(ARM嵌入式系统基础及应用)第1章嵌入式系统概述

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1、1 第1章 嵌入式系统概述 1.1 嵌入式系统基础 1.2 嵌入式微处理器 1.3 嵌入式操作系统 1.4 本章小结 2 随着科学技术的发展，嵌入式系统的应用越来越广泛 ，它几乎应用到了所有的电器设备中，如掌上PDA、移动 计算设备、电视机顶盒、手机、数字电视、汽车、微波炉 、数码相机、家庭自动化系统、安全系统、自动售货机、 工业自动化仪表、医疗仪器等。大力发展嵌入式系统，是 适应技术发展趋势和市场发展潮流的关键性战略。它不仅 自身的产业潜力十分巨大，同时将极大地带动相关产业的 发展，并且对改变我国软件产业和集成电路产业相对落后 的局面也是极为关键的一环。本章将介绍嵌入式系统的基 础知识。 3

2、 1.1.1 嵌入式系统的定义 IEEE(国际电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义 是：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 (devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants)。简而言之，嵌入式系统就 是指嵌入到对象体中的专用计算机系统。狭义上讲，嵌入 式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求 的专用计算机系统。 1.1 嵌入式系统基础 4 一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算 机软硬

3、件集合体，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统 。它包括了三个要素：嵌入、专用、计算机。 5 1.1.2 嵌入式系统的基本组成 嵌入式系统一般由三个主要部分组成：嵌入式硬件平 台、嵌入式操作系统、嵌入式系统应用软件。 (1) 嵌入式硬件平台，包括处理器、存储器(RAM、 ROM)、输入/输出设备、辅助系统等。 (2) 嵌入式操作系统，指嵌入式硬件平台上运行的操作 系统。 (3) 嵌入式系统应用软件，指用于实现具体业务逻辑功 能的各种软件。 6 图1.1 嵌入式系统的组成图 7 1.1.3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统作为区别于一般计算机系统的专用计算机 系统有其自身特点： (1) 嵌入式CPU大

4、多工作在为特定用户群设计的系统中 ，通常具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通 用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，使得 嵌入式系统趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦 合越来越紧密。 8 (2) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、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，是一个 技术密集、资金密集、不断创新的知识集成系统。 (3) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，争 取在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体 应用中更具有竞争力。 (4) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升 级换代也与具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦 进入

5、市场，便具有较长的生命周期。 9 (5) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的 软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储 于磁盘等载体中。 (6) 嵌入式系统本身不具备自行开发能力，即使设计完 成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须 有一套开发工具和环境才能进行开发。 10 1.1.4 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的发展趋势有以下几个方面： (1) 提供强大的网络服务。嵌入式系统一般配备标准的 一种或多种网络通信接口，以适应嵌入式分布处理结构和 上网的要求。嵌入式系统还必须配备有TCP/IP协议簇软件 支持的通信接口来满足外部联网的要求。 (2) 小尺寸、低成

6、本和低功耗。嵌入式系统应选用最佳 的编程模式并不断地改进算法，优化编译器性能，以限制 内存容量和复用接口芯片，来满足小尺寸、低成本和低功 耗的特性。 11 (3) 人性化的人机界面。自然的人机交互界面使嵌入式 设备更具有亲和力，也更容易为用户所接受和使用。 (4) 完善的开发平台。应采用更强大的嵌入式处理器来 满足电气结构更为复杂的应用产品，同时采用多任务编程 技术和交叉开发技术来控制功能复杂性，简化应用程序设 计，保障软件质量和缩短开发周期。 12 1.2.1 嵌入式微处理器简介 嵌入式微处理器是由通用计算机的CPU演变而来的， 它虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作 温度、抗电

7、磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。 1.2 嵌入式微处理器 13 嵌入式微处理器一般具备以下几个特点： (1) 对实时多任务的支持能力强，能完成多任务并且有 较短的中断响应时间，可使内部的代码和实时内核的执行 时间减少到最低限度。 (2) 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统 的软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误 的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时这也 有利于软件诊断。 (3) 具有可扩展的处理器结构。 14 (4) 嵌入式微处理器功耗低，可用于便携式的无线及移 动计算和通信设备中。靠电池供电的嵌入式系统芯片功耗 仅为毫瓦级，甚至是微瓦级。 15 目前，嵌入

