嵌入式系统的幻灯片

1、嵌入式系统设计与实例开发 基于ARM微处理器与实时操作系统 第二讲 基本概念及设计方法 主讲教师：罗子波 副教授,本节提要,1,3,2,嵌入式系统硬件知识,嵌入式系统软件知识,嵌入式系统的选择原则和设计工具,嵌入式微处理器简介 嵌入式微处理器体系结构 嵌入式微处理器的分类,2.1 嵌入式系统硬件知识,嵌入式微处理器简介,嵌入式硬件系统组成： 嵌入式微处理器： 控制单元 ALU 寄存器 存储器 输入/输出单元,嵌入式处理器的基本结构（1）,微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。,嵌入式处理器的基本结构（2）,控制单元：主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。 算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、

2、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。 寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是从存储器中所得到的数据（这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理）和算术逻辑单元中处理好的数据（再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。,冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构 CISC与RISC 信息存储的字节顺序 IP 核 流水线 存储器系统,2.1.2 嵌入式微处理器体系结构,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。,RISC：精简指令集（Reduced Instru

3、ction Set Computer) 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 使CPU硬件结构设计变得更为简单,CISC与RISC的数据通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,CISC的背景和特点,背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列（微程序） CPI ，指令越复杂，CPI越大。,CISC的主要缺点,指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。 大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)

4、。 软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，降低了CPU性能。 不利于先进指令级并行技术的采用 流水线技术,RISC基本设计思想,减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle 精简指令集：保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令 采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式 采用硬接线控制代替微程序控制,典型的高性能RISC处理器,SUN公司的SPARC(1987) MIPS公司的SGI:MIPS(1986) HP公司的PA-RISC, IBM, Motorola公司的PowerPC DEC、Compac公司的Alpha AXP IBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机,CISC与RISC的对比,for (i = 0; i 10000; +i) /* 各种算术运算操作 */ 实验平台：桌面Intel Pentium4，带硬件浮点支持 Operator Time Operator Time + (int) 1 + (double) 5 * (

5、int) 5 * (double) 5 / (int) 12 / (double) 10 (int) 2 sin 48,小实验1,信息存储的字节顺序,大端模式 字数据的高位字节存储在低地址中 字数据的低字节则存放在高地址中 小端模式 低地址中存放字数据的低字节 高地址中存放字数据的高字节,示例,A. 小端存储法(0x01234567),B. 大端存储法,The ARM 可以用 little/big endian 格式存取数据.,r0 = 0x11223344,STR r0, r1,LDRB r2, r1,r1 = 0x100,Memory,3 2 1 0,0 1 2 3,Byte Lane,31,24,23,16,15,8,7,0,11,22,33,44,31,24,23,16,15,8,7,0,11,22,33,44,31,24,23,16,15,8,7,0,11,22,33,44,31,24,23,16,15,8,7,0,00,00,00,44,31,24,23,16,15,8,7,0,00,00,00,11,Little endian,Big endian,R2 = 0x44,R

6、2 = 0x11,For more information, see: “Application Note 61: Big and Little Endian Byte Addressing”,字节顺序,2.1.3 嵌入式微处理器的分类,本节提要,1,3,2,嵌入式系统硬件知识,嵌入式系统软件知识,嵌入式系统的选择原则和设计工具,2.2.1 嵌入式软件概述,规模较小 开发难度大 实时性和可靠性要求高 要求固化存储,2.2.1 嵌入式软件体系结构,无操作系统的情形 在嵌入式系统的发展初期，由于硬件的配置比较低，对于是否有系统软件的支持，要求还不是很强烈。在那个阶段，嵌入式软件的设计主要是以应用为核心，应用软件直接建立在硬件上，没有专门的操作系统。 有操作系统的情形,无操作系统的情形,循环轮询系统：（Polling Loop） 最简单的软件结构，程序依次检查系统的每个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。 Initialize(); while(1) if(condition_1) action_1(); if(condition_2) action_2(); if(condition_

