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文檔簡介
嵌入式系統期末考試總結嵌入式系統期末考試總結1嵌入式系統的定義什么是嵌入式系統:是將計算機硬件和軟件結合起來,構成一個專門的計算裝置,完成特定的功能和任務。它工作在一個與外界發生交互并受到時間約束的環境中,在沒有人工干預的情況下進行實時控制。由于被嵌入對象的體系結構、應用環境要求不同,因此嵌入式系統可分為有許多種類。根據IEEE(國際電氣和電子工程師協會)的定義:嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置”(原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants)。一般定義:“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減,功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。”2嵌入式系統的組成嵌入式系統是由嵌入式處理器、存儲器等硬件、嵌入式系統軟件和嵌入式應用軟件所組成。如下圖所示:應用程序操作系統軟件結構存儲器輸入輸出硬件結構>處理器圖1嵌入式系統的組成1)嵌入式系統硬件系統嵌入式系統的硬件是以嵌入式處理器為核心,配置必要的外圍接口部件。一般包括有:嵌入式處理器;存儲器;I/O系統和外設2)嵌入式系統的軟件系統包括:操作系統應用軟件3)嵌入式系統的開發工具(1)硬件開發工具包括:仿真器等;其它(示波器等)(2)軟件開發工具包括:編譯、連接、定位軟件,通常使用C語言;調試軟件。2?1嵌入式系統基本硬件架構■嵌入式系統基本硬件架構主要包括有處理器、外圍電路及接口和外部設備三大部分。其中外圍電路一般包括有時鐘、復位電路、程序存儲器、數據存儲器和電源模塊等部件組成。外部設備一般應配有USB、顯示器、鍵盤和其他等設備及接口電路。硬件架構的核心部件是微處理器。■在一片嵌入式微處理器基礎上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路(ROM和RAM等),就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統和應用程序都可以固化在ROM中。2.2嵌入式系統的軟件組成嵌入式系統的軟件包括嵌入式操作系統和相應的各種應用程序。>嵌入式操作系統通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。具有編碼體積小,面向應用,可裁剪和移植,實時性強,可靠性高,專用性強等特點。>相應的各種應用程序嵌入式系統的開發工具和開發系統開發工具一般用于開發主機(如微機),包括語言編譯器、連接定位器、調試器等。嵌入式系統的開發平臺一般有4部分組成:硬件平臺、操作系統、編程語言和開發工具。2.3嵌入式系統的特點■采用32位RISC嵌入式微處理器和實時操作系統組成的嵌入式控制系統,與傳統基于單片機的控制系統和基于PC的控制方式相比,具有以下突出優點:?性能方面:采用32位RISC結構微處理器,主頻從30MHz到1200MHz以上,處理能力大大超出單片機系統,接近PC機的水平,但體積更小,能夠真正地“嵌入”到設備中;?實時性方面:嵌入式機控制器內嵌實時操作系統(RTOS),能夠完全保證控制系統的強實時性;?人機交互方面:嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶顯示器,提供功能強大的圖形用戶界面,這方面與PC機相比略要遜色一些;?系統升級方面:嵌入式控制器可為控制系統專門設計,其功能專一,成本較低,而且開放的用戶程序接口(API)保證了系統能夠快速升級和更新。