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1、第1章 嵌入式系统概述第1章嵌入式系统概述本章主要介绍嵌入式系统的概念、发展趋势、硬件和软件的特征及，并简单介绍了各个系列的ARM处理器，以引导读者进入嵌入式技术的殿堂。本章主要内容：嵌入式系统简介嵌入式系统发展趋势嵌入式系统的硬件和软件特征ARM系列处理器简介1.1 嵌入式系统简介嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，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算机系统。嵌入式系统不同于常见的计算机系统，它不以独立设备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储及控制的作用。从体
2、系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微控制器，支撑硬件主要包括存储介质、通信部件和显示部件等，嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、支撑软件及应用中间件等。1.2 嵌入式系统发展趋势1提供强大的网络服务为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息等）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE13
3、94、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML浏览器、WML浏览器等。2小型化、低成本、低功耗为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能等。因此，既需要软件人员具有丰富的开发经验，更需要发展先进的嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。3人性化的人机界面亿万用户之所以乐于接受嵌
4、入式设备，其重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力。它具有自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件及彩色图形、图像已取得初步成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。4完善的开发平台随着Internet技术的成熟、带宽的提高，ICP（Internet Content Provider，互联网内容提供商）和ASP（Application Service Provider，应用服务提供商）在网上提
5、供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像移动电话、固定电话及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计者一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32位、64位RISC芯片或数字信号处理器（DSP）增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具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。1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征一般说来，嵌入式系统由如图1-1所示的3个部分组成。图1-1 嵌入式系统组成示意图由图1-1可知，嵌入式系统的组成部分是嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式系统应用。其中，嵌入式系统硬件平台为
6、各种嵌入式器件、设备（如ARM、PowerPC、Xscale、MIPS等）；嵌入式操作系统是指在嵌入式硬件平台上运行的操作系统，目前主流的嵌入式操作系统有嵌入式Linux、mCLinux、WinCE、mC/OS-、VxWorks等。具体使用哪种嵌入式操作系统还要根据具体情况进行选择。每种嵌入式操作系统都有自身的特点以吸引相关用户，例如，嵌入式Linux提供了完善的网络技术支持；mCLinux是专门为没有MMU的ARM芯片开发的；mC/OS-操作系统是一种实时操作系统（RTOS），使用它作为开发工具将使得实时应用程序开发变得相对容易。1嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台是整个嵌入式操作系统和应
7、用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。在嵌入式系统中硬件平台具有多样性的特点。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行的体系结构有30多个系列，数据总线宽度从8位到32位，处理速度从0.1到2000MIPS（MIPS指每秒执行的百万条指令数）。按功能和内部结构等因素，嵌入式系统硬件平台可以分成下面几类。（1）嵌入式RISC微处理器RISC（Reduced Instruction Set Computer）是精简指令集计算机，RISC把着眼点放在如何使计算机的结构更加简单和如何使计算机的处理速度更加快速上。R
8、ISC选取了使用频率最高的简单指令，抛弃复杂指令，固定指令长度，减少指令格式和寻址方式，不用或少用微码控制。这些特点使得RISC非常适合嵌入式处理器。嵌入式微控制器将整个计算机系统或者一部分集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，比如以MIPS或ARM核为核心，在芯片内部集成ROM、RAM、内部总线、定时/计数器、看门狗、I/O端口、串行端口等各种必要的功能和外设。与嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单片化，实现同样功能时系统的体积大大减小。嵌入式微控制器的品种和数量较多，比较有代表性的通用系列包括Atmel公司的AT91系列、三星公司的S3C系列、Marv
9、ell公司的PXA系列等。（2）嵌入式CISC微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU在不同应用中将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器目前主要有Intel公司的x86系列、Motorola公司的68k系列等。表1-1所示描述了RISC和CISC之间的主要区别。表1-1 RISC和CISC之间主要的区别指 标RISCCISC指令集一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合实现复杂操作；指令长度固定指令长度不固定，执行需要多个周期流水线流水线每周期前进一步指令的执行需要调用微代码的一个微程序寄存器更多通用寄存器用
10、于特定目的的专用寄存器Load/Store结构独立的Load和Store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传输处理器能够直接处理存储器中的数据2嵌入式操作系统嵌入式操作系统完成系统初始化及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，其内核精简，具有可配置特性，并与高层应用紧密关联。嵌入式操作系统具有相对不变性。嵌入式操作系统的主要特点如下。（1）体积小嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（Flash Memory）作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑
11、，体积微小。（2）实时性大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，因此要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为一个热点研究领域，主要包括探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。（3）特殊的开发调试环境完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境，一般需要提供的工具是编译/链接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。其中集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。3嵌入式系统应用嵌入式系统应用是以嵌入式系统硬件平台的搭建、嵌入式操作系统的成功移植和运行为前提
12、的，其运行于嵌入式操作系统之上，完成特定的功能或利用操作系统提供的机制完成特定的功能。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。经过不断地发展，嵌入式系统原有的三层结构逐步演化成为一种四层结构。这个新增加的中间层称为硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL），有时也称为板级支持包（Board Support Package，BSP）。HAL是一个介于硬件与软件之间的中间层，其通过特定的上层接口与操作系统进行交互。HAL的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。1.4 AR
13、M系列处理器简介ARM（Advanced RISC Machines）有3种含义，它是一个公司的名称，是一类微处理器的通称，还是一种技术的名称。ARM公司是微处理器行业的一家知名企业，其设计了大量高性能、廉价、低耗能的RISC芯片，并开发了相关技术和软件。ARM处理器具有高性能、低成本和低功耗的特点，适用于嵌入式控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等领域。ARM公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。ARM这种商业模式的强大之处在于其价格合理，它在全世界范围的合作伙伴超过100个，其中包括许多著名的半导体公司。ARM公司专注于设计，设计的芯片内核耗电少，
14、成本低，功能强，特有16/32位双指令集。ARM已成为移动通信、手持计算和多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC实际标准。ARM处理器的产品系列非常广，包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore、Cortex等。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、体积的需求。SecurCore是单独一个产品系列，是专门为安全设备而设计的。表1-2总结了ARM各系列处理器所包含的不同类型。表1-2 ARM各系列处理器所包含的不同类型ARM系列包 含 类 型ARM7系列ARM7EJ-SARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM9/9E系列ARM
15、920TARM922TARM926EJ-SARM940TARM946E-SARM966E-SARM968E-S向量浮点运算（Vector Floating Point）系列VFP9-SVFP10续表ARM系列包 含 类 型ARM10E系列ARM1020EARM1022EARM1026EJ-SARM11系列ARM1136J-SARM1136JF-SARM1156T2(F)-SARM1176JZ(F)-SARM11 MPCoreSecurCore系列SC100SC110SC200SC210其他合作伙伴产品StrongARMXScaleCortex-M3MBX本节简要介绍ARM各个系列处理器的特点。1.4.1 ARM7处理器系列ARM7内核采用冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。ARM7系列处理器主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品。其最高主频可以到达130MIPS。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T四种类型，主要用于适应不同的市场需求。ARM7系列处理器主要具有以下特点：（1）成熟的大批量的32位RICS芯片；（2）最高主频达到
