第三章-嵌入式系统平台构建

1嵌入式系统及应用第三讲嵌入式系统平台构建2本章提要132典型的嵌入式系统平台结构嵌入式处理器4基于44b0+uCOS-II的平台构建嵌入式操作系统3嵌入式系统平台主要包括指嵌入式系统的硬件平台和软件平台。主要体现在处理器和操作系统的选择上。MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROM最小系统其他外设常用外设…人机交互外设UARTSPI…网口CAN触摸屏键盘显示典型嵌入式系统硬件平台结构43.2嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。53.2.1嵌入式处理器分类（1）嵌入式微控制器（2）嵌入式DSP处理器（3）嵌入式微处理器（4）嵌入式片上系统(SystemOnChip)6（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种８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。单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制(PWM)输出、A/D、D/A、FlashR0M、EEPROM等各种必要功能和外设。7嵌入式微控制器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，因此称为微控制器。8（2）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、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。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。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。9MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。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。（3）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit)10嵌入式微处理器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、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等11SoC(SystemonChip)，就是把整个电子系统功能全部集成到一块集成电路里面,SoC嵌入式系统微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，像是ARMRISC、MIPSRISC、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、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。（4）嵌入式片上系统(SystemOnChip)12SoC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。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。也可以采用FPGA来实现SoC功能13由于SoC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如Philips的SmartXA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron(神经元)芯片等。SoC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。14SoC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点：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度。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。15新的发展方向：SoCASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface163.2.2常见的嵌入式处理器当前主流的几种嵌入式微处理器核：1．ARM/StrongARMARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球领先的16／32位RISC微处理器知识产权设计供应商。ARM公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。ARM处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球众多的合作伙伴.ARM处理器目前有五个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。17ARM芯片的特性其中ARM7是低功耗的32位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及适用于开放平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的ARM7EJ等。ARM7TDMI处理器是ARM7处理器系列成员之一，是目前应用最广的32位高性能嵌入式RISC处理器。18ARM芯片的特性(1)指令流水线ARM7TDMI使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。ARM7TDMI使用3级流水线，因此，指令的执行分为3个阶段一取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3条指令从存储器中取指令。19ARM芯片的特性(2)存储器访问ARM7TDMI核是冯·诺依曼体系结构，使用单一32位数据总线传送指令和数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是：8位(字节)、16位(半字)和32位(字)。字必须是4字节边界对准，半字必须是2字节边界对准20ARM芯片的特性(3)存储器接口ARM7TDMI的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发(Burst)访问模式的开发。ARM7TDMI有4种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。21ARM芯片的特性(4)嵌入式ICE-RT逻辑嵌入式ICE-RT逻辑为ARM7TDMI核提供了集成的在片调试(In-CircuitEmulator)支持。可以使用嵌入式ICE-RT逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。嵌入式ICE-RT逻辑包含调试通信通道(DCC，DebugCommunicationsChannel)。DCC用于在目标和宿主调试器之间传送信息。嵌入式ICE-RT逻辑通过JTAG(JointTestActionGroup)测试访问口进行控制。AM7TDMI有2个指令集：32位ARM指令集和16位THUMB指令集。22ARM基于ARM处理器核的典型产品如下：Intel公司的StrongARM的系列：SA—110、SA—1100、SA1101、SA—1110、SA71111；CirrusLogic公司的ARM系列：EP7209、EP7211、EP7212、EP7312、EP9312、PS7500PE；Samsung公司的ARM系列：S3C44B0、S3C2400、S3C4510；Aplio公司的ARM系列：Aplio/TRIO；LinkUpSystems公司的ARM系列：L7200、L7205；NETsilicon公司的ARM系列；NET+ARM；TriscendCorporationARM的产品：A7。232.MIPSMIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages（没有互锁管线阶段的微处理器）的缩写，是一种处理器内核标准，它是由MIPS技术公司开发的。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公司设计RISC处理器始于80年代初；1986年推出R2000处理器;1988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)、Rl0000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。24MIPS之后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MPS324Kc与高性能以位处理器内核MIPS645Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的新版本以及未来64位MIPS6420Kc处理器内核。25MIPS为了使用户更加方便地应用MIPS处理器，MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPSIDF(IntegratedDevelopmentFramework)，特别适用于嵌入式系统的开发。MIPS技术公司既开发MPS处理器结构，又自己生产基于MPS的32位／64位芯片。26MIPSMIPS技术公司32位的嵌入式处理器MIPS32TM体系的特性如下：与MIPSlTM和MIPSIITM指令体系(ISA)完全兼容。增强的状态传送及数据预取指令。标准的DSP操作：乘(MUL)、乘加(MADD)及CountleadIng0／1s(CLZ/O)优先的CacheLoad/Control操作。向上与MIPS64TM体系兼容。稳定的3操作数Load/StoreRISC指令体系(3寄存器，或2寄存器+立即数)。7个、32个32位的通用寄存器(GPRs)；2个乘／除寄存器(HI和LO)。27MIPS可选的浮点数支持：32个单精度32位或者16个双精度64位浮点数寄存器(FPRs)、浮点状态代码寄存器可选的存储器管理单元(MMU)：TLB或BAT地址翻译机制、可编程的页面大小。可选的Cache：可选择指令缓存和数据缓存大小，数据缓存可选择Write-back或Write-through方式、支持虚拟地址或物理地址方式。增强的JTAG(EJTAG)提供不受干扰(Non-intrusive)调试支持。基于这些特性，MIPS芯片被广泛应用于以下环境：MIPS32TM及其兼容处理器定位于高性能、低功耗的片上系统(System-On-Chip)等嵌入式应用。28MIPS便携式计算系统：手持或掌上电脑、信息电器、数字信息管理便携式通信设备：便携式电话(Cellarphone)3G手持设备、智能电话(Smartphone)、可视电话(ScreenPhone)。数字消费产品：数字相机(DigitalCameras)、机顶盒(STB)、游戏平台[GamePlatform)、DVD播放器。办公自动化设备：打印机、复印机、扫描仪、多功能外设。工业控制：仓库存储系统、自动化系统、导航系统(GPS)、图形系统、精细终端(POS、ATM、E-Cash)293PowerPCPowerPC是由IBM、Motorola和