嵌入式系統(tǒng)組成結構簡介演示文稿

嵌入式系統(tǒng)組成結構簡介演示文稿當前第1頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式系統(tǒng)組成結構簡介當前第2頁\共有70頁\編于星期四\22點一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及應用軟件系統(tǒng)等四個部分組成嵌入式系統(tǒng)的組成結構當前第3頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式系統(tǒng)的組成結構處理器存儲器輸入接口操作系統(tǒng)(驅動程序)應用程序軟件子系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)組成輸出接口外圍設備當前第4頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式系統(tǒng)的組成結構硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運行的基礎，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運行的物理平臺和通信接口；嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件是整個系統(tǒng)的控制核心，控制整個系統(tǒng)的運行，提供人機交互的信息等。嵌入式系統(tǒng)和實際應用對象密切相關，而實際應用非常繁雜，應用也日新月異，很難用一種構架或模型加以描述。我們將主要圍繞典型嵌入式系統(tǒng)的硬件組成和軟件組成部分加以詳細講述。當前第5頁\共有70頁\編于星期四\22點

應用程序實時操作系統(tǒng)（RTOS）輸入輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點運算協(xié)處理器DMA圖2-1典型的嵌入式系統(tǒng)組成人機交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標設備驅動程序、HAL、BSP文件系統(tǒng)/圖形用戶應用程序接口驅動層OS層應用層軟件硬件以太網看門狗及復位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內存電源管理嵌入式系統(tǒng)的組成結構圖作用：防止程序發(fā)生死循環(huán)（程序跑飛）。工作原理：系統(tǒng)運行后即啟動看門狗，開始自動計數，如果到一定時間未清看門狗，看門狗就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。當前第6頁\共有70頁\編于星期四\22點軟件系統(tǒng)軟件(software)是計算機系統(tǒng)中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關數據(data)及其說明文檔(document)。其中：程序是按照事先設計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數據是程序能正常操縱信息的數據結構；文檔是與程序開發(fā)維護和使用有關的各種圖文資料。當前第7頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式軟件系統(tǒng)的分類嵌入式軟件系統(tǒng)軟件支撐軟件應用軟件控制、管理計算機系統(tǒng)的資源嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式中間件(CORBA、

Java)等等輔助軟件開發(fā)的工具系統(tǒng)分析設計工具仿真開發(fā)工具交叉開發(fā)工具測試工具配置管理工具維護工具等面向應用領域手機軟件路由器軟件交換機軟件飛控軟件等當前第8頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式軟件系統(tǒng)的分類從運行平臺來分，嵌入式軟件可以分為運行在開發(fā)平臺上的軟件：設計、開發(fā)、測試工具等。運行在嵌入式系統(tǒng)上的軟件：嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序、驅動程序及部分開發(fā)工具。宿主機目標機當前第9頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結構硬件應用層驅動層操作系統(tǒng)層中間件層板級初始化FLASH驅動RTC/定時器驅動串口驅動以太網驅動LCD

驅動鍵盤驅動其他驅動內核TCP/IP網絡系統(tǒng)文件系統(tǒng)嵌入式GUI電源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向應用領域的中間件應用任務1應用任務2……應用任務n當前第10頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式軟件運行流程系統(tǒng)升級引導/升級系統(tǒng)系統(tǒng)初始化應用初始化多任務應用上電復位、板級初始化遠程升級本地升級基于多任務操作系統(tǒng)的嵌入式軟件的主要運行流程該運行流程主要分為5個階段當前第11頁\共有70頁\編于星期四\22點BSP的概念和特點BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。BSP的特點：硬件相關性：因為硬件具有應用相關性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統(tǒng)相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，針對不同的操作系統(tǒng)具有特定的接口形式。BoardSupportPackage當前第12頁\共有70頁\編于星期四\22點BSP的功能完成嵌入式系統(tǒng)部分初始化

A、片級初始化

B、板級初始化

C、系統(tǒng)級初始化完成硬件相關的設備驅動

當前第13頁\共有70頁\編于星期四\22點設計BSP的方法一、以典型的BSP做為參考二、參照操作系統(tǒng)或芯片廠商提供的BSP模板當前第14頁\共有70頁\編于星期四\22點第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結構13254嵌入式系統(tǒng)的組成結構嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)當前第15頁\共有70頁\編于星期四\22點2023/6/16嵌入式處理器存儲器輸入設備輸出設備外圍接口軟件硬件單元中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負責控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行。包括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(SystemonChip)

