嵌入式复习资料课件

嵌入式系统原理与应用嵌入式系统原理与应用期末总复习资料广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2 2Linux Linux 系统从软件的角度分为四个层次系统从软件的角度分为四个层次v一个嵌入式一个嵌入式 Linux Linux 系统从软件的角度看通常可以分为四个系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：层次：v1.1.引导加载程序。引导加载程序。包括固化在固件包括固化在固件(firmware)(firmware)中的中的 boot boot 代码代码(可选可选)，和，和 Boot LoaderBoot Loader两大部分。两大部分。v2.Linux 2.Linux 内核。内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。v3.3.文件系统。文件系统。包括根文件系统和建立于包括根文件系统和建立于 Flash Flash 内存设备之上文件系统。内存设备之上文件系统。通常用通常用 ram disk ram disk 来作为来作为 root fsroot fs。v4.4.用户应用程序。用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式 GUI GUI 有：有：MicroWindows MicroWindows 和和 MiniGUI MiniGUI。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3 3嵌入式系统定义嵌入式系统定义v嵌入式系统（嵌入式系统（embedded system,embedidembedded system,embedid）是）是以应用为中心，以计以应用为中心，以计算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本算机技术为基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）（技术角度）v嵌入式系统是嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统密耦合在一起的计算机系统。（系统角度）。（系统角度）术语术语“嵌入式嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4 4嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5 5CISCCISC和和RISCRISCvCISCCISC和和RISCRISC是当前是当前CPUCPU的两种架构。的两种架构。它们的区别在于不同的它们的区别在于不同的CPUCPU设计理设计理念和方法念和方法。早期的早期的CPUCPU全部是全部是CISCCISC架构，它的设计目的是要用最少的架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务机器语言指令来完成所需的计算任务vRISCRISC机型拥有一个有限的指令集合，并且能够极快地执行每一条指令机型拥有一个有限的指令集合，并且能够极快地执行每一条指令。但是由于缺乏复杂指令，因此需要在软件方面进行大量的工作。但是由于缺乏复杂指令，因此需要在软件方面进行大量的工作。RISCRISC方案的另一个优势在于有限的指令数量能够产生一个很小的核心方案的另一个优势在于有限的指令数量能够产生一个很小的核心。但由于使用。但由于使用精简指令所编写出来的代码会更长，所以执行任务所需精简指令所编写出来的代码会更长，所以执行任务所需的内存也就更大的内存也就更大。因此，对于复杂的程序来说，由于要考虑到各种可。因此，对于复杂的程序来说，由于要考虑到各种可能的情况，最终的程序代码可能非常大。能的情况，最终的程序代码可能非常大。v当然，和当然，和CISCCISC架构相比较，尽管架构相比较，尽管RISCRISC架构有上述的优点，但决不能认架构有上述的优点，但决不能认为为RISCRISC架构就可以取代架构就可以取代CISCCISC架构，事实上，架构，事实上，RISCRISC和和CISCCISC各有优势，而各有优势，而且界限并不那么明显。且界限并不那么明显。现代的现代的CPUCPU往往采用往往采用CISCCISC的外围，内部加入了的外围，内部加入了RISCRISC的特性，的特性，如超长指令集如超长指令集CPUCPU就是融合了就是融合了RISCRISC和和CISCCISC的优势，成为未的优势，成为未来的来的CPUCPU发展方向之一。发展方向之一。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系6 6冯冯诺依曼和哈佛结构诺依曼和哈佛结构v传统的微处理器采用的冯传统的微处理器采用的冯诺依曼结构诺依曼结构将指令和数据存放在同一存储将指令和数据存放在同一存储空间中空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。v哈佛结构则是不同于冯哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是点是程序和数据存储在不同的存储空间程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。数据的吞吐率提高了一倍。地址地址数据数据主存储器主存储器MOV r8,#8MOV r8,#8CPUCPUPCPC指令指令程序存储器程序存储器CPUCPUPCPC地址地址数据存储器数据存储器MOV r8,#8MOV r8,#8地址地址数据数据冯冯诺依曼结构诺依曼结构哈佛结构哈佛结构广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系7 7处理器实例处理器实例v目前使用冯目前使用冯诺伊曼结构的中央处理器和微控制器诺伊曼结构的中央处理器和微控制器,除了上面提到的英除了上面提到的英特尔公司的特尔公司的80868086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7ARM7、MIPSMIPS公司的公司的MIPSMIPS处理器也采用了冯处理器也采用了冯诺伊曼结构。