嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡介

1、第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 本講提要,1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個部分組成,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),處理器,存儲器,輸入接口,操作系統(tǒng) (驅(qū)動程序),應(yīng)用程序,軟件子系統(tǒng),硬件子系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)組成,輸出接口,外圍設(shè)備,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運(yùn)行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物理平臺和通信接口； 嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件是整個系統(tǒng)的控制核

2、心，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，提供人機(jī)交互的信息等。 嵌入式系統(tǒng)和實(shí)際應(yīng)用對象密切相關(guān)，而實(shí)際應(yīng)用非常繁雜，應(yīng)用也日新月異，很難用一種構(gòu)架或模型加以描述。我們將主要圍繞典型嵌入式系統(tǒng)的硬件組成和軟件組成部分加以詳細(xì)講述。,應(yīng)用程序,實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）,輸入輸出接口,處理器/ARM核 MMU/Cache,SOC/SOPC,USB,GPIO,IIS,LCD,UART和IrDA,ADC/DAC,FPGA/CPLD,DSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器,DMA,圖2-1 典型的嵌入式系統(tǒng)組成,人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo),設(shè)備驅(qū)動程序、HAL、BSP,文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口,驅(qū)動層,OS層,應(yīng)用

3、層,軟件,硬件,以太網(wǎng),看門狗及復(fù)位電路,Timer/RTC,CAN,Flash,EEPROM,SDRAM,SRAM,內(nèi)存,電源管理,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖,作用：防止程序發(fā)生死循環(huán)（程序跑飛）。,工作原理：系統(tǒng)運(yùn)行后即啟動看門狗，開始自動計(jì)數(shù)，如果到一定時間未清看門狗，看門狗就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。,軟件系統(tǒng),軟件(software)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關(guān)數(shù)據(jù)(data)及其說明文檔(document)。 其中： 程序是按照事先設(shè)計(jì)的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列； 數(shù)據(jù)是程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

4、文檔是與程序開發(fā)維護(hù)和使用有關(guān)的各種圖文資料。,嵌入式軟件系統(tǒng)的分類,嵌入式軟件,系統(tǒng)軟件,支撐軟件,應(yīng)用軟件,控制、管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源,嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式中間件(CORBA、 Java) 等等,輔助軟件開發(fā)的工具,系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具 仿真開發(fā)工具 交叉開發(fā)工具 測試工具 配置管理工具 維護(hù)工具等,面向應(yīng)用領(lǐng)域,手機(jī)軟件 路由器軟件 交換機(jī)軟件 飛控軟件等,嵌入式軟件系統(tǒng)的分類,從運(yùn)行平臺來分，嵌入式軟件可以分為 運(yùn)行在開發(fā)平臺上的軟件：設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試工具等。 運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件：嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序及部分開發(fā)工具。,宿主機(jī),目標(biāo)機(jī),嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),硬件,應(yīng)

5、用層,驅(qū)動層,操作系統(tǒng)層,中間件層,嵌入式軟件運(yùn)行流程,系統(tǒng)升級,引導(dǎo)/升級系統(tǒng),系統(tǒng)初始化,應(yīng)用初始化,多任務(wù)應(yīng)用,上電復(fù)位、板級初始化,遠(yuǎn)程升級,本地升級,基于多任務(wù)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的主要運(yùn)行流程 該運(yùn)行流程主要分為5個階段,BSP的概念和特點(diǎn),BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。 BSP的特點(diǎn)： 硬件相關(guān)性：因?yàn)橛布哂袘?yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。 操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)

6、，因此，針對不同的操作系統(tǒng)具有特定的接口形式。,Board Support Package,BSP的功能,完成嵌入式系統(tǒng)部分初始化 A、片級初始化 B、板級初始化 C、系統(tǒng)級初始化 完成硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動,設(shè)計(jì)BSP的方法,一、以典型的BSP做為參考 二、參照操作系統(tǒng)或芯片廠商提供的BSP模板,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),2020/11/13,嵌入式處理器,存儲器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外圍接口,軟件,硬件單元,中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控

7、制整個系統(tǒng)的執(zhí)行。 包括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(System on Chip),存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（Read Only Memory）和隨機(jī)存儲器RAM（Random Access Memory）,嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤等,輸出設(shè)備則主要有LCD 顯示和語音輸出,外圍接口主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE 1394總線等等,典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件,最小硬件系統(tǒng),用最少的元件組成的可以工作的系統(tǒng),嵌入式微處理器的發(fā)展,嵌入式微處理器的特點(diǎn),基礎(chǔ)是通用微處理器 與通用微處理器相比

