2嵌入式系统体系结构
1.嵌入式系统组成简介
串口4
串口1
串口2
设备
1）嵌入式系统硬件系统
嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器 为核心，配臵必要的外围接口部件。在嵌 入式系统设计中，应尽可能选择适用于系 统功能接口的SoC/SOPC芯片，以最少的外 围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系 统的特殊要求。 一般包括有 ：嵌入式处理器; 存储器; I/O系统和外设。
硬件抽象层
是硬件功能模块的集合，是对硬设备功能的第一
层抽象，实现基本的IO操作。 所关心的是如何实现硬件功能的软件接口，而不 是设备的管理逻辑。 每个硬件可能有多个端口（设备），对应的硬件 抽象层是对这些端口（设备）操作的基本抽象， 为驱动程序管理这些设备提供接口。上层驱动程 序在不需要了解具体设备硬件信息的情况下，就 可以操作这些设备。
2）板级支持包BSP
BSP主要是为驱动程序提供访问硬件设备寄存器 的函数包，从而实现对操作系统的支持。不同操作 系统有不同的板级支持包。具体完成如下二方面的 功能： ①在系统启动时，完成对硬件的初始化。如对设备 的中断、CPU的寄存器和内存区域的分配等进行操作。 ②为驱动程序提供访问硬件的手段。如系统是统一 编址的，则可以直接在驱动程序中用C语言的函数进 行访问。如是单独编址的，只能用汇编语言编写函 数进行访问。BSP就是为上层的驱动程序提供访问硬 件设备寄存器的函数包。
（3）中间层（驱动层软件）
使用任何外设都需要有驱动程序的支持， 驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数， 如初始化、中断响应、发送、接收等，而且 还要提供完备的错误处理函数。中间层为上 层软件提供了设备的操作接口。上层程序只 需调用驱动程序提供的接口，而不用理会设 备具体的内部操作。 驱动层软件（中间层）将系统软件与底 层硬件部分进行了隔离，使得系统的底层设 备驱动程序与硬件无关。具体包括硬件抽象 层HAL和板级支持包BSP。
ARM嵌入式体系结构与接口技术
4
1.1.1 嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统的特点
（1）面向特定应用的特点，与“通用型”系统相比，满 足特定应用的特定需求 （2）嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效地设计， 量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更 高的性能 （3）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和 电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
8
1.1.2 嵌入式系统的体系结构
嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功 能，如向上提供对用户的接口（如图形界面、库 函数API等），向下提供与硬件设备交互的接口（ 硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源， 在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应 用专用性等方面，具有更加鲜明的特点
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1.1.2 嵌入式系统的体系结构
5
（4）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中或单片机本身，而不是 存储于磁盘中。 （5）嵌入式开发的软件代码尤其要求高质量、高可靠性 。 （6）嵌入式系统本身不具备二次开发能力，即设计完成 后用户通常不能在该平台上直接对程序功能进行修改， 必须有一套开发工具和环境才能进行再次开发。厂家对 产品固件（Firmware）进行升级
3
1.1.1 嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统应用随处可见，工业、军事、宇宙、通信、运 输、金融、医疗、气象、农业等领域 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机控制系统为基础， 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。 嵌入式系统通常由特定功能模块和计算机控制模块组成， 主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及用户应用软件等部分组成。它具有“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”的三个基本要素。
嵌入式系统基础B习题及答案综述
第1章嵌入式系统概述1、什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？嵌入式系统概念：（1） IEEE对嵌入式系统的定义:用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。
（2）一般定义：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。
嵌入式系统的特点：(1) 专用的计算机系统 (2) 必须满足环境要求 (3) 必须能满足对象系统的控制要求 (4) 是集成计算机技术与各行业应用的集成系统(5) 具有较长的生命周期 (6) 软件固化在非易失性存储器中 (7) 必须能满足实时性要求(8) 需要专用开发环境和开发工具5、简单分析几种嵌入式操作系统的主要特点，包括嵌入式Linux、Windows CE、uCOS II 及VxWorks。
（1）嵌入式Linux:有多个主流版本，根据应用需求，性能略有差别。
μCLinux是Linux小型化后,适合于没有MMU的微处理器芯片而裁剪成的操作系统，μCLinux保持了传统Linux操作系统的主要特性,包括稳定、强大的网络和文件系统的支持,μCLinux裁剪了大量的Linux内核以缩小尺寸,适合像512KB RAM、1MB Flash这样小容量、低成本的嵌入式系统。
RT_Linux即能兼容通常的Linux，又能保证强实时性。
（2）Windows CE：开发平台主要为WinCE Platform Builder，有时也用EVC环境开发一些较上层的应用。
WinCE 开发难度远低于嵌入式Linux，实时性略低，常用于手机、PDA等手持设备中。