诺伊曼结构。v使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有摩托罗拉公司的使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有摩托罗拉公司的MC68MC68系列、系列、ZilogZilog公司的公司的Z8Z8系列、系列、ATMELATMEL公司的公司的AVRAVR系列和安谋公司的系列和安谋公司的ARM9ARM9、ARM10ARM10和和ARM11ARM11等。等。vDSPDSP处理器一般多采用哈佛结构和改进的哈佛结构处理器一般多采用哈佛结构和改进的哈佛结构v哈佛结构和冯哈佛结构和冯.诺依曼结构主要是指存储器结构，而非指令系统结构，诺依曼结构主要是指存储器结构，而非指令系统结构，与指令系统没有严格的对应关系与指令系统没有严格的对应关系。MCS-51MCS-51是哈佛结构，指令系统是是哈佛结构，指令系统是CISCCISC指令。指令。PICPIC单片机是哈佛结构，指令系统是单片机是哈佛结构，指令系统是RISCRISC指令。指令。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系8 8MIPS/DMIPS/MFLOPSMIPS/DMIPS/MFLOPSvMIPS:Million Instructions executed Per Second,MIPS:Million Instructions executed Per Second,每秒百万条指令每秒百万条指令,用来计算同一秒内系统的处理能力用来计算同一秒内系统的处理能力vDMIPS:Dhrystone Million Instructions executed Per Second DMIPS:Dhrystone Million Instructions executed Per Second：主要用于测整数计算能力。它是一个测量主要用于测整数计算能力。它是一个测量 CPUCPU运行一个叫运行一个叫DhrystoneDhrystone的的测试程序时表示出来的相对性能上下的一个单位测试程序时表示出来的相对性能上下的一个单位(很多场合人们也习性很多场合人们也习性用用MIPSMIPS作为这个性能指标的单位作为这个性能指标的单位)。vMFLOPS:MFLOPS:主要用于测浮点计算能力。主要用于测浮点计算能力。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系9 9Advanced RISC MachinesAdvanced RISC MachinesvARMARM全称为全称为Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines(高级高级RISCRISC微处理器设计微处理器设计)。vARMARM公司的业务模式：公司的业务模式：ARMARM公司不生产芯片，而是采取出售芯片公司不生产芯片，而是采取出售芯片IP IP(Intelligence(Intelligence Property)Property)核授权的方式扩大其影响力；核授权的方式扩大其影响力；世界各大的半导体生产厂商从世界各大的半导体生产厂商从ARMARM公司购买公司购买ARMARM核，然后根据各自不核，然后根据各自不同的需要，针对不同的应用领域添加适当的外围电路，从而生产出同的需要，针对不同的应用领域添加适当的外围电路，从而生产出自己的自己的ARMARM微处理器芯片。微处理器芯片。vARMARM公司提供基于公司提供基于ARMARM架构的开发设计技术架构的开发设计技术软件工具软件工具,评估板评估板,调试工具调试工具,应用软件应用软件,总线架构总线架构,外围设备单元，等等外围设备单元，等等广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1010ARMARM扩展扩展vTHUMB THUMB 指令集（指令集（TT）:32:32位位ARMARM指令集的子集，按指令集的子集，按1616位指令重新编位指令重新编码码代码尺寸小代码尺寸小(up to 40%compression)(up to 40%compression)简化设计简化设计v长乘法指令长乘法指令 (M)(M)32x32=64 bit.32x32=64 bit.提供全提供全6464位结果位结果v处理器内核的变化（处理器内核的变化（DD，II）D:D:在片调试在片调试.处理器可响应调试暂停请求处理器可响应调试暂停请求I:Embedded ICE.I:Embedded ICE.支持片上断点调试支持片上断点调试广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1111ARMARM扩展扩展v 增强增强DSP DSP 指令集指令集 (E)(E)可附加在可附加在ARMARM中的中的DSPDSP指令指令 64 bit 64 bit 转换转换 在在 v5 v5版本中第一次推出版本中第一次推出v JazelleJazelle（JJ）提供比基于软件的提供比基于软件的JAVAJAVA虚拟机（虚拟机（JVMJVM）更高的性能）更高的性能 与非与非JAVAJAVA加速核相比，提供加速核相比，提供8 8倍倍JAVAJAVA加速性能和降低加速性能和降低80%80%的功耗的功耗 139 139 字节码直接在硬件上执行，字节码直接在硬件上执行，8888个字节码在软件上执行个字节码在软件上执行v S S 可逻辑综合软内核可逻辑综合软内核v