存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）和隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤等

輸出設備則主要有LCD顯示和語音輸出外圍接口主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE1394總線等等

典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件當前第16頁\共有70頁\編于星期四\22點最小硬件系統(tǒng)用最少的元件組成的可以工作的系統(tǒng)當前第17頁\共有70頁\編于星期四\22點

20世紀80年代中后期20世紀90年代初期20世紀90年代中后期21世紀初期制作工藝1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主頻<33MHz<100MHz<200MHz<600MHz晶體管個數>500K>2M>5M>22M位數8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit嵌入式微處理器的發(fā)展當前第18頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式微處理器的特點基礎是通用微處理器與通用微處理器相比的區(qū)別：體積小、重量輕、成本低、可靠性高功耗低工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面增強體系結構指令集性能功耗和管理成本集成度當前第19頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式微處理器的集成度用于桌面和服務器的微處理器的芯片內部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、總線接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系統(tǒng)總線、外部總線和外部設備獨立在其他芯片和電路內。嵌入式微處理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、總線等部分外，還集成了各種外部接口和設備，如中斷控制器、DMA、定時器、UART等。符合嵌入式系統(tǒng)的低成本和低功耗需求，一塊單一的集成了大多數需要的功能塊的芯片價格更低，功耗更少。單芯片方式(SingleChip)芯片組方式(ChipSet)：由微處理器主芯片和一些從芯片組成當前第20頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式微處理器的集成度嵌入式微處理器是面向應用的，其片內所包含的組件的數目和種類是由它的市場定位決定的。在最普通的情況下，嵌入式微處理器包括：片內存儲器：部分嵌入式微處理器外部存儲器的控制器，外設接口(串口，并口)LCD控制器：面向終端類應用的嵌入式微處理器中斷控制器，DMA控制器，協(xié)處理器定時器，A/D、D/A轉換器多媒體加速器：當高級圖形功能需要時總線其他標準接口或外設當前第21頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式微處理器的種類1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOCARMRISC（ARM）TMS320DSP（TI）Trimedia（Philips）StrongARM（Intel）Xscale（Intel）MIPSRISC（MIPS）DragonBall（Motorola）當前第22頁\共有70頁\編于星期四\22點對比嵌入式微處理器嵌入式微控制器嵌入式DSP處理器嵌入式片上系統(tǒng)硬件尺寸(包括外圍)大小小最小功耗大小中中開發(fā)難度小大大大軟件移植性好壞壞壞成本高最低低中性能強弱較強較強應用領域通用較通用低端專用較通用高端網絡能力強弱較弱強實時性差好好一般從計算機角度看單片機功能太簡單,性能太差DSP太專用,可以看成一個外設通用處理器與SOC是主要發(fā)展方向當前第23頁\共有70頁\編于星期四\22點主流的嵌入式微處理器目前主流的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和X86系列等。屬于這些系列的嵌入式微處理器產品很多，有上千種以上。Units

(millions)Source:AndrewAllison,InsideTheNewComputerIndustry,January2001當前第24頁\共有70頁\編于星期四\22點ARM處理器的分類結構體系版本（Architecture）ARMv4TARMv5TEARMv6ARMCortex(v7)ProcessorFamilyARM7ARM9ARM10ARM11ARMCortex按應用特征分類應用處理器ApplicationProcessor實時控制處理器Real-timeController微控制器Micro-controller特征：MMU,Cache最快頻率、最高性能、合理功耗特征：MPU,Cache實時響應、合理性能、較低功耗特征：nosub-memorysystem一般性能、最低成本、極低功耗當前第25頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式外圍接口電路和設備接口

嵌入式外圍設備：在嵌入式系統(tǒng)硬件構成中，除核心控制部件(嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SoC)以外的各種存儲器、輸入/輸出接口、作為人機接口的顯示器/鍵盤、串行通信接口等。根據外圍設備的功能可分為以下5類:

