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1、嵌入式系统基础我们正步入一个崭新的“数字世界”嵌入式应用计算机发展的三大阶段w第一阶段: 始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制的大型机. w第二阶段: 始于七十年代的个人计算机. w第三阶段:计算机正迈入下一个充满机遇的阶段“后PC时代”或“无处不在的计算机“阶段。无处不在的计算机施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为：w“从长远来看，PC机和计算机工作站将衰落，因为计算机变得无处不在：例如在墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。无处不在的计算机全世界的计算机科学家正在形成一种共识: w计算
2、机不会成为科幻电影中的那种贪婪的怪物, 而是将变得小巧玲珑, 无处不在. 他们藏身在任何地方, 又消失在所有地方, 功能强大, 却有无影无踪. 人们将这种思想命名为: “无所不在的计算机”. 嵌入式系统无处不在w各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3、PDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。w在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。巨大的市场w计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正有力推动着21 世纪工业生产，商业活动科学试验和家庭生活等领
3、域自动化和信息化进程。w嵌入式产品的巨大商机全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同科学实验以及现代化家庭起居。w你接触的每一样东西将装有芯片和嵌入式软件。w人才需求量巨大、就业前途非常光明w收入高，真正的白领创新的机遇w通用计算机产业是垄断的。w嵌入式系统与技术是一个分散的工业，充满竞争、机遇与创新。w没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。w肩负着我国IT业崛起的重任嵌入式系统的应用
4、领域嵌入式系统的产品w网络设备:交换机、路由器,MODEMw消费电子:手机、MP3、PDA 、可视电话、电视机顶盒、数字电视、数码照相机、数码摄像机、信息家电w办公设备:打印机、传真机、扫描仪w汽车电子:ABS(防死锁刹车系统)、供油喷射控制系统、车载GPS。w工业控制:各种自动控制设备身边的嵌入式系统时尚的嵌入式系统n嵌入式技术典型应用先进的嵌入式系统可穿可戴的嵌入式系统Wearable Computing微若尘粒的嵌入式系统Smart Dust彼此互连的嵌入式系统穿梭太空的嵌入式系统“哥伦比亚”号，整个系统的起飞重量达2000吨，高56米。 游弋大海的嵌入式系统“小鹰”号标准排水量为601
5、00吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。即使远在火星和土星面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。火星与地球，这一对
6、在星空中遥遥相望的“兄弟”，将迎来6万年来“最亲密的接触”，在2003年8月27日这一天，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。勇气号通用计算机与嵌入式系统对比特征特征通用计算机通用计算机嵌入式系统嵌入式系统形式和类型形式和类型w看得见的计算机。看得见的计算机。 q按其体系结构、运算速度和按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。小型机和微机。w看不见的计算机。看不见的计算机。 q形式多样，应用领域广泛，形式多样，应用领域广泛，按应用来分。按应用来分。组成组成w通用处理器、标准总线和外通用处理器、标准总线和外设。设。 q软件和硬件
7、相对独立。软件和硬件相对独立。w面向应用的嵌入式微处理面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集器，总线和外部接口多集成在处理器内部。成在处理器内部。 q软件与硬件是紧密集成在软件与硬件是紧密集成在一起的。一起的。开发方式开发方式w开发平台和运行平台都是通开发平台和运行平台都是通用计算机用计算机w采用交叉开发方式，开发采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，平台一般是通用计算机，运行运行 平台是嵌入式系统。平台是嵌入式系统。二次开发性二次开发性w应用程序可重新编制应用程序可重新编制w一般不能再编程一般不能再编程嵌入式系统与PC的不同1.一般专用于特定的任务，而PC是一个通用计算机。2.使
8、用多种类型的处理器和处理器体系结构。3.及其关注成本4.有实时约束5.使用实时多任务操作系统6.软件故障造成的后果比PC系统更严重7.大多有功耗约束8.经常在极端的环境下运行9.系统资源比PC少的多10.通常所有的目标代码存放在ROM中11.需要专用工具和方法进行开发设计12.嵌入式系统的数量远远超过PC嵌入式系统基础目录w1 嵌入式系统的定义和组成w2 嵌入式微处理器与接口w3 启动程序BootLoader介绍1.1 嵌入式系统的定义w嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统MP3、手机或者智能卡，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以
9、及娱乐系统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无察觉。嵌入式系统早期主要应用于军事和航空、航天等领域，以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。正是“表面上看不见,其实随处可见”这一特性将嵌入式计算机与通用PC计算机区分开来。w根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统
10、是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。w目前国内一个普遍被认同的定义是：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、功耗严格要求的专用计算机系统。w分析:计算机系统;应用为中心;软硬件可裁剪;要求功能、可靠性、成本、体积、功耗w嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术IT（Information Technology）的最终产品。如何理解”嵌入”w硬件嵌入到大系统中w软件(操作系统)嵌入到硬件中1.2 嵌入式系统的发展概述w自20世纪60年代中期,