F F 带向量浮点协运算器带向量浮点协运算器广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1212ARM7TDMIThumb Thumb 架构扩展架构扩展,提供两个独立的指令集：提供两个独立的指令集：ARM ARM 指令，均为指令，均为 3232位位ThumbThumb指令，均为指令，均为 1616位位两种运行状态，用来选择哪个指令集被执行两种运行状态，用来选择哪个指令集被执行内核具有内核具有DebugDebug扩展结构，支持片上调试扩展结构，支持片上调试增强乘法器增强乘法器 (32x8)(32x8)支持支持6464位乘法位乘法支持支持EmbeddedICE 逻辑逻辑 3 3 级流水线级流水线 冯冯诺依曼架构诺依曼架构广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1313嵌入式处理器内核分类嵌入式处理器内核分类 按照体系结构分类按照体系结构分类,不涉及具体的处理器芯片。不涉及具体的处理器芯片。vMIPSMIPS：,只设计内核的美国公司只设计内核的美国公司vARMARM：,,只设计内核的英国公司只设计内核的英国公司vPowerPCPowerPC：为：为IBMIBM和和MotorolaMotorola公司共有的内核公司共有的内核v68K/COLDFIRE68K/COLDFIRE：MotorolaMotorola公司独有的内核公司独有的内核广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1414各个内核的特点各个内核的特点vMIPS coreMIPS core：高速：高速,跨入了跨入了6464位时代位时代,多多corecore集成集成;vARM coreARM core：低功耗：低功耗,javabyte,javabyte的支持的支持;vPowerPC corePowerPC core：高速与低功耗之间作了妥协：高速与低功耗之间作了妥协,并集成极度丰富的外围电并集成极度丰富的外围电路接口路接口;v68K/COLDFIRE core68K/COLDFIRE core：业界被最广泛应用的嵌入式处理器内核：业界被最广泛应用的嵌入式处理器内核,目前还目前还在不停更新换代与发展。在不停更新换代与发展。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1515选用嵌入式处理器的原则选用嵌入式处理器的原则v是不是越通用越好？是不是越通用越好？v是不是速度越快越好？是不是速度越快越好？v基于工程的理由：基于工程的理由：有有bugbug改得快改得快,供货稳定长久供货稳定长久,家族系列兼容性好家族系列兼容性好,上手之后产品开发上手之后产品开发很快很快选非主流或者说小厂的东西选非主流或者说小厂的东西,是是“勇敢者的选择勇敢者的选择”。你敢冒产品失败。你敢冒产品失败的风险吗？设计出来之后的风险吗？设计出来之后,厂商告诉你厂商告诉你,芯片供货周期很长芯片供货周期很长;过了半年过了半年,你发现不同批次的芯片焊在电路板上运行结果不一样你发现不同批次的芯片焊在电路板上运行结果不一样,你改设计？你改设计？再过半年再过半年,厂商告诉你厂商告诉你,我们停产了我们停产了,有新的有新的,你跟着升级吧？你跟着升级吧？广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1616微处理器（微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）的分类）的分类v通用处理器（通用处理器（GPPGPP）采用冯采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一 8-bit Apple8-bit Apple（65026502），），NEC PC-8000NEC PC-8000（Z80Z80）8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/Pentium III 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/Pentium III PowerPc 64-bit CPUPowerPc 64-bit CPU（SUN SparcSUN Sparc，DEC Alpha,HPDEC Alpha,HP）CISC CISC 复杂指令计算机复杂指令计算机,RISC,RISC 精简指令计算机精简指令计算机 采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级CacheCache，协处理器等，协处理器等 广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1717vSingle Chip Computer/Micro Controller UnitSingle Chip Computer/Micro Controller Unit（MCUMCU）除开通用除开通用CPUCPU所具有的所具有的ALUALU和和CUCU，还有存储器（，还有存储器（RAM/ROMRAM/ROM）寄存器，时）寄存器，时钟，计数器，定时器，串钟，计数器，定时器，串/并口，有的还有并口，有的还有A/DA/D，D/A D/A INTEL MCS/48/51/96INTEL MCS/48/51/96（9898）MOTOROLA HCS05/011 MOTOROLA HCS05/011 vDSP DSP（Digital Signal ProcessorDigital Signal Processor）采用哈佛结构，程序和数据分开存储采用哈佛结构，程序和数据分开存储 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFTFFT的专门优化的专门优化 