存儲器通信接口輸入輸出設備設備擴展接口電源及輔助設備當前第26頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式處理器可編程邏輯器件大容量存儲器電源模塊解決方案嵌入式系統(tǒng)周邊元器件嵌入式系統(tǒng)必備接插件PowerPC微處理器ARM微處理器TMS320C6000系列DSPTMS320C5000系列DSPTMS320C2000系列DSPTI公司其它DSP系列VirtexIIPlatformFPGAVirtex（E）系列FPGASpartan（XL）系列FPGASpartanII（E）系列FPGAXC95(XL)系列CPLDCoolRunner系列CPLD嵌入式系統(tǒng)構成XilinxTI&Intel&MotorolaTIPowerTrend嵌入式電源方案美國ERICSSON電源模塊日本COSEL電源模塊美國VICOR電源模塊法國GAIA軍用電源懷特電子高可靠性存儲器系列IDT公司FIFO及雙口RAMCypress公司高速SRAM系列現代電子公司SDRAM系列Intel公司大容量Flash系列AMP公司接插件系列AI公司PCB插座系列AMP&AI嵌入式系統(tǒng)硬件當前第27頁\共有70頁\編于星期四\22點第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結構13254嵌入式系統(tǒng)的組成結構嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)當前第28頁\共有70頁\編于星期四\22點馮·諾依曼體系結構/哈佛體系結構CISC/RISC影響CPU性能的因素存儲器系統(tǒng)I/O接口嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關鍵概念當前第29頁\共有70頁\編于星期四\22點

馮·諾依曼體系結構模型馮·諾依曼體系的特點：數據與指令都存儲在同一存儲空間中統(tǒng)一編址，指令和數據通過同一總線訪問被大多數計算機所采用ARM7——馮諾依曼體系指令寄存器控制器數據通道輸入輸出中央處理器存儲器空間程序指令0指令1指令2指令3指令4數據數據0數據1數據2地址指令地址數據缺點：取指令和存取數據要從同一個存儲空間存取，經由同一總線 傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行當前第30頁\共有70頁\編于星期四\22點

哈佛體系結構指令寄存器控制器數據通道輸入輸出中央處理器程序存儲器空間指令0指令1指令2數據存儲器空間數據0數據1數據2地址指令地址數據

哈佛體系結構的特點：程序與數據在不同存儲空間；每個存儲器獨立編址、獨立訪問使用程序和數據總線，使數據吞吐率提高一倍適合于數字信號處理大多數DSP都是哈佛結構ARM9是哈佛結構1944年，哈佛大學的HowardAiken發(fā)明了HarvardMark系列計算機，并且在其中采用了分開的指令存儲器和數據存儲器，這就是后來著名的“哈佛結構”由于取指令和存取數據分別經由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數據流傳輸的瓶頸，提高了運算速度。當前第31頁\共有70頁\編于星期四\22點CISC和RISCCISC：復雜指令集（ComplexInstructionSetComputer） 具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令 大多數程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令確保數據通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結構設計變得更為簡單傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計算機的發(fā)展引入了各種各樣的復雜指令，使得指令集和為此要實現這些指令的計算機體系結構越來越復雜，已經不堪重負。指令規(guī)整、對稱、簡單，指令小于100條，基本尋址方式只有2～3種單周期指令，便于流水操作大量的寄存器（不少于32個）當前第32頁\共有70頁\編于星期四\22點CISC與RISC的數據通道IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出IFIDREGALUMEM開始退出單通數據通道CISC的數據通道RISC的數據通道當前第33頁\共有70頁\編于星期四\22點CISC與RISC的對比

CISCRISC價格由硬件完成部分軟件功能，硬件復雜性增加，芯片成本高由軟件完成部分硬件功能，軟件復雜性增加，芯片成本低性能減少代碼尺寸，增加指令的執(zhí)行周期數使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數，但增加代碼尺寸指令集大量的混雜型指令集，有簡單快速的指令，也有復雜的多周期指令，符合HLL（highlevellanguage）簡單的單周期指令，在匯編指令方面有相應的CISC微代碼指令高級語言支持硬件完成軟件完成尋址模式復雜的尋址模式，支持內存到內存尋址簡單的尋址模式，僅允許LOAD和STORE指令存取內存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器控制單元微碼直接執(zhí)行寄存器數目寄存器較少寄存器較多當前第34頁\共有70頁\編于星期四\22點影響CPU性能的因素：流水線、超標量和緩存流水線技術：幾個指令可以并行執(zhí)行（使指令的執(zhí)行速度或數據的處理速度更快，克服早期計算機指令執(zhí)行和數據處理串行進行產生的處理器閑置時間的弊端）提高了CPU的運行效率內部信息流要求通暢流動取指分析執(zhí)行譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp△t2△t3△t4△t5△t流水線：在CPU中把一條指令分解成多個可單獨處理的操作，使每個操作在一個專門的硬件站（stage）上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經過流水線中多個站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個站間重疊執(zhí)行，因此可以實現指令的并行處理。當前第35頁\共有70頁\編于星期四\22點指令流水線—以ARM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中用到的寄存器寄存器讀（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當前第36頁\共有70頁\編于星期四\22點