11、第一个应用的嵌入式系统-阿波罗导航计算机AGC(appollo guidance computer)诞生,嵌入式系统到目前为止分四个阶段w第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。w第二阶段80
12、年代中期是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。w第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具有文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面GUI等功能；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。w第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数
13、嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。w新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，能够在短时间内支持更多的微处理器。w嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。w通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。w各类嵌入式Linux操作系统迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特
14、点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要，目前已经形成了能与Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。w网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备（如电话、手机、冰箱、微波炉等）功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。w精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。w提供更加友好的多媒体人机交互界面。嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的分类 w根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。这里根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4类。w1单个微处理器w这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌
15、入式处理器上集成了存储器I/O设备、接口设备（如A/D转换器）等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟元件等就可以工作。单个微处理器这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。w常用的嵌入式处理器如Philips公司的89LPCxxx公司系列，Motorola公司的MC68HC05、08系列等。2嵌入式处理器可扩展的系统w这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片上的存储器，处理器一般容量在64KB左右，字长为8位或16位。在处理器上扩充少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。这类系统可在过程控制、信
16、号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。3复杂的嵌入式系统w组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16位、32位等，用于大规模的应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。扩展存储器一般在1MB以上，外部设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列等。w这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种数据库（如事件数据库）。4在制造或过程控制中使用的计算机系统w对于这类系统，计算
17、机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定订单或产品量）。在许多种情况下，两个功能独立的子系统可在一个主系统操作下一同运行。如控制系统和安全系统：控制子系统控制处理过程，以使系统中的不同设备能正确地操作和相互作用于生产产品；而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。1.3 嵌入式系统的组成w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、功耗严格要求的专用计算机系统。
18、w组成:嵌入式系统由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成一 硬件层w嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。嵌入式微处理器的分类嵌入式处理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器(MPU)嵌入式片上系统(System On Chip)字符宽度：8位，底端；16位，精密应用32位，高性能运算(RISC)存储体系wCachewCache是一种容
19、量小、速度快的存储器阵列，它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取w在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache w主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB1GB w常用作主存的存储器有：wROM类NOR Flash、EPROM和PROM等。wRAM类SRAM、DRAM和SDRAM等。w其中NOR Flash凭借其可擦写次
