第0章嵌入式系统概述

ARM应用系统设计－嵌入式系统概述佘黎煌东北大学信息科学与工程学院电子信息工程研究所嵌入式系统概述嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点，分类及应用领域嵌入式操作系统嵌入式系统的设计方法嵌入式系统的概念嵌入式技术无处不在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。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。嵌入式系统的应用领域通信设备汽车电子数字消费类工业控制仪器仪表数字医疗设备信息家电嵌入式视频服务器现代化家庭嵌入式系统示例——汽车控制系统马达控制器车灯嵌入式系统示例——汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统嵌入式系统的概念二、从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用据统计，每年只有2%左右的计算机芯片是用在台式PC或膝上电脑上的。用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有10---20亿片。每年大约有1万个新的嵌入式系统投入产生，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。如：手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部，到今年约为上亿部。到底什么是嵌入式系统呢？MP3工业控制计算机比较两者有什么共同之处？共同之处：都嵌入了微处理器。嵌入式系统的概念根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。嵌入式系统的概念国内普遍被认同的定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的隐藏在某种设备中的计算机软硬件集合体，没有固定的特征形状简单的讲:就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。三要素：嵌入、专用、计算机•嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求•专用性：软、硬件按对象要求裁减•计算机：实现对象的智能化功能嵌入式系统概述嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点，分类嵌入式操作系统嵌入式系统的设计方法嵌入式系统的特点嵌入式系统本质上就是一个计算机系统，但与通用计算机系统相比，它具有以下一些特点（1）嵌入式系统与应用密切相关。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。（2）嵌入式系统存储资源有限。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高，芯片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，另外还有实时性的要求。为此要求程序的编写质量和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。嵌入式系统的特点（3）嵌入式系统具有实时约束。嵌入式系统很多是实时系统。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。（4）需要交叉开发环境和调试工具。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。嵌入式系统的分类1.2嵌入式系统的特点及分类---------嵌入式系统的硬件嵌入式微控制（MCU）嵌入式DSP处理器(DSP)嵌入式微处理器MPU嵌入式片上系统（SOC）嵌入式处理器嵌入式处理器——嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机嵌入式系统的分类嵌入式微处理器(MicroprocessorUnit,MPU)Intel:x86（Am186/88、386EX）Motolora:PowerPCMotolora68K/ColdFire/DragballMIPS:MIPSARM:ARMIntel:XSCALE嵌入式处理器嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，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，适合于控制，因此称微控制器。——嵌入式微控制器复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核嵌入式系统的分类嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)Intel:8051/96Motolora:MC68HC08/12,MC9S08/12Microchip:PICAtmel:AVRTI:MSP430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、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP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。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。嵌入式DSP处理器有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。PHILIPS公司今年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元，应用目标是大批量消费类电子产品。SoC就是SystemonChip，SoC是一种基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系统设计技术。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（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。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的SmartXA嵌入式片上系统(SoC)SOC体系结构ASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface知识产权嵌入式系统的分类嵌入式片上系统SystemOnChip,SOCSystemOnProgrammableChip,SOPCAtmel：FPSLIC(AVRwithFPGA)ST：uPSD(8051withCPLD)Altera:Nios、NiosII软核心嵌入式处理器Xilinx:MicroBlaze软核嵌入式处理器嵌入式系统概述嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点，分类嵌入式操作系统嵌入式系统的设计方法1.3嵌入式操作系统概述计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。基本概念中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。后台的处理在及时性上比实际可以做到的要差。ISRISRISRISR后台前台中断服务程序时间——前后台系统1.3嵌入式操作系统基本概念操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。——操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序1.3嵌入式操作系统概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中1.3嵌入式操作系统概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点1.3嵌入式操作系统批处理操作系统批处理(BatchProcessing)操作系统的工作方式是：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，然后启动操作系统，系统自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。。1.3嵌入式操作系统批处理操作系统1.3嵌入式操作系统分时操作系统分时(TimeSharing)操作系统的工作方式是：一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。用户根据上步结果发出下道命。分时操作系统将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。每个用户轮流使用一个时间片而使每个用户并不感到有别的用户存在。分时系统具有多路性、交互性、“独占”性和及时性的特征。1.3嵌入式操作系统分时操作系统1.3嵌入式操作系统实时操作系统实时操作系统(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使计算机能及时响应外部事件的请求在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。实时操作系统要追求的目标是：对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。因此实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确性,还取决于输出结果的时间.嵌入