嵌入式系统1-嵌入式系统与桌面系统
同济大学 软件学院 嵌入式系统导论复习提纲
n 北桥芯片：主导作用，也称为主桥，负责与 CPU 的联系并控制内存、AGP、PCI 数据在北内部传输。确定 CPU 的类型、主板的系统总线频率，内存类型、容量 和性能，显卡插槽规格。
n 南桥芯片：负责外部设备的数据处理与传输，确定扩展槽的种类与数量、扩展接 口的类型和数量等。
4. ARM 处理器体系架构 ，简单了解之。（课件） 5. 了解 ARM7TDMI 处理器特点，工作模式等。
三个阶段：取指、译码、执行 三级流水 两种工作状态：ARM(32bit)，Thumb(16bit)
工作模式：
除了用户模式外其他全都是特权模式。特权模式可以访问硬件、寄存器等，并可以在模式 间切换，用户模式不可以。 后五种模式是异常模式，可由程序切入，也可由特定异常切入。每个模式有独立存储器。 用户模式和系统模式公用寄存器
p UEFI 优点
n 提供了一个连接操作系统载入程序与固件之间稳定的接口； n 为独立软件开发商和制造商提供了一个清晰的预启动编程环境； n 延长了传统硬件的使用寿命； n 启动速度快 p 不足之处
UEFI 在安全问题并没有作出改善
第四章：嵌入式系统硬件设计 1. 图示嵌入式系统体系结构。简单介绍每部分。
2. 优势 p 降低耗电量 p 减少体积 p 丰富系统功能 p 提高速度 p 节省成本
3. 构成 IP 是构成的基本单元
4. IP 核以及分类 IP 核具备比较复杂的功能，且经过验证。设计资料内不仅仅包含一些物理功能和
技术特性，更重要的是包含了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。这些资料被 称为具有知识产权的内核（Intellectual Property Core），简称 IP 核。
嵌入式系统概述
软件系统
实时监控程序 专用系统 通用系统
IA & Embedded System
Information Appliance
An appliance specializing in information : Knowledge, facts, graphics, images, video, or sound. An information appliance is designed to perform activity, such as music, photography, or writing. A distinguishing feature of information appliance is the ability to share information among themselves. (Don Norman)
Microcontroller: includes I/O devices, on-board memory.
Digital signal processor (DSP): microprocessor optimized for digital signal processing.
Typical embedded word sizes: 8-bit, 16bit, 32-bit.
Chip Board Circuit
CPU Core Interrupt Controler
Timer DMA
CPU BCU
I/O Port A/D
Connection for Debugging
Connecting SRAM
Connecting DRAM
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？答: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。
特点：（1）通常是面向特定应用，低功耗、体积小、集成度高；（2）是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统；（3）软硬件必须高效率地设计，根据应用需求量体裁衣，去除冗余；（4）与具体应用有机结合，具有较长的生命周期；（5）为提高执行速度和系统可靠性，软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中；（6）本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
2. 嵌入式系统的BooTLoader的功能是什么？答： BooTLoader是系统加电后,操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序，即引导加载程序。
通过这段程序,为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。
3. 什么是嵌入式操作系统？为何要使用嵌入式操作系统？答：嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。
4. 目前嵌入式操作系统有哪些？答：（1）Windows CE（2）VxWorks（3）pSOS（4）QNX（5）Palm OS（6）嵌入式Linux 5. 构造嵌入式开发环境有哪几种形式？答：（1）交叉开发环境（2）软件模拟环境（3)评估电路板6. 嵌入式系统开发的基本流程?答：（1）系统定义与需求分析（2）规格说明（3）系统结构设计（4）构件设计（5）系统集成7. 什么是可编程片上系统？答：用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,称作可编程片上系统PSOC.它是一种特殊的嵌入式系统，首先它是SOC，即由单个芯片实现整个系统的主要逻辑功能，具有一般SOC基本属性；其次，它又具备软硬件在系统可编程的功能，是可编程系统，具有可裁剪、可扩充、可升级等灵活的设计方式。
8. 有时要使用Thumb技术的原因?答：16位Thumb指令集是32位ARM指令集的子集，用16位代码密度的指令获得32位处理器的性能既节省存储空间及成本，又不降低处理性能，低功耗，小体积，低成本。
嵌入式教学
1965～1970年，第三代集成电路化计算机系统应用：
15
嵌入式系统走向繁荣，软、硬件日臻完善
嵌入式系统的大发展是在微处理问世之后：