20、数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。w辅助存储器w辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大，但读取速度与主存相比就慢得多，用来长期保存用户的信息。w嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC 和SD卡等。通用设备接口和I/O接口w目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接
21、口）等。二 中间层w硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来w设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及设计硬件相关的设备驱动(只设计,不调用)嵌入式系统硬件初始化w片级初始化(微处理器)w板级初始化(系统板)w系统级初始化(操作系统)三 系统软件层w嵌入式操作系统(Embedded operating systerm,EOS),负责全部软,硬件资源的分配,任务调度,控制,协调并发活动嵌入式操作系统特点w可裁
22、减性。支持开放性和可伸缩性的体系结构。w强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制中。w统一的接口。提供设备统一的驱动接口。w操作方便、简单、提供友好的图形GUI和图形界面，追求易学易用。w提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。w强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。w固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在
23、嵌入式系统计算的ROM中w良好的移植性几种主流的嵌入式操作系统wVxworks: 美国WindRiver公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。wWindows Embedded:支持具有丰富应用程序和服务的32位嵌入式系统。主要系列：Windows CE3.0, Windows NT Embedded 4.0和带有Server Appliance Kit的Windows 2000wPalm OS: Com公司产品，在PDA市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统。w嵌入式Linux：近两年来，Linux在嵌入式领域异军突起，他的独特
24、性，使其作为开发嵌入式产品的操作系统具备巨大的潜力。Linux具有一些独特的优势：层次结构及内核完全开放；强大的网络支持功能；具备一整套工具链；广泛的硬件支持特性。嵌入式操作系统的分类1）按其应用对象不同，有如下4类：w（1）基于Windows兼容，可包括有WindowsCE、嵌入式Linux等；w（2）工业和通信类，包括有VxWorks、Psos、QNX等；w（3）单片机类，包括有uC/OS、CMX、iRMX；w（4）面向Intelnet类包括有Palm、Visor、Hopen、PPSM。2）依据操作系统的类型划分，有2种形式,而嵌入式系统的软件主要有实时系统和分时系统（非实时系统）两大类。
25、其中实时系统又分为硬（强）实时和软（弱）实时系统。w（1）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。w（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。w（3）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。3）按实时性分类实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行就有确定性。具体可分为三种形式：w具有强(硬）实时特点的嵌入式
26、操作系统：在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬（强）实时系统。硬实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）。一个硬实时系统通常在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，uc/os和VxWorks是典型的实时操作系统。w具有弱（软）实特点的嵌入式操作系统：在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会发生致命的错误。软实时系统则主要在软件方面通过编程实现现实的管理。比如Windows CE、uCLinu是一个多任务分时系统。一般软实时系统，其系统响应时间在毫秒或几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（
27、电子菜谱的查询）。w没有实时特点的嵌入式操作系统4）按经济上分类大体上分为2种-商用型和免费型。w（1）商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格昂贵。比如有VxWorks、Windows Embedded、Psos、Palm、OS-9、LynxOS和QNX等。w（2）免费型的在价格方面具有优势，目前主要有Linux和uC/OS。但不可靠，无技术咨询。常见操作系统.ppt文件系统w嵌入式文件系统主要提供文件存储,检索和更新功能w具有:兼容性(根文件系统RAMDISK,crames支持多种文件系统FAT32,YAFFS等)w可裁减,可配置w支持多种存储设备四 应用软件
28、层w一般是指进行图形用户界面(GUI)开发w使用QT/Embedded,MINIGUI,uc/GUI,micro/GUI，将图形用户界面与多任务开发结合起来消费类电子产品应用广泛1.4 嵌入式实时系统w嵌入式实时系统，是指运行嵌入式实时操作系统，能够即时响应系统突发性的高优先级任务w调度策略：w抢占式调度：高优先级任务抢占低优先级任务的内核w非抢占式调度：不允许任务在执行期间被中断，别的任务要占用CPU需要这个任务执行完毕或自动放弃w静态表驱动策略：根据各任务的时间约束及关联关系，生成一张运行时刻表（列车时刻表）w优先级驱动策略：根据优先级高低来调度任务的执行顺序1.5 冯.诺依曼结构与哈佛结
