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1、嵌入式系统设计与实例开发 ARM与C/OS- 第二讲 嵌入式系统的基本概念,课程大纲,参考资料 1.王田苗 主编. 嵌入式系统设计及实例开发ARM与C/OS-. 北京：清华大学出版社，2002.9 2（美）Jean J.Labrosse, 邵贝贝译. C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统. 北京：中国电力出版社，2001.8 简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完整的嵌入式实时内核C/OS-进行了剖析，详细讲述了实时内核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。 4. 马忠梅等著. ARM嵌入式微处理器体系结构。北航出版社 3（美）Wayne Wolf，孙玉方
2、等译. 嵌入式计算机系统设计原理. 北京：机械工业出版社，2002.2 简介：被称为“嵌入式计算系统设计的第一本教科书”，书中重点介绍了嵌入式技术和基本原理和技术，涉及到嵌入式系统的相关的指令系统、CPU、计算平台、程序设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系统设计技术等方面。,1、什么是嵌入式系统 2、硬件基础 3、嵌入式操作系统,嵌入式系统的基本概念,一、嵌入式系统的定义,发展历史 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式发展。 第一款微处
3、理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是是Intel公司的8048，它出现在1976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 Sys
4、tem Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleus，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
5、 used to control, monitor, 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。”,3、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
6、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。 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。,（
7、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，
8、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。,嵌入式系统与PC之间的区别,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台 嵌入式系统的资源比PC少得多 嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多 嵌入式系统一般采用实时操作系统 嵌入式系统大都有成本、功耗的要求 嵌入式系统得到多种微处理体系的支持 嵌入式系统需要专用的开发工具,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,嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。 硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。 软
9、件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,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 1）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。 2）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。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出
10、满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4）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 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。 位、 位单片机，16位、 32位、64位嵌入式CPU。 实时操作系统 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。, 系统响应时间（System response time）： 系统发出处理要求，到系统给出应答信号的时间。 任务切换时间
11、（Context-switching time）： 任务之间切换而使用的时间。 中断延迟（Interrupt latency）： 计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中断服务程序的时间。,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 I/O接口,二、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,数据2,指令的执行周期T,1）取指令（Instruction Fetch)：TF 2）指令译码（Instruction Decod
12、e）：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分开 2）提供了较大的数存储器带宽 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RI
13、SC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 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) 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,IF,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,流水线技术：几
14、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。 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,
15、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 4）DRM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,R/W,CAS,Data,RAS,Addr,输入输出接口,1）I/O 2）A/D、D/A 3）键盘 4）LCD 5）存储器接口 6）设备接口,三、嵌入式操作系统,操作系统的分类 嵌入式实时操作系统 多任务，任务优先级，调度 前台与后台
16、非占先式与占先式、可重入型函数,3.1 操作系统的分类,（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。 （2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX （3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。, 具有强实时特点的嵌入式操作系统 具有弱实特点的嵌入式操作系统 没有实时特点的嵌入式操作系统,按实时性分类,1.强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）； 2.一航实时
