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1、第 0 页 共 20 页什么是嵌入式系统什么是嵌入式系统 顾名思义：顾名思义： 包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。包含（安装）在电子装置（应用对象）内部的计算机系统称为嵌入式系统。基本描述：基本描述： 专门用途的计算机系统专门用途的计算机系统 常常用于控制常常用于控制 广泛存在广泛存在 包含硬件和软件包含硬件和软件根据根据 IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。 ”嵌入式系统的定义嵌入式系统的定
2、义 本课程使用的定义，也是国内高校流行的定义：本课程使用的定义，也是国内高校流行的定义： 嵌入式系统是以应用为中心嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础以计算机技术为基础 且软硬件可裁剪且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计 算机系统算机系统 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应 用程序等四个部分组成用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。用于实现对其他设备的控制、监
3、视或管理等功能。嵌入式系统的发展简史嵌入式系统的发展简史 第一阶段第一阶段 4 到到 8 位单片机为核心的可编程控制器系统位单片机为核心的可编程控制器系统 第二阶段第二阶段 以以 8 到到 16 位嵌入式处理器（位嵌入式处理器（CPU）为基础）为基础 第三阶段第三阶段 32 位位 RISC 嵌入式中央处理器嵌入式中央处理器 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 第四阶段第四阶段 基于基于 Internet 接入为标志的嵌入式系统接入为标志的嵌入式系统可从可从 4 个方面考察嵌入式系统的历史个方面考察嵌入式系统的历史 硬件硬件 软件软件 代表产品代表产品 系统结构系统结构嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点
4、 专门用于特定任务专门用于特定任务第 1 页 共 20 页嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而 PC 是通用计算平台。是通用计算平台。 技术融合技术融合 集计算机、半导体、电子技术、通信技术于一体。集计算机、半导体、电子技术、通信技术于一体。 有实时约束有实时约束 一般采用实时操作系统一般采用实时操作系统 有功耗约束有功耗约束软件没有系统和应用的区别，软件固化。软件没有系统和应用的区别，软件固化。 系统内核小系统内核小 软硬件可裁剪软硬件可裁剪 高可靠性高可靠性 资源比资源比 PC 少得多少得多 嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具 非垄断市场非垄断市场
5、软件硬件基本要素软件硬件基本要素 硬件硬件 嵌入式处理器嵌入式处理器 各种类型存储器各种类型存储器 模拟电路及电源模拟电路及电源 接口控制器及接插件接口控制器及接插件 软件软件 应用程序应用程序 实时操作系统实时操作系统 协议栈协议栈 设备驱动设备驱动 板级支持包板级支持包 发展：无所不在的计算时代发展：无所不在的计算时代 远远大于 CPU 普适计算基本特征普适计算基本特征 普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。它使计算机融入人普适计算是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。它使计算机融入人 的生活空间。的生活空间。 普适计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿
6、戴设备或其他常规、非常普适计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常 规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源，使用户能够随时随地获取各种信息，规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源，使用户能够随时随地获取各种信息， 并做出回应。并做出回应。 最小系统最小系统 嵌入式微处理器芯片本身不能独立工作，需要一些外围元器件提供基本的工作条件。嵌入式微处理器芯片本身不能独立工作，需要一些外围元器件提供基本的工作条件。 一个最小系统一般包括以下几个部分一个最小系统一般包括以下几个部分 微处理器芯片：嵌入式最小系统的心脏微处理器芯片：嵌入式最小系统的心脏 电源电路、复位电路、晶振
7、电路：为嵌入式最小系统提供电源、时钟信号电源电路、复位电路、晶振电路：为嵌入式最小系统提供电源、时钟信号 及复位及复位 存储器（存储器（Flash 和和 SDRAM） 。微处理器芯片内部没有存储器，需要外扩存。微处理器芯片内部没有存储器，需要外扩存 储器储器 UART（RS-232、以太网）接口电路。与外界通信、以太网）接口电路。与外界通信第 2 页 共 20 页JTAG 调试接口。完成软件的下载与烧写调试接口。完成软件的下载与烧写 扩展板扩展板 扩展板主要由嵌入式系统的外设及接口组成，按照功能可分为：扩展板主要由嵌入式系统的外设及接口组成，按照功能可分为： 人机交互外设，如键盘、显示设备、触
8、摸屏等。人机交互外设，如键盘、显示设备、触摸屏等。 常用外设及接口，如常用外设及接口，如 UART 串口、串口、SPI、I2C、A/D 等。等。 其他专用设备，如网络控制器、其他专用设备，如网络控制器、CAN 控制器、红外接口等。控制器、红外接口等。 按处理器集成与否可分为：按处理器集成与否可分为： CPU 集成外设，此类外设在芯片生产时已经集成到处理器上，不需要用户集成外设，此类外设在芯片生产时已经集成到处理器上，不需要用户 扩展。扩展。 扩展外设，该类外设是用户需要的但处理器上没有集成，需要用户自己在扩展外设，该类外设是用户需要的但处理器上没有集成，需要用户自己在 硬件设计时进行扩展。硬件
