第1章嵌入式系統(tǒng)概述

第1章嵌入式系統(tǒng)概述第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1什么是嵌入式系統(tǒng)1.2嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和種類1.3嵌入式微處理器1.4嵌入式操作系統(tǒng)1.5嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)第1章嵌入式系統(tǒng)概述

1.1嵌入式系統(tǒng)定義1.IEEE的定義嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”（原文為devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。2.目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)1.組成:嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成，硬件部分包括嵌入式微處理器和外圍接口電路與設(shè)備等，軟件部分包括嵌入式操作系統(tǒng)和用戶的應(yīng)用程序

1.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)硬件組成2.特點(diǎn)：1）系統(tǒng)內(nèi)核小。2）專用性強(qiáng)。3）系統(tǒng)精簡。4）實(shí)時(shí)性高。5)具有多任務(wù)處理功能。6）系統(tǒng)剪裁方便。

1.1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展簡史及趨勢

1.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下4個階段。（1）無操作系統(tǒng)階段（2）簡單操作系統(tǒng)階段

20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微處理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real-timeOperationSystem，RTOS）逐漸形成，系統(tǒng)能夠運(yùn)行在各種不同類型的微處理器上，具備了文件和目錄管理、設(shè)備管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面（GraphicUserInterface，GUI）等功能，并提供了大量的應(yīng)用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API），從而使應(yīng)用軟件的開發(fā)變得更加簡單。（4）面向Internet階段

(1)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項(xiàng)系統(tǒng)工程，開發(fā)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還要提供強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。(2）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢。

(3)新的微處理器層出不窮，精簡系統(tǒng)內(nèi)核，優(yōu)化關(guān)鍵算法，降低功耗和軟硬件成本。提供更加友好的多媒體人機(jī)交互界面。(4)Linux、WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系統(tǒng)迅速發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加便于移植，具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)支持更多的微處理器。計(jì)算機(jī)的新技術(shù)、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式軟件平臺得到進(jìn)一步完善。(5)提供友好的多媒體人機(jī)界面。

(6).IP核（IntellectualPropertyCore，知識產(chǎn)權(quán)核

SOC（SystemOnChip，片上系統(tǒng)）SOC是指在單芯片上集成數(shù)字信號處理器、微控制器、存儲器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊，可以直接實(shí)現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理等功能。

IP核是指具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個集成電路設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片（SOC）的基本構(gòu)件。2.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.2嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和種類

1.2.1典型的嵌入式系統(tǒng)組成應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）輸入/輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器DMA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)用層軟件硬件以太網(wǎng)看門狗及復(fù)位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存電源管理1.2.2嵌入式系統(tǒng)的種類

嵌入式系統(tǒng)按工業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜程度課分為以下4類:1）簡單功能處理系統(tǒng)，系統(tǒng)只由單片嵌入式微處理器和輔助器件組成。典型的應(yīng)用是溫度傳感器、煙霧和氣體探測器及斷路器這些小型設(shè)備。2）可擴(kuò)展處理器系統(tǒng)，如擴(kuò)展存儲器和外部接口。這類系統(tǒng)中，微處理器字長多為8位或16位。主要應(yīng)用于過程控制、信號放大器、位置傳感器及閥門傳動器等設(shè)備。3）復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，這類嵌入式系統(tǒng)一般選用16位、32位嵌入式微處理器，面向大規(guī)模的應(yīng)用。雖然外設(shè)接口一般仍集成在微處理器外，但由于應(yīng)用軟件規(guī)模較大，必須擴(kuò)展包括存儲器在內(nèi)的多種IC芯片，如：1MB以上的擴(kuò)展存儲器、音視頻處理芯片、加密解密芯片、顯示芯片等。這類系統(tǒng)常用于控制器、電話交換機(jī)、電梯、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)藥監(jiān)視系統(tǒng)、診斷及實(shí)時(shí)榨制系統(tǒng)、移動設(shè)備、機(jī)頂盒等。4）過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這類嵌入式系統(tǒng)與儀器、機(jī)械及設(shè)備相連來控制整個過程。嵌入式系統(tǒng)一般用于總體控制和監(jiān)視，而不是對單個設(shè)備直接控制。在很多情況下，過程控制系統(tǒng)可與業(yè)務(wù)系統(tǒng)連接，兩者可在一個主系統(tǒng)操作下協(xié)同運(yùn)行。1.3嵌入式微處理器

