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1、 一、PPT概要绪论（嵌入式系统特点）1. 计算机系统的三大领域：服务器、桌面和嵌入式市场2. 计算机分类：嵌入式计算机、通用计算机3. 嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中4. ！嵌入式系统定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境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高度集成在一起的系统（技术角度）5. 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物6. 通用计算机和嵌入式系统对比：形式和类型、组成（软硬件相对独立；高度集成）、开发方式（开发平台
2、和运行平台都是通用计算机；交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统）、二次开发性（应用程序可根据需要重新编制；一般不能再编程）7. ！嵌入式系统特点：功耗限制、低成本、多速率、环境相关性、系统内核小、专用性强（一般要针对硬件进行系统的移植）、不可垄断性、产品相对稳定性、实时性（实时性的本质是任务处理所花费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。有些嵌入式系统没有实时性要求）8. 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外部物理过程的变化9. 嵌入式系统组成的特点：硬件以 微处理器为
3、核心（集成存储器和外围I/O设备）；软件包括：初始化代码及驱动(Bootloader)、嵌入式操作系统RTOS(核心)和应用程序等有机地结合在一起。10. RTOS性能指标：内核大小（几K几百K）、实时任务相应时间（微秒级20us）、一般任务响应时间（几十至几百毫秒）11. ！嵌入式系统的应用领域：工业控制（汽车电子、智能仪表、工控设备）、军事国防（军事电子）、消费电子（信息家电、智能玩具、通信设备）、网络（网络设备、电子商务）12. ！嵌入式系统的发展趋势：硬件方面，面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SoC（System On Chip）将成为应用主流；软件方面，开发
4、平台完备化、UI支持完备化、支持多核处理器、各种无线通信方式 嵌入式硬件系统基础1. ！嵌入式系统基本组成：嵌入式处理器、存储系统、外围设备与I/O接口2. 嵌入式最小系统：以某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设施。最简单的嵌入式系统组成：处理器、内存、始终、电源和复位。嵌入式最小硬件系统：嵌入式控制器、电源、时钟系统、复位及其配置系统、调试测试接口、存储器系统3. 嵌入式微处理器的体系结构：冯诺依曼结构和哈佛结构4. 指令系统：精简指令集系统RISC（Reduced Instruction Set Computer）复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Se
5、t Computer）5. ！嵌入式处理器分类：MCU（Microcontroller Unit,微控制器）、MPU（Microprocessor Unit,微处理器）、EDSP（Embedded Digital Signal Processor）、SoC（System On Chip片上系统）6. 嵌入式微处理器（单板计算机）：可靠性降低，保密性差7. 嵌入式微控制器：单片化，体积小，功耗和成本下降、可靠性提高8. 知识产权（IP）电路或核是设计好并经过验证的集成电路功能单元9. 嵌入式处理器技术指标：功能（集成的存储器数量和I/O设备种类）、字长、处理速度（MIPS百万条指令每秒或MFLO
6、PS每秒百万次浮点运算）、主频MHz，CPI（Cyclers Per Instruction）、工作温度、功耗、寻址能力、平均故障间隔时间MTBF（越大可靠性越高）10. 选择嵌入式处理器必须综合考虑各方面的性能、价格、可靠性、软件开发要求11. ARM（Advanced RISC Machine）内核是一种32位RISC微处理器，特点：功耗低、性价比高、代码密度高。按应用特征分类：应用处理器（最高性能）、实时控制处理器（较低功耗）、微控制器（最低成本）12. ARM的标识T（支持16位压缩指令集Thumb）、M（增强型乘法器，产生64位结果）、E（增强型DSP指令集，包括16位乘法操作）、J
7、（Java指令支持）、D（在片调试，处理器可响应调试暂停请求）、I（嵌入式ICE. 支持片上断点调试）13. ARM7TDMI有两种操作状态：ARM态（32位，按字排列的ARM指令集）、Thumb态（16位，按半字排列的Thumb指令）通过BX指令在ARM态和Thumb状态之间切换：ARM切换到Thumb：LDR R0,=Label+1BX R0 ; Thumb切换到ARM：LDR R0，=LabelBX R014. ARM的七种操作模式：P44User模式（程序不能访问有些受保护的资源，只能通过异常的形式来改变CPU的当前运行模式）、六种特权模式System模式（不受任何限制的访问任何资源）
8、和五种异常模式（FIQ模式、IRQ模式、Supervisor模式、Abort模式、Undefined模式，主要是在外部中断或者程序执行非法操作时会触发） 15. CPU模式的转变：软件控制、异常、外部中断16. ARM处理器有37个寄存器（31个通用寄存器、6个状态寄存器）15个寄存器（R0-R14）、状态寄存器和程序寄存器在任何时候可见17. CPLD（Complex Programmable Logic Device,复杂可编程门阵列）FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）18. 硬件描述语言HDL（Hardware Description
