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嵌入式系統(tǒng)第二節(jié)嵌入式系統(tǒng)基本知識嵌入式系統(tǒng)的基本知識嵌入式處理器基本知識嵌入式軟件基本知識

嵌入式系統(tǒng)的構成硬件軟件嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的構成-硬件層Cache主存嵌入式微處理器存儲器通用設備接口和I/O接口輔助存儲器硬件層嵌入式系統(tǒng)的存儲結構軟件構成嵌入式處理器基本知識嵌入式處理器分類嵌入式微處理器體系結構★馮·諾依曼體系結構和哈佛體系結構

CISC與RISC

★信息存儲的字節(jié)順序

★流水線技術

嵌入式處理器特點及發(fā)展方向

嵌入式處理器概述

嵌入式處理器現(xiàn)狀:品種繁多,結構各異,參差不齊

嵌入式處理器分類一般可將嵌入式處理器分為以下4類:嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit,MPU)嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip,SOC)嵌入式微控制器(MCU)微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富,適合于控制,因此稱為微控制器。微控制器芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設。單片機,這種8/16位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。嵌入式微處理器(MPU)嵌入式微處理器MPU是應由通用計算機中的CPU演變而來的。與計算機處理器不同的是,在實際嵌入式應用中,只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求。非單片機,要有外部的RAMROM嵌入式微處理器(MPU)和工業(yè)控制計算機相比,嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式微處理器類型有ARM、MIPS、PowerPC、68K系列等ARM:(AdvancedRISCMachines)

RISC(ReducedInstructionSetComputer)MIPS:MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages

(NOTMillionInstructionsPerSecond)PowerPC:早期Motorola和IBM聯(lián)合68K:

Motorola,較早的一款嵌入式處理器嵌入式DSP處理器(DSP)DSP(DigitalSignalProessor)的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn),但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn),所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP的運算速度進一步提高,應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器,其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計,在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。目前最為廣泛應用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)SoC

就是SystemonChip,SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。EDA和VLSI及半導體工藝的發(fā)展,催生了SOC的來臨。它以IPCORE為核心,結合了許多功能區(qū)塊,將功能做在一個芯片上。ARMRISC、MIPSRISC、DSP或其他的微處理器核心,加上通信的接口單元,像是通用串行端口(USB)、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等等,這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。其它嵌入式芯片--FPGA設計的一個數(shù)字頻率合成器。根據(jù)微機產(chǎn)生的二進制碼的控制,用來產(chǎn)生1Hz到1999999Hz,頻率間隔為1Hz的脈沖信號。分立式12片四位二進制全加器74LS283、14片四位比較器74S85、3片八D觸發(fā)器74LS374、3片與非門74LS00、1片六反相緩沖器74LS06,共計33片集成電路,線路板面積太大。用FPGA僅需1片XC3030PC68、1片EPROM2732和1片六反相緩沖器74LS06就能達到同樣的功能,功耗也大降低。嵌入式處理器特點及發(fā)展方向特點:*支持實時多任務操作系統(tǒng)*強大的存儲區(qū)保護功能*處理器結構可擴展*低功耗發(fā)展方向:小體積高性能低功耗嵌入式微處理器體系結構★馮·諾依曼體系結構和哈佛體系結構

CISC與RISC

★信息存儲的字節(jié)順序

★流水線馮·諾依曼體系結構數(shù)據(jù)2指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1地址連續(xù)地址地址指令數(shù)據(jù)馮·諾依曼體系結構哈佛體系結構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指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)分離存放哈佛體系結構CISC和RISCCISC:復雜指令集(ComplexInstructionSetComputer)為增強指令功能,設置一些功能復雜的指令,把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的(微程序)指令系統(tǒng)來實現(xiàn),形成了擁有大量的指令和多種尋址方式的復雜但使用效率不高的指令系統(tǒng)8/2原則:80%的程序只使用20%的指令RISC:精簡指令集(ReducedInstructionSetComputer)設計重點是降低由硬件執(zhí)行的指令的復雜性,從而減少指令的種類,只提供簡單的操作,單周期內(nèi)完成,且指令長度固定。CISC的優(yōu)缺點強調(diào)硬件的復雜性優(yōu)點:簡化編譯器的結構缺點:指令使用頻度不均衡。高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時間,擴充的復雜指令往往是低頻度指令。軟硬功能分配復雜指令增加硬件的復雜度,使指令執(zhí)行周期大大加長,直接訪存次數(shù)增多,降低了CPU性能。不利于先進指令級并行技術的采用不利于采用流水線技術CISC與RISC的對比類別CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少,通常少于100執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長,如整塊的存儲器內(nèi)容拷貝;或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容拷貝到存貯器沒有較長執(zhí)行時間的指令編碼長度編碼長度可變,1-15字節(jié)編碼長度固定,通常為4個字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡單尋址操作可以對存儲器和寄存器進行算術和邏輯操作只能對寄存器進行算術和邏輯操作,Load/Store體系結構編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標代碼程序采用優(yōu)化編譯技術,生成高效的目標代碼程序信息存儲的字節(jié)順序(32Bit)大端模式字數(shù)據(jù)的高位字節(jié)存儲在低地址中字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中小端模式低地址中存放字數(shù)據(jù)的低字節(jié)高地址中存放字數(shù)據(jù)的高字節(jié)3124

