第一章 嵌入式系统概述

嵌入式体系结构与应用EmbeddedArchitecture&Applications贾世祥[e-mail]课程简介本课程的意义当前发展热点融会贯通以前的知识前修课程《计算机组成原理》《计算机系统结构》《微机接口技术》《汇编语言》《C语言》《操作系统》要求课后多看相关资料实验、动手课程基本内容嵌入式系统概述ARM处理器与编程模型ARM开发工具ARM指令分类与寻址方式ARM指令集ARM汇编语言程序设计ARM存储系统异常与中断处理共48+18学时第一章嵌入式系统概述第一章嵌入式系统概述嵌入式系统的发展嵌入式系统的应用嵌入式操作系统嵌入式处理器嵌入式系统简介嵌入式系统简介嵌入式系统的定义嵌入式系统的由来嵌入式系统与PC嵌入式系统的特点嵌入式系统的定义IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义如下：devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。国产战斗机F-7MG机器人嵌入式系统的定义嵌入到对象体系中的专用计算机系统北航何立民嵌入式系统的定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。民用嵌入式设备或产品—1MOTOC350彩屏WAP移动电话彪骐数字机顶盒BlackBerry7230移动电话DL7100/DL7200数字式示波器嵌入式GIS畅视2000可视电话PalmZire71型个人数字助理民用嵌入式设备或产品—2嵌入式系统的由来嵌入式应用始于微型机时代1946年ENIAC18,800个电子管60多平方米的空间，其重量也达30吨嵌入式系统的由来1948年，贝尔实验室肖克利发明晶体管。1954年，离开贝尔实验室，诺宜斯、摩尔纷纷追随。1957年，仙童公司成立。1959年，诺宜斯用一种平面工艺技术制成半导体集成电路，从此开启了集成电路的时代。同时，德州仪器（TI）的基尔比也发明集成电路。为了谋求更大的发展，其后，仙童公司的三位主力工程师诺宜斯、摩尔、葛洛夫离开了公司，筹建一家他们自己的公司。这就是现在的“Intel”(英特尔)公司。嵌入式系统的由来将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型仪器或设备中构成自动驾驶仪或状态监测系统等。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。SamsungAnyWebInternetScreenPhone嵌入式系统的由来计算机技术的两大分支通用计算机技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。嵌入式计算机技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式系统与PC典型嵌入式系统硬件组成嵌入式系统与PC硬件平台的比较嵌入式系统与PC软件平台的比较嵌入式系统的特点嵌入式系统功耗低、体积小，专用性强。实时性、软件代码质量要求较高。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简。操作系统经常和应用软件集成在一起。嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境需要专门的开发工具和开发环境嵌入式设备本身不具备自主开发能力，需要交叉编译开发环境。开发时有主机和目标机的概念。主机目标机嵌入式处理器嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，目前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嵌入式处理器的分类ARM微处理器Nios微处理器嵌入式微处理器的选型原则嵌入式处理器的分类从应用的角度来划分：嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP嵌入式片上系统（SoC）嵌入式微处理器EmbeddedMicroprocessorUnit(EMPU)嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本是一样的，为了满足嵌入式应用的特殊要求在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌入式处理器目前主要有Aml86188、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微控制器EmbeddedMicrocontrollerUnit(EMCU)嵌入式微控制器又称单片机，就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、RAM、总线逻辑、定时器等各种必要的功能模块。由于微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA等嵌入式DSPEmbeddedDigitalSignalProcessorDSP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。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域。如果嵌入式应用中强调对连续的数据流的处理及高精度复杂运算，则应该选用DSP器件。比较有代表性的产品:Texaslnstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。嵌入式片上系统EmbeddedSystemonChip(ESoC)随着VLSI设计的普及和半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是SoC。各种通用处理器内核和其他外围设备都将成为SoC设计公司的标准库中的器件，用标准的VHDL等硬件描述语言描述,称为IP核，IP核是具有知识产权（IntellectualProperty）的集成电路芯核的简称。用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作芯片样品。这样，整个嵌入式系统大部分都可以集成到一块芯片中去，应用系统的电路板将变得很简洁，这将有利于减小体积和功耗，提高系统的可靠性。SoCARM微处理器ARM即AdvancedRISCMachines的缩写1990年，ARM公司在英国剑桥成立。①16位（Thumb）／32位（ARM）双指令集；②小体积、低功耗、低成本、高性能；③全球众多的合作伙伴。