嵌入式系統(tǒng)期末考試總結(jié)

1、嵌入式系統(tǒng)期末考試總結(jié)1 嵌入式系統(tǒng)的定義什么是嵌入式系統(tǒng)：是將計算機(jī)硬件和軟件結(jié)合起來，構(gòu)成一個專門的計算裝置，完成特定的功能和任務(wù)。它工作在一個與外界發(fā)生交互并受到時間約束的環(huán)境中，在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行實時控制。由于被嵌入對象的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用環(huán)境要求不同，因此嵌入式系統(tǒng)可分為有許多種類。 根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。

2、一般定義：“以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。”2 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)是由嵌入式處理器、存儲器等硬件、嵌入式系統(tǒng)軟件和嵌入式應(yīng)用軟件所組成。如下圖所示：應(yīng)用程序操作系統(tǒng)存儲器處理器輸入輸出軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)圖1 嵌入式系統(tǒng)的組成1）嵌入式系統(tǒng)硬件系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為核心，配置必要的外圍接口部件。一般包括有 ：嵌入式處理器; 存儲器; I/O系統(tǒng)和外設(shè)2）嵌入式系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括 ： 操作系統(tǒng) 應(yīng)用軟件3）嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具（1）硬件開發(fā)工具包括 ：仿真器等 ；其它（示波器等）（2）軟件開發(fā)工具包括

3、： 編譯、連接、定位軟件，通常使用C語言；調(diào)試軟件。21 嵌入式系統(tǒng)基本硬件架構(gòu)¡ 嵌入式系統(tǒng)基本硬件架構(gòu)主要包括有處理器、外圍電路及接口和外部設(shè)備三大部分。其中外圍電路一般包括有時鐘、復(fù)位電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和電源模塊等部件組成。外部設(shè)備一般應(yīng)配有USB、顯示器、鍵盤和其他等設(shè)備及接口電路。硬件架構(gòu)的核心部件是微處理器。¡ 在一片嵌入式微處理器基礎(chǔ)上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路（ROM和RAM等），就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。22 嵌入式 系統(tǒng)的軟件組成嵌入式系統(tǒng)的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和相應(yīng)的各種應(yīng)用程序。

4、Ø 嵌入式操作系統(tǒng) 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)化瀏覽器等。具有編碼體積小，面向應(yīng)用，可裁剪和移植，實時性強(qiáng)，可靠性高，專用性強(qiáng)等特點。Ø 相應(yīng)的各種應(yīng)用程序 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)系統(tǒng) 開發(fā)工具一般用于開發(fā)主機(jī)（如微機(jī)），包括語言編譯器、連接定位器、調(diào)試器等。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺一般有4部分組成：硬件平臺、操作系統(tǒng)、編程語言和開發(fā)工具。 2.3 嵌入式系統(tǒng)的特點¡ 采用32位RISC嵌入式微處理器和實時操作系統(tǒng)組成的嵌入式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)和基于PC的控制方式相比，具有以下突出優(yōu)點：u

5、性能方面：采用32位RISC結(jié)構(gòu)微處理器，主頻從30MHz到1200MHz以上，處理能力大大超出單片機(jī)系統(tǒng)，接近PC機(jī)的水平，但體積更小，能夠真正地“嵌入”到設(shè)備中； u 實時性方面：嵌入式機(jī)控制器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)（RTOS），能夠完全保證控制系統(tǒng)的強(qiáng)實時性；u 人機(jī)交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器，提供功能強(qiáng)大的圖形用戶界面，這方面與PC機(jī)相比略要遜色一些；u 系統(tǒng)升級方面：嵌入式控制器可為控制系統(tǒng)專門設(shè)計，其功能專一，成本較低，而且開放的用戶程序接口（API）保證了系統(tǒng)能夠快速升級和更新。 ¡ 通常是面向特定應(yīng)用的；¡ 空間和各種資源相對不足，必須高效率地

6、設(shè)計，量體裁衣、去除冗余； ¡ 產(chǎn)品升級換代和具體產(chǎn)品同步，具有較長的生命周期； ¡ 軟件一般都固化在存儲器芯片； ¡ 不具備自舉開發(fā)能力 ，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)以下為以ARM為主的嵌入式系統(tǒng)的體系架構(gòu)1 嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.1 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)是由一個中央處理單元（CPU）和一個存儲器組成。這個存儲器存儲全部的數(shù)據(jù)和指令，并且可以根據(jù)所給的地址對其進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)和指令都存在一個存儲器中的計算機(jī)被稱為馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)。1.2馮·諾依曼體系的特點1）數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中2）每條指令的執(zhí)行周期：T= T