8、的區(qū)別： 體積小、重量輕、成本低、可靠性高 功耗低 工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面增強(qiáng),體系結(jié)構(gòu),指令集,性能,功耗和管理,成本,集成度,嵌入式微處理器的集成度,用于桌面和服務(wù)器的微處理器的芯片內(nèi)部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、總線接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系統(tǒng)總線、外部總線和外部設(shè)備獨(dú)立在其他芯片和電路內(nèi)。 嵌入式微處理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、總線等部分外，還集成了各種外部接口和設(shè)備，如中斷控制器、DMA、定時器、UART等。符合嵌入式系統(tǒng)的低成本和低功耗需求，一塊單一的集成了大多數(shù)需要的功能塊的芯片價格更低，功耗更少。,單芯片方式(Single

9、 Chip) 芯片組方式(Chip Set)：由微處理器主芯片和一些從芯片組成,嵌入式微處理器的集成度,嵌入式微處理器是面向應(yīng)用的，其片內(nèi)所包含的組件的數(shù)目和種類是由它的市場定位決定的。 在最普通的情況下，嵌入式微處理器包括： 片內(nèi)存儲器：部分嵌入式微處理器 外部存儲器的控制器，外設(shè)接口(串口，并口) LCD控制器：面向終端類應(yīng)用的嵌入式微處理器 中斷控制器，DMA控制器，協(xié)處理器 定時器，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器 多媒體加速器：當(dāng)高級圖形功能需要時 總線 其他標(biāo)準(zhǔn)接口或外設(shè),嵌入式微處理器的種類,1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOC ARM RISC （ARM） TMS32

10、0 DSP（TI） Trimedia （Philips） StrongARM （Intel） Xscale （Intel） MIPS RISC （MIPS） DragonBall（Motorola）,對比,從計(jì)算機(jī)角度看 單片機(jī)功能太簡單, 性能太差 DSP太專用, 可以看成一個外設(shè) 通用處理器與SOC是主要發(fā)展方向,主流的嵌入式微處理器,目前主流的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、Super H系列和X86系列等。 屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有上千種以上。,Units (millions),Source: Andrew Allison, Ins

11、ide The New Computer Industry, January 2001,ARM處理器的分類,結(jié)構(gòu)體系版本（Architecture） ARM v4T ARM v5TE ARM v6 ARM Cortex (v7),Processor Family ARM7 ARM9 ARM10 ARM11 ARM Cortex,按應(yīng)用特征分類 應(yīng)用處理器 Application Processor 實(shí)時控制處理器 Real-time Controller 微控制器 Micro-controller,特征：MMU, Cache 最快頻率、最高性能、合理功耗,特征：MPU, Cache 實(shí)時響應(yīng)、

12、合理性能、較低功耗,特征：no sub-memory system 一般性能、最低成本、極低功耗,嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口,嵌入式外圍設(shè)備：在嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，除核心控制部件(嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SoC)以外的各種存儲器、輸入/輸出接口、作為人機(jī)接口的顯示器/鍵盤、串行通信接口等。 根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類: 存儲器 通信接口 輸入輸出設(shè)備 設(shè)備擴(kuò)展接口 電源及輔助設(shè)備,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),馮諾依曼體系

13、結(jié)構(gòu)/哈佛體系結(jié)構(gòu) CISC/RISC 影響CPU性能的因素 存儲器系統(tǒng) I/O接口,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型,馮諾依曼體系的特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)與指令都存儲在同一存儲空間中 統(tǒng)一編址，指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問 被大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用 ARM7馮諾依曼體系,缺點(diǎn)： 取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個存儲空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行,哈佛體系結(jié)構(gòu),指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,程序存儲器空間,指令0,指令1,指令2,數(shù)據(jù)存儲器空間,數(shù)據(jù)0,數(shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)2,地址,指令,地址,數(shù)據(jù),哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 程序與數(shù)據(jù)在不同存儲空間；每個存儲器獨(dú)

14、立編址、獨(dú)立訪問 使用程序和數(shù)據(jù)總線，使數(shù)據(jù)吞吐率提高一倍 適合于數(shù)字信號處理 大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu) ARM9是哈佛結(jié)構(gòu),1944年，哈佛大學(xué)的Howard Aiken發(fā)明了Harvard Mark系列計(jì)算機(jī)，并且在其中采用了分開的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，這就是后來著名的“哈佛結(jié)構(gòu)”,由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。,CISC和RISC,CISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和尋址方式 8/2原則：80%的程序只使用20%的指