9、 Language）:描述硬件电路的功能、信号连接关系及时序关系19. SoC构成：至少有一个CPU或DSP或MCU、具有存储器、数字与模拟共存、硬件固件软件共存、基带与射频共存、小信号与大功率共存20. 硬件实现优缺点：速度快，功耗低，降低处理器的复杂程度，减少软件设计时间；成本较高，研发周期较长。软件实现优缺点：成本较低，相关辅助工具较便宜，易调试；性能较差，功耗高，对处理器速度和存储容量要求高，通常需要实时操作系统的支持21. MCU/MPU：丰富的软件系统支持、丰富的控制处理和人机接口、复杂数据处理能力差；DSP：专用的乘加及浮点运算单元，在海量的数据处理上有优势、多用于信号的处理和采
10、集、复杂逻辑处理能力低；FPGA：适用于复杂逻辑的实现、凭借单芯片超大容量和高速并行数据运算能力，在信号处理上有优势、软件支持差22. 嵌入式系统存储器的选择基于存储程序代码和数据所需的空间。引导程序存储器必须是非易失性存储器，最好片内存储；配置存储器必须是非易失性EPROM、EEPROM或闪存；程序存储器不常改变的代码和数据尽量放在内部存储器，更新频繁的放在外部存储器；未来更多使用Flash非易失性存储器23. 输入输出接口类型：总线接口（CAN、以太网）、并行接口、串行接口、无线接口（红外线、蓝牙、GPRS）24. I/O接口的数据交换方式：DMA、查询、中断25. 嵌入式处理器的外围扩展
11、方式：总线扩展（大量数据处理）、GPIO扩展（控制灵活，每个引脚可编程）、内部模块扩展（不能集成部件） 嵌入式软件系统基础1. 嵌入式软件：系统软件、支撑软件、应用软件2. 嵌入式软件系统的体系结构：硬件、驱动层、操作系统层、中间件层、应用层3. 嵌入式软件运行流程：上电复位板级初始化引导/升级系统系统初始化应用初始化多任务应用4. 简单的系统不一定需要操作系统5. 使用操作系统的优点：支持多任务和多线程编程模型、提供网络通信协议栈的实现、提供文件系统服务，简化复杂和大量的数据访问及存储的实现难度、很大程度上屏蔽了底层硬件6. 嵌入式操作系统具有一般操作系统的功能（有效管理任务何系统资源、硬件
12、虚拟化、提供API接口），同时具有嵌入式软件的特点（实时性、硬件相关依赖性、软件固态化、应用专用性）7. 嵌入式操作系统（EOS）特征：小巧（最小几K）、实时性（us级响应）、可裁剪、代码固化、文件管理、弱交互性、强稳定性8. 嵌入式操作系统优点：使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率；实现多任务设计，能充分利用硬件资源和实现资源共享；实时性和健壮性得到更好的保证。缺点：增加ROM/RAM额外开销，5%10%的CPU额外负荷9. 实时系统的设计原则：始终保持系统行为的可预测性。与通用OS（关心系统的平均响应时间）不同，要求每个实时任务在最坏情况下都满足实时要求10. 实时系统高性能系统
13、。高性能系统追求系统的总体效率（如一秒能处理多少个事物）；实时系统追求系统的可预测性（处理一个事务最差情况下需要多少时间）11. 抢占式（Preemptive）多任务调度策略：每个任务分配优先级（高优先级任务强制将低优先级任务切换出CPU，同一优先级的轮转执行）12. 抢占式RTOS优先级分配方法：静态优先级分配（RMS（Rate Monotonic Scheduling,单一速率调度）方法，基本原则：重复周期越短（即重复率越高）的任务分配的优先级越高）、动态优先级分配（EDF（Earliest Deadline First,截止时限最近者优先）方法，做法：事先不分配优先级，而是OS每次在调度
14、时机到来时，计算每个任务离各自截止时限的时间Td,Td最小的任务被调度执行；属性：只要一组任务的CPU利用率U100%，采用EDF方法总是可以保证这组任务的可调度性）13. 任务存在资源竞争时优先级反转和继承14. RTOS具备功能：多任务，不同任务具有不同优先级；任务是可抢占的；具有消除优先级反转的机制；OS的中断延迟、任务切换、驱动程序延迟行为是可知和可预测的；支持多任务间的通信，通信延迟可预测15. 操作系统的体系结构分为：单块结构、层次结构（胖内核）、客户/服务器结构16. 嵌入式操作系统体系结构：单块结构（一次调用只有一次特权态切换，效率高；操作系统实现复杂，鲁棒性和安全性难保证）、
15、层次结构（胖内核）、微内核（瘦内核，进程调度、进程间通信、内存管理。实现简单、保证鲁棒性和安全；一次系统调用需要两次进程上下文切换，效率低） 主要嵌入式OS系统简介1. 目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构(将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块)或微内核结构2. 保持一致，从微内核向超微内核发展，开发环境向开放集成的方向发展3. 按实时性划分：硬实时（Vxworks）、软实时（WinCE，RTLinux）、无实时4. VxWorks特点：高可靠性、高效硬实时、同级别任务可以选择轮转调度、系统footprint小，可灵活裁剪、标准的开发接口、丰富的T
16、CP/IP网络协议栈、支持多处理器（SMP）、提供丰富的调试工具5. （不考）Wind内核：多任务调度（优先级抢占方式、中断处理，看门狗和内存管理机制）、不同的应用需求提供多种类型的信号量（二进制、计数、互斥、POSIX信号量）、进程间通信机制（消息队列、管道、套接字和事件）6. （不考）QNX嵌入式操作系统特点：商用的类Unix实时操作系统、小巧（12K）、典型微内核RTOS，核心仅提供四种服务（进程调度，进程间通信，底层网络通信，中断处理，内核独立运行在一个被保护的地址空间）7. （不考）QNX微内核优点：各模块独立 任何一般OS模块的故障不会导致内核崩溃；驱动程序、网络协议、文件系统的开发及调试与应用程序没有分别；操作系统功能模块可以根据需要动态加载和卸载，不需要
