。挺”嵌入立式系遍统定谢义要摸素专用弦计算荷机系价统(牧非P姐C智冤能电愉子设芝备)以应惭用为咱中心以计尿算机交技术侄为基狐础软件证硬件乖可裁吸剪适应乌应用袖系统度对功衫能、顿可靠顶性、蜻成本纹、体弯积、蒙功耗严舟格要填求知识逢集成园应用韵系统侨（C久SE栗A）技术叔密集乞资金腥密集高度彩分散债不可久垄断面向青应用订不断殃创新1.唱4包嵌入铃式系吃统的爷分类按表日现形秆式分昼：（苹硬件健范畴溜）芯片淡级嵌芽入（怖含程先序或截算法插的处闭理器桶）模块滴级嵌筹入（先系统层中的兔某个小核心饥模块舍）系统很级嵌携入按实颗时性挂要求贫分：附（软跃件范阅畴）非实愁时系岂统（耕PD争A）软实猪时系大统（谜消费漏类产截品）硬实街时系西统（受导引都头等践工业猫和军控工系穿统）1.凝5嵌及入式第系统彻的几党个重瓣要特枕征系统配内核聋小由于懂嵌入库式系邻统一盲般是揉应用吹于小陪型电吃子装步置的孤，系赔统资遇源相江对有淘限，浑所以桂内核颜较之退传统角的操仆作系陵统要过小得泰多。比如寒EN铲EA只公司舟的O讨SE险分布意式系匹统，成内核恭只有判5K害，而检Wi矩nd董ow启s的柱内核鞭则要朽大得斯多。嵌入黑式系普统的稼几个狮重要大特征（1轧）专用拍性强嵌入依式系昌统的跳个性旺化很俯强，袭其中拼的软洽件系询统和右硬件朱的结遥合非勺常紧管密，与一般洞要针谋对硬袖件进做行系笼统的刷移植默。即使妥在同胞一品闹牌、蛋同一狼系列携的产裂品中挣也需狮要根习据系赏统硬薄件的昌变化孩和增针减不谨断进队行修传改。同时凯针对稀不同扩的任直务，视往往满需要银对系绩统进磨行较似大更坑改，白程序恨的编贷译下娇载要止和系语统相急结合洞，这供种修躺改和炉通用计软件虽的“下升级判”是龄完全波不同兆的概劳念。嵌入宋式系茄统的胸几个嚷重要胡特征（2问）系统胶精简嵌入驻式系各统一次般没砌有系同统软惰件和卫应用峡软件腐的明粥显区央分，伸不要际求其筝功能可设计谦及实集现上悟过于棋复杂言，这反样一值方面炕利于锁控制询系统赠成本垒，同礼时也垄利于幼实现失系统拖安全湖。（3赛）高杂实时如性O伯S这欢是嵌项入式之软件浪的基菌本要摄求，浙而且欢软件铁要求农固态圈存储坦，以彻提高娱速度徒。软肥件代厌码要箭求高脂质量挑和高椒可靠辈性、活实时秃性。嵌入甲式系妇统的值几个犬重要古特征（4俘）嵌入傲式软准件开终发走然向标胖准化嵌入耐式系跪统的录应用钉程序珍可以灯没有号操作乳系统淡直接播在芯梁片上嗽运行猫。为了劫合理底地调念度多壤任务部、利姓用系掉统资南源、取系统忘函数城以及竖和专凳家库突函数繁接口亩，用论户必灶须自瓣行选宜配R岂TO拜S（纠Re饲al宴－T听im撇e俩Op片er跑at替in乱gS厉ys吉te断m）活开发百平台法，这届样才州能保权证程蓬序执允行的云实时录性、妨可靠臂性，爱并减煤少开细发时踏间，爽保障陵软件园质量埋。嵌入带式系唉统的盐几个库重要晴特征（5）嵌入遥式系型统开虎发需站要开谣发工引具和狸环境由于型其本哈身不子具备护自主稠开发副能力义，即册使设夺计完锡成以舱后，蜜用户悬通常耀也是妈不能火对其炮中的穴程序皮功能约进行陕修改璃，必仆须有贡一套却开发霸工具彻和环释境才忧能进轻行开慌发。这些萍工具忠和环星境一若般是拜基于喘通用疲计算贫机上伪的软霜硬件消设备档以及裹各种夜逻辑害分析吓仪、小混合玩信号胁示波敏器等尤。开发猛时往营往有抱主机孙和目塌标机保的概肠念，羞主机鸣用于岭程序忘的开值发，防目标卫机作地为最贪后的践执行也机，愧开发羽时需复要交茫替结诸合进摔行。1.泻6嵌桃入式登系统津的分谦类。嵌入旧式处塔理器填系统嵌入尿式处底理器各种潮类型取存储鸽器模拟咬电路仁及电胞源接口僻控制早器及单接插熄件嵌入余式软沉件系简统实时堵操作壶系统箭（R同TO界S）板级雄支持捷包（狠BS柿P）设备盆驱动够（D勤ev掀ic前e市Dr贱iv仔er葛）协议塞栈（慰Pr卖ot携oc捉ol锦S鹿ta莲ck浓）应用像程序喝（A葡pp骨li姓ca柄ti揭on荷）1.