2316

158

70字地址11109887654432100

低地址

高地址3124

2316

158

70

字地址89101184567401230

低地址

高地址示例A.小端存儲法(0x01234567)地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)(16進制表示)0x670x450x230x01數(shù)據(jù)(二進制表示)01100111010001010010001100000001B.大端存儲法地址0x80000x80010x80020x8003數(shù)據(jù)(16進制表示)0x010x230x450x67數(shù)據(jù)(二進制表示)00000001001000110100010101100111流水線技術非流水線技術的汽車生產(chǎn)線采用流水線技術的汽車生產(chǎn)線流水線技術流水線技術:幾個指令可以并行執(zhí)行提高了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AddSubCmp指令流水線—以ARM7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FetchDecodeExecute從存儲器中讀取指令解碼指令寄存器讀(從寄存器Bank)移位及ALU操作寄存器寫(到寄存器Bank)PC PCPC-4 PC-2PC-8 PC-4ARM Thumb返回嵌入式系統(tǒng)的構成(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、高速緩存的工作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)地址返回嵌入式系統(tǒng)中兩種常用的FLASH返回3.1嵌入式系統(tǒng)的構成-系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層嵌入式操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)圖形用戶接口(GraphicalUserInterface:GUI)應用軟件嵌入式操作系統(tǒng)基本知識無操作系統(tǒng)的單片機時代為什么需要嵌入式操作系統(tǒng)目前常見的4種嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的實時性嵌入式軟件體系結構(1)無操作系統(tǒng)的情形

在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展初期,由于硬件的配置比較低,對于是否有系統(tǒng)軟件的支持,要求還不是很強烈。在這個階段,嵌入式軟件的設計主要是以應用為核心,應用軟件直接建立在硬件上,沒有專門的操作系統(tǒng)。

1.循環(huán)輪詢系統(tǒng):(PollingLoop)最簡單的軟件結構,程序依次檢查系統(tǒng)的每個輸入條件,一旦條件成立就進行相應的處理。Initialize();while(1){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……

if(condition_n)acition_n();}嵌入式軟件體系結構(2)ISRISR后臺前臺ISR時間前后臺系統(tǒng)(后臺循環(huán)、前臺中斷)為什么需要操作系統(tǒng)為什么需要操作系統(tǒng)

?:使硬件方便使用

?:高效組織和正確使用系統(tǒng)硬件資源操作系統(tǒng)的主要任務:進程管理進程間通信與同步內(nèi)存管理I/O資源管理嵌入式軟件體系結構(3)有操作系統(tǒng)的情形硬件板級

初始化設備

驅(qū)動層以太網(wǎng)

驅(qū)動串口

驅(qū)動LCD

驅(qū)動鍵盤

驅(qū)動操作

系統(tǒng)層應用

軟件層TCP/IP

網(wǎng)絡系統(tǒng)文件

系統(tǒng)內(nèi)核嵌入式

GUIWWW

瀏覽器MP3

播放器電子

郵件…常見的4種嵌入式操作系統(tǒng)Linux/uClinux

WindowsCEvxWorks

μC/OS-II

uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng),完全開放代碼。

uClinux從Linux

2.0/2.4內(nèi)核派生而來。它是專門針對沒有MMU的CPU,并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標準豐富的API等。*嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——嵌入式Linux*

嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng),是基于掌上型電腦類的電子設備操作.它是精簡的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當出色。WinCE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面,并且在WinCE平臺上可以使用PCWindows上的編程工具(如VisualBasic、VisualC++等)、使絕大多數(shù)的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺上繼續(xù)使用。

——WinCE*

嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS),是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境,在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中,如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等,甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測器上也使用到了VxWorks。*

嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)

μC/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSIC寫的,使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器。μC/OS-II通過了聯(lián)邦航空局(FAA)商用航行器認證。自1992年問世以來,μC/OS-II已經(jīng)被應用到數(shù)以百計的產(chǎn)品中。μC/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源?!藽/OS-II嵌入式系統(tǒng)軟件分類嵌入式系統(tǒng)實時系統(tǒng)分時系統(tǒng)硬實時系統(tǒng)軟實時系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)軟件分類嵌入式實時系統(tǒng)是在工作在實時計算模式下的計算機系統(tǒng),簡稱實時系

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