1971年11月，Intel公司推出了第一片微处理器Intel4004。 人们再也不必为设计一台专用机而研制专用的电路、专用的运 算器了，只需以微处理器为基础进行设计。
Wii, 手柄, 手套, 枪
PS3
XboX360
35
嵌入式技术的应用－摄像器材
数码相机 DV
36
嵌入式技术的应用－多媒体终端
IP电话 视频会议 可视电话
基于H.323协议族 的网络视频电话
基于视频电话 的小型视频会 议系统(MCU)
语音识别电话
37
嵌入式技术的应用－家庭音响
系统结构：状态控制器、中断控制器处理 汇编语言：操纵外围设备、端口 操作系统：设置运行任务、通讯、互斥 编译原理：交叉编译、bootloader加载
12
提纲
嵌入式系统概念
嵌入式系统发展历程
嵌入式系统构成要素
嵌入式系统应用领域
浙大嵌入式系统教学
浙大嵌入式系统科研
嵌入式系统应用走向纵深化发展
（1990－至今）
14
嵌入式系统的出现和兴起
第一代电子管计算机(1946～1957年)，无法满足嵌入式计算所要求
的体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、实时性强等一系列要求。
60年代，第二代晶体管计算机系统开始应用：
第一台机载专用数字计算机是美国海军舰载轰炸机“民团团员” 号研制的多功能数字分析器(Verdan)。 1962年美国乙烯厂实现了工业装置中的第一个直接数字控制。 第一次使用机载数字计算机控制：1965年发射的Gemini3号 第一次通过容错来提高可靠性：1968年阿波罗4号、土星5号。
第一章 嵌入式系统概述1
土星探测
自1997年10月15日发射以来， 经历了7年35亿公里航程的卡西 尼号太空船在2004年7月1日10 时30分进入土星轨道，开始进 行人类有史以来对土星及其31 颗已知卫星最详尽的探测。
嵌入式设备无处不在，但桌面系统还依然有用。
无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超 过100:1的阶段 无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系 统 在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非 通用计算机
形式多样、面向特定应用
一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须 高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通 用计算机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等 特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完 成的任务集成在芯片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件 的一体化程序。
即使远在火星和土星
火星与地球， 这一对在星空 中遥遥相望的 “兄弟”，将 迎来6万年来 “最亲密的接 触”，在2003 年8月27日这 一天，火星距 离地球最近达 到55756622(5 千多万)公里。 勇气号 面对6万年才有一次 的机会，科学家们 积极行动起来—— —从6月开始，先后 有欧洲的“火星快 车”、美国“勇气 号”和“机遇号” 等三颗火星探测器 飞往火星，而日本 一颗本已在太空 “迷失方向”的火 星探测器也在关键 时刻及时“醒”来， 开始了久违的火星 之旅。
处理器和处理器体系结构类型多
通用计算机采用少数的处理器类型和体 系结构，而且主要掌握在少数大公司手 里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和 处理器体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、 面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、 芯片的制造已形成巨大的产业。大家分 工协作，形成多赢模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌 入式微处理器体系结构可以选择。
嵌入式系统的嵌入式Windows
嵌入式系统的嵌入式Windows 嵌入式系统是指在特定应用场景下，根据特定的需求，定制化地设计的一种计算机系统。
这种系统通常不需要用户进行过多的干预，而是通过程序自动化地完成任务。
近年来，随着人工智能、物联网等技术的飞速发展，嵌入式系统已经成为了一个重要的应用领域。
而在这个领域中，嵌入式Windows凭借其优秀的性能和易用性，成为了越来越多开发者的首选。
一、什么是嵌入式Windows嵌入式Windows是微软公司推出的一款针对嵌入式系统设计的操作系统。
和传统的桌面Windows相比，嵌入式Windows采取了更加轻量级的设计，可以满足嵌入式系统对于性能和资源的要求。
同时，嵌入式Windows还提供了许多适合嵌入式开发的工具和框架，可以帮助开发者快速地开发出符合需求的嵌入式系统。
二、嵌入式Windows的优点1.易用性嵌入式Windows和桌面Windows的界面和操作基本相同，这使得用户更容易上手。
此外，由于嵌入式Windows的工具和框架基于Windows，所以开发者可以沿用熟悉的Windows开发工具和框架，使得开发速度更快、更高效。
2.开放性微软公司对于嵌入式Windows的开放程度非常高，可以让开发者自由地访问操作系统内部的资源和接口，并且可以定制开发自己的驱动程序和系统组件。
这些灵活的定制和开放性，使得嵌入式Windows可以满足各种不同的嵌入式系统需求。
3.稳定性和可靠性作为微软公司成熟的操作系统，嵌入式Windows有着极高的稳定性和可靠性，可以保证嵌入式系统的长时间稳定运行。
三、嵌入式Windows的应用场景嵌入式Windows适用于很多不同的应用场景。
例如：1. 工业自动化在工业制造过程中，需要各种各样的工业控制设备和自动化机器人来完成生产的各个环节。
嵌入式Windows可以用来控制这些设备，同时也可以让用户通过界面实时地监控和管理。
2.医疗设备现代医疗设备通常需要大量的计算与数据处理。
嵌入式系统第一章 嵌入式系统概述
• DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100， DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
• 另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结 构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，应 用目标是大批量消费类产品。
• 第一章 嵌入式系统概述
• 嵌入式处理器 ——嵌入式片上系统(SOC)
随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代 已来临，这就是System On Chip(SOC)。
•各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的 器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。
CPU（中央处理单元）
输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
CPU
单片机工作支撑模块
数据存储器
程序存储器
其他模块
内部总线
定时/计数器模块 串行通讯接口 A/D转换模块 D/A转换模块 通用I/O模块
第一章 嵌入式系统概述
1.2嵌入式系统基本构成
• 硬件系统
• CPU • 存储器 • 模拟前向通路 • 模拟后向通路 • 数字输入 • 数字输出 • 人机界面 • 通信系统 • 电源系统
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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板 上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
嵌入式系统的定义及特点(精)
嵌入式系统的定义及特点定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。
特点：（1）嵌入式系统是面向特定应用的。
嵌入式系统中的CPU是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。
（2）嵌入式系统涉及先进的计算机技术、半导体技术、电子技术、通信和软件等各个行业。
是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
（3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。
（4）嵌入式系统的生命周期相当长。
嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。
（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。
在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，必须借助于一套专门的开发工具和环境。
（6）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或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。
3．与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？答：与通用计算机相比，嵌入式系统有以下特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的；（2）嵌入式系统的硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、去除冗余；（3）有实时操作系统的支持；（4）嵌入式系统具有较长的生命周期；（5）嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中；（6）具有专门的开发工具支持。
操作系统在嵌入式系统中所起的作用EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。
嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
嵌入式系统是以应用为中心，整合了计算机软件、硬件技术，通信技术和微电子技术，嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四个部分组成。
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嵌入式系统设计
说明z桌面计算机范围
–PC
–Laptop
–Mainframe
–Server
回顾
计算机系统层次
提供与计算机结构无
关的程序设计语言
虚拟机高级语言级
第5级
为程序员提供一种符
号形式语言
虚拟机汇编语言级第4级为系统的操作和程序
设计提供平台
虚拟机操作系统级第3级执行机器指令，完成
相应的功能
硬件级物理机器级第2级执行一系列微指令，
解释执行机器指令硬件级微程序级第1级
桌面机主板
嵌入式系统主板
回顾之处理器
处理器分类（1）z指令长度
z4
z8
z16
z32
z64
z集成度
z微处理器
z单片机
z SOC
处理器分类（2）
z用途
z通用：X86、AMD、Cyrix、ARM、
MIPS、PowerPC等
z专用：DSP、IXP、IOP等
z指令集
z RISC
z CISC：DSP
z EPIC
z VLIW
单板计算机
z单板计算机(Microcontroller Unit, MCU)
z嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。
–STD-BUS、PC104等。
–芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽
调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM 等
各种必要功能模块。
z优点
