ARM和嵌入式系统设计.ppt
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1、ARM和嵌入式系统设计主要内容主要内容ARM体系构造体系构造 嵌入式系统根底知识嵌入式系统根底知识ARM汇编指令汇编指令 嵌入式系统软件根底嵌入式系统软件根底嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统无处不在v经过几十年的开展,嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式,而且这些改变还在加速v嵌入式系统无处不在v嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业,包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统,导弹的制导系统也是嵌入式系统,高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。现实中的嵌入式系统什么是嵌入式系统?v嵌入式系统的定义v“用于控制、监视或
2、者辅助操作机器和设备的装置v嵌入式系统是软件和硬件的综合体,下面给出两种比较合理定义:v从技术的角度定义:以应用为中心、以计算机技术为根底、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗严格要求的专用计算机系统v从系统的角度定义:嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其严密耦合在一起的计算机系统 嵌入式系统:是指由嵌入式系统:是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。(4)片上系统片上系统System On Chi
3、pSOC。其中其中:嵌入式处理器嵌入式处理器主要包括主要包括(1)嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit);(2)嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit),即单片机,即单片机;(3)嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital Signal Processor);其中其中:相关支撑器件相关支撑器件主要包括主要包括定时器、序列发生器、控制器、各种传感器、定时器、序列发生器、控制器、各种传感器、显示设备显示设备(LCD、LED等等)、通讯设备通讯设备(Modem,GPS,
4、GSM,GPRS,CDMA,IrDA/Fast IrDA,Bluetooth等等)、接口设备接口设备R232,IEEEl394,USB,PC卡,卡,Smart卡,卡,EthernetFast Ethernet,Parallel等等)。嵌入式系统:是指由嵌入式系统:是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。其中其中:存储器存储器主要包括主要包括(1)只读存储器只读存储器Read Only MemoryROM;(2)随机存储器随机存储器Re
5、ad Random MemoryRAM;(3)闪速存储器闪速存储器Flash MemoryFLASH;(4)电子硬盘电子硬盘Electronic Hard Disk EHD.嵌入式系统:是指由嵌入式系统:是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。其中其中:嵌入式软件系统嵌入式软件系统主要包括主要包括(1)与与硬件相关的底层支持软件;硬件相关的底层支持软件;(2)嵌入式操作系统;嵌入式操作系统;(3)图形用户界面图形用户界面Graphic
6、s User InterfaceGUI;(4)嵌入式数据库系统嵌入式数据库系统 ;(5)各种嵌入式控制与应用软件各种嵌入式控制与应用软件 。嵌入式系统:是指由嵌入式系统:是指由嵌入式处理器嵌入式处理器、相关支撑器件相关支撑器件和嵌入和嵌入 在在存储器存储器中的中的嵌入式软件系统嵌入式软件系统组成的可独立工作的电子系组成的可独立工作的电子系统、装置或设备。统、装置或设备。主要特点:系统构造和功能都相对单一,处理效率主要特点:系统构造和功能都相对单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口。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便、价格很低,以由于这种嵌入式系统使用简
7、便、价格很低,以前在国内工业领域应用较为普遍,但是已经远远不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、需要大容量存储介质的现代化工业能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。控制和新兴的信息家电等领域的需求。第一阶段:第一阶段:以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,同以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。嵌入式系统的开展历史第二阶段:以嵌入式第二阶段:以嵌入式CPUCPU为根底、以简单操作系统为核心的为根底、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。嵌入式系统。主
8、要特点:主要特点:CPUCPU种类繁多,通用性比较弱;系统开种类繁多,通用性比较弱;系统开销小销小,效率高;操作系统具有一定的兼容性和扩展效率高;操作系统具有一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业,用户界面不够友好;系统主性;应用软件较专业,用户界面不够友好;系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。第三阶段:以片上系统第三阶段:以片上系统SOCSOC和嵌入式操作系统为标志的和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。嵌入式系统。主要特点:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型主要特点: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;操作系统内核精小
9、、效的微处理器上,兼容性好;操作系统内核精小、效率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件率高,并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口口APIAPI,开发应用程序简单;嵌入式应用软件,开发应用程序简单;嵌入式应用软件丰富。丰富。第四阶段:以基于第四阶段:以基于InternetInternet为标志的嵌入式系统,这是一个为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅速开展的阶段正在迅速开展的阶段 目前大多数嵌入式系统还孤立于目前大