29、构w冯.诺依曼结构（von neumann），也成为普林斯顿结构，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构w特点：1 程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置w2 采用单一的数据和地址总线，程序指令和数据的宽度相同w3运行时，取指令、分析指令、取操作数执行w应用：intel的8086及其他CPU，ARM7，MIPS公司的MIPS处理器哈佛结构w哈佛结构（harvard）是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储结构，是一种并行体系。即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问，这样就可以在同一个机器周
30、期内同时获取指令和数据，提高了执行速度，提高了吞吐率。2嵌入式系统的硬件基本结构2.1嵌入式微处理器简介w嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。w据不完全统计，到2000年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行体系结构有30多个系列，其中8051体系占了多半。w生产8051单片机的厂家20多个，共有350多种衍生品，仅Philips就有近百种。w嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS,常用封装从8Pin到144Pin。嵌入式微处理器具备的4个特点w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
31、实时内核的执行时间减少到最低限度。w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。w可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。w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。2.2嵌入式微处理器的分类嵌入式处理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器(MPU)嵌入式片上系统(System On Chip)字符宽度：8位，底端；16位
32、，精密应用32位，高性能运算(RISC)嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）w嵌入式微控制器的典型代表是单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。w单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。w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。w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，适合于控制，因此称为微控制器。w由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多
33、。并且还有支持I2C、CAN-Bus、LCD、A/D和D/A及众多专用MCU和兼容系列。w比较有代表性的8位通用系列单片机是MCS-51系列等，16位的通用单片机有MSP430系列等。通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、PIC16C64等。w这种位或16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。嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processing）wDSP（Digital Signal Processor ）处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结
34、构和指令算法方面进行了特殊设计，支持复杂指令集去完成信号处理计算。在对信号采集、变换、数字滤波、频谱分析、估值、增强、压缩和识别的处理上，DSP获得了大规模的应用。wDSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还没出现，所以这种理论算法只能通过MPU等来实现。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/C6000系列。w现在DSP处理器已得到了快速的发展和应用，特别是在运算量较大的智能化系统中。例如，
35、各种带有智能逻辑的消费产品、生物信息识别终端、带加密算法的键盘、实时语音压缩和解压系统、虚拟现实显示等。wDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高wDSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。wDSP具有处理速度快，灵活，精确，抗干扰能力强，体积小等优点。已经成为一个新的技术领域，形成了有潜力的产业和市场。w目前，国际上DSP的供货商有以下几大公司：TI(德州公司）、ADI公司、AT&T公司。嵌入式微处理器（Micro Processor Unit）wMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CP
36、U演变而来的。w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。w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w嵌入式MPU可分为CISC和RISC两类。是目前设计制造微处理器的两种典型技术。w复杂指令集MPU：Intel X86，80C51等。w精简指令集MPU：Silicon Graphics公司的MIPS
37、技术；ARM公司的Advanced RISC Machines技术；MicroChip公司的PIC系列单片机。RISC和CISC的差异：w指令系统：简单的常用指令；丰富及专用指令。w存储器操作：限制，简单；指令多，操作直接。w程序：程序占用空间大；设计容易、效率高。w中断：适当地方即可相应中断；指令结束后相应中断。wCPU：面积小，功耗低；功能强、面积大、功耗大。w设计周期：结构简单、布局紧凑、设计周期短，易于采用新技术；结构复杂，涉及周期长；w易用性：指令规整，易学易用；功能强，难学；w应用范围：适合嵌入式应用；适合通用计算机；w三星公司S3C2410的最小系统w提供Linux系统内核w系统