■通常是面向特定應用的;■空間和各種資源相對不足,必須高效率地設計,量體裁衣、去除冗余;-產品升級換代和具體產品同步,具有較長的生命周期;■軟件一般都固化在存儲器芯片;■不具備自舉開發能力,必須有一套開發工具和環境才能進行開發以下為以ARM為主的嵌入式系統的體系架構1嵌入式系統的硬件結構1.1馮?諾依曼結構馮?諾依曼結構計算機系統是由一個中央處理單元(CPU)和一個存儲器組成。這個存儲器存儲全部的數據和指令,并且可以根據所給的地址對其進行讀寫操作。數據和指令都存在一個存儲器中的計算機被稱為馮?諾依曼結構計算機。1.2馮?諾依曼體系的特點數據與指令都存儲在存儲器中每條指令的執行周期:T=TF+TD+TE+TS取指令(InstructionFetch)TF;令譯碼(InstructionDecode)TD;執行指令(InstructionExecute)TE;存儲(Storage)TS被大多數計算機所采用。通常使用的ARM7就是屬于馮諾依曼體系。1.2哈佛體系結構哈佛體系結構計算機為數據和程序提供了各自獨立的存儲器,程序計數器只指向程序存儲器而不指向數據存儲器。獨立的程序存儲器和數據存儲器為數字處理提供了較高的性能,讓兩個存儲器有不同的端口,可以提供較大的存儲器帶寬。這樣一來,數據和程序不必再競爭同一個端口這使得數據適時地移動更加容易。目前大部分DSP和ARM9微處理器都是采用這種哈佛體系結構1.3嵌入式系統硬件基本結構不同的應用通常有不同的硬件環境,硬件平臺的多樣性是嵌入式系統的主要特點。在實際應用中,除了微處理器和基本的外圍電路外,其余的電路可根據需要和成本進行裁剪和定制。1嵌入式微處理器隨著嵌入式系統不斷深入人們生活中的各個領域,嵌入式處理器得到了前所未有的發展。全世界嵌入式處理器品種總量超過1500多種,流行體系結構有50多個系列。現在幾乎每個半導體制造商都生產嵌入式處理器,越來越多的公司有了自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的基礎是通用計算機的中的CPU,是嵌入式系統的核心。在應用中,嵌入式處理器具有體積小、質量輕、成本低、可靠性高等優點。目前比較有影響的嵌入式RISC處理器產品有IBM的PowerPc,MIPS公司的MIPS,SUN公司的Sparc和ARM公司的ARM系列。ARM的成功在于它極好的性能和極低的功耗,使得它能夠與高端的MIPS和Powerpc嵌入式微處理器抗衡。另外,根據市場需求進行功能的擴展,也是ARM取得成功的一個因素。隨著更多廠商的支持和加入,可以預見,在將來一段時間內,ARM將主宰32位嵌入式處理區市場。2存儲器一個嵌入式系統必須有一定的存儲器來存放和執行代碼。在決定存儲器的層次、寬度和類型等特性時,必須綜合考慮價格、性能和功耗等因素。嵌入式存儲系統是由高速緩沖區Cache、主存儲器和輔助存儲器(自選如CF卡、SD卡等)組成。嵌入式系統常使用FlashROM作為程序存儲器,因為嵌入式系統和臺式PC系統不一樣,其程序不會更改。在數據存儲中,常數數據可存儲在FlashROM中,而其他數據則需要使用RAM。高速緩存是一種小型、快速的存儲器,它保存部分主存內容的拷貝,減少訪問主存儲器的所花的訪問時間。CACHE據L525^二:高速緩存控制一CPU圖3高速緩存Cache位于主存和內核之間,用于提高處理器和主存之間的數據傳輸速度。Cache改善了系統的總體性能,但同時使得系統的執行時間不得不可預測,并且都市是系統響應也么有什么幫助。為此,在許多小型嵌入式系統中,并不需要使用Cache來優化性能。主存的容量較大(一般為256KB—256MB,甚至更大),它可根據具體的應用而定,通常是一些獨立的芯片。在各級存儲器中,輔助存儲器的容量最大,但速度最慢。如今輔助存儲器的容量能夠從600MB到上百GB。