電子設計自動化第1匯編

1、電子設計自動化第1講山西大學 張志才主講1.1 嵌入式系統簡介1.2 嵌入式系統的組成第一章 嵌入式系統概述廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統都可稱為嵌入式系統。如各類單片機和DSP系統。這些系統在完成較為單一的專業(yè)功能時具有簡潔高效的特點。但由于他們沒有操作系統，管理系統硬件和軟件的能力有限，在實現復雜多任務功能時，往往困難重重，甚至無法實現。從狹義上講，那些使用嵌入式微處理器構成獨立系統，具有自己操作系統，具有特定功能，用于特定場合的專用軟硬件系統稱為嵌入式系統。1.1 嵌入式系統簡介嵌入式系統的幾個重要特征 1.系統內核?。?由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置的，系統資源相對

2、有限，所以內核較之傳統的操作系統要小得多。2.專用性強： 嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行操作系統的移植。 即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。 3.系統精簡： 嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于控制系統成本，同時也利于實現系統安全。4.高實時性OS： 這是嵌入式軟件的基本要求。軟件代碼要求高質量和高可靠性、實時性。5.嵌入式系統需要開發(fā)工具和環(huán)境： 由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一

3、套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 1.2 嵌入式系統的組成嵌入式系統由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成。嵌入式硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內部。嵌入式軟件是實時多任務操作系統和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。嵌入式系統的整體架構對嵌入式微處理器的要求對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間。具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。可擴展的處理器結構，能迅速地開發(fā)出滿足應用需求的產品。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至W級。嵌入式微處理器分類嵌入式系統硬件核心是嵌入式處理

4、器。嵌入式處理器可以分為四類： 嵌入式微處理器EMPU （Embedded Microprocessor Unit） 嵌入式微控制器EMCU （Embedded Microcontroller Unit） 嵌入式數字信號處理器EDSP （Embedded Digital Signal Processor） 嵌入式片上系統ESoC （Embedded System on Chip） 嵌入式系統硬件核心嵌入式微處理器EMPU嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統體積小和功

5、耗低的要求。嵌入式微處理器制造商：摩托羅拉、英特爾、IBM、日立、NEC、東芝、AMD、國家半導體、Zilog、IDT、富士通、Atmel、太陽、微系統、夏普、Oki、飛利浦等。主要的嵌入式微處理器包括：Motorola PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。 嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設接口封裝在同一片集成電路里。嵌入式微控制器制造商：摩托羅拉、英特爾、英飛凌科技、 Atmel、日立、NEC、三菱、東芝、松下、Microchip、富士、飛利

6、浦、德州儀器、三星、三洋、索尼、Oki、凌陽科技等。主要的嵌入式微控制器包括：MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR等系列。 嵌入式微控制器EMCU嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領域應用廣泛。DSP正在大量進入嵌入式市場，目前廣泛應用的是TI產品TMS320C2000 /C5000系列，另外Intel和Siemens也有相應的產品。嵌入式數字信號處理器EDSPESoC：在一個硅片上實現一個更為復雜的系統。各種通用處理器內

7、核將作為SoC設計公司的標準庫，成為 VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述。 用戶只需定義出整個應用系統，仿真通過后，就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 嵌入式片上系統ESoC 嵌入式系統軟件核心包括： 系統軟件：嵌入式操作系統 支撐軟件：嵌入式軟件開發(fā)平臺及工具 應用軟件：嵌入式應用軟件 嵌入式系統軟件核心1軟件要求固態(tài)化存儲 為了提高執(zhí)行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯

8、在磁盤中。2軟件代碼高質量、高可靠性 盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。嵌入式系統軟件的特征3操作系統軟件具有高實時性 在多任務嵌入式系統中，對各項任務進行統籌兼顧、合理調度是保證系統功能的關鍵，單純提高處理器的速度是無法完成這些要求的，也是沒有效率的，這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統軟件來完成，因此操作系統軟件的高實時性是基本要求。4 嵌入式系統應用語言： 據統計，在嵌入式系統設計中，最受歡迎的前3種編程語言分別是C(74.

9、6%)、匯編(69.6%)和C+ (50.1%)。嵌入式系統軟件的特征通用計算機具有完善的操作系統，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統則不同，應用程序用匯編語言和C語言來開發(fā)，可以沒有操作系統直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。嵌入式實時操作系統嵌入式操作系統采用微內核結構，內核只提供基本的功能，比如：任務的調度、任務之間的通信與同步、內存管理、時鐘管理等。其它的應用組件，比如網絡功能、文件系統等均工作在用戶態(tài)，以系統進程或函

10、數調用的方式工作。因而系統都是可裁減的，用戶可以根據自己的需要選用相應的組件。 嵌入式實時操作系統特點 1微內核結構任務的調度有三種方式：可搶占式調度、不可搶占式調度和時間片輪轉調度。不可搶占式調度：一個任務一旦獲得CPU就獨占CPU運行，除非由于某種原因，它決定放棄CPU的使用權；可搶占式調度：基于任務優(yōu)先級，當前正在運行的任務可以隨時讓位給優(yōu)先級更高的處于就緒態(tài)的其它任務；時間片輪轉調度：當兩個或兩個以上任務有同樣的優(yōu)先級，不同任務輪轉地使用CPU，直到系統分配的CPU時間片用完。目前，大多數嵌入式操作系統對不同優(yōu)先級的任務采用基于優(yōu)先級的可搶占式調度法，對相同優(yōu)先級的任務則采用時間片輪轉

11、調度法。 嵌入式實時操作系統特點 2任務調度多數嵌入式系統對時間的要求較高，稱之為實時系統。有兩種類型的實時系統：硬實時系統和軟實時系統。軟實時系統并不要求限定某一任務必須在一定的時間內完成，只要求各任務運行得越快越好；硬實時系統對系統響應時間有嚴格要求，一旦系統響應時間不能滿足，就可能會引起系統崩潰或致命的錯誤，一般在工業(yè)控制中應用較多。 嵌入式實時操作系統特點 3硬實時和軟實時一些桌面操作系統使用了虛擬存儲器的概念。采用段式管理、頁式管理、或段頁式管理。但是，大多數嵌入式系統不使用虛存技術，對內存的訪問是直接的，使用物理地址；而且，大多數嵌入式操作系統對內存空間沒有保護，各個進程共享同一個

12、運行空間。一個進程在執(zhí)行前，系統必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲器。由此可見，嵌入式系統的開發(fā)人員必須參與系統的內存管理，對軟件中的一些內存操作必須格外小心。 嵌入式實時操作系統特點 4內存管理嵌入式操作系統內核可以在Flash上直接運行，也可以加載到內存中運行。 嵌入式實時操作系統特點 5內核加載方式常見的實時操作系統 國內RTOS：女媧Hopen桑夏2000Delta OS中軟Linux2.0Linux HardHatLinux (Monta Vista)Red Flag Linux（紅旗Linux）HBOS（“天堂之鳥”）SuseRed HatEmbedixLynxOS (LynuxWorks) 常見的實時操作系統 國外RTOS：VX Works (風河系統)Windows CE (微軟)VRTX (明導資訊)PalmPowerTVAMX (KADAK)C ExecutivePSX (JMI)VelOSity (Green Hil