嵌入式系统原理与应用 课件 第1章 嵌入式系统设计基础

嵌入式系统原理与设计第一章嵌入式系统设计基础第1章0102030405嵌入式系统概述计算机系统的组成计算机系统中的数据表示计算机系统的性能嵌入式处理器/01嵌入式系统概述嵌入式系统的定义嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。广义来说，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的特点·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简单来说，就是嵌入到对象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:由三要素引出嵌入式系统的特点·生命周期长：更新、换代也是和实际产品一同进行·软件固化：软件固化在非易失性存储介质中·有实时性要求：在规定的时限内做出正确的反应除了上述核心特点外，嵌入式系统还有以下特点嵌入式系统的发展趋势www.islide.cc7·智能化：具有一定的智能处理能力·网络化：能够连上Internet网络，通过网络开展应用·人性化：拥有更好的用户使用感受或人机接口嵌入式系统与通用计算机系统的比较www.islide.cc81.应用为中心2.资源受限3.面向应用优化4.百花齐放5.更新换代慢1.性能为中心2.海量资源3.应用未知4.Intel、AMD独大5.更新换代快总结：嵌入式系统是应用驱动技术进步，通用系统是性能推动技术进步。嵌入式系统通用系统/02计算机系统的组成硬件系统-抽象模块冯·诺依曼将计算机的硬件系统·控制器·运算器·输入设备·输出设备·存储器硬件系统-实际设备www.islide.cc11CPU（中央处理单元）主板：集运算器和控制器于一体内存（主存）：内存储器（DDR4SDRAM）硬盘（外存、辅存）：外存储器（磁介质机械硬盘，SSD）显示器（液晶屏）：输出设备键盘、鼠标（按键）：输入设备软件系统仅仅有硬件系统，计算机仍然是无法工作的，就像我们需要大脑指挥四肢进行一系列动作，才能完成工作。软件系统就像是整个计算机系统的“大脑”。软件系统按其功能分为系统软件和应用软件两大类·应用软件：是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而开发的软件。·系统软件：为实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能而开发的软件。计算机程序www.islide.cc13高级语言：C、Java、Matlab汇编语言：指令助记符表示机器语言：二进制代码高级语言可以跨平台，汇编语言与机器语言是针对具体硬件平台软硬件系统关系硬件是计算机系统的物质基础，软件是在硬件的基础上为有效地使用计算机而配置。没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起；同样，没有软件计算机将无法正常运行，也就不能发挥其作用。因此，硬件和软件是相辅相成、不可分割的整体。嵌入式系统设计相关就业岗位www.islide.cc15架构设计工程师硬件设计工程师软件设计工程师（应用、驱动、系统等）测试工程师产品工程师……需求最大的就是软件设计工程师/03计算机系统中的数据表示数的r进制表示

计算机中常用的记数制二进制：只有0和1两个数码，其记数特点及进位原则为“逢二进一”。八进制：共有0~7八个数码，其记数特点及进位原则为“逢八进一”。十六进：共有0~9、A、B、C、D、E、F十六个数码，其记数特点及进位原则为“逢十六进一”。原码、反码、补码原码，反码，补码在计算机中运用最多的数字表示形式。原码：是机器数中最简单的一种表示形式，采用1位符号位+n位数值位的形式。符号位为0表示正数，为1表示负数，数值位即真值的绝对值。若整数X用n+1位二进制表示，可以表示为：原码、反码、补码反码：通常用来由原码求补码或者由补码求原码的中间过渡。二进制整数反码的定义为：补码：二进制整数补码的定义为：例：X=±35的原码、反码和补码（8位表示）www.islide.cc21浮点数的表示

F=M×rE式中M为尾数(可正可负)，E为阶码(可正可负)，r是基数(或基值)。在计算机中，基数可取2、4、8或16等。浮点数的表示IEEE754规定了单精度和双精度两种基本的浮点格式，以及双精度扩展等多种浮点格式。参数单精度浮点数双精度浮点数双精度扩展浮点数浮点数长度(bit)326480尾数长度(bit)235264符号位s111指数E的长度(bit)81115最大指数Emax+127+1023+16383最小指数E­min-126-1022-16382指数偏移量+127+1023+16383可表示的实数范围10-38~10+3810-308~10+30810-4932~10+4932IEEE754标准表示形式如下：S为该浮点数的符号位，当S为0时表示为正数，S为1时为负数。E为指数的阶码，用移码表示。