38、稳定工作在202MHz主频上w模块包括64MB SDRAM、16128MB flashw模块给出了S3C2410几乎所有的信号，32位的数据总线，保留充分扩展空间w为嵌入式技术爱好者提供了一个廉价的中高端平台w科研人员高效的开发工具嵌入式片上系统（System On Chip ）wSoC 就是System on Chip ，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。w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、IEEE1
39、394、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。wSoC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操作系统的代码模块。w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。w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
40、，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。wSOC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。按数据总线位数划分w8位微处理器：指数据总线位数是8位，地址总线一般是16位，能够访问64KB的地址空间wZilog公司的Z80,Motorla公司的6800等w应用最广泛的是intel的MSC-51系列单片机w指令、引脚、内部结构(书)16位微处理器w内部总线宽度（数据、地址）是16位的wIntel的8086是第一款16位的微处理器wIntel公司的MCS-96/196系列，TI公司的MSP430系列，Motorola公司的68H12系列32位微处理器w
41、32位的地址总线和数据总线，能寻址的地址空间为232=4GBw主要代表有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等2.3微处理器简介wARM微处理器wARM既可以是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。w1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。采用ARM的IP核的微处理器以广泛应用于各个领域。基于ARM技术的MPU已经占据了32位RISC处理器75%以上的市场份额。wARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产
42、商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器的特点w体积小、低功耗、低成本、高性能；w支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；w大量使用寄存器，指令执行速度更快；w大多数数据操作都在寄存器中完成；w寻址方式灵活简单，执行效率高；w指令长度固定。wARM微处理器系列ARM
43、7(ARM7TDMI)ARM9ARM9EARM10ESecurCore系列Intel的StongARMIntel的XscaleT： 支持16为压缩指令集Thumb；D： 支持片上Debug；M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；XScale PXA270处理器wIntel公司的XScale 微结构体系是基于ARMv5TE体系结构，支持16位的Thumb 指令和DSP扩充wIntel 的PXA270处理器是针对高端便携式手持设备而推出的一款高性能、低功耗、功能强大的嵌入式SOC微处理器。主频624MHZ,大小为23mm23mm(PBGA封装)/13m
44、m23mm（VF-BGA封装，wIntel的无线多媒体扩展技术，wireless MMXwQUICK Capture 高速拍摄和传输400万像素的图象和视频wSpeedstep 移动处理器技术，能最大限度的降低功耗MIPS处理器MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式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的意思是“无内锁流水段微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），最早是在80年代初期由美国斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。1986年推出R2000处理器，19
45、88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）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。之后，MIPS公司的战略发生变化MIPS处理器此外，24K微架构能符合各种新兴的服务趋势，为宽频存取以及还在不断发展的网络基础设施、通讯协议提供软件可编程的弹性。在嵌入式方面，MIPS 系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。MIPS的系统结构及设计理念比较先进，在设计理念上MIPS强
46、调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。 PowerPC处理器Motorola 公司的PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。处理器芯片主要型号是PowerPC 750，它于1997年研制成功，最高的工作频率可以达到500MHz，采用先进的铜线技术。该处理器有许多品种，以便适合各种不同的系统。包括IBM小型机、苹果电脑和其他系统。嵌入式的PowerPC 405（主频最高为266MHz）和PowerPC 440（主频最
47、高为550MHz）处理器内核可以用于各种SoC设计上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。Nios微处理器wNios是Altera公司特有的基于通用FPGA构架的软CPU内核。w将ARM或PowerPC硬核放入FPGA中的内嵌处理器并没有取得较大成功。反而是Altera的应用在低端的软CPU核Nios取得了不错的口碑。Altera公司的SOPC概念逐渐被接受。wNios嵌入式软CPU内核，几乎可以在Altera所有的FPGA产品上实现。wNios处理器及其外设都用HDL语言编写，用通用逻辑资源实现，所以配置及其灵活。常用在一些集成度较高，对成本敏感以及功耗要求不高的场合。wNios II