最佳流水線該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令。所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。指令周期數(CPI)=1。

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecode。FetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchFetchExecuteDecodeExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetch當前第37頁\共有70頁\編于星期四\22點

流水線能夠正常工作的條件：任意時刻，每一級所使用的硬件必須能獨立操作，不能多級同時占用同一硬件資源。在正常情況下，每條指令都被劃分成這樣3個時鐘周期來完成，即指令執(zhí)行時間（Latency）是3周期。流水線的執(zhí)行使得程序計數器PC必須在當前指令取指前計數。對于ARM處理器的3級流水線，以當前PC取指后，PC值會增加為PC＋4。當前第38頁\共有70頁\編于星期四\22點超標量執(zhí)行超標量：配置多個執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時執(zhí)行多條 指令。超標量執(zhí)行：超標量CPU采用多條流水線結構。執(zhí)行1預取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數據借助硬件資源重復(例如有兩套譯碼器和ALU等)來實現空間的并行操作當前第39頁\共有70頁\編于星期四\22點高速緩存（CACHE）1、為什么采用高速緩存微處理器的時鐘頻率比內存速度提高快得多，高速緩存可以提高內存的平均性能。2、高速緩存的工作原理依據：程序和數據訪問的局部性原理。高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數據數據地址Cache的設計思想：把在一段時間內、一定地址范圍中被頻繁訪問的信息集合，成批地從主存中讀到一個能高速存取的小容量存儲器中存放起來,供程序在這段時間內隨時使用，從而減少或不再去訪問速度較慢的主存，以加快程序的運行速度。當前第40頁\共有70頁\編于星期四\22點以CPU為核心看，將CPU直接參與的事件稱為同步事件，CPU未直接參與的稱為異步事件。cache的操作都是同步的，但是如果在寫一個外部設備的驅動時為了減少CPU的參與,用DMA來搬移數據，那么DMA搬移數據這個事件便是異步事件。

圖1中，RAM內存從地址0x00000000到0x000ffffff1M范圍內的內容全部被調入cache中;現假定外部設備有新的數據到來并發(fā)生了中斷，CPU在設定完DMA控制器后繼續(xù)其工作，DMA根據設定將1M的新數據裝入RAM中并通知CPU新的數據到了。(此時，出現數據不一致)當CPU要對新的數據操作時，因為此外部設備的數據被存放在從0x00000000開始的RAM中，而此段數據又恰好被cache命中，那么CPU將直接訪問cache中的數據，可是cache中的數據并非剛剛得到的新數據。CPU并不知道此時cache中的數據已經過時。解決的辦法：在CPU訪問異步事件控制的數據前一定要強行刷新cache中的內容；反 之，從內存到外部設備搬移數據前一定要回寫內存。一般CPU都提供了cache的刷新和回寫機制，甚至有的CPU還有cache保護（即強制其不要對某一范圍內的內存使用cache機制）。