为尾数，共P位，用原码表示。非数值数据的编码ASCII码：目前国际上普遍采用的信息交换标准码是ASCII码(美国国家信息交换标准码)，它包括10个十进制数码，26个英文字母的大小写和一定数量的专用符号、控制命令等总共约128个元素。因此，用二进制编码表示只需要7位。若加上一个奇(偶)校验位，共8位，刚好可用一个字节表示。汉字编码：为了使汉字信息交换有一个通用的标准，1981年我国制定推行的GB2312-80国家标准。GB2312-80国标字符集构成一个二维平面，分成94行和94列，并将行号称为区号，将列号称为位号。因此，在此字符集中的每一个汉字或符号对应唯一的一个区号和位号。非数值数据的编码汉字编码码表示例/04计算机系统的性能性能量化指标直观来说，人们在衡量计算机的性能时，更多的考虑的是计算机运行速度的快与慢。因此，计算机的性能与完成一个任务所需要的时间直接相关。计算机的性能与其完成任务的时间成反比。因此，计算机的性能一般用下面公式来衡量：为方便对计算机的性能进行评价，有时也用计算机每秒能执行的百万条指令（MillionInstructionsPerSecond，MIPS）数量来衡量。性能预测的摩尔定律集成电路芯片的集成度每18个月翻一番，即集成电路单位面积的晶圆上可容纳的晶体管的数量约每隔18个月便会增加一倍，芯片的性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻一倍。摩尔定律非物理定律，仅是一个技术发展趋势预测。它正在走向失效，但何时失效也说不清楚。性能改进的Amdahl定律Amdahl定律是20世纪60年代由Amdahl提出，其内容为：系统中对某一部件采用更快执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频率，或所占总执行时间的比例。系统性能加速比计算式如下：性能改进的Amdahl定律加速比依赖于两个因素：可改进比例：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例称为可改进比例。部件加速比：改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。改进后系统的总执行时间可以表示为不可改进部分的执行时间与可改进部分改进后的执行时间的和。进一步，改进后系统的总执行时间可以表示为：性能改进的Amdahl定律根据上式，可以得到系统的性能加速比为：Amdahl定律揭示了计算机系统性能改进的两种局限。（1）部分性能改进的递减局限。即如果仅仅对计算机系统的一部分做性能改进，则改进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。（2）对计算机系统进行部分性能改进，系统加速比存在极限，极限为1/(1-可改进比例)。结论：统的性能改进是受系统中不可改进部分的比例所限制的。例：

Amdahl的使用www.islide.cc32若计算机系统有三个部件a、b、c可改进，它们的部件加速比分别为rea=30，reb=30，rec=20。他们在总执行时间中所占的比例分别是30%、30%、20%。试计算这三个部件同时改进后的系统加速比。多个部件同时可改进的情况下，Amdahl定律可表示为：上述公式里面fe代表可改进比例，re代表可改进部分的部件加速比。将已知的可改进比例和部件加速比代入上式，可得：/04嵌入式处理器嵌入式系统的分类单片机（SCM）数字信号处理器（DSP）片上系统（SOC）与SOPC微处理器（MPU）单片机（SingleChipMicrocomputer，SCM）单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、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（SingleChipMicrocomputer，SCM），顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中的单片计算机。一般用于系统的控制，故又称微控制器（MicroControlUnit，EMCU）单片机（SingleChipMicrocomputer，SCM）按照数据处理的宽度，MCU可以分为4位、8位、16位甚至32位的单片机。一般数据处理宽度越低，其数据处理能力越弱，越只能进行简单的系统控制。由于SCM主要定位于系统控制和简单的数据处理，其计算速度慢，处理能力不强，一般在几个MIPS左右。因此SCM一般适用于运算速度要求不高的控制端，这也是其被称为MCU的原因。51系列、PIC系列、AVR系列、MSP430系列、STM32系列等。目前，单片机芯片可以做到自主可控（兆易创新）。中国MCU市场www.islide.cc37微处理器（MicroProcessorUnit，MPU)支持操作系统和实时任务调度MPU嵌入式微处理器最早由通用计算机中的CPU演变而来的，用于复杂的嵌入式系统开发中，如智能手机、车载主机系统等。典型代表为ARMCortex-A系列处理器数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，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。片上系统（System-on-Chip，SoC）SOC是集成电路（IntegratedCircuit，IC）设计的发展趋势。采用SoC设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。SoC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。SOPC：FPGA随着技术的发展，对SoC芯片的扩展性需求逐渐上升，一块SoC芯片通过编程可实现不同的功能，增加SoC芯片的应用范围。例如，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上称作可编程片上系统（System-on-Programmable-Chip，SoPC）。现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGateArray，FPGA）是具有代表性SoPC系统芯片。利用FPGA内部集成MPU软核+专用电路构成面向应用的处理器芯片。华为麒麟手机芯片自研之路2004年，成立海思半导体公司2009年，K3V1，首款手机芯片，2012年：K3V2，40nm制程工艺打造，是全球最小的四核ARMA9架构CPU，集成GPU。发热严重。2014年：麒麟910和麒麟920。910基于28nm工艺制程打造，首次集成华为自研巴龙710基带。920升级到8核，还集成了音频芯片、视频芯片、集成自研第一款LTECat.6的巴龙720基带。920获得市场认可，打响了麒麟品牌。2015年：麒麟930和麒麟950。CPU采用A53架构，最高主频可达2.0GHz，GPU为Mali-T628MP4。麒麟950采用台积电16nm制程和A72架构，GPU为Mali-T880MP4。第1章嵌入式系统设计基础42华为麒麟手机芯片自研之路2016年：麒麟960。基于16nm制程打造，华为Mate9系列首发。CPU首次配备了A73核心，小核心为A53，组成四大四小的8核组合，GPU为MaliG71MP8。麒麟960的图形处理性能提升了180%，GPU能效提升了20%，补齐了麒麟芯片GPU性能大幅落后于高通的这块短板2017年：麒麟970。首款10nm工艺芯片—麒麟970，四核A73+四核A53架构，主频2.4+1.8GHz。麒麟970还有专门的AI硬件处理单元—NPU（NeuralNetworkProcessingUnit，神经网络处理单元），以支持AI。2018年：