轮7嵌尿入式价微处脖理器态的相昌关基偏本知误识冯·倦诺依印曼体绸系结跌构和敢哈佛邪体系换结构CI绝SC宝与R检IC很S影响欢CP户U性多能的欢因素存储欢器系肤统硬件逼基础冯·中诺依志曼体凡系结光构模蚀型存储萝器程序指令甲0指令抛1指令越2指令混3指令栏4数据数据堵0数据帝1数据刑2数据出通道输入余输出中央在处理脾器指令锯寄存晋器控制沙器指令旅的执毛行周遣期T1）末取指僚令（泽In勒st诊ru浴ct笨io冈n急Fe衬tc柜h)攀：T怕F2）劝指令列译码葱（I府ns闭tr僚uc大ti知on糖D雀ec舅od伟e）卫：T失D3）重执行菌指令锄（I遭ns倍tr缸uc治ti屑on铸E宝xe伍cu锦te基）：善TE4）概存储柄（S劈燕to辞ra柱ge洁）：锐TS每条浪指令渠的执菌行周伙期：牙T=蛋T扑F+猛TD辞+T卷E+业TS冯·吧诺依味曼体糊系的表特点1）骡数据雄与指塞令都核存储坏在存答储器煎中2）仰被大和多数桃计算勿机所惹采用3）测AR然M7南—卷—冯司诺依俘曼体户系哈佛锋体系女结构破的特色点1）得程序开存储叠器与删数据幕存储神器分移开2）缓提供宣了较签大的治数存嚷储器缓带宽3）堵适合侄于数速字信故号处屯理4）斗大多然数D抽SP身都是院哈佛姥结构5）浙AR融M9扇是哈那佛结颤构1.踪蝶8讯指桶令集垂CI谊SC抹和R极IS饶CCI热SC咬：复烦杂指犬令集纱（C锅om孔pl佛ex以I勺ns享tr震uc贿ti颤on跪S绳et旅C懂om渠pu裁te层r）具有雄大量楚的指鸡令和弦寻址宝方式大多衣数程伍序只竭使用请少量含的指简令就凶能够祥运行隆。RI结SC膊：精羽简指奴令集沃（R屠ed屿uc笋ed柴I鼓ns好tr仁uc浓ti季on油S见et蛾C训om欠pu肌te讨r8/裤2原敲则：拣80姿%的惨程序前只使凳用2叹0%神的指济令在通认道中嘉只包馒含最脊有用疤的指尖令确保泳数据姐通道掉快速言执行商每一始条指亦令使C树PU楼硬件看结构狂设计嚼变得皱更为她简单1.拥9浮指令达执行谨影响别CP疗U性震能的朱因素抢：流歇水线库、超报标量波和缓听存RI脸SC增流水详线技坝术：液几个送指令喜可以戒并行五执行提高哨了C替PU局的运中行效电率内部幅信息葬流要启求通亩畅流新动Ad故d卫取指轧译码慕执烦行a每ddSu瓶b庸取指药译燃码沾执行嫩su飞bCm喇p漫取刘指子译辉码脊执杆行c幕mp时间高速烫缓存仍（C劳AC箩HE却）1、恳为什束么采坟用高纯速缓厨存微处复理器化的时情钟频确率比仅内存叉速度屯提高及快得遣多，青高速战缓存位可以绪提高黑内存态的平扶均性贯能。2、源高速制缓存腐的工衔作原肚理高速湾缓存茂是一杀种小织型、暖快速城的存勤储器虫，它沟保存辫部分住主存挤内容堆的拷在贝。存储腐器系予统RA白M：友随机容存取运存储违器SR乌AM驰：静批态随摸机存从储器DR耍AM预：动格态随宅机存爸储器1）倾SR叔AM私比D昌RA落M快2）羡SR填AM盯比D贫RA色M耗孙电多3）爆DR槐AM心存储内密度凯比S舒RA械M高饿得多反（体茅积）4）辜DR述AM业需要家周期义性刷温新RO沟M：朴只读华存储俭器FL牙AS扯H：直闪存SR猛AM托A复ND坏D聚RA仿M输入兼输出杯接口1）钉I/楼O2）脱A/酿D、点D/窄A3）期键盘4）舍LC洞D5）渔存储伞器接且口6）杜设备荣接口1.缠10患嵌入仔式微昨处理借器及球开发灯工具嵌入土式微指处理耳器一甲般就黎具备倚以下麻4个稀特点对实辈时多纺任务刃有很货强的约支持辅能力置，能客完成米多任仙务并屯且有香较短鸭的中声断响敢应时路间，作从而料使内厅部的露代码俗和实拢时内仁核心掏的执挎行时递间减莲少到帐最低淡限度具有肯功能斗很强茧的存仰储区循保护耀功能秧。这酿是由茧于嵌舒入式箩系统东的软秧件结逆构已慰模块如化，小而为扎了避字免在日软件挠模块磁之间菠出现贝错误念的交鬼叉作犯用，宏需要茫设计财强大柄的存掌储区劲保护矛功能裁，同架时也哭有利莫于软局件诊索断。可扩态展的孙处理汤器结喝构，辨以能控最迅敢速地题开展描出满汽足应找用的怎最高鲁性能删的嵌章入式港微处图理器究。嵌入高式微旺处理喊器必单须功安耗很犯低，岂尤其毕是用做于便逐携式踢的无跨线及咸移动回的计溉算和摊通信捆设备狮中靠翠电池鸣供电淹的嵌弹入式多系统禁更是迹如此弦，如粘需要垦功耗秤只有托mW论甚至犬μW耗级。嵌入宜式处添理器嵌入煤式处矩理器弟的发争展趋蜓势经济打性（迷成本累）微型腥化（绿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