CACHE刷新與回寫DMA參與操作情況下的cache操作

當前第41頁\共有70頁\編于星期四\22點◆總線是計算機中各模塊傳輸信息的公共信號線集合。為各模塊間，甚至模塊各部件之間提供公共的、標準化的信息通路?！艨偩€的特點在于其公用性(即它可以同時掛接多個模塊或設備，作為所有掛接模塊或設備公用的信號載體)。總線在同一時刻，只能允許一對模塊或設備進行信息交換。當有多個模塊或設備需要同時使用總線進行信息傳輸時，只能采用分時方式，并且要對總線使用的優(yōu)先權進行仲裁管理?！艨偩€結構包括：傳輸信息的傳輸線路和總線控制邏輯◆嵌入式系統(tǒng)采用總線結構有以下優(yōu)點： 總線和總線橋⑴簡化了系統(tǒng)結構。⑵優(yōu)化了硬件和軟件設計。⑶便于系統(tǒng)的擴充和更新。當前第42頁\共有70頁\編于星期四\22點存儲器系統(tǒng)的層次結構寄存器高速緩存SRAM主存儲器DRAM本地存儲器Flash、ROM、磁盤網絡存儲器Flash、ROM、磁盤時鐘周期01—1050—10020000000當前第43頁\共有70頁\編于星期四\22點存儲器系統(tǒng)RAM：隨機存取存儲器，SRAM：靜態(tài)隨機存儲器，DRAM：動態(tài)隨機存儲器

1）SRAM比DRAM快

2）SRAM比DRAM耗電多

3）DRAM存儲密度比SRAM高得多

4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲器FLASH：閃存當前第44頁\共有70頁\編于星期四\22點

NORNAND寫入/擦除一個塊的操作時間1～5ms2～4ms讀性能1200～1500KB600～800KB寫性能<80KB200～400KB接口/總線SRAM接口/獨立的地址數據總線8位地址/數據/控制總線，I/O接口復雜讀取模式隨機讀取串行地存取數據成本較高較低，單元尺寸約為NOR的一半，生產過程簡單，同樣大小的芯片可以做更大的容量容量及應用場合1～64MB，主要用于存儲代碼8MB～4GB，主要用于存儲數據擦寫次數(耐用性)約10萬次約100萬次位交換(bit位反轉)少較多，關鍵性數據需要錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法壞塊處理無，因為壞塊故障率少隨機分布，無法修正當前第45頁\共有70頁\編于星期四\22點輸入輸出接口I/OA/D、D/A

鍵盤

LCD

存儲器接口設備接口USB：UniversalSerialBus，通用串行總線大家生活中常見的與USB有關的東西有：U盤、移動硬盤、無驅型的MP3（U盤）USB接口的鍵盤、Mouse、打印機、數碼相機……即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴展（127個）USB2.0以低成本實現高達480Mb/s的傳輸率(USB1.1的全速設備可達12Mb/s；USB1.0的全速設備可達1.5Mb/s)接口標準統(tǒng)一、端口供電例如:USB當前第46頁\共有70頁\編于星期四\22點一個典型的USB通訊系統(tǒng)HOST系統(tǒng)HUBDEVICEDDEVICE應用軟件+驅動程序Ms.Win+接口芯片HUBU盤其他數據采集器驅動代碼+嵌入式處理器+HOST芯片HUBU盤其他數據采集器通用系統(tǒng)模型PC機中的情況嵌入式系統(tǒng)應用當前第47頁\共有70頁\編于星期四\22點知識產權核（IP核,intellectualproperty）知識產權(IP)電路或核是設計好并經過驗證的集成電路功能單元。IP復用意味著設計代價降低（時間，價格）。IP核的類別:微處理器:ARM,PowerPC;存儲器:RAM,memorycontroller;外設:PCI,DMAcontroller;多媒體處理:MPEG/JPEG;encoder/decoder;數字信號處理器(DSP)；通信:Ethernetcontroller,router。SoftCores(“code”)（軟核）HDL語言描述；靈活度高，可修改；與工藝獨立，可根據具體的加工工藝重新綜合；IP很難保護。Firmcores(“code+structure”)(固核）邏輯綜合后的描述；與工藝相關。Hardcores(“physical”)(硬核）物理綜合后的描述；準備流片；包含工藝相關的布局和時序信息；IP很容易保護，但靈活性和可移植性差。多數的處理器和存儲器當前第48頁\共有70頁\編于星期四\22點IP核的商業(yè)模型三種模式1.設計者提供設計和工具的許可證DSPGroup(PineandOakCores),3Soft,ARM。提供包括HDL在內的模擬模型，工具或仿真器。使用者負責設計制造。2.核廠商設計并制造集成電路芯片TI,Motorola,Lucent。VLSI,SSI,Cirrus,Adaptec。3.核廠商賣核,負責為客戶設計并制造芯片LSIlogic,TI,Lucent。固化宏單元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可綜合內核（軟核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S測試芯片ARM10200E當前第49頁\共有70頁\編于星期四\22點第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結構13254嵌入式系統(tǒng)的組成結構嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)當前第50頁\共有70頁\編于星期四\22點2023/6/16軟件組成有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作