10、多数嵌入式系统还孤立于InternetInternet之外,之外,但随着但随着InternetInternet的开展以及的开展以及InternetInternet技术与信息家技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切,嵌入式设备与电、工业控制技术等结合日益密切,嵌入式设备与InternetInternet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。嵌入式系统的几个重要特征v系统内核小v应用于小型电子装置的,系统资源相对有限v专用性强v个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常严密,一般要针对硬件进展系统的移植v系统精简v一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其
11、功能设计及实现上过于复杂v高实时性操作系统v软件要求固态存储,以提高速度v软件代码要求高质量和高可靠性、实时性v嵌入式软件开发走向标准化v嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统的开展趋势嵌入式系统的开展趋势v微处理器:精简系统内核,优化关键算法,降低微处理器:精简系统内核,优化关键算法,降低功耗和软硬件本钱。功耗和软硬件本钱。vLinuxLinux、Windows CEWindows CE、Palm OSPalm OS等嵌入式操作等嵌入式操作系统:嵌入式操作系统自身构造的设计更加便于系统:嵌入式操作系统自身构造的设计更加便于移植,具有源代码开放、系统内核小、执行效率移植,具有源代码开放、系
12、统内核小、执行效率高、网络构造完整等特点,能够在短时间内支持高、网络构造完整等特点,能够在短时间内支持更多的微处理器更多的微处理器典型嵌入式系统根本组成硬件MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设典型嵌入式系统根本组成软件输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构需要理解的几个概念体系构造CISCRISC处理器类型信息存储 流水线流水线嵌入式系统嵌入式系统体系构造体系构造指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器
13、存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据2指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据 冯诺依曼体系构造 哈佛体系构造哈佛体系构造二者的特点冯冯诺依曼体系构造特点诺依曼体系构造特点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被大多数计算机所采用被大多数计算机所采用数据和程序存储器是共享数据总线的数据和程序存储器是共享数据总线的哈佛体系构造特点哈佛体系构造特点
14、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提供了较大的数存储器带宽提供了较大的数存储器带宽适合于数字信号处理适合于数字信号处理大多数大多数DSP都是哈佛构造都是哈佛构造CISC和和RISCCISC(Complex Instruction Set Computer)(复杂指令集计算机复杂指令集计算机)RISC(Reduced Instruction Set Computer)(精简指令集计算机精简指令集计算机)当前当前CPU的两种架构的两种架构区别在于不同的区别在于不同的CPU设计理念和方法设计理念和方法两种指令集的特点两种指令集的特点p具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式
15、p8/2原那么:原那么:80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令p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。p指令复杂化、编译复杂化,运行时间长,部件效率指令复杂化、编译复杂化,运行时间长,部件效率不高,不利于并行处理和不高,不利于并行处理和VLSI的实现的实现p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p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p使使CPU硬件构造设计变得更为简单硬件构造设计变得更为简单p将频率最高的操作作为指令系统的根本操作将频率最高的操作作为指令系统的根本操作p代码密度不高代码密度不高 p适于适于VL
16、SI、并行处理的开展趋势、并行处理的开展趋势 CISC RISCRISC在在RISC架构的架构的CPU上,要求软件来指上,要求软件来指定各个操作步骤。定各个操作步骤。将将ADDRA,ADDRB中的数据读入寄存中的数据读入寄存器,相乘和将结果写回内存的操作都必器,相乘和将结果写回内存的操作都必须由软件来实现,比如:须由软件来实现,比如:MOV A,ADDRA;MOV B,ADDRB;MUL A,B;STR ADDRA,A。这种架构可以降低这种架构可以降低CPU的复杂性以及的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的强大的CPU,但对于编译器的设计有更,但
17、对于编译器的设计有更高的要求。高的要求。举例比照举例比照 举例:乘法运算CISC在在CISC架构的架构的CPU上,一条指令:上,一条指令:MUL ADDRA,ADDRB就可以将就可以将ADDRA和和ADDRB中的数相乘并将结中的数相乘并将结果储存在果储存在ADDRA中。中。将将ADDRA,ADDRB中的数据读入存中的数据读入存放器,相乘和将结果写回内存的操作全放器,相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。中设计的逻辑来实现。这种架构会增加这种架构会增加CPU构造的复杂性和构造的复杂性和对对CPU工艺的要求,但对于编译器的工艺的要求,但对于编译器的开发十分有利。开发
18、十分有利。vCISC复杂指令并不等于有利于缩短程序的执行时间。在VLSI制造工艺中要求CPU控制逻辑具有规整性,而CISC为了实现大量复杂的指令,控制逻辑极不规整,给VLSI工艺造成很大困难.vRISC的着眼点不是简单地放在简化指令系统上,而是通过简化指令系统使计算机的构造更加简单合理,从而提高运算效率。大局部指令控制在一个或小于一个机器周期内完成;以硬布线控制逻辑为主,不用或少用微码控制CISC与与RISC的数据通道的数据通道IFIDALUMEMREG微操作通道微操作通道开始开始退出退出IFIDREGALUMEM开始开始退出退出单通数据通道单通数据通道流水线技术流水线技术流水线的根本概念流水
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