嵌入式系统基础知识

第1章嵌入式系统基础知识

嵌入式系统以数字技术为基础，以计算机科学技术为框架，目前普遍应用在工业控制、信息家电、医疗设备、智能仪器仪表等众多领域。嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信及消费性电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点，越来越多的公司、科研院所、大专院校以及个人都在从事嵌入式系统的设计开发工作。

1.1 嵌入式系统概述

本节对嵌入式系统的基本概念、嵌入式系统的组成、嵌入式系统的应用领域、嵌入式系统的发展趋势等内容进行简单的介绍。

1.1.1 嵌入式系统简介

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。广义上说，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统，如各类单片机和DSP系统。狭义上说，那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能的系统都是嵌入式系统。作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola公司同时推出了68HC05，ZiLOG公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256B的RAM、4KB的ROM、4个8位并口、一个全双工串行口、两个16位定时器。之后在20世纪80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页。迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。

从20世纪80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这可以获取更短的开发周期、更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。确切地说，这时的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有Ready System公司的VRTX、Integrated System Incorporation （ISI）公司的pSOS、Wind River System公司的VxWorks、QNX公司的QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任

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嵌入式Linux C 语言基础与实例进阶 务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪、可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。

20世纪90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，逐渐出现实时多任务操作系统（RTOS ），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS 、Windows CE 、嵌入式Linux 、Lynx 、Nucleux 以及国内的Hopen 、Delta Os 等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。

1.1.2 嵌入式系统的组成

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、软件层和功能层组成，如图1-1所示。 硬件层

中间层

软件层功能层

嵌入式计算机系统嵌入式微处理器D/A

A/D

ROM SDRAM

通用设备接口实时操作系统

应用程序文件系统图形用

户接口

任务管理硬件抽象层/板级支持包I/O

图1-1 嵌入式计算机系统的组成

下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。

1．硬件层

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM 、ROM 、FLASH 等）、通用设备接口和I/O 接口（A/D 、D/A 、I/O 等）。在一片嵌入式处理器的基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM 中。

（1）嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU 最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具

第1章嵌入式系统基础知识有很高的效率和可靠性。

（2）存储器

嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和外存。

Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列，它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能地从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。

在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache 或混合Cache。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。

主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB～1GB，根据具体的应用而定。一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。

常用作主存的存储器有如下几类。

?ROM类：NOR FLASH、EPROM和PROM等。

?RAM类：SRAM、DRAM和SDRAM等。

嵌入式系统中常用的外存有硬盘、NAND FLASH、CF卡、MMC和SD卡等。

（3）通用设备接口和I/O接口

嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外，也可以内置在芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。

2．中间层

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。

?硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件

与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。

?操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作

系统具有特定的硬件接口形式。

实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。

3．软件层

软件层由实时操作系统（Real-Time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应

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嵌入式Linux C语言基础与实例进阶

用软件的基础和开发平台。

4．功能层

当嵌入式系统的其他部分确定以后，嵌入式应用程序决定了系统具体实现的功能。在通用计算机系统中，应用程序一方面完成自己的功能，一方面调用系统的功能。系统调用一般是由操作系统来提供的。

1.1.3 嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统具有非常广阔的应用前景，其应用领域包括以下几方面。

（1）工业控制

基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器在应用中，如数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。

（2）交通管理

在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。

（3）信息家电

这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。

（4）家庭智能管理系统

水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。

（5）POS网络及电子商务

公共交通无接触智能卡（Contactless SmartCard，CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。

（6）环境工程与自然

水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。

（7）机器人

嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面的优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。

（8）机电产品方面的应用

相对于其他领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。从最初的单片机到现在的工控机，SoC在各种机电产品中均有着巨大的市场。

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第1章嵌入式系统基础知识1.1.4 嵌入式系统的发展趋势

信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势。

（1）嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。

目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。例如，三星在推广ARM7、ARM9芯片的同时还提供开发板和板级支持包（BSP），而Windows CE在主推系统时也提供Embedded VC++作为开发工具，还有VxWorks的Tonado开发环境、DeltaOS的Limda编译环境等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。

（2）网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。

这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，另一方面增加功能接口如USB、扩展总线类型如CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SoC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能的复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。

（3）网络互联成为必然趋势。

未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，有的还支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种。

（4）精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。

未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。

（5）提供友好的多媒体人机界面。

嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下苦功。

1.2 ARM处理器平台介绍

嵌入式微处理器种类繁多，包括ARM、MIPS、MicroSPARC、PowerPC等。其中ARM 架构的微处理器是其中比较典型的一种。

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嵌入式Linux C语言基础与实例进阶

1.2.1 ARM处理器简介

ARM即Advanced RISC Machines的缩写，既可以认为它是一个公司的名字，也可以认为它是对一类微处理器的通称，还可以认为它是一种技术的名字。

1991年，ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。ARM的Jazelle技术使Java 加速得到比基于软件的Java虚拟机（JVM）高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。CPU功能上增加的DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核（ETMS）系列。ARM处理器的3大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。

1.2.2 ARM体系结构

1．ARM微处理器工作状态

ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换。第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的、字对齐的ARM指令；第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。

在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但ARM微处理器在开始执行代码时，应该处于ARM状态。

目前流行的ARM体系中，大都支持Thumb指令集，但是StrongARM内核采用的是ARMV4版本，不支持Thumb指令集，因此StrongARM的工作模式只有ARM模式。

2．ARM体系结构的存储格式

ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别是大端格式和小端格式。

?大端格式：在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节

则存放在高地址中。

?小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据

的低字节，高地址中存放的是字数据的高字节。

大端和小端格式如图1-2和图1-3所示。

811

10

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6

5

03

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1字地址

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31 24 23 16 15 8 7 0

高地址

低地址

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第1章嵌入式系统基础知识图1-2 大端存储格式

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1

2字地址

8

4

31 24 23 16 15 8 7 0

高地址

低地址

图1-3 小端存储格式

3．ARM处理器运行模式

ARM微处理器支持7种运行模式，分别如下。

?用户模式（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态。

?快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。

?外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理。

?管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。

?数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存

储及存储保护。

?系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。

?定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件

协处理器的软件仿真。

ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的6种模式称为非用户模式或特权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。

4．ARM指令集

程序的启动都是从ARM指令集开始，包括所有异常中断都是自动转化为ARM状态，并且所有的指令都可以是有条件执行的。ARM指令集是Load/Store体系结构，只能通过Load/Store指令实现对系统存储器的访问，而其他的指令都是基于处理器内部的寄存器操作完成的。

在ARM的指令编码表中，统一占用编码的最高4位[31:28]来表示“条件码”（即cond）。ARM指令集可以分为6类，分别为数据处理指令、Load/Store指令、跳转指令、程序状态寄存器处理指令、协处理器指令和异常产生指令。

ARM指令使用的基本格式如下：

〈opcode〉{〈cond〉}{S}〈Rd〉,〈Rn〉{,〈operand2〉}

参数介绍如下。

?opcode：指令助记符，如LDR、STR等。

?cond：可选的条件码，如EQ、NE等。

?S：可选后缀。若指定S，则根据指令执行结果更新CPSR（Current Program Status

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