15、令 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。,RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令 使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡單,傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展引入了各種各樣的復(fù)雜指令，使得指令集和為此要實(shí)現(xiàn)這些指令的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，已經(jīng)不堪重負(fù)。,指令規(guī)整、對稱、簡單，指令小于100條，基本尋址方式只有23種 單周期指令，便于流水操作 大量的寄存器（不少于32個）,CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道,CISC的數(shù)據(jù)通道,RISC的數(shù)據(jù)通道,CISC與RISC的對比,影響CPU性能的因素

16、：流水線、超標(biāo)量和緩存,流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行（使指令的執(zhí)行速度或數(shù)據(jù)的處理速度更快，克服早期計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理串行進(jìn)行產(chǎn)生的處理器閑置時間的弊端） 提高了CPU的運(yùn)行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動,取指,分析,執(zhí)行,流水線：在CPU中把一條指令分解成多個可單獨(dú)處理的操作，使每個操作在一個專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多個站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個站間重疊執(zhí)行，因此可以實(shí)現(xiàn)指令的并行處理。,指令流水線以ARM為例,為增加處理器指令流的速度，ARM7 系列使用3級流水線。 允許多個操作同時處理，比逐條指

17、令執(zhí)行要快。 PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令。,從存儲器中讀取指令,解碼指令中用到的寄存器,寄存器讀（從寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器寫（到寄存器Bank ）,PCPC,PC - 4PC-2,PC - 8PC - 4,ARMThumb,最佳流水線,該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令。 所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。 指令周期數(shù) (CPI) = 1。,操作,周期,1 2 3 45 6,Fetch,流水線能夠正常工作的條件：任意時刻，每一級所使用的硬件必須能獨(dú)立操作，不能多級同時占用同一硬件資源。 在正常情況下，每條指令都被劃分成這樣3個時鐘周期來完成，即指令執(zhí)行時

18、間（Latency）是3周期。 流水線的執(zhí)行使得程序計(jì)數(shù)器PC必須在當(dāng)前指令取指前計(jì)數(shù)。對于ARM處理器的3級流水線，以當(dāng)前PC取指后，PC值會增加為PC4。,超標(biāo)量執(zhí)行,超標(biāo)量：配置多個執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時執(zhí)行多條 指令。 超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)。,執(zhí)行1,預(yù)取,指令CACHE,譯碼2,譯碼1,執(zhí)行2,執(zhí)行1,預(yù)取,譯碼2,譯碼1,執(zhí)行2,流水線1,流水線2,數(shù)據(jù),借助硬件資源重復(fù)(例如有兩套譯碼器和ALU等)來實(shí)現(xiàn)空間的并行操作,高速緩存（CACHE）,1、為什么采用高速緩存 微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。 2、高速緩

19、存的工作原理 依據(jù)：程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性原理。 高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。,CPU,高速緩存控制器,CACHE,主存,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),地址,Cache的設(shè)計(jì)思想：把在一段時間內(nèi)、一定地址范圍中被頻繁訪問的信息集合，成批地從主存中讀到一個能高速存取的小容量存儲器中存放起來,供程序在這段時間內(nèi)隨時使用，從而減少或不再去訪問速度較慢的主存，以加快程序的運(yùn)行速度。,以CPU為核心看，將CPU直接參與的事件稱為同步事件，CPU未直接參與的稱為異步事件。cache的操作都是同步的，但是如果在寫一個外部設(shè)備的驅(qū)動時為了減少CPU的參與,用DMA來搬移數(shù)據(jù)，那么DMA搬移數(shù)據(jù)這

20、個事件便是異步事件。 圖1中，RAM內(nèi)存從地址0 x00000000到0 x000ffffff 1M范圍內(nèi)的內(nèi)容全部被調(diào)入cache中; 現(xiàn)假定外部設(shè)備有新的數(shù)據(jù)到來并發(fā)生了中斷，CPU在設(shè)定完DMA控制器后繼續(xù)其工作，DMA根據(jù)設(shè)定將1M的新數(shù)據(jù)裝入RAM中并通知CPU新的數(shù)據(jù)到了。(此時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致),當(dāng)CPU要對新的數(shù)據(jù)操作時，因?yàn)榇送獠吭O(shè)備的數(shù)據(jù)被存放在從0 x00000000開始的RAM中，而此段數(shù)據(jù)又恰好被cache命中，那么CPU將直接訪問cache中的數(shù)據(jù)，可是cache中的數(shù)據(jù)并非剛剛得到的新數(shù)據(jù)。CPU并不知道此時cache中的數(shù)據(jù)已經(jīng)過時。,解決的辦法：在CPU訪問異

