chapt-01-嵌入式系统概述.ppt
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1、 课程安排 Chapt 1 嵌入式系统概述 Chapt 2 ARM 体系结构及编程模型 Chapt 3 ARM指令系统 Chapt 4 ARM嵌入式程序设计基础 Chapt 5 总结交流 Chapt 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统组成 嵌入式微处理器 嵌入式操作系统 常用Linux命令典型嵌入式系统组成硬件典型嵌入式系统组成软件嵌入式系统定义 IEEEIEEE(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、监视或者辅助操作机器和设备用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置的装置” (原文为(原文为devices used to con
2、trol, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants) 一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的的专用专用计算机计算机系统。系统。”嵌入式系统发展 第一阶段:以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统; 第二阶段:以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统; 第三阶段:以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统; 第四阶段:以internet为标志的嵌入式
3、系统。嵌入式系统分类 按表现形式分:(硬件范畴)按表现形式分:(硬件范畴) 芯片级嵌入(含程序或算法的处理器)芯片级嵌入(含程序或算法的处理器) 模块级嵌入(系统中的某个核心模块)模块级嵌入(系统中的某个核心模块) 系统级嵌入系统级嵌入 按实时性要求分:(软件范畴)按实时性要求分:(软件范畴) 非实时系统(非实时系统(PDA) 软实时系统(消费类产品)软实时系统(消费类产品) 硬实时系统(导引头等工业和军工系统)硬实时系统(导引头等工业和军工系统)嵌入式微处理器 硬件基础硬件基础 冯冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构 CISC与与RICS 影响影响CPU性能的因素性能的
4、因素 存储器系统存储器系统冯冯诺依曼结构和哈佛结构诺依曼结构和哈佛结构冯冯诺依曼结构诺依曼结构哈佛哈佛结构结构冯诺依曼结构冯诺依曼结构1)数据与指令都存储在存储器中)数据与指令都存储在存储器中2)被大多数计算机所采用)被大多数计算机所采用3)ARM7 冯诺依曼体系冯诺依曼体系哈佛结构哈佛结构 1)程序存储器与数据存储器分开)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)提供了较大的数存储器带宽 3)适合于数字信号处理)适合于数字信号处理 4)大多数)大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构 5)ARM9是哈佛结构是哈佛结构CISC和和RISCCISC:复杂指令集(:复杂指令集(Comp
5、lex Instruction Set Computer) 具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC:精简指令集(:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer) 8/2原则:原则:80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令 在通道中只包含最有用的指令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确保数据通道快速执行每一条指令 使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 影响影响CPU性能的因素:流水线、超标量和缓存性能的因素:流水线
6、、超标量和缓存 RISC流水线技术:几个指令可以并行执行流水线技术:几个指令可以并行执行 提高了提高了CPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动 超标量执行:超标量超标量执行:超标量CPU采用多条流水线结构采用多条流水线结构高速缓存(Cache) 1、为什么采用高速缓存、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。以提高内存的平均性能。 2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器,它保存部分主存内高速缓存是一种小型、快速的存储器,它保
7、存部分主存内容的拷贝容的拷贝。Question ? 什么是虚拟内存什么是虚拟内存? 什么是物理内存什么是物理内存?BUS and Bus Bridge存储器系统存储器系统 RAM:随机存取存储器:随机存取存储器 SRAM:静态随机存储器:静态随机存储器 DRAM:动态随机存储器:动态随机存储器 1)SRAM比比DRAM快快 2)SRAM比比DRAM耗电多耗电多 3)DRAM存储密度比存储密度比SRAM高得多(体积)高得多(体积) 4)DRAM需要周期性刷新需要周期性刷新 ROM:只读存储器:只读存储器 FLASH:闪存:闪存嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类嵌入式微控制器嵌入式微控制器(EM
8、CU)嵌入式微控制器的典型代表是单片机嵌入式微控制器的典型代表是单片机,这种位的电子器件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。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单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、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。等各种必要功能和外设。典型的典型的EMCU有有51 系列系列,MC68系列系列,PIC系列系列,MSP 430系列系列.微控制器的最大特点是单片化,
9、体积大大减小,从而使功耗和成本下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。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,因此称为微控制器般比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器.近来近来Atmel推出的推出的AVR单片机由于其集成了单片机由于其集成了FPGA等器件,所以具有等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。嵌入式数字信号处理器(嵌入式数字信号处理器(EDSP) DSP处理器是