–体积小
–功耗低
–成本低
–可靠性高
SOC
z SOC (System On Chip)
z除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中。
–Motorola 的M-Core，某些ARM 系列器件，
Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯片z特点
–体积小
–功耗低
–可靠性高
微处理器（通用处理器）z可以使用那些可编程设备
–X86、PowerPC，AMD
z特点
–内存可编程（Program memory）
–通用的数据地址寄存器
–通用的ALU
z优点
–开发迅速
–低成本
–高灵活性
奔腾II、III 处理器结构
微处理器（专用处理器）
z用来执行单一特定程序
–图形加速器、TCP卸载器、DSP
z特点
–构造简单，仅包含执行单一特定程序所需的部件
–没有编程内存（program memory）
z优点
–速度快
–低功耗
–尺寸小
面向特定应用的处理器
z面向特定应用的优化的可编程处理器具有一般的特征。
–IOP、IXP
z特点
–可编程内存
–数据路径优化
–特殊功能单元
z优点
–一定的灵活性
–高性能
指令集之复杂指令集
z CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
z具有大量的指令和寻址方式
z8/2原则：80%的程序只使用20%的指令
z大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
指令集之精简指令集
z RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)
z在通道中只包含最有用的指令
z确保数据通道快速执行每一条指令
z使CPU硬件结构设计变得更为简单
指令集之并行指令集
z EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，显式并行指令计算)
z使用ILP使编译器在程序运行前便能找出其并行性，安排好指令执行的顺序。
z分支推断
z风险装载
z更加聪明的编译器
指令集之超长指令集
z超长指令字（VLIW）处理器
z多发射机制
z编译调度
指令系统与处理器结构的关系z指令系统设计：
–决定于应用、性能、代码密度和方言的要求。
–包括符号指令设计和编码设计。
z指令的类型：
–寻址方式：指令系统的重要特点。
z与数据通路相关。
–传输类指令：实现处理器内部存储之间以及与外部存储之间的数据传送。
z与数据通路相关
–运算类指令：实现指令描述的功能。
z与ALU和其它运算部件相关
–系统类指令：完成对系统资源的访问。
z与操作系统的支持有关。
指令系统与处理器结构的关系z指令的编码：相关因素：代码密度，功耗，译码器
–垂直编码有利于译码器简化，但使用效率低–非垂直编码译码复杂，使用效率高。
–常常采用二者折衷方案。
ARM
z指令编码与功耗：
–连续执行的执行功耗取决于其引起的逻辑变化量
–指令编码的海明距离，控制信号的海明距
离，
–执行情况等，编译技术，OS，嵌入式应用
回顾之总线
总线
z总线是什么？
–总线就是各种信号线的集合，是
计算机各部件之间以及计算机之
间传送数据、地址和控制信息的
公共通路。
总线的主要参数
z总线的带宽
–总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据
量，即最大稳态数据传输率MB /S。
z总线的位宽
–总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数
–常见的总线位宽32 位、64 位等总线宽度。
总线的
位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带
宽越宽。
z总线的工作时钟频率
–总线的工作时钟频率以MHz 为单位，工作频率越高则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。
总线带宽
z总线带宽＝工作时钟频率×位宽
z 总线类型
–片内总线
–局部总线
–系统总线
–内部总线
–外部总线
–现场总线
总线分类（从接口角度）
片内总线
z位于处理器内部，用于ALU以及各种寄存器等功能单元之间的相互链接
局部总线
z在单板计算机、CPU卡等插件板上的板上总线，用于芯片一极的链接。
z一般是CPU芯片引脚的延伸，与CPU关系密切。
系统总线
z计算机系统各插件板之间的连接总线。
z ISA
z EISA
z VESA
z PCI
z Compact PCI
内部总线z I2C总线
z I2S总线
z SPI总线
z SCI总线
外部总线
z用于系统之间的连接，包括计算机系统之间、计算机系统与外部设备之间的连接。
z RS-232-C总线
z RS-485总线
z IEEE-488总线
z USB总线
z VXI总线
z IEEE1934
现场总线z基金会现场总线FF
z ProfiBus
z WorldFIP
z ControlNet/DeviveNet
z控制局域网络CAN
总线分类（从功能角度）
z地址总线
–传送地址的信号线。
–地址线的数目决定了寻址范围，2地址线数目就
是寻址的范围。
z数据总线
–传递数据和代码的信号线。
–地址线的数目决定了同时传送的数据位数。
z控制总线
–传递控制信号的总线，用来实现命令、状态传递、中断、直接存储器存取的控制，以及提供系统使用的时钟和复位信号等。
总线分类（从功能角度）
z电源和地线
–决定了总线使用的电源种类以及地线分布和用法。
z备用线
–作为功能扩充和用户的特殊要求使用。
ISA
z IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。
z1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机
PC/AT，其总线称为AT 总线。
z Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。
PCI
z1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。
z PCI 有32 位和64 位两种，。