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)：是將電腦硬件和軟件結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)專門的計(jì)算裝 置，完成特定的功能和任務(wù)。它工作在一個(gè)與外界發(fā)生交互并受到時(shí)間約束的環(huán) 境中，在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于被嵌入對(duì)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(huì)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,mon itor, or assist the operati on of equipme nt, mach inery or pla nts。一般

2、定義：“以應(yīng)用為中心、以電腦技術(shù)為根底、軟硬件可裁減，功能、可 靠性、本錢、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用電腦系統(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(chǔ)器等硬件、嵌入式系統(tǒng)軟件和嵌入式應(yīng) 用軟件所組成。如以下圖所示：應(yīng)用程序操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)輸入輸出硬件結(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(chǔ)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 ： 編譯、連接、定位軟件，通常使用 C 語言

3、；調(diào)試軟 件。2 1 嵌入式系統(tǒng)根本硬件架構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)根本硬件架構(gòu)主要包括有處理器、 外圍電路及接口和外部設(shè)備 三大局部。其中外圍電路一般包括有時(shí)鐘、復(fù)位電路、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)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根底上增加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路 ROM 和 RAM 等，就構(gòu)成了一個(gè)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。2 2 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。? 嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)

4、動(dòng)軟件、 系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí) 性強(qiáng)，可靠性高，專用性強(qiáng)等特點(diǎn)。? 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(tái)一般有 4 局部組成：硬件平臺(tái)、 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(diǎn)采用 32位 RISC 嵌入式微處理器和實(shí)時(shí)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(diǎn)：性能方面：采用 32 位 RISC 結(jié)構(gòu)微處理器，主頻從

5、 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；實(shí)時(shí)性方面：嵌入式機(jī)控制器內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS能夠完 全保證控制系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性；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； 系統(tǒng)升級(jí)方面：嵌入式控制器可為控制系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)， 其功能專一， 本錢較低，而且開放的用戶程序接口 API保證了系統(tǒng)能夠快速 升級(jí)和更新。通常是面向特定應(yīng)用的； 空間和各種資源相對(duì)缺乏，必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余； 產(chǎn)品升級(jí)換代和具體產(chǎn)品同步，具有較

6、長的生命周期；軟件一般都固化在存儲(chǔ)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)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)電腦系統(tǒng)是由一個(gè)中央處理單元CPU和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。這個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)全部的數(shù)據(jù)和指令，并且可以根據(jù)所給的地址對(duì)其進(jìn)行讀寫操 作。數(shù)據(jù)和指令都存在一個(gè)存儲(chǔ)器中的電腦被稱為馮 . 諾依曼結(jié)構(gòu)電腦。諾依曼體系的特點(diǎn)1數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中2 每條指令的執(zhí)行周期： T= TF+TD+TE+TS取指令 Instruction Fetch)TF ；令譯碼 Instruction Decode TD；執(zhí)行指令 Instruct

7、ion Execute TE；存儲(chǔ) Storage TS3被大多數(shù)電腦所采用。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)電腦為數(shù)據(jù)和程序提供了各自獨(dú)立的存儲(chǔ)器， 程序計(jì)數(shù)器只指 向程序存儲(chǔ)器而不指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為數(shù)字處理 提供了較高的性能，讓兩個(gè)存儲(chǔ)器有不同的端口，可以提供較大的存儲(chǔ)器帶寬。 這樣一來，數(shù)據(jù)和程序不必再競爭同一個(gè)端口， 這使得數(shù)據(jù)適時(shí)地移動(dòng)更加容易。目前大局部DSP和ARM9微處理器都是采用這種哈佛體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)硬件根本結(jié)構(gòu) 不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境， 硬件平臺(tái)的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的主要 特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中

8、， 除了微處理器和根本的外圍電路外， 其余的電路可根據(jù)需 要和本錢進(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(gè)領(lǐng)域，嵌入式處理器得到了前所 未有的開展。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(gè)系列?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)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(jì)部門。嵌入式處理器的根底是通用電腦的中的 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、本錢低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前比擬有 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司的

