嵌入式系统设计与实例开发

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在 芯片上运行。
为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函 数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS （Real－Time Operating System）开发平台，这样才 能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间 ，保障软件质量。
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（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境
嵌入式系统设计与实例开发
——ARM与C/OS-Ⅱ
第二讲 嵌入式系统的基本概念
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课程大纲
讲课 时间 第二周 3.4/二 第三周 3.11 第四周 3.18 第六周 4.1 第八周 题目 1．引言 2．嵌入式系统 的基本知识 3．嵌入式实时 操作系统 4．嵌入式硬件 平台 5．嵌入式系统 的设计方法 6．嵌入式系统 的硬件设计 讲稿 内容 嵌入式系统技术前沿、应用领域、 发展趋势及相关领域研究成果 嵌入式系统的特点、分类、基本概 念 介绍主流实时操作系统，深入剖析 WinCE、Linux、C/OS，包括系 统结构、实时性、应用 介绍主流硬件平台，详细介绍ARM、 DSP、ATMEL单片机功能及应用 介绍嵌入式系统设计的一般方法， 以嵌入式工程机械智能监控器与 嵌入式控制器为例 简要介绍外围接口设计，以LCD、触 摸屏为例，着重讲解人机交互接 口设计 实验 时间 内容
存储器
指令寄存器
控制器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
数据通道 输入 中央处理器
输出
取指令（Instruction Fetch)：TF
2）指令译码（Instruction Decode）：TD 3）执行指令（Instruction Execute）：TE 4）存储（Storage）：TS 每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TS
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。
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一般定义
“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件 硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统。”
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3、嵌入式系统的几个重要特征
（1）系统内核小
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系 统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要 小得多。
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1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实 时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务 管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功 能。 随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的 PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS， WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleus，以及国内的 Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。 今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国EMF（电 子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元， 而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件 编译器和调试器）则高达9亿美元。
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（３）系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显 区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一 方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。
（４）高实时性OS 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态 存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性 、实时性。
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（5）嵌入式软件开发走向标准化
由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其 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。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的 执行机，开发时需要交替结合进行。
电源 模块
外围电路 微处理器
Flash
时钟
RAM
MPU
复位 ROM
外设
USB LCD Keyboard Other
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典型嵌入式系统基本组成－软件
应用程序 操作系统 软件 结构
输入 处理器
存储器
输出 硬件 结构
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嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。 硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图 形控制器等。 软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和 应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。
任务之间切换而使用的时间。
－ 中断延迟（Interrupt latency）：
计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成切换转入中 断服务程序的时间。
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二、硬件基础

冯· 诺依曼体系结构和哈佛体系结构 CISC与RICS 影响CPU性能的因素 存储器系统 I/O接口
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冯· 诺依曼体系结构模型
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冯· 诺依曼体系的特点
1）数据与指令都存储在存储器中
2）被大多数计算机所采用
3）ARM7——冯诺依曼体系
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哈佛体系结构
地址 程序存储器 指令0 指令1 指令2
指令寄存器
控制器
指令
地址 数据通道 输入 中央处理器
数据存储器 数据0 数据1 数据2
输出
数据
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哈佛体系结构的特点
1）程序存储器与数据存储器分开
应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序 编程与硬件的交互作用。
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嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具 备以下4个特点 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的 中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少 到最低限度。
2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件 结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用 ，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
流 水 线 1
译码1 译码2 执行1 执行2
流 水 线 2
译码1 译码2 执行1 执行2
数据
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高速缓存（CACHE）
1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高 内存的平均性能。 2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的 拷贝。
RISC：精简指令集（Reduced Instruction 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
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CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU
MEM
微操作通道
REG
退出
开始
IF
ID
REG
ALU
MEM
退出
单通数据通道
2）提供了较大的数存储器带宽
3）适合于数字信号处理
4）大多数DSP都是哈佛结构
5）ARM9是哈佛结构
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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。
3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性 能的嵌入式微处理器。
4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动 的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要 功耗只有mW甚至μW级。
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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。 ４位、 ８位单片机，16 位、 32位、64位嵌入式CPU。
高 速 缓 存 控 制 器
数据
CACHE 主存
CPU
地址 数据
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总线和总线桥
发展历史
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3 和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。
嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件 交替发展的双螺旋式发展。
第一款微处理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是 是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola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 256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、 两个16位定 时 器。 之后在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。
第十三周
7．嵌入式系统 编程
简要介绍嵌入式软件的体系结构， 着重讲解嵌入式GUI的编程方法
第十四周
第十五周 第十六周 8．嵌入式技术 演讨 9．考试 选择5-8名有嵌入式开发经验的学生 第十七周 做报告，师生点评，探讨。
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参考资料
Ⅱ. 北京：清华大学出版社，2002.9
1.王田苗 主编. 嵌入式系统设计及实例开发——ARM与μC/OS2．（美）Jean brosse, 邵贝贝译. μC/OS-Ⅱ——源码公开 的实时嵌入式操作系统. 北京：中国电力出版社，2001.8
比如ENEA公司的OSE分布式系统，内核只有5K， 而Windows的内核则要大得多。
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（２）专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件 的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系 统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更 改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用 软件的“升级”是完全不同的概念。