21、步事件控制的數(shù)據(jù)前一定要強(qiáng)行刷新cache中的內(nèi)容；反 之，從內(nèi)存到外部設(shè)備搬移數(shù)據(jù)前一定要回寫內(nèi)存。 一般CPU都提供了cache的刷新和回寫機(jī)制，甚至有的CPU還有cache保護(hù)（即強(qiáng)制其不要對某一范圍內(nèi)的內(nèi)存使用cache機(jī)制）。,CACHE刷新與回寫,DMA參與操作情況下的cache操作,總線是計(jì)算機(jī)中各模塊傳輸信息的公共信號線集合。為各模塊間，甚至模塊各部件之間提供公共的、標(biāo)準(zhǔn)化的信息通路。 總線的特點(diǎn)在于其公用性(即它可以同時掛接多個模塊或設(shè)備，作為所有掛接模塊或設(shè)備公用的信號載體)。總線在同一時刻，只能允許一對模塊或設(shè)備進(jìn)行信息交換。當(dāng)有多個模塊或設(shè)備需要同時使用總線進(jìn)行信息傳輸

22、時，只能采用分時方式，并且要對總線使用的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行仲裁管理。 總線結(jié)構(gòu)包括：傳輸信息的傳輸線路和總線控制邏輯 嵌入式系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：,總線和總線橋, 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 優(yōu)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。 便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新。,存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),寄存器,高速緩存SRAM,主存儲器DRAM,本地存儲器 Flash、ROM、磁盤,網(wǎng)絡(luò)存儲器 Flash、ROM、磁盤,時鐘周期,0,110,50100,20000000,存儲器系統(tǒng),RAM：隨機(jī)存取存儲器， SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器， DRAM：動態(tài)隨機(jī)存儲器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗電多 3）DRAM存儲密度比SRAM

23、高得多 4）DRAM需要周期性刷新 ROM：只讀存儲器 FLASH：閃存,輸入輸出接口,I/O A/D、D/A 鍵盤 LCD 存儲器接口 設(shè)備接口,USB：Universal Serial Bus，通用串行總線 大家生活中常見的與USB有關(guān)的東西有： U盤、移動硬盤、無驅(qū)型的MP3（U盤） USB接口的鍵盤、Mouse、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī) 即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展（127個） USB2.0以低成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Mb/s的傳輸率(USB1.1的全速設(shè)備可達(dá)12Mb/s； USB1.0的全速設(shè)備可達(dá)1.5Mb/s) 接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電,例如:USB,一個典型的USB通訊

24、系統(tǒng),HOST系統(tǒng),HUB,DEVICE,D,DEVICE,應(yīng)用軟件+驅(qū)動程序Ms.Win+接口芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,驅(qū)動代碼+嵌入式處理器+HOST芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,通用系統(tǒng)模型,PC機(jī)中的情況,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,知識產(chǎn)權(quán)核（IP核, intellectual property）,知識產(chǎn)權(quán)(IP) 電路或核是設(shè)計(jì)好并經(jīng)過驗(yàn)證的集成電路功能單元。 IP復(fù)用意味著設(shè)計(jì)代價降低（時間，價格）。 IP核的類別: 微處理器: ARM, PowerPC; 存儲器: RAM, memory controller; 外設(shè): PCI, DMA controller; 多媒體處

25、理: MPEG/JPEG ; encoder/decoder ; 數(shù)字信號處理器(DSP)； 通信: Ethernet controller, router。,Soft Cores(“code”)（軟核） HDL語言描述； 靈活度高，可修改； 與工藝獨(dú)立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合； IP很難保護(hù)。 Firm cores(“code+structure”)(固核） 邏輯綜合后的描述； 與工藝相關(guān)。 Hard cores(“physical”)(硬核） 物理綜合后的描述； 準(zhǔn)備流片； 包含工藝相關(guān)的布局和時序信息； IP很容易保護(hù)，但靈活性和可移植性差。 多數(shù)的處理器和存儲器,IP核的商業(yè)模型