9、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(gè)因素。隨著更多廠商的支持和參加，可以預(yù)見，在將來一段時(shí)間 內(nèi)，ARM各主宰32位嵌入式處理區(qū)市場。2存儲(chǔ)器一個(gè)嵌入式系統(tǒng)必須有一定的存儲(chǔ)器來存放和執(zhí)行代碼。在決定存儲(chǔ)器的層 次、寬度和類型等特性時(shí)，必須綜合考慮價(jià)格、性能和功耗等因素。嵌入式存儲(chǔ) 系統(tǒng)是由高速緩沖區(qū)Cache主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器自選如 CF卡、SD卡等 組成。嵌入式系統(tǒng)常使用FlashROM乍為程序存儲(chǔ)器，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和臺(tái)式PC系統(tǒng)不一樣，其程序不會(huì)更改。

10、在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，常數(shù)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在FlashROM中， 而其他數(shù)據(jù)那么需要使用RAM高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存局部 主存內(nèi)容的拷貝，減少訪問主存儲(chǔ)器的所花的訪問時(shí)間。數(shù)據(jù)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(shí)使得系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)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)化性能。主存的容量較大一般為256KB-256MB甚至更大，它可根據(jù)具體的應(yīng)用 而定，通常是一些獨(dú)立的芯片。在各級(jí)存儲(chǔ)器中，輔助存儲(chǔ)器的容量最大，但速 度最慢。如今輔助

11、存儲(chǔ)器的容量能夠從 600MB到上百GB另外，存儲(chǔ)器的類型包括：只讀存儲(chǔ)器 ROM Flash ROM閃存、動(dòng)態(tài)隨機(jī) 訪問存儲(chǔ)器DRA靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器SRAM、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器SDRAM 硬盤、軟盤和 CD-ROM等外存儲(chǔ)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(gè)外設(shè)通常只有一個(gè)單一的功能， 可以內(nèi)置在芯片上。 外設(shè)種 類很多，如下： 輸入/輸出設(shè)備。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(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤的功能。(2) 通信接口。所有電腦通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都

12、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(chǔ)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)本錢提高， 因此，一些高端嵌入式系統(tǒng)都會(huì)為日后 用戶有特別需求時(shí)，預(yù)留可擴(kuò)展存儲(chǔ)接口。2 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)層面： 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS應(yīng)用程序接口 API層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)印?1) 驅(qū)動(dòng)層程序 驅(qū)動(dòng)層程序是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要局部，使用任何外部設(shè)備都需 要有相應(yīng)驅(qū)動(dòng)層程序的支持， 它為上

13、層軟件提供了設(shè)備的接口。 上層軟件不用理 會(huì)設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序提供的接口即可。 驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)主要用來完成嵌入式實(shí)時(shí)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)核效勞函數(shù)形式交給用戶調(diào)用的，也就是RTOS勺系統(tǒng)調(diào)用，或者叫做RTOS勺API。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境的要求對(duì)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(shí)時(shí)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)組建、文件系統(tǒng)和圖形接口等 幾個(gè)重要組成局部是不太變化的。實(shí)時(shí)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

14、總工作量，而且提高了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植 性。RTOS勺體系結(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 Programmi ng In terface,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(shí)體系上完全一致。可這樣理解API:在電腦系統(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)行可通過電腦操作系統(tǒng)或 硬件預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)指令調(diào)用，而軟件人員在編制應(yīng)用程序時(shí)，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 A

15、PI 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(jí)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)用程序提供根底效勞的軟件。而應(yīng)用程序是在CPU!執(zhí)行的 一個(gè)或多個(gè)程序， 在執(zhí)行過程中會(huì)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， 并防止分配到的資源被 其他程序破壞。實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件建立在系統(tǒng)的主任務(wù) Main Task 根底之上。 用戶應(yīng)用程序主要通過調(diào)用系統(tǒng)的 API 函