7、F+TD+TE+TS 取指令（Instruction Fetch)TF ； 令譯碼（Instruction Decode）TD； 執(zhí)行指令（Instruction Execute）TE； 存儲（Storage）TS3）被大多數(shù)計算機(jī)所采用。通常使用的ARM7就是屬于馮諾依曼體系。1.2 哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)為數(shù)據(jù)和程序提供了各自獨立的存儲器，程序計數(shù)器只指向程序存儲器而不指向數(shù)據(jù)存儲器。獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為數(shù)字處理提供了較高的性能，讓兩個存儲器有不同的端口，可以提供較大的存儲器帶寬。這樣一來，數(shù)據(jù)和程序不必再競爭同一個端口，這使得數(shù)據(jù)適時地移動更加容易。目前大部分DSP和A

8、RM9微處理器都是采用這種哈佛體系結(jié)構(gòu)1.3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境，硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的主要特點。在實際應(yīng)用中，除了微處理器和基本的外圍電路外，其余的電路可根據(jù)需要和成本進(jìn)行裁剪和定制。1 嵌入式微處理器隨著嵌入式系統(tǒng)不斷深入人們生活中的各個領(lǐng)域，嵌入式處理器得到了前所未有的發(fā)展。全世界嵌入式處理器品種總量超過1500多種，流行體系結(jié)構(gòu)有50多個系列?，F(xiàn)在幾乎每個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有了自己的處理器設(shè)計部門。嵌入式處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)的中的CPU，是嵌入式系統(tǒng)的核心。在應(yīng)用中，嵌入式處理器具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性

9、高等優(yōu)點。目前比較有影響的嵌入式RISC處理器產(chǎn)品有IBM的PowerPc,MIPS公司的MIPS,SUN公司的Sparc和ARM公司的ARM系列。ARM的成功在于它極好的性能和極低的功耗，使得它能夠與高端的MIPS和Powerpc嵌入式微處理器抗衡。另外，根據(jù)市場需求進(jìn)行功能的擴(kuò)展，也是ARM取得成功的一個因素。隨著更多廠商的支持和加入，可以預(yù)見，在將來一段時間內(nèi)，ARM將主宰32位嵌入式處理區(qū)市場。2 存儲器一個嵌入式系統(tǒng)必須有一定的存儲器來存放和執(zhí)行代碼。在決定存儲器的層次、寬度和類型等特性時，必須綜合考慮價格、性能和功耗等因素。嵌入式存儲系統(tǒng)是由高速緩沖區(qū)Cache、主存儲器和輔助存儲

10、器（自選如CF卡、SD卡等）組成。嵌入式系統(tǒng)常使用FlashROM作為程序存儲器，因為嵌入式系統(tǒng)和臺式PC系統(tǒng)不一樣，其程序不會更改。在數(shù)據(jù)存儲中，常數(shù)數(shù)據(jù)可存儲在FlashROM中，而其他數(shù)據(jù)則需要使用RAM。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, 減少訪問主存儲器的所花的訪問時間。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址圖3 高速緩存Cache位于主存和內(nèi)核之間，用于提高處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。Cache改善了系統(tǒng)的總體性能，但同時使得系統(tǒng)的執(zhí)行時間不得不可預(yù)測，并且都市是系統(tǒng)響應(yīng)也么有什么幫助。為此，在許多小型嵌入式系統(tǒng)中，并不需要使用Cache來優(yōu)化

11、性能。主存的容量較大（一般為256KB256MB，甚至更大），它可根據(jù)具體的應(yīng)用而定，通常是一些獨立的芯片。在各級存儲器中，輔助存儲器的容量最大，但速度最慢。如今輔助存儲器的容量能夠從600MB到上百GB。另外，存儲器的類型包括：只讀存儲器ROM、Flash ROM（閃存）、動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（DRAM）、靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（SRAM）、同步動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（SDRAM）、硬盤、軟盤和CD-ROM等外存儲器。3 外設(shè)及接口 嵌入式系統(tǒng)與外界交互需要一定形式的外設(shè)，片外其它設(shè)備通過外設(shè)接口與芯片連接。每一個外設(shè)通常只有一個單一的功能，可以內(nèi)置在芯片上。外設(shè)種類很多，如下：(1)輸入/輸出設(shè)備。