48、是Altera推出的第二代通用的32位RISC嵌入式微处理器。其性能超过200DMIPS，在Altera FPGA中实现仅需35美分。Altera的Stratix 、Stratix GX、Stratix II和Cyclone系列FPGA全面支持Nios II处理器，以后推出的FPGA器件也将支持Nios II。Nios II系列采用全新的架构，比第一代Nios具有更高水平的效率和性能。和第一代相比，Nios II核平均占用不到50%的FPGA资源，而计算性能增长了1倍。w具有如下特点：完全的32位指令集、数据通道和地址空间；可配置的指令和数据Cache；32个通用寄存器；32个有优先级的外部中
49、断源；单指令的32X32乘除法，产生32位结果；多种片上外设，并能够与片外存储器和外设接口；具有硬件协助的调试模块；在不同的NiosII系统中指令集结构（ISA）完全兼容。wNiosII处理器内核有三种类型：快速型NiosII/f，经济型NiosII/e，标准型NiosII/swNiosII处理器系统包括一个可配置的CPU软内核、FPGA片内的存储器和外设、片外的存储器和外设接口等。wNiosII是一个可灵活配置的软内核处理器；wNiosII在开发过程中，可以认为硬件细节对软件开发人员是透明的。wNiosII的软件开发环境是Nios II IDE。w中文名称：NiosII嵌入式处理器集成开发环
50、境英文名称：Nios.II.Development.Kit.Version.5.0.Build.73c版本：Windows版本wNios II IDE为软件开发提供四个主要的功能：(1)工程管理器(2)编辑器和编译器(3)调试器(4)闪存编程器多核处理器w2001年IBM推出第一款双核处理器power 4处理器，将两颗完全相同的处理器核封装在一个芯片内（对称symmetric技术），处理性能达到双倍。wTI公司的OMAP双核处理器（open multimedia applications plateform 开放的多媒体应用平台）OMAP5910双核处理器，式专门为支持第三代（3G）无线终端应
51、用而设计的应用处理器体系结构，由TMS320C55xDSP内核与低功耗、增强型ARM925内核组成，非对称Asymmetric技术，各个内核执行特定功能，由软件协调.2.4嵌入式微处理器的选型原则w已有的CPU供应商。有名的Motorola、Intel、AMD，小名气的QED。ARM和MIPS只设计不生产。wCPU的处理速度；w技术指标；w处理器的功耗。w处理器的软件支持工具。w处理器是否内置调试工具。w处理器供应商是否提供评估板。2.5 嵌入式外围接口电路和设备接口 根据外围设备的功能可分为以下5类存储器类型通信接口输入输出设备设备扩展接口电源及辅助设备 存储器类型w存储器是嵌入式系统中存储
52、数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：w静态易失型存储器（RAM，SRAM）；w动态存储器（DRAM）；w非易失性存储器ROM（ROMEPROM，EEPROM，FLASH）；w硬盘、软盘、CDROM等。 通信接口 目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括RS-232接口（串口UART）USB接口（通用串行总线接口）IrDA（Infra Red Data Association红外线接口）、SPI（串行外围设备接口）、I2C、CAN总线接口、蓝牙接口（Bluetooth）Ethernet（以太网接口）、IEEE1394接口和
53、通用可编程接口GPIO。 输入输出设备 LCD和触摸屏等，构成了嵌入式系统中重要的信息输入输出设备，应用广泛。触摸屏可以方便的实现鼠标和键盘功能。 设备扩展接口 简单的嵌入式系统如具有简单的记事本、备忘录以及日程计划等功能的PDA，它所需要存储的数据量并不需要很大的内存。由于目前的嵌入式系统功能越来越复杂，需要大容量内存，大的内存使得系统成本和体积加大。目前一些高端的嵌入式系统都会预留可扩展存储设备接口，为日后用户有特别需求时，可购买符合扩展接口规格的装置直接接入系统使用。常用的扩展卡还有各种CF卡、SD卡、Memory Stick等。目前高端的嵌入式系统都留有一定的扩展卡接口。 电源及辅助设
54、备 嵌人式系统力求外观小型化、重量轻以及电源使用寿命长，例如移动电话或PDA，体积较大或者过重的机型已经被淘汰。目前发展的目标是体积小、易携带和外观设计新颖等。在便携式嵌入式系统的应用中，必须特别关注电源装置等辅助设备。3.启动程序BootLoader介绍对于PC机，其开机后的初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（Basic Input /Output System）完成的，但对于嵌入式系统来说，出于经济性、价格方面考虑一般不配置BIOS，因此我们必须自行编写完成这些工作的程序。这就是所需要的开机程序，在嵌入式中称为BootLoader程序。系统加电复位后，几乎所有的CPU都从由复位
55、地址上取指令。因此在系统加电复位后，处理器将首先执行Boot Loader 程序。启动程序BootLoader介绍BootLoader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码。通过这段程序,为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。对于嵌入式系统来说，有的使用操作系统，也有的不使用操作系统，但在系统启动时都必须运行BootLoader，为系统运行准备好软硬件环境。系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后，对于有操作系统的情况下，启动操作系统、启动内存管理、任务调度、加载驱动程序等，最后执行应用程序或等待用户命令；对于没有操作系统的系统直接执行应用程序或等待用户命令启动程序BootLoader介绍系统的启动通常有两种方式，一种是可以直接从Flash启动，另一种是可以将压缩的内存映像文件从Flash（为节省Flash资源、提高速度）中复制、解压到RAM，再从RAM启动。当电源打开时，一般的系统会去执行ROM（应用较多的是Flash）里面的启动代码。这些代码是用汇编语言编写的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必备硬件如内存、中断控制器等。有时候用户必须根据自己板子的硬件资源情况做适当的调整与修改。主流bootloader介绍wU-bootwPPCbootwARMbootwBlobwRedbootwVIVI