ARM公司并不生产芯片，而是将ARM的技术(IP核）授权其它公司生产。ARM本质上并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术，不涉及到芯片生产工艺。授权生产ARM结构芯片的公司采用不同的半导体技术，面对不同的应用进行扩展和集成，标有不同系列号。现在基于ARM技术的微处理器已经占据了32位RISC微处理器75％以上的份额ARM微处理器CISC和RISCCISCComplexInstructionSetComputer复杂指令系统计算机RISCReducedInstructionSetComputer精简指令系统计算机取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行Nios微处理器Nios是Altera公司特有的基于通用FPGA构架的软CPU内核。随着用户对系统可定制性和灵活性需求的逐步增加，Nios的应用也越来越为广泛。Nios受欢迎是由其本身的特性决定的。在可编程逻辑器件中，用户使用CPU，绝大多数并不是为了追求性能，而是为了PLD特有的灵活性和可定制性，同时也可以提高系统的集成度，这些正是Nios系统天生具备的。随着Nios的成功，Altera公司的SOPC(SystemOnaProgranunableChip)概念也逐渐被接受。FPGA芯片FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列嵌入式微处理器的选型原则与PC市场不同的是，没有一种微处理器或微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以32位的CPU而言，就有100种以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此没有一种微处理器能适用于所有的应用，同样适合于某一应用的微处理器也是多样化的。设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有：调查市场上已有的CPU供应商如ARM、MIPS、Motorola、Intel、AMD等。一些小的公司如QED虽然名气小，但也生产很优秀的微处理器。CPU的处理速度。一个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟频率，内部寄存器的大小，指令系统等。对于许多需要处理器的嵌入式系统设计来说，目的不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成功能要求的处理器和I／O子系统。嵌入式微处理器的选型原则技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了芯片的数量，进而降低了整个系统的开发费用。开发人员需要根据应用需求选择合适的微处理器，满足对片上外设的要求。处理器的低功耗。处理器的软件支持工具。由于仅有一个强大的处理器，没有好的软件开发工具的支持，也不能发挥出处理器的性能，因此合适的软件开发工具能够加速产品的开发，加快系统的实现速度，并能提供可靠性的保障。处理器是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以缩短调试周期，降低调试的难度，缩短产品的上市时间。处理器供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论是否正确，验证设计是否得当。嵌入操作系统根据控制技术的复杂度可以把嵌入式系统分为三类：无操作系统控制的嵌入式系统•NOSES，Non-OScontrolEmbeddedSystem；小型操作系统控制的嵌入式系统•SOSES，SmallOScontrolEmbeddedSystem；大型操作系统控制的嵌入式系统•LOSES，LargeOScontrolEmbeddedSystem。嵌入操作系统中断服务子程序硬件驱动模块监控程序初始化指令使能指令激活指令硬件应用编程接口应用程序操作系统硬件驱动程序硬件应用编程接口和组件库应用程序嵌入式中间件操作系统（内核）硬件板级支持包硬件抽象层硬件驱动程序NOSESSOSESLOSES嵌入式操作系统目前世界上有两百多种嵌入式操作系统。嵌入式操作系统注重实时性的特点。硬实时：系统有一个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超时错误会带来损害甚至导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预期目标。软实时：软实时系统的时限是一个柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重，例如在网络中仅仅是轻微地降低了系统的吞吐量。最关键的差别在于，软实时只能提供统计意义上的实时典型嵌入操作系统NucleusQNXPalmOSVxWorksWindowsCEµC/OS-IILinuxLinuxLinux是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统，从1991年问世到现在，不仅在PC平台，还在嵌入式应用中大放光彩，逐渐形成了与其他商业EOS抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，70％以上的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。RTLinuxμCLinuxARM-LinuxMontavistaLinuxLinux内核精简，高性能、稳定；良好的多任务支持；适用于不同的CPU体系架构：支持X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等；可伸缩的结构：适合于从简单到复杂的各种嵌入式应用；外设接口统一：以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口；开放源码，软件资源丰富：广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结构灵活，适用面µC/OS美国JeanLabrosse1992年在杂志上最初发表了μC/OS；学院和大学的教学使用是免费的,世界各地的学院和大学有100余所讲授µC/OS-II实时操作系统；1）公开源代码源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到洋尽的源代码讲解和注释。这样系统变得透明，容