12、CRT、LCD和觸摸屏等，構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)中重要的信息輸入/輸出設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛。觸摸屏可以方便的實現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤的功能。(2)通信接口。所有計算機(jī)通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用最廣泛的設(shè)備接口包括RS-232、RS-485、USB、CAN總線、藍(lán)牙、以太網(wǎng)接口和GPIO。(3)存儲擴(kuò)展接口。目前嵌入式系統(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，需要大容量的內(nèi)存。但由于大容量的內(nèi)存使得系統(tǒng)成本提高，因此，一些高端嵌入式系統(tǒng)都會為日后用戶有特別需求時，預(yù)留可擴(kuò)展存儲接口。2 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)對于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包含4個層面：設(shè)備驅(qū)動層、實時操作系統(tǒng)RTOS、應(yīng)用程序接

13、口API層、實際應(yīng)用程序?qū)印?1)驅(qū)動層程序驅(qū)動層程序是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，使用任何外部設(shè)備都需要有相應(yīng)驅(qū)動層程序的支持，它為上層軟件提供了設(shè)備的接口。上層軟件不用理會設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動層程序提供的接口即可。驅(qū)動層程序一般包括硬件抽象層HAL、板極支持包BSP和設(shè)備驅(qū)動程序。(2)實時操作系統(tǒng)RTOS實時多任務(wù)操作系統(tǒng)主要用來完成嵌入式實時應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能。這些功能是通過內(nèi)核服務(wù)函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS的系統(tǒng)調(diào)用，或者叫做RTOS的API。實時操作系統(tǒng)可根據(jù)實時應(yīng)用環(huán)境的要求對內(nèi)核進(jìn)行裁剪和重置設(shè)置，根據(jù)不同的應(yīng)用，其組成有所不同，但實時內(nèi)

14、核、網(wǎng)絡(luò)組建、文件系統(tǒng)和圖形接口等幾個重要組成部分是不太變化的。實時操作系統(tǒng)的引入大大提高到了起入室系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性。RTOS的體系結(jié)構(gòu)如下所示：圖4 RTOS的體系結(jié)構(gòu)圖(3)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口APIAPI（Application Programming Interface,應(yīng)用程序接口）是一系列復(fù)雜的函數(shù)、消息和結(jié)構(gòu)的集合體。嵌入式操作系統(tǒng)下的API和一般操作系統(tǒng)下的API在功能、含義及知識體系上完全一致?？蛇@樣理解API：在計算機(jī)系統(tǒng)中有很多可通過硬件或外部設(shè)備去執(zhí)行的功能，這些功能的執(zhí)行可通過計算機(jī)操作系統(tǒng)或硬件預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)

15、指令調(diào)用，而軟件人員在編制應(yīng)用程序時，就不需要為每種可通過硬件或外設(shè)執(zhí)行的功能重新編制程序，只需按系統(tǒng)或某些硬件事先提供的API調(diào)用即可完成功能的執(zhí)行。因此在操作系統(tǒng)中提供標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，可加快用戶應(yīng)用程序的開發(fā)，統(tǒng)一應(yīng)用程序的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，也為操作系統(tǒng)版本的升級帶來了方便。在API函數(shù)中，提供了大量的常用模塊，可大大簡化用戶應(yīng)用程序的編寫。(4)應(yīng)用程序操作系統(tǒng)是為應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)服務(wù)的軟件。而應(yīng)用程序是在CPU上執(zhí)行的一個或多個程序，在執(zhí)行過程中會使用輸入數(shù)據(jù)并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序的管理包括程序載入和執(zhí)行，程序?qū)ο到y(tǒng)資源的共享和分配，并避免分配到的資源被其他程序破壞。實際的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟

16、件建立在系統(tǒng)的主任務(wù)（Main Task）基礎(chǔ)之上。用戶應(yīng)用程序主要通過調(diào)用系統(tǒng)的API函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成用戶應(yīng)用功能開發(fā)。在用戶的應(yīng)用程序中，也可創(chuàng)建用戶自己的任務(wù)。任務(wù)之間的協(xié)調(diào)主要依賴于系統(tǒng)的消息隊列。常用的嵌入式操作系統(tǒng)包括：Linux操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)類似于UNIX，是一種免費的、源代碼完全開放的操作系統(tǒng)。由于Linux操作系統(tǒng)的界面和編程接口與UNIX類似，所以UNIX程序員可以很容易的從UNIX環(huán)境轉(zhuǎn)移到Linux環(huán)境中來。uc/os-II操作系統(tǒng)。uc/os-II操作系統(tǒng)是一個可裁剪、源碼開放、結(jié)構(gòu)小巧的實時多任務(wù)內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行率高、占

17、用空間小、可移植性強(qiáng)和可擴(kuò)展線性等優(yōu)點。uc/os-II最多可支持64個任務(wù)。編譯后的uc/os-II具有良好的可擴(kuò)展性，例如，系統(tǒng)本身不支持文件系統(tǒng)，但是如果需要也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。Windows CE 操作系統(tǒng)。Windows CE 操作系統(tǒng)是針對有限資源的平臺而設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先性、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，但他不是一個硬實時操作系統(tǒng)。Windows CE 操作系統(tǒng)最大特點是能提供與PC類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序。只要是對PC上的Windows 操作系統(tǒng)熟悉的用戶，就可很快的使用基于Windows CE 操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備。2.4 流水線技術(shù)計算機(jī)中一條指令的指向可分為若干個階

18、段，由于每個階段的操作相對都是獨立的。因此可以采用流水線的重疊技術(shù)來大大提高系統(tǒng)的性能。在流水線裝滿以后，幾個指令可以并行執(zhí)行。這樣可充分利用現(xiàn)有硬件資源，提高了CPU的運行效率。譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSub以ARM7為例，ARM處理器使用的簡單3級流水線分別為： 取指級：取指級完成程序存儲器中指令的讀取，并放入指令流水線中。 譯碼級：對指令進(jìn)行譯碼 ，為下一周期準(zhǔn)備數(shù)據(jù)路徑需要的控制信號。這一級指令“占有”譯碼邏輯，而不“占有”數(shù)據(jù)路徑。 執(zhí)行級：指令“占有”數(shù)據(jù)路徑，寄存器被讀取，操作數(shù)在桶式移位器中被移位，ALU產(chǎn)生相應(yīng)的運算結(jié)果并回寫到目的寄存

19、器中，ALU的結(jié)果則根據(jù)指令需求來更改狀態(tài)寄存器的條件位。ARM9 架構(gòu)采用了5級流水線：Ø 增加了I-Cache和D-Cache，把存儲器的取指與數(shù)據(jù)存取分開；Ø 增加了數(shù)據(jù)寫回的專門通路和寄存器； Ø 把指令的執(zhí)行過程分割為5階段: 取指令； 指令譯碼、寄存器讀、分支目標(biāo)計算及執(zhí)行； 移位和ALU操作； 數(shù)據(jù)Cache訪問； 結(jié)果寫回到寄存器。 取指：指令從存儲器中取出，放入指令流水線。 譯碼：指令譯碼，從寄存器中讀取寄存器操作數(shù)。在寄存器組中有3個操作數(shù)讀端口，因此大多數(shù)ARM指令能在一個周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。 執(zhí)行：把一個操作數(shù)移位，產(chǎn)生ALU的結(jié)果。如果指

20、令是Load或Store，在ALU中計算存儲器的地址。 緩沖/數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲器。否則，ALU的結(jié)果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便使所有指令具有同樣的流水線流程。 回寫：將指令產(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器，包括任何從存儲器讀取的數(shù)據(jù)。ARM7微處理器系列主要特點 ARM7微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng)用。其具有如下特點： 具有嵌入式ICE-RT邏輯，調(diào)試方便。 極低的功耗（100mW左右），適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 能夠提供0.9MIPS/MHZ的三級流水線結(jié)構(gòu)。兼容16位Thumb指令集；對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Win CE、Linux等；指令系統(tǒng)與ARM9、ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代；主頻通常為20100MHZ。速度為0.9MIPS/MHz 。ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器內(nèi)核。主要性能：工藝0.35um（新近0.25um）、電壓3.3V（新近1.2v）、時鐘066MHZ、功耗87mW。ARM9微處理器系列主要特點 ARM9E系列微處理器為綜合型處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微處理器、DSP、Java應(yīng)