另外,存儲器的類型包括:只讀存儲器ROM、FlashROM(閃存)、動態隨機訪問存儲器(DRAM)、靜態隨機訪問存儲器(SRAM)、同步動態隨機訪問存儲器(SDRAM)、硬盤、軟盤和CD-ROM等外存儲器。3外設及接口嵌入式系統與外界交互需要一定形式的外設,片外其它設備通過外設接口與芯片連接。每一個外設通常只有一個單一的功能,可以內置在芯片上。外設種類很多,如下:(1)輸入/輸出設備。CRT、LCD和觸摸屏等,構成了嵌入式系統中重要的信息輸入/輸出設備,應用十分廣泛。觸摸屏可以方便的實現鼠標和鍵盤的功能。(2)通信接口。所有計算機通信接口在嵌入式領域中都有著廣泛的應用。應用最廣泛的設備接口包括RS-232、RS-485、USB、CAN總線、藍牙、以太網接口和GPIOo⑶存儲擴展接口。目前嵌入式系統的功能越來越復雜,需要大容量的內存。但由于大容量的內存使得系統成本提高,因此,一些高端嵌入式系統都會為日后用戶有特別需求時,預留可擴展存儲接口。2嵌入式系統的軟件結構對于使用操作系統的嵌入式系統來說,嵌入式系統軟件結構包含4個層面:設備驅動層、實時操作系統RTOS、應用程序接口API層、實際應用程序層。⑴驅動層程序驅動層程序是嵌入式系統中不可缺少的重要部分,使用任何外部設備都需要有相應驅動層程序的支持,它為上層軟件提供了設備的接口。上層軟件不用理會設備的具體內部操作,只需調用驅動層程序提供的接口即可。驅動層程序一般包括硬件抽象層HAL、板極支持包BSP和設備驅動程序。(2)實時操作系統RTOS實時多任務操作系統主要用來完成嵌入式實時應用的任務調度和控制等核心功能。這些功能是通過內核服務函數形式交給用戶調用的,也就是RTOS的系統調用,或者叫做RTOS的API。腫T叮電3押lhWALAhr實時操作系統可根據實時應用環境的要求對內核進行裁剪和重置設置,根據不同的應用,其組成有所不同,但實時內核、網絡組建、文件系統和圖形接口等幾個重要組成部分是不太變化的。實時操作系統的引入大大提高到了起入室系統開發的效率,減少了系統開發的總工作量,而且提高了嵌入式應用軟件的可移植性。腫T叮電3押lhWALAhr|―1~~L?川」朋2拝剋川戶妒II圖4RTOS的體系結構圖⑶操作系統的應用程序接口APIAPI(ApplicationProgrammingInterface,應用程序接口)是一系列復雜的函數、消息和結構的集合體。嵌入式操作系統下的API和一般操作系統下的API在功能、含義及知識體系上完全一致。可這樣理解API:在計算機系統中有很多可通過硬件或外部設備去執行的功能,這些功能的執行可通過計算機操作系統或硬件預留的標準指令調用,而軟件人員在編制應用程序時,就不需要為每種可通過硬件或外設執行的功能重新編制程序,只需按系統或某些硬件事先提供的API調用即可完成功能的執行。因此在操作系統中提供標準的API函數,可加快用戶應用程序的開發,統一應用程序的開發標準,也為操作系統版本的升級帶來了方便。在API函數中,提供了大量的常用模塊,可大大簡化用戶應用程序的編寫。⑷應用程序操作系統是為應用程序提供基礎服務的軟件。而應用程序是在CPU上執行的一個或多個程序,在執行過程中會使用輸入數據并產生輸出數據。應用程序的管理包括程序載入和執行,程序對系統資源的共享和分配,并避免分配到的資源被其他程序破壞。實際的嵌入式系統應用軟件建立在系統的主任務(MainTask)基礎之上。用戶應用程序主要通過調用系統的API函數對系統進行操作,完成用戶應用功能開發。在用戶的應用程序中,也可創建用戶自己的任務。任務之間的協調主要依賴于系統的消息隊列。常用的嵌入式操作系統包括:Linux操作系統。Linux操作系統類似于UNIX,是一種免費的、源代碼完全開放的操作系統。由于Linux操作系統的界面和編程接口與UNIX類似,所以UNIX程序員可以很容易的從UNIX環境轉移到Linux環境中來。uc/os-II操作系統。uc/os-II操作系統是一個可裁剪、源碼開放、結構小巧的實時多任務內核,主要面向中小型嵌入式系統,具有執行率高、占用空間小、可移植性強和可擴展線性等優點。uc/os-II最多可支持64個任務。編譯后的uc/os-II具有良好的可擴展性,例如,系統本身不支持文件系統,但是如果需要也可自行加入文件系統的內容。