广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1818DSPDSP主要特点主要特点-P36-P36v编程方便编程方便DSPDSP系统中的可编程系统中的可编程DSPDSP芯片可使设计者在开发过程中灵活方便的对芯片可使设计者在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级软件进行修改和升级v稳定性好稳定性好DSPDSP系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小，可靠性系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小，可靠性高高v精度高精度高v可重复性好可重复性好数字系统便于测试、调试和大规模生产数字系统便于测试、调试和大规模生产v集成方便集成方便DSPDSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系1919SOCSOC的一般构成的一般构成-P49-P49v主处理器内核主处理器内核v协处理器内核协处理器内核v片内存储器片内存储器v存储器访问控制器存储器访问控制器v片上总线片上总线v用户逻辑电路用户逻辑电路v外围外围IOIO控制接口部件控制接口部件广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2020SoCSoC设计的关键技术设计的关键技术vSoCSoC设计的关键技术主要包括设计的关键技术主要包括总线架构技术总线架构技术、IPIP核可复用技术核可复用技术、软硬件软硬件协同设计技术协同设计技术、SoCSoC验证技术验证技术、可测性设计技术可测性设计技术、低功耗设计技术低功耗设计技术、超超深亚微米电路实现技术深亚微米电路实现技术等等,此外还要做此外还要做嵌入式软件移植嵌入式软件移植、开发研究、开发研究,是是一门跨学科的新兴研究领域一门跨学科的新兴研究领域 广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2121嵌入式处理器类别嵌入式处理器类别v1 1、通用嵌入式处理器芯片、通用嵌入式处理器芯片v2 2、ASIC/ASSPASIC/ASSP定制嵌入式处理器芯片定制嵌入式处理器芯片v3 3、FPGAFPGA现场可编程嵌入式处理器芯片现场可编程嵌入式处理器芯片v4 4、模拟数字混合处理器芯片、模拟数字混合处理器芯片广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2222多核多核SoCSoC嵌入式处理器芯片嵌入式处理器芯片v嵌入式产品功能的多样化、复杂化，必然导致由多个不同嵌入式产品功能的多样化、复杂化，必然导致由多个不同的处理器来分担不同的功能，这样，多核处理器芯片得到的处理器来分担不同的功能，这样，多核处理器芯片得到迅速发展。如，高端手机作为智能终端，可以通信、照相迅速发展。如，高端手机作为智能终端，可以通信、照相、上网、游戏等、上网、游戏等v多核处理的最大优点是多核处理的最大优点是所处理的数据流量大幅提高，从而所处理的数据流量大幅提高，从而获得优异的响应能力获得优异的响应能力。芯片内的处理器内核个数，一般为。芯片内的处理器内核个数，一般为3 34 4个个广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2323多核处理器类型多核处理器类型v同构多核同构多核处理器处理器以负载分担为重点，芯片内的多核为相同结构的处理器以负载分担为重点，芯片内的多核为相同结构的处理器v异构多核异构多核处理器处理器以功能分担为重点，芯片内的多核为不同种类结构的处理器以功能分担为重点，芯片内的多核为不同种类结构的处理器v混合结构多核混合结构多核处理器处理器既有多个相同结构的处理器内核，又有不同种类机诶构的处理器内既有多个相同结构的处理器内核，又有不同种类机诶构的处理器内核核广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2424IPIP核核v在在VLSIVLSI芯片上，还有一些高级组件。这些组件具有很高的门级电路复芯片上，还有一些高级组件。这些组件具有很高的门级电路复杂性，这些电路比计数器、寄存器、多路器、浮点计算单元和杂性，这些电路比计数器、寄存器、多路器、浮点计算单元和ALUALU更复更复杂。杂。一种标准的通过配置一种标准的通过配置FPGAFPGA核或者核或者VLSIVLSI芯片核来集成高级组件的解芯片核来集成高级组件的解决方法，可能已经作为知识产权决方法，可能已经作为知识产权(IP)(IP)存在了存在了。高级组件的。高级组件的IPIP门级实现门级实现设计的版权，是属于设计者或者设计公司的。使用每一个芯片都要付设计的版权，是属于设计者或者设计公司的。使用每一个芯片都要付费。嵌入式系统中可以集成费。嵌入式系统中可以集成IPIP。IPIP可以提供变换、加密算法或者解密算法的硬件可实现设计。可以提供变换、加密算法或者解密算法的硬件可实现设计。IPIP可以提供一个信号的自适应滤波设计。可以提供一个信号的自适应滤波设计。IPIP可以提供实现超文本传输协议可以提供实现超文本传输协议(HTTP)(HTTP)或者文件传输协议或者文件传输协议(FTP)(FTP)的完的完整设计，用来在整设计，用来在InternetInternet上传送上传送webweb页或者文件。页或者文件。