9、设计时进行扩展。 核心板核心板 由最小系统组成的电路开发板称为核心板由最小系统组成的电路开发板称为核心板嵌入式系统硬件平台一般采用核心板加扩展板的方式进行设计嵌入式系统硬件平台一般采用核心板加扩展板的方式进行设计处理器指令执行过程处理器指令执行过程 指令执行过程一般分为：指令执行过程一般分为： 取指取指 从存储器获得下一条执行的指令读入指令寄存器从存储器获得下一条执行的指令读入指令寄存器 PC: 程序计数器程序计数器, 指向下一条要执行的指令指向下一条要执行的指令 IR: 指令寄存器，保存已取得指令指令寄存器，保存已取得指令 译码译码 解释指令，决定指令的执行意义解释指令，决定指令的执行意义
10、执行执行 从存储器向数据通道寄存器移动数据从存储器向数据通道寄存器移动数据 通过算术逻辑单元通过算术逻辑单元 ALU 进行数据操作进行数据操作 存储存储 从寄存器向存储器写数据从寄存器向存储器写数据微处理器的结构体系微处理器的结构体系 按存储结构分：按存储结构分： 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 哈佛体系结构哈佛体系结构按指令类型可分为：按指令类型可分为： 复杂指令集（复杂指令集（CISC）处理器）处理器 精简指令集（精简指令集（RISC）处理器）处理器 每条指令都采用标准字长每条指令都采用标准字长冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构第 3 页 共 20 页3.微微处处理理器器的的结结构构体体系
11、系3.微微处处理理器器的的结结构构体体系系中 中 中 中 中 中 中 中 中 中中 中 中 中 中 中中 中 中 中 中 中 中 中中 中 中 中中 中 中 中中 中 中 中 中 中 中 中 中 中中 中 中 中 中 中中 中 中 中中 中 中 中 0 0中 中 中 中 1 1 中 中 中 中 2 2中 中 中 中 3 3 中 中 中 中 4 4中 中 中 中中 中 中 中 0 0 中 中 中 中 1 1中 中 中 中 2 2地地址址/数数据据冯冯诺诺依依曼曼体体系系结结构构模模型型冯冯诺伊曼结构也称普林斯顿结构诺伊曼结构也称普林斯顿结构 是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结
12、构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构 处理器经由同一个传输总线来访问程序和数据存储器处理器经由同一个传输总线来访问程序和数据存储器 程序指令和数据的宽度相同程序指令和数据的宽度相同 如如 C51、X86 系列、系列、ARM7 等。等。 哈佛结构哈佛结构3 3. .微微处处理理器器的的结结构构体体系系3 3. .微微处处理理器器的的结结构构体体系系指指令令寄寄存存器器 控控制制器器数数据据通通道道输输入入输输出出 中中央央处处理理器器程程序序存存储储器器指指令令0指指令令1 指指令令2数数据据存存储储器器数数据据0 数数据据1数数据据2地地址址指指令令地地址址数数据据哈哈佛
13、佛体体系系结结构构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率 如如 ARM9、TI 的的 DSP 等。等。 影响影响 CPU 性能的因素：性能的因素： 流水线流水线 超标量超标量第 4 页 共 20 页缓存缓存 总线总线 对于任何处理器来说，要提高其效率，在设计上都是要：对于任何处理器来说，要提高其效率，在设计上都是要： 减少数据的等待时间减少数据的等待时间 减少处理单元的空闲时
14、间。减少处理单元的空闲时间。通常用静态通常用静态 RAM 来设计来设计 因此，速度快但比较贵因此，速度快但比较贵 高速缓冲：解决 CPU 与存储器速度不匹配的问题 处理器信息存储的字节顺序主要分为：处理器信息存储的字节顺序主要分为： 大端存储法大端存储法 小端存储法小端存储法 大端模式大端模式 字数据的高位字节存储在低地址中字数据的高位字节存储在低地址中 字数据的低字节则存放在高地址中字数据的低字节则存放在高地址中 小端模式小端模式 低地址中存放字数据的低字节低地址中存放字数据的低字节 高地址中存放字数据的高字节高地址中存放字数据的高字节数字信号处理的任务在很大程度上需要由数字信号处理的任务在
15、很大程度上需要由 DSP 器件来完成器件来完成DSP 的传统设计往往采取主从式结构：的传统设计往往采取主从式结构： 在一块电路板上，在一块电路板上，DSP 做从机，负责数字信号处理运算；做从机，负责数字信号处理运算； 外加一块嵌入式微处理器做主机，来完成输入、控制、显示等其他功能。外加一块嵌入式微处理器做主机，来完成输入、控制、显示等其他功能。 知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权 知识产权（知识产权（IP：Intellectual Property）包含版权、商标、专利权、集成电路布图设）包含版权、商标、专利权、集成电路布图设 计和植物品种权等。计和植物品种权等。 本课程讲解的知识产权主
16、要涉及集成电路布图设计。通常称这一类知识产权为硅知本课程讲解的知识产权主要涉及集成电路布图设计。通常称这一类知识产权为硅知 识产权（识产权（Silicon Intellectual Property） 。 IP 核的三种形态核的三种形态 软核软核 固核固核 硬核硬核 IP 核形态的优选原则核形态的优选原则 从可被重用频度、可向其它工艺移植可能性、重用灵活性等方面考虑，三种从可被重用频度、可向其它工艺移植可能性、重用灵活性等方面考虑，三种 IP 核核 的优选次序是：的优选次序是： 上策选软核上策选软核 中策选固核中策选固核 下策选硬核下策选硬核 从高性能、规范化、有较短上市时间、自行开发工作量尽量少、有支付高价能力的从高性能、规范化、有较短上市时间、自行开发工作量尽量少、有支付高价能力的 角度