7、n) acition_n(); ,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。它包括前后台、实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。 应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成相应操作，这部分可以看成后台行为（background）。中断服务程序处理异步事件，这部分可看成前台行为（foreground)。 后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。,例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如微波炉、电话机、玩具等。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有的事都靠中断服务来完成。,前后台系统（后台循环、前台中断）,ISR,ISR,后台 前台,ISR,时间,提高了系统可靠性 提高了系统的开发效率，降低了开发成本，缩短了开发周期 有利于系统的扩展和移植,有操作系统的情形,2.2.3 嵌入式操作系统的分类,按系统的类型分： 商用系统 专用系统 开源系统 按响应时间分： 实时 硬实时系统 软实时系统 非实时,按软件结构分类,单体结构（Monolithic Structure） 分层结构（Layered Stru

8、cture） Out of date 微内核结构（Microkernel Model）,单体结构,最常用的组织结构； 整个系统只有一个可执行文件，包含所有的操作系统组件； 系统的结构就是无结构，由一组函数组成，相互之间可以随意地调用。,应用软件,文件I /O,存储管理,进程管理,I/O驱动,存储驱动,中断驱动,硬件,单体内核,分层结构,在分层结构（layered）中，一个操作系统被划分为若干个层次（0N），各个层次之间的调用关系是单向的，即某一层次上的代码只能调用比它低层的代码。 这种结构要求在每个层次上都要提供一组API接口函数，这就会带来额外的开销,微内核,设备驱动程序,微内核结构,操作系统内核只包含最少的功能，如存储管理和进程管理； 其他的操作系统组件以中间件的形式存在于内核之外； 设备驱动程序完全从内核中剥离，独立成为一层。,中间件、应用软件,存储管理,进程管理,I/O驱动,存储驱动,中断驱动,硬件,有操作系统的情形,硬件,板级 初始化,设备 驱动层,以太网 驱动,串口 驱动,LCD 驱动,键盘 驱动,操作 系统层,中间件 层,应用 软件层,TCP/IP 网络系统,文件 系统,

9、内核,嵌入式 GUI,嵌入式 CORBA,嵌入式 JAVA,嵌入式 DCOM,面向领域 的中间件,WWW 浏览器,MP3 播放器,电子 邮件,为什么要有设备驱动程序？ 嵌入式硬件设备本身无法工作，需要软件来驱动，如初始化、控制、数据读写等。 什么是设备驱动程序？ 直接与硬件打交道、对硬件进行控制和管理的软件。 在一个嵌入式系统中，设备驱动程序是必不可少的。,设备驱动程序,设备驱动程序的主要功能,硬件启动（Startup）：在开机上电或重启的时候，对硬件进行初始化； 硬件关闭（Shutdown）：把硬件配置成关机状态； 硬件停用（Disable）：暂停使用硬件； 硬件启用（Enable）：重新启用硬件； 硬件读操作（Read）：从硬件中读取数据； 硬件写操作（Write）：往硬件中写数据； ,嵌入式中间件,中间件（Middleware）：在OS内核、设备驱动程序和应用软件之外的所有系统软件； 中间件的基本思路：把原本属于应用软件层的一些通用的功能模块抽取出来，形成独立的一层软件，从而为运行在其上的各个应用软件提供一个灵活、安全、移植性好、相互通信、协同工作的平台； 优点：实现软件的可重用，降低应用软件的复杂性，降低开发成本。,2.2.4 嵌入式操作系统的几个概念,占先式内核 调度策略分析 任务优先级分配 时间的可确定性 任务切换时间 中断响应时间 优先级反转 任务执行时间的抖动 任务划分,2.2.5 常见的嵌入式操作系统,实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，商用型和免费型。 商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵C/OS 。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和，稳定性与服务性存在挑战。,VxWorks,VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时

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