可以设计用于可以设计用于PCIPCI或者或者USBUSB总线控制器的总线控制器的IPIP广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2525IPIP核核v所谓所谓IPIP核实际上就是一个核实际上就是一个经过验证的经过验证的ICIC设计设计,从其实现的形式和应用层从其实现的形式和应用层次上来看次上来看,IP,IP核可以有三种不同的表现形式：核可以有三种不同的表现形式：软核（软核（Soft-CoreSoft-Core）固核（固核（Firm-CoreFirm-Core）硬核（硬核（Hard-CoreHard-Core）广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2626IPIP复用复用v“重用重用”（re-usere-use）指的是在设计新产品时采用已有的各种功能模块）指的是在设计新产品时采用已有的各种功能模块，即使进行修改也是非常有限的，这样，可以减少设计人力和风险，即使进行修改也是非常有限的，这样，可以减少设计人力和风险，缩短设计周期，确保优良品质。缩短设计周期，确保优良品质。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2727IPIP的种类的种类vCPUCPUARMARMMIPSMIPSCoolFireCoolFireSHSHFRFRXscaleXscalev外围外围IPIPPCIPCIEtherEtherPCPCUSBUSBSSLSSLIPsecIPsecCANCAN13941394ATAPIATAPIMPEGMPEGSPISPIMOSTMOSTBluetoothBluetooth广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2828PXAPXA250250结结构构图图广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系2929S3cS3c24102410框图框图广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3030广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3131广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3232S3cS3c25102510框图框图广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3333寄存器高速缓存SRAM主存储器DRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 Flash、ROM、磁盘时钟周期01105010020000000分层结构存储器系统广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3434什么是总线什么是总线v任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPUCPU直接连接，那么连线直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。v总线是把总线是把CPUCPU与存储器、与存储器、I/OI/O设备相连接的信息通道，但总线并不仅仅设备相连接的信息通道，但总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。v微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以发展以发展广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3535总线分类使用场合总线分类使用场合v按照使用场合的不同，总线可以分成：按照使用场合的不同，总线可以分成：芯片级总线（芯片级总线（CPUCPU总线）总线）：连接：连接CPUCPU内部各主要功能部件内部各主要功能部件内部总线：内部总线：是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连一级的互连系统总线：系统总线：是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连级的互连外部总线：外部总线：是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3636典型微机系统中的总线层次典型微机系统中的总线层次广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3737嵌入式系统总线层次嵌入式系统总线层次Processor-local busMicro-processorCacheMemorycontrollerDMAcontrollerBridgePeripheralPeripheralPeripheralPeripheral bus广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3838总线桥总线桥存储器存储器高速设备高速设备CPU CPU 低速设备低速设备低速设备低速设备桥桥高速总线高速总线低速总线低速总线桥在桥在PCIPCI总线体系结构中起着重要作用总线体系结构中起着重要作用,它连接两条总线它连接两条总线,使彼此间相互通信使彼此间相互通信v桥是一个总线转换部件桥是一个总线转换部件,可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上上,从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表.v桥可以实现总线间的猝发式传送桥可以实现总线间的猝发式传送,可使所有的存取都按可使所有的存取都按CPUCPU的需要出现在总线上的需要出现在总线上.v以桥连接实现的以桥连接实现的PCIPCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性总线结构具有很好的扩充性和兼容性,允许多条总线并行工作允许多条总线并行工作.