10、专门用于信号处理方面的处理器,其在系统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,在数字滤波结构和指令算法方面进行了特殊设计,在数字滤波 FFT、谱分析等各种仪器上谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。 DSP的理论算法在的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的年代就已经出现,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。等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSP片,片,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。在语音合成和编
11、码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算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。计算机方面。 目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是处理器是TI的的TMS320C2000/C5000/C6000系列,系列,ADI公司的公司的DSP的如的如Blackfin系列系列,另外如另外如Intel的的MCS-296和和Siemens的的TriCore也有各自的应用范围也有各自的应用范围.嵌入式微处理器嵌入式微处理器(EMPU) EMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演
12、变而来的,演变而来的,8038680387 与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,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。源实现嵌入式应用的特殊要求。 和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体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主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386E
13、X、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等系列等嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip) SoC 就是就是System on Chip ,SoC嵌入式系统微嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。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,它结合了许多功能区块,将功能做在一个芯片上,像是像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的或是其他的微处理器核心,加上通信的接口单元,像是万用微处理器核心,加上通信的接口单元,像是万用串行端口(串行端口(USB)、)、TCP/IP通信单元、通信单元、GP
14、RS通通信接口、信接口、GSM通信接口、通信接口、IEEE1394、蓝牙模块、蓝牙模块接口等等,这些单元以往都是依照各单元的功能接口等等,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。做成一个个独立的处理芯片。 SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的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种:好处可以分为下列几种: 利用改变内部工作电压,降低芯片功耗。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号传递,
15、可以加快微处理器数据处理的速度。度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传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。递时所造成系统杂讯。嵌入式操作系统操作系统分类 (1)顺序执行系统:系统内只含有一个程序,)顺序执行系统:系统内只含有一个程序,独占独占CPU的运行时间,按语句顺序执行该程序,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。如直至执行完毕,另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。操作系统。 (2)分时操作系统:系统内同时可以有多个程)分时操作系统:系统内同时可以有多个程序运行,把序运行,把CPU的时间分按顺序分成若干片,每的时间分按顺序分成若干
16、片,每个时间片内执行不同的程序。如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,)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务才能占有CPU的控制权的控制权按实时性分类按实时性分类 具有强实时特点的嵌入式操作系统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没有实时特点的嵌入式操作系统 强实时系统,强实时系统,其系统响应时间在毫秒或微秒级(数控机床)其系统响应时间在毫秒或微秒级(数控机床) 一航实时系统
17、,一航实时系统,其系统响应时间在毫秒几秒的其系统响应时间在毫秒几秒的 数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一 些(电子菜谱的查询)些(电子菜谱的查询) 弱实时系统,弱实时系统,其系统响应时间约为数十秒或更长(工程机其系统响应时间约为数十秒或更长(工程机械控制器)械控制器)按软件结构分类按软件结构分类 (1)循环轮询系统:(Polling Loop) 最简单的软件结构是循环轮询,程序依次检查系统的每一最简单的软件结构是循环轮询,程序依次检查系统的每一个输入条件,一旦条件成立就进行相应的处理。个输入条件,一旦条件成立就进行相应的处理。 Initiali
18、ze() While(true) if(condition_1) action_1(); if(condition_2) action_2(); if(condition_n) acition_n(); (2)事件驱动系统:()事件驱动系统:(Event-Driven system) 事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台后台 、实时多任务、多处理器等,是嵌入式实时系统的、实时多任务、多处理器等,是嵌入式实时系统的主要形式。主要形式。 应用程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函数完成应用程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函
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