1.3.1嵌入式微處理器的分類

嵌入式微控制器

嵌入式微處理器

嵌入式DSP嵌入式片上系統(tǒng)SoC精簡指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，RISC），目前IBM、DEC、Intel和Motorola等公司都在研究和發(fā)展RISC技術(shù)，RISC具有的一般特點(diǎn)：具有大量的寄存器。絕大多數(shù)操作在寄存器中進(jìn)行，通過Load/Store指令系統(tǒng)在內(nèi)存和寄存器間傳遞數(shù)據(jù)。尋址方式簡單。采用固定長度的指令格式。采用高級語言編程，重視編譯優(yōu)化工作，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。1.3.2ARM嵌入式處理器的內(nèi)核和架構(gòu)

1.ARM系列處理器是英國先進(jìn)RISC機(jī)器公司的產(chǎn)品。

與一般公司不同，ARM公司只采用IP授權(quán)的方式允許半導(dǎo)體公司生產(chǎn)基于ARM的處理器產(chǎn)品，提供基于ARM處理器內(nèi)核的系統(tǒng)芯片解決方案和技術(shù)授權(quán)，不提供具體的芯片。2.ARM公司(AdvancedRISCMachinesLimited，ARMLimited)成立于1990年，是嵌入式RISC處理器的知識產(chǎn)權(quán)IP供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARMARM處理器核(ARM710T/720T/740T、ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E及ARM1020E等)。目前，ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。

ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點(diǎn)版本ARM處理器系列特點(diǎn)ARMv1ARM1該版體系結(jié)構(gòu)只在原型機(jī)ARM1出現(xiàn)過，沒有用于商業(yè)產(chǎn)品?；拘阅埽海?）基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）（2）26位尋址ARMv2ARM2和ARM3該版體系結(jié)構(gòu)對ARMv1版進(jìn)行了擴(kuò)展，版本ARMv2a是v2版的變種，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加了以下功能：（1）32位乘法和乘加指令（2）支持32位協(xié)處理器操作指令（3）快速中斷模式嵌入式微處理器ARMv3ARMv3MARM6ARM7DIARM7MARMv3版體系結(jié)構(gòu)對ARM體系結(jié)構(gòu)作了較大的改動：（1）尋址空間增至32位（4GB）（2）獨(dú)立的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR和程序狀態(tài)保存寄存器SPSR，保存程序異常中斷時(shí)的程序狀態(tài)，以便于對異常的處（3）增加了異常中斷（Abort）和未定義兩種處理器模式（4）增加了MMU支持（5）ARMv3M增加了有符號和無符號長乘法指令A(yù)RMv4ARMv4TStrongARMARM7TDMIARM9TARMv4版體系結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣的ARM體系結(jié)構(gòu)，在v3版上作了進(jìn)一步擴(kuò)充，指令集中增加了以下功能：（1）增加了系統(tǒng)模式（2）增加了16位Thumb指令集（3）完善了軟件中斷SWI指令的功能（4）不再支持26位尋址模式嵌入式微處理器ARMv5TEARMv5TEJARM9EARM10EXscaleARM7EJARM926EJARMv5版體系結(jié)構(gòu)在ARMv4版基礎(chǔ)上增加了一些新的指令，包括：（1）增加ARM與Thumb狀態(tài)之間切換的指令（2）增強(qiáng)乘法指令和快速乘累加指令（3）增加了數(shù)字信號處理指令（ARMv5TE版）（4）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版體系結(jié)構(gòu)是2001年發(fā)布的，首先在ARM11處理器中使用。此體系結(jié)構(gòu)在ARMv5版基礎(chǔ)上增加了以下功能：（1）Thumb2增強(qiáng)代碼密度（2）SIMD增強(qiáng)媒體和數(shù)字處理功能（3）TrustZone提供增強(qiáng)的安全性能（4）IEM提供增強(qiáng)的功耗管理功能嵌入式微處理器ARMv7Cortex系列ARMv7版體系結(jié)構(gòu)定義了3種不同的微處理器系列：（1）A系列為面向應(yīng)用的微處理器核，支持復(fù)雜操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用（2）R系列為深度嵌入的微處理器核，針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用（3）M系列為微控制核，針對成本敏感的嵌入式控制應(yīng)用嵌入式微處理器1.3.3ARM微處理器結(jié)構(gòu)

