嵌入式系统设计原理及应用课件

嵌入式系统的几个重要特征
（5）嵌入式系统开发需要开发工具和环境 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。
1.6嵌入式系统的分类
。嵌入式处理器系统 嵌入式处理器系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件 嵌入式软件系统 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Application）
嵌入式系统的几个重要特征
（2）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。 （3）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。
SRAM AND DRAM
输入输出接口
1）I/O 2）A/D、D/A 3）键盘 4）LCD 5）存储器接口 6）设备接口
1.10 嵌入式微处理器及开发工具
嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点 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 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。 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。 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。
1.1什么是嵌入式系统
可编程计算机设备 嵌入其他设备实现智能控制 应用：实用设备 打印机 数码相机 早期：8位cpu，74系列芯片，一体化监控、 不需要操作系统平台
1.1什么是嵌入式系统
目前 16位、32位cpu，特殊功能处理器 特殊功能集成芯片。 提供系统设计方法、开发工具。
典型嵌入式系统基本组成－ 典型嵌入式系统基本组成－硬件
MPU 微处理器 电源 模块 时钟 复位 Flash RAM ROM USB LCD Keyboard 外围电路 Other 外设
软件组成
1.2嵌入式系统的发展 嵌入式系统的发展
。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。 最早的单片机是Intel公司的4044，它出现在1971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。
1.4 嵌入式系统的分类
按表现形式分：（硬件范畴） 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入 按实时性要求分：（软件范畴） 非实时系统（PDA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）
1.5嵌入式系统的几个重要特征
CISC：复杂指令集（ Computer） CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（ RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer 8/2原则 80%的程序只使用20%的指令 原则： 的程序只使用20% 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 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 CPU硬件结构设计变得更为简单 使CPU硬件结构设计变得更为简单
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。”
嵌入式系统定义要素
专用计算机系统(非PC智能电子设备) 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求 知识集成应用系统（CSEA） 技术密集资金密集 高度分散不可垄断 面向应用不断创新
嵌入式系统设计原理及应用
关英春 yingchun_guan@
第1章 绪论
嵌入式系统设计原理及应用
参考书目 1．ARM Architecture Reference Manual (2nd Edition) Dave Jagger, David Seal. AddisonWesley Pub Co. 2000 2． 嵌入式系统--Intel Strong ARM结构与开发 陈章龙 涂时亮. 北航出版社 2002 3. Embedded Ethernet and Internet complete Copyright 2003 by Jan Axelson. Published by Lakeview Research LLC. 5310 Chinook Ln. Madison, WI53704, USA All rights reserved. 4. (中文版)嵌入式Ethernet 和 Internet 通信设计 技术 骆丽 张岳强 欧小龙 译 北京航空航天大学出版社
1.7嵌入式微处理器的相关基本知识
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 硬件基础
冯诺依曼体系结构模型 诺依曼体系结构模型
存储器 程序 指令寄存器 控制器 指令0 指令 指令1 指令 指令2 指令 指令3 指令 指令4 指令 数据 数据0 数据 数据1 数据 数据2 数据
1.9 指令执行影响CPU性能的因素： 流水线、超标量和缓存
RISC流水线技术：几个指令可以并行执行 流水线技术： 流水线技术 提高了 提高了CPU的运行效率 的运行效率 内部信息流要求通畅流动
Add 取指 译码 执行add Sub 取指 译码 执行sub Cmp 取指 译码 执行cmp
数据通道 输入 输出 中央处理器
指令的执行周期T
1）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
1.3 IEEE定义 定义
IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义： IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作 机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 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。
嵌入式微处理器分类
嵌入式处理器 嵌入式微控制器（MCU） 嵌入式DSP处理器(DSstem On Chip)
嵌入式系统的几个重要特征
（4）嵌入式软件开发走向标准化 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 OperatingSystem）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。
时间
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。
存储器系统
RAM：随机存取存储器 SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多（体积） 4）DRAM需要周期性刷新 ROM：只读存储器 FLASH：闪存
1.2嵌入式系统的发展 嵌入式系统的发展
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、Nucleux，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。
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
哈佛体系结构的特点
1）程序存储器与数据存储器分开 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
1.8 指令集CISC和RISC
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。 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。