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1、体系结构课程报告嵌入式系统技术研究综述目录第一章嵌入式系统基础（3500）11.1 嵌入式系统概述11.2 嵌入式应用现状31.2.1 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)31.2.2 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)31.2.3 嵌入式DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)41.2.4 嵌入式片上系统 (System On Chip)51.3 嵌入式系统设计特点5第二章研究热点（8000）62.1 嵌入式中的可重构技术（4000）62.1.1 可重构
2、研究现状62.1.2 可重构技术在嵌入式设计中的应用72.1.3 实现过程的主要问题82.1.4 总结102.2 嵌入式系统的安全实现（3000）102.2.1 软件的安全设计模型112.2.2 安全构架设计122.2.3 安全应用方面122.3 能耗问题（1000）13第三章总结15参考文献15第一章 嵌入式系统基础（3500）1.1 嵌入式系统概述以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工,这种分类沿袭了约40年。近10多年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化，例如70年代定义的微计
3、算机演变出来的个人计算机(PC)，如今已经占据了全球计算机工业90%的市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士将计算机分为两类：一类是独立使用的计算机系统，如个人计算机、工作站等；一类是嵌入式计算机系统，它是作为其他系统的组
4、成部分使用的1。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统2。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了万亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(
5、Embedded System Conference )的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了IBM” ，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州何塞举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的Embedded Internet成为一个技术新热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝于99年1月访华时预言，45 年后嵌入式智能(电脑)工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会
6、上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望3。John L. Hennessy和David A. Paterson在其著作计算机体系结构：量化研究方法中指出嵌入式计算在计算机市场上的发展速度已经是最为迅速的了。4是经机id A. Patersonn耗严格要求的专用计算机系统。1.2 嵌入式应用现状嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，到2000 年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000 多种，流行体系结构有30 几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051 单片机的半导体厂家有20 多个，共350 多种衍
7、生产品，仅Philips就有近100 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB 到16MB，处理速度从0.1 MIPS 到2000 MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类2。1.2.1 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽
8、然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM 产品，台湾研华公司也推出了类似的模组化系统SOM（System On Module）。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power P
9、C、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微处理器又可分为CISC 和RISC 两类。大家熟悉的大多数台式PC 都是使用CISC微处理器，如Intel 的x86。 RISC 结构体系有两大主流：Silicon Graphics 公司（硅谷图形公司）的MIPS 技术，ARM 公司的Advanced RISC Machines 技术。此外Hitachi（日立公司）也有自己的一套RISC 技术SuperH。RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因
10、此，在很多方面差异很大。1.2.2 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watch Dog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM 等各种必要功能模块。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗
11、和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300 等。另外还有许多半通用系列，如支持USB 接口的MCU 8XC930/931、C540、C541。目前MCU 占嵌入式系统约70的市场份额。特别值得注意的是近年来提供X86 微处理器的著名厂商AMD
12、公司， 将Am186CC/CH/CU 等嵌入式处理器称之为Microcontroller, MOTOROLA 公司把以Power PC为基础的PPC505 和PPC555 亦列入单片机行列。TI 公司亦将其TMS320C2XXX 系列DSP作为MCU 进行推广。1.2.3 嵌入式DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP 算法正在大量进入嵌入式领域，DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DS
13、P 功能，过渡到采用嵌入式DSP 处理器。嵌入式DSP 处理器有两个发展来源，一是DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式DSP 处理器，TI 的TMS320C2000/C5000 等属于此范畴；二是在通用单片机或片上系统（SOC）中增加DSP 协处理器，例如Intel 的MCS-296。推动嵌入式DSP 处理器发展的一个重要因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL 接入、实时语音解压系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理器的长处
14、所在。嵌入式DSP 处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments 的 TMS320 系列和Motorola 的DSP56000 系列。TMS320 系列处理器包括用于控制的C2000 系列，移动通信的C5000 系列，以及性能更高的C6000 和C8000 系列。DSP56000 目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200 和DSP56300 等几个不同系列的处理器。DSP 的设计者们把重点放在了处理连续的数据流上。在嵌入式应用中，如果强调对连续的数据流的处理及高精度复杂运算，则应该选用DSP 器件。1.2.4 嵌入式片上系统 (System On C
15、hip)随着VLSI 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI 设计中一种标准的器件，用标准的VHDL 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC 可以分为通用和专用两类。通用系列包括Motorola 的M-Core，某些ARM 系列器件，Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯片等。专用SOC 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips 的Smart XA，它将XA 单片机内核和支持超过2048 位的复杂RSA 算法的CCU 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C 语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet 安全方面。1.3 嵌入式系统设计特点嵌入式计算机的处理能力和价格覆盖的范围很广：从低端售价低于10美元的8位和16位处理器，到