HardwareAbstractionLayer：BSP&DeviceDriverSCSI

DriverFlashDriverMMU

DriverCache

DriverSerial

DriverEthernet

DriverDevice

Drivers支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器Browser等HardwareIndependentSoftwareTCP/IPStackI/OSystemRTOSlibrariesRTOSKernelFileSystemBootLoader中間件位于操作系統(tǒng)和應用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應用程序接口的事實，向應用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應用程序，同時也使應用程序具有跨平臺的特性。

嵌入式應用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能的嵌入式應用，不同的系統(tǒng)需要設計不同的嵌入式應用程序。它是整個系統(tǒng)功能的體現，系統(tǒng)的能力總是通過應用程序表現出來。一個嵌入式系統(tǒng)可簡單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。

當前第51頁\共有70頁\編于星期四\22點概述

嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應用在嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點，主要有：

可固化存儲可配置、可剪裁獨立的板級支持包，可修改不同的CPU有不同的版本應用的開發(fā)需要有集成的交叉開發(fā)工具當前第52頁\共有70頁\編于星期四\22點一般操作系統(tǒng)只注重平均性能，如對于整個系統(tǒng)來說，所有任務的平均響應時間是關鍵，而不關心單個任務的響應時間。嵌入式實時操作系統(tǒng)最主要的特征是性能上的“實時性”，也就是說系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計算的邏輯結果，也依賴于結果產生的時間。從這個角度上看，可以把實時系統(tǒng)定義為“一個能夠在指定的或者確定的時間內，完成系統(tǒng)功能和對外部或內部、同步或異步事件做出響應的系統(tǒng)”。當前第53頁\共有70頁\編于星期四\22點概述近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位微處理器；從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；從只有內核到除了內核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，TCP/IP網絡系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)應用領域的擴展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細分，出現了針對不同領域的產品，這些產品按領域的要求和標準提供特定的功能。當前第54頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式操作系統(tǒng)的演變*PercentoftotalsoftwaresuppliedbyRTOSvendorinatypicalembeddeddevice10%*Kernel30%*KernelNetworkingFileSystem75%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIApplicationApplicationApplicationApplication90%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI當前第55頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式操作系統(tǒng)分類從應用領域來分面向信息家電的嵌入式操作系統(tǒng)面向智能手機的嵌入式操作系統(tǒng)，如SymbianOS、MSMobileOS、PalmOS、EmbeddedLinux等面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)

……….從實時性的角度來分實時嵌入式操作系統(tǒng)：具有強實時特點，如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各種ITRONOS等。非實時嵌入式操作系統(tǒng)：一般只具有弱實時特點，如WinCE、版本眾多的嵌入式Linux、PalmOS等。從嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)模式來分類商用型：功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，開發(fā)費用+版稅。開源型：開放源碼，只收服務費，沒有版稅。如Embeddedlinux，RTEMS，eCOS。當前第56頁\共有70頁\編于星期四\22點嵌入式操作系統(tǒng)的關鍵技術

體系結構系統(tǒng)組成當前第57頁\共有70頁\編于星期四\22點常見的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-IIWinCELinuxVxWorksPalmOSQNX…當前第58頁\共有70頁\編于星期四\22點第二講嵌入式系統(tǒng)的組成結構13254嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關鍵概念嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關鍵概念嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的組成結構當前第59頁\共有70頁\編于星期四\22點監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)

時間先后適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中實時操作系統(tǒng)是我們關注的重點當前第60頁\共有70頁\編于星期四\22點任務的定義及其主要特性任務是一個具有獨立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運行活動，是實時內核調度的單位，具有以下特性：動態(tài)性：任務狀態(tài)是不斷變化的。一般分為就緒態(tài)、運行態(tài)和等待態(tài)。在多任務系統(tǒng)中，任務的狀態(tài)將隨著系統(tǒng)的需要不斷進行變化。并行性：系統(tǒng)中同時存在多個任務，這些任務在宏觀上是同時運行的。異步獨立性：每個任務各自按相互獨立的不可預知的速度運行，走走停停。當前第61頁\共有70頁\編于星期四\22點