广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系3939AMBAAMBA总线总线vAMBAAMBA（A Advanced dvanced M Microcontroller icrocontroller B Bus us A Architecturerchitecture）是）是ARM ARM 公公司研发的一种总线规范，当司研发的一种总线规范，当ARMARM核作为一个元件集成到复杂的系统核作为一个元件集成到复杂的系统芯片上时，需要某种接口和其它元件进行通讯，这就是芯片上时，需要某种接口和其它元件进行通讯，这就是AMBAAMBA总线总线;目前为目前为3.0 3.0 版本。版本。v在在AMBAAMBA总线规范中，定义了总线规范中，定义了3 3种总线种总线:AHB(Advanced High-performance BusAHB(Advanced High-performance Bus，高性能总线，高性能总线)：用于高：用于高性能系统模块的连接，支持突发模式数据传输和事务分割；可性能系统模块的连接，支持突发模式数据传输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。以有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。ASBASB（Advanced System BusAdvanced System Bus，系统总线）：，系统总线）：也用于高性能系统也用于高性能系统模块的连接，由模块的连接，由AHBAHB总线替代；总线替代；APBAPB（Advanced Peripheral BusAdvanced Peripheral Bus，外设总线）：，外设总线）：用于较低性能用于较低性能外设的简单连接，一般是接在外设的简单连接，一般是接在AHBAHB或或ASBASB系统总线上的第二级总系统总线上的第二级总线。线。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4040AMBAAMBA总线总线测试测试接口接口ARMARMCPUCPUSDRAMSDRAMControlControlSRAMSRAMLCDLCDControlControl桥桥并行并行接口接口串行串行接口接口TimerTimerUARTUART基于基于AMBA总线的典型系统总线的典型系统广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4141I I2 2C C 总线总线v PHILIPS PHILIPS 开发了一种用于内部开发了一种用于内部ICIC控制的简单的双向两线串行总线控制的简单的双向两线串行总线I I2 2C(Inter-Integrated Circuit)C(Inter-Integrated Circuit)v I I2 2C C总线是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线总线是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点化，器件封装形式小，通信速率较高等优点v 最高速率最高速率100Kbps100Kbps，2525英尺，最多可支持英尺，最多可支持4040个设备个设备广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4242RS-232-CRS-232-C总线总线(UART)(UART)v计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯串行通讯和和并行通讯并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。v在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。以方便地连接起来进行通讯。RS-232-CRS-232-C接口接口（又称（又称 EIA RS-232-CEIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在19701970年由美国电子工业协年由美国电子工业协会（会（EIAEIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。制定的用于串行通讯的标准。vRS232RS232接口接口的全名是的全名是 数据终端设备（数据终端设备（DTEDTE）和数据通讯设备（）和数据通讯设备（DCEDCE）之）之间串行二进制数据交换接口技术标准间串行二进制数据交换接口技术标准,该标准规定采用一个该标准规定采用一个2525个脚的个脚的 DB25DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。一般只使用号的电平加以规定。一般只使用3-93-9条引线。条引线。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4343USBUSB总线总线v通用串行总线通用串行总线USBUSB（universal serial busuniversal serial bus）是由是由IntelIntel、CompaqCompaq、DigitalDigital、IBMIBM、MicrosoftMicrosoft、NECNEC、Northern TelecomNorthern Telecom等等7 7家世界著名的家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PCPC连连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。并口的设备需要单独的供电系统。