WindowsCE操作系統。WindowsCE操作系統是針對有限資源的平臺而設計的多線程、完整優先性、多任務的操作系統,但他不是一個硬實時操作系統。WindowsCE操作系統最大特點是能提供與PC類似的圖形界面和主要的應用程序。只要是對PC上的Windows操作系統熟悉的用戶,就可很快的使用基于WindowsCE操作系統的嵌入式設備。2.4流水線技術計算機中一條指令的指向可分為若干個階段,由于每個階段的操作相對都是獨立的。因此可以采用流水線的重疊技術來大大提高系統的性能。在流水線裝滿以后,幾個指令可以并行執行。這樣可充分利用現有硬件資源,提高了CPU的運行效率。AddSubAddSub取指譯碼執行add執行sub取指譯碼取指譯碼執行cmp時間以ARM7為例,ARM處理器使用的簡單3級流水線分別為:?取指級:取指級完成程序存儲器中指令的讀取,并放入指令流水線中。?譯碼級:對指令進行譯碼,為下一周期準備數據路徑需要的控制信號。這一級指令“占有”譯碼邏輯,而不“占有”數據路徑。?執行級:指令“占有”數據路徑,寄存器被讀取,操作數在桶式移位器中被移位,ALU產生相應的運算結果并回寫到目的寄存器中,ALU的結果則根據指令需求來更改狀態寄存器的條件位。ARM9架構采用了5級流水線:>增加了I-Cache和D-Cache,把存儲器的取指與數據存取分開;>增加了數據寫回的專門通路和寄存器;>把指令的執行過程分割為5階段:取指令;指令譯碼、寄存器讀、分支目標計算及執行;移位和ALU操作;數據Cache訪問;結果寫回到寄存器。?取指:指令從存儲器中取出,放入指令流水線。?譯碼:指令譯碼,從寄存器中讀取寄存器操作數。在寄存器組中有3個操作數讀端口,因此大多數ARM指令能在一個周期內讀取其操作數。?執行:把一個操作數移位,產生ALU的結果。如果指令是Load或Store,在ALU中計算存儲器的地址。?緩沖/數據:如果需要,則訪問數據存儲器。否則,ALU的結果只是簡單地緩沖一個時鐘周期,以便使所有指令具有同樣的流水線流程。?回寫:將指令產生的結果回寫到寄存器,包括任何從存儲器讀取的數據。ARM7微處理器系列主要特點ARM7微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器,最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。其具有如下特點:?具有嵌入式ICE-RT邏輯,調試方便。?極低的功耗(100mW左右),適合對功耗要求較高的應用,如便攜式產品。?能夠提供0.9MIPS/MHZ的三級流水線結構。兼容16位Thumb指令集;對操作系統的支持廣泛,包括WinCE、Linux等;指令系統與ARM9、ARM10E系列兼容,便于用戶的產品升級換代;主頻通常為20~100MHZ。速度為0.9MIPS/MHz。ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器,屬低端ARM處理器內核。主要性能:工藝0.35um(新近0?25um)、電壓3.3V(新近1?2v)、時鐘0~66MHZ、功耗87mW。ARM9微處理器系列主要特點ARM9E系列微處理器為綜合型處理器,使用單一的處理器內核提供了微處理器、DSP、Java應用系統的解決
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