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1、嵌入式系统设计与实例开发 ARM与C/OS- 第一讲 嵌入式系统概述 周 亦 敏,嵌入式系统课程开设的背景 在当今 后PC时代，无论通讯、工控、机械冶金、信息家电、仪器仪表、航空航天、军工、船舶等领域都需要大量的嵌入式开发人员。为了为国家培养兼具软硬件开发能力的人才，增加学生就业竞争力。 嵌入式系统人才需求分析 学校教育中存在偏向极硬 (hardware design)，或偏向超软(software development)，硬件设计人员作风通常非常保守，比较缺乏系统整合设计能力，而软件设计人员只要遇到硬件问题就无能为力，对硬件知识缺少了解。因此，目前国内非常缺乏嵌入式系统所需要的软硬件系统整
2、合人才，大部分都还是靠硬件设计人员兼职。,嵌入式系统工程师既要精通一定的硬件技术、同时还要掌握嵌入式操作系统以及特定软硬件平台上的开发技术；另外，还需要有专门的开发调试设备、软件和资料等特殊条件才能系统学习。 企业大都不愿投入人力和财力去培养自己企业的嵌入式系统工程师，而是愿意招聘现成的嵌入式系统工程师。 嵌入式系统人才短缺！据估计，中国目前软件人才缺口为42万人，其中嵌入式软件的人才缺口更大。 国内外大量需求嵌入式系统工程师 Motorola、Ericsson、Lucent、Huawei、Intel、Legend等著名IT企业高薪聘请的技术人员，绝大多数都是嵌入式系统工程师。从最近的由中华英
3、才网提供的行业薪酬调查报告显示，通信、医疗设备、金融名列三甲。而通信、医疗设备就是嵌入式系统的典型应用领域。从国内求职类权威网站 51job、中华英才网的近期的工作搜索分类来看，嵌入式系统工程师的需求已成为热门职业。 结论：嵌入式系统的教学是大势所趋且刻不容缓!,嵌入式系统课程开设的目的 从传统的51、X86等低级的8、16位处理器平台，向目前实用的32位高级RISC处理器平台转移； 从纯粹的CPU单任务控制向实时多任务转移； 从传统CPU教育的汇编语言、机器指令教学方式，上升到使用规范的C语言来进行条理的模块化嵌入式开发； 彻底解决传统操作系统课程，理论与实践严重脱节的情况； 学生更深入地理
4、解硬件和底层软件间的配合问题； 弥补学生动手能力差的问题，避免学生只会纯粹在Windows平台做一些简单劳动的软件编写工作，真正去深入理解嵌入式系统。,本节提纲,嵌入式系统的定义与特点 嵌入式微处理器的相关基本知识 嵌入式实时操作系统的相关基本知识 嵌入式系统的设计方法概述,典型嵌入式系统基本组成硬件,典型嵌入式系统基本组成软件,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,嵌入式系统的发展,嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋
5、式发展。 最早的单片机是Intel公司的4044，它出现在1971年 Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。,1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。 随后，出现了如Integrated System Incorporation
6、(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。 今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。,IEEE定义,根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, m
7、onitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,一般定义,“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”,嵌入式系统定义要素,专用计算机系统(非PC智能电子设备) 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 等的严格要求 知识集成应用系统（CSEA） 技术密集 资金密集 高度分散 不可垄断 面向应用 不
8、断创新,嵌入式系统的分类,按表现形式分：（硬件范畴） 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入 按实时性要求分：（软件范畴） 非实时系统（PDA） 软实时系统（电子消费类产品） 硬实时系统（数控、航空航天等工业和军工系统）,嵌入式系统的几个重要特征,（1）系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,（）专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。
9、即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,（）系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 （）高实时性OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,（5）嵌入式软件开发走向标准化 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统
10、函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，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，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,嵌入式处理器系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路
11、及电源 接口控制器及接插件 嵌入式软件系统 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application）,嵌入式系统的分类,本节提纲,嵌入式系统的定义与特点 嵌入式微处理器的相关基本知识 嵌入式实时操作系统的相关基本知识 嵌入式系统的设计方法概述,冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构 CISC与RICS 影响CPU性能的因素 存储器系统,硬件基础,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数
12、据2,指令的执行周期T,1）取指令（Instruction Fetch)：TF 2）指令译码（Instruction Decode）：TD 3）执行指令（Instruction Execute）：TE 4）存储（Storage）：TS 每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS,冯诺依曼体系的特点,1）数据与指令都存储在存储器中 2）被大多数计算机所采用 3）ARM7冯诺依曼体系,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,哈佛体系结构的特点,1）程序存储器与数据存储器
13、分开 2）提供了较大的数据存储器带宽 3）适合于数字信号处理 4）大多数DSP都是哈佛结构 5）ARM9是哈佛结构,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。,RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单,CISC与RISC的数据通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,I
14、F,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存,RISC流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动,译码,取指,执行add,译码,取指,执行sub,译码,取指,执行cmp,时间,Add,Sub,Cmp,超标量执行,超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构,执行1,预取,指令CACHE,译码2,译码1,执行2,执行1,预取,译码2,译码1,执行2,流水线1,流水线2,数据,高速缓存（CACHE）,1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能
15、。 2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。,CPU,高速缓存控制器,CACHE,主存,数据,数据,地址,总线和总线桥,存储器系统,RAM：随机存取存储器 SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多（容积） 4）DRAM需要周期性刷新 ROM：只读存储器 FLASH：闪存,SRAM和DRAM,1）SRAM 2）DRAM,CS,R/W,Addr,Data,CS（片选）,R/W,CAS（列刷新）,Data,RAS（行刷新）,Addr,输入输出接口,1）I
16、/O 2）A/D、D/A 3）键盘 4）LCD 5）存储器接口 6）设备接口,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而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，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。,嵌入式处理器,嵌入式处理器,嵌入式处理器的发展趋势 经济性（成本） 微型化