v快速是快速是USBUSB技术的突出特点之一，技术的突出特点之一，USBUSB的最高传输率可达的最高传输率可达12Mbps12Mbps比串口比串口快快100100倍，比并口快近倍，比并口快近1010倍倍，而且，而且USBUSB还能支持多媒体。还能支持多媒体。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4444无线接口无线接口v红外线接口红外线接口(IrDA)(IrDA)v蓝牙蓝牙(Bluetooth)(Bluetooth)vZigbeeZigbee广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4545触摸屏的主要类型触摸屏的主要类型v从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。矢量压力传感技术触摸屏矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台。已退出历史舞台。红外屏红外屏价格低廉，但外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真价格低廉，但外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真电容屏电容屏设计理论好，但其图象失真问题很难得到根本解决；设计理论好，但其图象失真问题很难得到根本解决；电阻屏电阻屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损。的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损。表面声波触摸屏表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰抗暴，适于各解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰抗暴，适于各种场合，缺憾是屏表面的水滴、尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不种场合，缺憾是屏表面的水滴、尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。工作。v按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为四种按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为四种电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4646传感器的分类传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：下三种：、按传感器的、按传感器的物理量物理量分类，可分为位移、力、速度、温度分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器、流量、气体成份等传感器、按传感器、按传感器工作原理工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。、按传感器、按传感器输出信号的性质输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量分类，可分为：输出为开关量（“”和和”或或“开开”和和“关关”）的开关型传感器；输）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4747图像传感器图像传感器v图像传感器有图像传感器有CCDCCD和和CMOSCMOS两种，与两种，与CCDCCD相比，相比，CMOSCMOS传感器更传感器更容易与其他逻辑电路一起生成容易与其他逻辑电路一起生成SoCSoC产品，因此应用面更广产品，因此应用面更广广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4848嵌入式系统的实时性嵌入式系统的实时性(Real Time)(Real Time)v 实时性的本质是实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性任务处理所化费时间的可预测性，即任务需要在规定，即任务需要在规定的时限内完成。的时限内完成。任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实时操作系测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。统的软件将可以确定性的做这件工作。v 实时系统实时系统 实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化外部物理过程的变化。v 嵌入式系统嵌入式系统实时系统实时系统 有些嵌入式系统没有实时性要求有些嵌入式系统没有实时性要求广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系4949实时性简介实时性简介v实时操作系统（实时操作系统（Real-Time Operating SystemReal-Time Operating System，RTOSRTOS），是指操作系），是指操作系统本身要能在一个固定时限内对程序调用（或外部事件）做出正确的统本身要能在一个固定时限内对程序调用（或外部事件）做出正确的反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。反应，亦即对时序与稳定性的要求十分严格。