26、,三種模式 1.設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)和工具的許可證 DSP Group (Pine and Oak Cores), 3Soft, ARM。 提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。 使用者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造。 2.核廠商設(shè)計(jì)并制造集成電路芯片 TI, Motorola, Lucent。 VLSI, SSI, Cirrus, Adaptec。 3.核廠商賣核, 負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計(jì)并制造芯片 LSI logic, TI, Lucent。,固化宏單元（硬核） ARM920T ARM7TDMI ARM720T ARM1022E,測試芯片 ARM10200E,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式

27、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),2020/11/13,軟件組成,有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作,支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等,中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應(yīng)用程序接口的

28、事實(shí)，向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序，同時也使應(yīng)用程序具有跨平臺的特性。,嵌入式應(yīng)用程序運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用，不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式應(yīng)用程序。它是整個系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)的能力總是通過應(yīng)用程序表現(xiàn)出來。一個嵌入式系統(tǒng)可簡單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應(yīng)用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。,概述,嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點(diǎn)，主要有： 可固化存儲 可配置、可剪裁 獨(dú)立的板級支持包，可修改 不同的CPU有不同的版本 應(yīng)用的開發(fā)需要有集

29、成的交叉開發(fā)工具,一般操作系統(tǒng)只注重平均性能，如對于整個系統(tǒng)來說，所有任務(wù)的平均響應(yīng)時間是關(guān)鍵，而不關(guān)心單個任務(wù)的響應(yīng)時間。 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)最主要的特征是性能上的“實(shí)時性”，也就是說系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計(jì)算的邏輯結(jié)果，也依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時間。 從這個角度上看，可以把實(shí)時系統(tǒng)定義為“一個能夠在指定的或者確定的時間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的系統(tǒng)”。,概述,近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展 從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器； 從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片； 從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TC

30、P/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。 隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細(xì)分，出現(xiàn)了針對不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領(lǐng)域的要求和標(biāo)準(zhǔn)提供特定的功能。,嵌入式操作系統(tǒng)的演變,*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded device,Application,Application,Application,Application,嵌入式操作系統(tǒng)分類,從應(yīng)用領(lǐng)域來分 面向信息家電的嵌入式操作系統(tǒng) 面向智能手機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)，如SymbianOS、MS Mobile OS、Pal

31、mOS、Embedded Linux等 面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng) 面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng) .,從實(shí)時性的角度來分 實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)：具有強(qiáng)實(shí)時特點(diǎn)，如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各種ITRON OS等。 非實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)：一般只具有弱實(shí)時特點(diǎn)，如WinCE、版本眾多的嵌入式Linux、PalmOS等。,從嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)模式來分類 商用型：功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，開發(fā)費(fèi)用+版稅。 開源型：開放源碼，只收服務(wù)費(fèi)，沒有版稅。 如Embedded linux，RTEMS，eCOS。,嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),體系結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)組成,

32、常見的嵌入式操作系統(tǒng),C/OS-II WinCE Linux VxWorks Palm OS QNX ,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),監(jiān) 控 程 序,操 作 系 統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時 間 先 后,實(shí)時操作系統(tǒng)是我們關(guān)注的重點(diǎn),任務(wù)的定義及其主要特性,任務(wù)是一個具有獨(dú)立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運(yùn)行活動，是實(shí)時內(nèi)核調(diào)度的單位，具有以下特性： 動態(tài)性：任務(wù)狀態(tài)是不斷變化的。 一般分為就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和等待態(tài)。 在多任務(wù)

33、系統(tǒng)中，任務(wù)的狀態(tài)將隨著系統(tǒng)的需要不斷進(jìn)行變化。 并行性： 系統(tǒng)中同時存在多個任務(wù)，這些任務(wù)在宏觀上是同時運(yùn)行的。 異步獨(dú)立性： 每個任務(wù)各自按相互獨(dú)立的不可預(yù)知的速度運(yùn)行，走走停停。,任務(wù)的內(nèi)容,任務(wù)主要包含以下內(nèi)容： 代碼：一段可執(zhí)行的程序 數(shù)據(jù)：程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量、工作空間、緩沖區(qū)等） 堆棧 程序執(zhí)行的上下文環(huán)境,嵌入式操作系統(tǒng)與多任務(wù),多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是靠CPU(中央處理單元)在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。 CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。 在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?任務(wù)的狀態(tài),睡眠態(tài)相當(dāng)于該任務(wù)駐留在內(nèi)存中，但并不被內(nèi)核所調(diào)度,就緒意味著該任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以運(yùn)行了，但由于該任務(wù)的優(yōu)先級比正在運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級低，還暫時不能運(yùn)行,運(yùn)