16、數(shù)對(duì)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)立用戶自己的任務(wù)。 任務(wù)之間的協(xié)調(diào)主要依 賴于系統(tǒng)的消息隊(duì)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(fèi)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-I I 操作系統(tǒng)。 uc/os-II 操作系統(tǒng)是一個(gè)可裁剪、源碼開放、結(jié)構(gòu) 小巧的實(shí)時(shí)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、 占用空間 小、可移植性強(qiáng)和可擴(kuò)展線性等優(yōu)點(diǎn)。 uc/os

17、-II 最多可支持 64 個(gè)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 需要也可自行參加文件系統(tǒng)的內(nèi)容。 WindowsCE操作系統(tǒng)。WindowsCE操作系統(tǒng)是針對(duì)有限資源的平臺(tái)而設(shè) 計(jì)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(gè)硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 Windows CE 操作系統(tǒng)最大特點(diǎn)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(duì) 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) 電腦中一條指令的指向可分為假設(shè)干個(gè)階段，由于每個(gè)階段的操作

18、相對(duì) 都是獨(dú)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(gè)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(yùn)行效率。AddSub取指譯碼執(zhí)行add執(zhí)行sub取指譯碼取指譯碼執(zhí)行cmp時(shí)間以ARM7為例，ARM處理器使用的簡單3級(jí)流水線分別為：?取指級(jí)：取指級(jí)完成程序存儲(chǔ)器中指令的讀取，并放入指令流水線中。?譯碼級(jí)：對(duì)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(hào)。 這一級(jí)指令 占有譯碼邏輯，而不 占有數(shù)據(jù)路徑。?執(zhí)行級(jí)：指令 占有數(shù)據(jù)路徑，存放器被讀取，操作數(shù)在桶式移位器中被 移位，ALU產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果并回寫到目的存放器中，ALU的結(jié)

19、果那么根據(jù)指令需求來更改狀態(tài)存放器的條件位。ARM9架構(gòu)采用了 5級(jí)流水線：?增加了 l-Cache和D-Cache,把存儲(chǔ)器的取指與數(shù)據(jù)存取分開；?增加了數(shù)據(jù)寫回的專門通路和存放器；?把指令的執(zhí)行過程分割為5階段：取指令；指令譯碼、存放器讀、分支目標(biāo)計(jì)算及執(zhí)行；移位和ALU操作；數(shù)據(jù)Cache訪問；結(jié)果寫回到存放器。?取指：指令從存儲(chǔ)器中取出，放入指令流水線。?譯碼：指令譯碼，從存放器中讀取存放器操作數(shù)。 在存放器組中有3個(gè)操 作數(shù)讀端口，因此大多數(shù) ARM指令能在一個(gè)周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。?執(zhí)行：把一個(gè)操作數(shù)移位，產(chǎn)生 ALU的結(jié)果。如果指令是Load或Store, 在ALU中計(jì)算存儲(chǔ)器的地

20、址。?緩沖/數(shù)據(jù)：如果需要，那么訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。否那么，ALU的結(jié)果只是簡單地緩沖一個(gè)時(shí)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)果回寫到存放器，包括任何從存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)。ARM7微處理器系列主要特點(diǎn)? ARM7微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對(duì)價(jià)位 和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。其具有如下特點(diǎn)：?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(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。?能夠提供的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。兼容 16 位 Thumb 指令集；對(duì)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(jí)換代；主頻 通常為 20100MHZ 。速度為。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：工藝新近、電壓新近、時(shí)鐘 066MHZ 、功耗 87mW。 ARM9 微處理器系列主要特點(diǎn)? 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)用系統(tǒng)的解決方案，極大地減少了芯片的面積和系 統(tǒng)的復(fù)雜程度。具有以下特點(diǎn)：? 支持 DSP 指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場合；? 5 級(jí)整數(shù)流水線；最高主頻可達(dá) 300MIP