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1、嵌入式系统原理与设计 第三讲 嵌入式系统平台的构建,本章提要,1,3,2,典型的嵌入式系统平台结构,嵌入式处理器,4,基于44b0+uCOS-II的平台构建,嵌入式操作系统,典型的嵌入式系统平台结构,嵌入式系统平台主要包括指嵌入式系统的硬件平台和软件平台。主要体现在处理器和操作系统的选择上。,典型嵌入式系统硬件平台结构,本章提要,1,3,2,典型的嵌入式系统平台结构,嵌入式处理器,4,基于44b0+uCOS-II的平台构建,嵌入式操作系统,3.1 嵌入式处理器,1核心板 核心板也称最小系统，核心板主要由处理器、时钟、复位、电源、存储等部分组成。 2扩展板 扩展板主要由嵌入式系统的外设及接口组成
2、，按照功能可分为： 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UART串口、SPI、I2C、A/D等。 其他专用设备，如网络控制器、CAN控制器、红外接口等。 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，需要用户自己在硬件设计时进行扩展。,3.1.1 嵌入式处理器分类,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。范围极其广阔，从最初的位处理器，目前仍在大规模应用的位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。嵌入式处理器主要包括以下几类
3、。 （1）嵌入式微控制器 （2）嵌入式DSP处理器 （3）嵌入式微处理器 （4）嵌入式片上系统(System On Chip),（1）嵌入式微控制器,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仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制(PWM)输出、A/D、D/A、Flash R0M、EEPROM等各种必要功能和外设。,嵌入式微控制器,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。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于
4、控制，因此称为微控制器。,（2）嵌入式DSP处理器,DSP处理器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。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-29
5、6和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的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，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。,（3）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit),嵌入式微处理器,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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等,（4）多核处理器CM
6、P（Chip multiprocessors）,多核处理器主要具有以下几个显著的优点： 控制逻辑简单：相对超标量微处理器结构和超长指令字结构而言，单芯片多处理器结构的控制逻辑复杂性要明显低很多。 高主频：由于单芯片多处理器结构的控制逻辑相对简单，包含极少的全局信号，因此线延迟对其影响比较小，因此，在同等工艺条件下，单芯片多处理器的硬件实现要获得比超标量微处理器和超长指令字微处理器更高的工作频率。 低通信延迟：由于多个处理器集成在一块芯片上，且采用共享Cache或者内存的方式，多线程的通信延迟会明显降低，这样也对存储系统提出了更高的要求。 低功耗：通过动态调节电压/频率、负载优化分布等，可有效降
7、低CMP（Chip multiprocessors）功耗。 设计和验证周期短：微处理器厂商一般采用现有的成熟单核处理器作为处理器核心，从而可缩短设计和验证周期，节省研发成本。,多核处理器主要包括两类：同构多核处理器和异构多核处理器。 同构多核处理器是集成多个相同的处理器核在一个芯片上，这种处理器能很好地实现一个任务在不同处理器核上的并行执行。 异构多核处理器是集成不同构架的处理器到一块芯片上，用于满足不同应用的需要，可以实现多个任务在不同处理器核上的并行处理。 在嵌入式系统中，异构多核处理器比同构多核处理器应用更为广泛。如TI的OMAP系列、达芬奇系列，IBM的Cell系列处理器等。,SoC(
8、System on Chip)，就是把整个电子系统功能全部集成到一块集成电路里面,SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。,（5）嵌入式片上系统(System On Chip),SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入
9、操作系统的代码模块。 运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 也可以采用FPGA来实现SoC功能,由于SoC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron (神经元)芯片等。 SoC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。
10、,SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,新的发展方向：SoC,3.1.2 常见的嵌入式处理器,当前主流的几种嵌入式微处理器核： 1ARM/StrongARM ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球领先的1632位RISC微处理器知识产权设计供应商。 ARM 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作
11、伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。 ARM处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球众多的合作伙伴. ARM处理器目前有六个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、SecurCore、ARM11 。,ARM芯片的特性,其中ARM7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及适用于开放平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。 ARM7TDMI处理器是ARM7处理器系列成员之一，是目前应用最广的32位高性能嵌入式RISC处理器。,
12、ARM芯片的特性,(1)指令流水线 ARM7TDMI使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。 ARM7TDMI使用3级流水线，因此，指令的执行分为3个阶段一取指、译码和执行。 当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3条指令从存储器中取指令。,ARM芯片的特性,(2)存储器访问 ARM7TDMI核是冯诺依曼体系结构，使用单一32位数据总线传送指令和数据。 只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。 数据可以是：8位(字节)、16位(半字)和32位(字)。 字必须是4字节边界对准，半字必须是2字节边界对准,ARM
13、芯片的特性,(3)存储器接口 ARM7TDMI的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发(Burst)访问模式的开发。 ARM7TDMI有4种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。,ARM芯片的特性,(4)嵌入式ICE-RT逻辑 嵌入式ICE-RT逻辑为ARM7TDMI核提供了集成的在片调试(In-Circuit Emulator)支持。可以使用嵌入式ICE-RT逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。 嵌入式ICE-R
14、T逻辑包含调试通信通道(DCC，Debug Communications Channel)。 DCC用于在目标和宿主调试器之间传送信息。嵌入式ICE-RT逻辑通过JTAG(Joint Test Action Group) 测试访问口进行控制。 AM7TDMI有2个指令集：32位ARM指令集和16位THUMB指令集。,ARM,基于ARM处理器核的典型产品如下： Intel公司的StrongARM的系列：SA110、SA1100、SA1101、SA1110、SA71111； Cirrus Logic公司的ARM 系列：EP7209、EP7211、EP7212、EP7312、EP9312、PS750
15、0PE； Samsung公司的ARM系列：S3C44B0、S3C2400、S3C4510； Aplio公司的ARM系列：Aplio/TRIO； LinkUp Systems公司的ARM系列：L7200、L7205； NETsilicon公司的ARM系列；NET+ARM； Triscend Corporation ARM的产品： A7。,2. MIPS,MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages（没有互锁管线阶段的微处理器）的缩写，是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。 MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次
16、及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。 MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初；1986年推出R2000处理器;1988年推出R3000处理器;1991年推出第一款64位商用微处理器R4000之后，又陆续推出R8000(于1994年)、Rl0000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。,MIPS,之后， MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。 MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MPS 324Kc与高性能以位处理器内核MIPS 645Kc。2000年， MIPS公司发布了针对MIPS 324Kc的新版本以及未来64位MIPS 6420Kc处理器内核。,MIPS,为了使用户更加方便地应用MIPS处理器， MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPS IDF (Integrated