v对于什么是实时系统，对于什么是实时系统，POSIX 1003.bPOSIX 1003.b作了这样的定义：作了这样的定义：指系统能够在指系统能够在限定的响应时间内提供所需水平的服务限定的响应时间内提供所需水平的服务 v实时系统根据其对于实时性要求的不同，可以分为软实时和硬实时两实时系统根据其对于实时性要求的不同，可以分为软实时和硬实时两种类型种类型 v一个计算机系统为了提供对于实时性的支持，它的操作系统必须对于一个计算机系统为了提供对于实时性的支持，它的操作系统必须对于CPUCPU和其他资源进行有效的调度和管理，即和其他资源进行有效的调度和管理，即实时调度实时调度 广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5050分时操作系统与实时操作系统分时操作系统与实时操作系统v分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。v实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在事件事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能够在严格的时限内作出响应（系统响应时间），发生时能够在严格的时限内作出响应（系统响应时间），即使是在尖峰负荷下，也应如此即使是在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计的情况能做出精确的估计。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5151硬实时硬实时 vs vs 软实时软实时v硬实时、软实时硬实时、软实时“软软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果后果，而对于硬实时系统来说却是灾难性的，而对于硬实时系统来说却是灾难性的 从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常与系统的时间精度从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常与系统的时间精度有关：由于这个原因，一般而言，软实时任务的调度精度一般为有关：由于这个原因，一般而言，软实时任务的调度精度一般为千分之一秒千分之一秒，而硬实时任务为，而硬实时任务为微秒级微秒级。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5252几种常见的嵌入式操作系统几种常见的嵌入式操作系统vWince Wince vLinuxLinuxvuCOSuCOSvVxWorksVxWorksvPalmPalmv广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5353综合开发环境的构成综合开发环境的构成P162P162v开发一个嵌入式系统需要建立的嵌入式综合开发平台包括开发一个嵌入式系统需要建立的嵌入式综合开发平台包括一个面向嵌入式应用的嵌入式操作系统一个面向嵌入式应用的嵌入式操作系统相应的编译工具和调试环境相应的编译工具和调试环境合适的调试工具合适的调试工具广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5454嵌入式系统的开发特点嵌入式系统的开发特点 1 1采用宿主机采用宿主机/目标机方式目标机方式 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的。嵌后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的。嵌入式软件以宿主机入式软件以宿主机/目标机模式开发，所需要的开发环目标机模式开发，所需要的开发环境称为交叉开发环境，分为境称为交叉开发环境，分为宿主机宿主机部分和部分和目标机目标机部分，部分，两者以统一的通信协议进行通信，宿主机向目标机发送两者以统一的通信协议进行通信，宿主机向目标机发送命令，目标机接收、执行命令并将结果返回宿主机，从命令，目标机接收、执行命令并将结果返回宿主机，从而实现两机之间的交互控制。而实现两机之间的交互控制。广州航海高等专科学校广州航海高等专科学校 计算机与信息工程系计算机与信息工程系5555嵌入式软件的交叉开发环境嵌入式软件的交叉开发环境v宿主机（宿主机（HostHost）：是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为：是用于开发嵌入式系统的计算机。一般为PCPC机（或机（或者工作站），宿主机的软硬件资源比较丰富，不但包括功能强大的操者工作站），宿主机的软硬件资源比较丰富，不但包括功能强大的操作系统（如作系统（如WindowsWindows和和LinuxLinux），而且还有各种各样优秀的开发工具（），而且还有各种各样优秀的开发工具（如如WindRiverWindRiver的的TornadoTornado、MicrosoftMicrosoft的的Embedded Visual C+Embedded Visual C+等），能等），能够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。v目标机（目标机（TargetTarget）：一般在嵌入式应用软件开发期间使用，用来区别：一般在嵌入式应用软件开发期间使用，用来区别与嵌入式系统通信的宿主机，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环与嵌入式系统通信的宿主机，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资源通常境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资源通常都比较有限。都比较有限。v在开发过程中，目标机端需接收和执行宿主机发出的各种命令如设置在开发过程中，目标机端需接收和执行宿主机发出的各种命令如设置断点、读内存、写内存等，将结果返