1.RISC體系結(jié)構(gòu)RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：1）采用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種；2）使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行；3）大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進(jìn)行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。除此以外，ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，并降低功耗：1）所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。2）可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。3）可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理。4）在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運(yùn)行效率。2．ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組（BANK），這些寄存器包括：1）31個通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器；2）6個狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。

ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14）、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。3．ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。1.3.4ARM嵌入式處理器的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

1.ARM微處理器的主要特點(diǎn)：1）體積小、低功耗、低成本、高性能；2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；5）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；6）指令長度固定。2.ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：

1）工業(yè)控制領(lǐng)域。2）無線通訊領(lǐng)域。3）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。4）消費(fèi)類電子產(chǎn)品。頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。5）成像和安全產(chǎn)品。現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。1.3.5嵌入式處理器的選型原則

1．ARM微處理器內(nèi)核的選擇用戶如果希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（MemoryManagementUnit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。2．系統(tǒng)的工作頻率ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘為20MHz-133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。3．芯片內(nèi)存儲器的容量4．片內(nèi)外圍電路的選擇1.4嵌入式操作系統(tǒng)

1.4.1操作系統(tǒng)的概念和分類

操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核。操作系統(tǒng)是一個龐大的管理控制程序，大致包括5個方面的管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機(jī)上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，可分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、主機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)；根據(jù)源碼開放程度，可分為開源操作系統(tǒng)(Linux、ChromeOS)和不開源操作系統(tǒng)(Windows、MacOS)；根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，可分為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Netware、WindowsNT、OS/2warp)、分布式系統(tǒng)(Amoeba)、多媒體系統(tǒng)(Amiga)；根據(jù)操作系統(tǒng)的使用環(huán)境和對作業(yè)處理方式來考慮，可分為批處理系統(tǒng)(MVX、DOS/VSE)、分時(shí)系統(tǒng)(Linux、UNIX、XENIX、MacOS)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)(iEMX、VRTX、RTOS，RTWINDOWS)；1.4.2嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux開發(fā)模式流程1.4.2嵌入式Linux操作系統(tǒng)1、嵌入式LinuxμCLinux操作系統(tǒng)2、WinCE操作系統(tǒng)3、、Nucleus4、μC/OS-II5、Symbian操作系統(tǒng)

6、VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，但大體上可分為兩種—商用型和免費(fèi)型。1、商用型的操作系統(tǒng)主要有VxWorks、WindowsCE、Psos、PalmOS、OS-9、LynxOS、QNX、LYNX等2、免費(fèi)型的操作系統(tǒng)主要有Linux和μC/OS-II3、嵌入式系統(tǒng)需要的是高度簡練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)一、μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

1、μC/OS-II是一個可裁減的、源代碼開放的、結(jié)構(gòu)小巧、可剝奪型（占先式）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)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。2、μC/OS-II中最多可以支持64個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0~63，其中0為最高優(yōu)先級。實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都是運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)，是真正的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。3、μC/OS-II最大程度上使用ANSIC語言開發(fā)，現(xiàn)已成功移植到近40多種處理器體系上。典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

一、μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核4、μC/OS-II結(jié)構(gòu)小巧，最小內(nèi)核可編譯至2k，即使包含全部功能如信號量、消息郵箱、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù)等，編譯后的μC/OS-II內(nèi)核也僅有6~10kb，所以它比較適用于小型控制系統(tǒng)。5、μC/OS-II具有良好的擴(kuò)展性能，比如系統(tǒng)本身不支持文件系統(tǒng)，但是如果需要的話也可自行加入文件系統(tǒng)的內(nèi)容。二、WinCE操作系統(tǒng)典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹

1、MicrosoftWindowsCE是針對有限資源的平臺而設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，但它不是一個硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。2、高度模塊化是WinCE的一個鮮為人知的特性，這一特性有利與它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。3、WinCE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM，它不僅支持Win32API子集、多種硬件、多種串行和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、COM