8、式微处理器主要分为以下几种类型： 1) 微控制器(MCU) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子 器件，目前在嵌入式设备中单片机仍然有着极其广泛的应 用。 16 2) 微处理器(MPU) 嵌入式微处理器(Micro Processor Unit)是由通用计算机 中的80386、80387 CPU演变而来的。与计算机处理器不同 的是，在实际嵌入式应用中，MPU只保留了和嵌入式应用 紧密相关的功能硬件，去除了其他的冗余功能部分，这样 就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。 17 3) 数字信号处理器(DSP) DSP是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构 和指令算法方面进行

9、了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱 分析等各种仪器上，DSP获得了大规模的应用。 18 4) 片上系统(SoC) SoC是IC设计的发展趋势。采用SoC设计技术，可以大 幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低 系统成本，极大地提高系统的性能价格比。 19 5) 可编程片上系统(SOPC) SOPC被称为“半导体产业的未来”，是以FPGA为核心 的硬件可重构技术。它是用可编程逻辑技术把整个系统放 到一块硅片上的技术。 20 1.2.2 ARM微处理器 ARM(Advanced RISC Machines)既是一个公司的名字， 也是对一类微处理器的通称。ARM公司是专门从事基于 RI

10、SC技术的芯片设计开发的公司。作为知识产权供应商， ARM公司本身不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可 获利。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的 ARM微处理器核，再根据各自不同的应用领域，加入适当 的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片产品。目 前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授 权，因此使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软 件的支持，使得整个系统成本降低，产品更容易进入市场 并被消费者所接受，同时也更具有竞争力。 21 ARM微处理器一般采用RISC架构。RISC体系结构一般 具有如下特点： (1) 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本

11、寻址方式有23种。 (2) 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 (3) 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操 作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执 行效率。 (4) 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执 行，从而提高指令的执行效率。 22 (5) 可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传 输效率。 (6) 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位 处理。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率 。 23 1.2.3 嵌入式DSP处理器 嵌入式DSP是一种具有特殊结构的微处理器，主要用在 数字滤波、FFT、谱分析等方面。DSP芯片的内部采用程序 和

12、数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采 用流水线操作，提供特殊的指令，可以用来快速地实现各 种数字信号处理算法。 24 DSP芯片一般具有如下主要特点： (1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 (2) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 (3) 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线同 时访问指令和数据。 (4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 (5) 快速的中断处理和硬件I/O支持。 (6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 (7) 可以并行执行多个操作。 (8) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以 重叠执行。 25 目前，嵌

13、入式DSP处理器最具有代表性的产品是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、用于移动 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。 26 1.2.4 网络处理器 国际网络处理器会议(Network Processors Conference)对 网络处理器(NP，Network Processors)的定义是：网络处理 器是一种可编程器件，主

14、要用于完成通信领域的各种任务 ，比如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、 防火墙、QoS等。 网络处理器是专门为处理数据包而设计的可编程处理 器，能够直接完成网络数据处理的一般性任务。NP的硬件 体系大多采用高速的接口技术和总线规范，具有较高的I/O 能力，包处理能力得到了很大提升。 27 NP一般具有以下特点： (1) 专用硬件协处理器。对要求高速处理的通用功能模 块采用专用硬件实现以提高系统性能。 (2) 专用指令集。转发引擎通常采用精简指令集，并针 对网络协议处理特点进行优化。 (3) 分级存储器组织。NP存储器一般包含多种不同性能 的存储结构，对数据进行分类存储以适应不同的应

15、用。 (4) 高速I/O接口。NP具有丰富的高速I/O接口，包括物 理链路接口、交换接口、存储器接口、PCI总线接口等。它 们通过内部高速总线连接在一起，提供很强的硬件并行处 理能力。 28 (5) 可扩展性。多个NP之间还可以互连，构成网络处理 器簇，以支持更为大型高速的网络处理。 29 1.2.5 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统(SoC，System on Chip)指的是在单个芯 片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路 进行包分组的技术。一个完整的片上系统一般包括中央处 理器、存储器以及外围电路等。 SoC设计技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺 技术的发展，IC设计者能够将越来越复杂的功能集成到单 硅片上，SoC正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的趋 势下产生的。 30 1994 年Motorola发布的Flex Core系统(用来制作基于68000和 PowerPC的定制微处理器)和1995年LSILogic公司为Sony公 司设计的SoC可能是基于IP (Intellectual Property)核完成SoC 设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累， 显著提高ASIC的设计能力，故发展非常迅速。 SoC一般可以分为专用SoC和通用SoC两种。专用SoC 一般用于某个或某类系统中；通