（3）uCOS II：结构小巧、抢先式的实时嵌入式操作系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时性能好和可扩展性能等优点。
主要用于小型嵌入式系统。
(4) VxWorks: 集成开发环境为Tornado，Vxworks因出现稍早，实时性很强，并且内核可极微（最小8K），可靠性较高等。
嵌入式系统设计大学教程_习题与解答71815
嵌入式系统设计大学教程习题与解答第1章嵌入式系统设计基本概念（绪论）1、嵌入式系统的定义是什么？你是如何理解嵌入式系统的? （P3）答：嵌入式系统一般定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。
一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部分。
其中硬件包括嵌入式处理器/控制器/数字信号处理器（DSP）、存储器及外设器件、输入输出（I/O）端口、图形控制器等；软件部分包括操作系统软件（嵌入式操作系统）和应用程序（应用软件），由于应用领域不同，应用程序千差万别。
For personal use only in study and research; not for commercial use2、列出并说明嵌入式系统不同于其他计算机系统的主要特征。
（P3~P4）答：主要特征有：∙系统内核小：由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较传统的操作系统要小得多。
∙For personal use only in study and research; not for commercialuse∙∙专用性强：嵌入式系统通常是面向特定任务的，个性化很强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件系统的移植。
∙运行环境差异大：嵌入式系统使用范围极为广泛，其运行环境差异很大。
∙可靠性要求高：嵌入式系统往往要长期在无人值守的环境下运行，甚至是常年运行，因此对可靠性的要求特别高。
∙For personal use only in study and research; not for commercial use∙∙系统精简和高实时性操作系统：∙具有固化在非易失性存储器中的代码：为了系统的初始化，几乎所有系统都要在非易失性存储器中存放部分代码（启动代码）。
为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统常常把所有代码（或者其压缩代码）固化，存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，而不使用外部存储介质。
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。
1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：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。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
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。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
嵌入式系统硬件体系结构设计
嵌入式系统硬件体系结构设计一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：硬件层中涵盖嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备USB和i/oUSB（a/d、d/a、i/o等）。
在一片嵌入式处理器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。
硬件层与软件层之间为中间层，也称作硬件抽象化层（hardwareabstractlayer，hal）或板级积极支持纸盒（boardsupportpackage，bsp），它将系统上层软件与底层硬件拆分开去，并使系统的底层驱动程序与硬件毫无关系，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据bsp层提供更多的USB即可展开研发。
该层通常涵盖有关底层硬件的初始化、数据的输出/输入操作方式和硬件设备的布局功能。
3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（real-timeoperationsystem，rtos）、文件系统、图形用户USB（graphicuserinterface，gui）、网络系统及通用型组件模块共同组成。
rtos就是嵌入式应用软件的基础和研发平台。
功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置通常都由嵌入式计算机系统和继续执行装置共同组成，而嵌入式计算机系统就是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层共同组成。
继续执行装置也称作被控对象，它可以拒绝接受嵌入式计算机系统收到的掌控命令，继续执行所规定的操作方式或任务。
本网关硬件环境以单片机s3c2440芯片和dm9000以太网控制芯片为主，实现rj45接口和rs232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图就是直观的将每个功能模块列举，也就是一个基本的模块女团，可以简约的每个模块的功能彰显出。
嵌入式系统――体系结构、编程与设计
嵌入式系统――体系结构、编程与设计嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被设计用来完成特定的任务。
它通常集成在其他产品或系统中，比如汽车、家电、医疗设备等等。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是关键的方面，决定了系统的性能和功能。
嵌入式系统的体系结构是指系统的硬件组成和组织方式。
嵌入式系统通常采用定制化的硬件设计，与通用计算机系统有所不同。
它们通常具有较小的体积和较低的功耗要求，并且需要满足特定的实时性和可靠性需求。
嵌入式系统的体系结构包括处理器、存储器、外设等组件的选择和组织方式，以及系统的总线结构、中断处理等。
嵌入式系统的编程是指为系统编写软件的过程。
由于嵌入式系统的硬件和软件紧密耦合，编程需要考虑硬件的特性和限制。
常见的嵌入式系统编程语言包括C、C++、汇编等，开发工具包括编译器、调试器等。
在编程过程中，需要理解并利用系统提供的接口和功能来实现所需的功能。
此外，由于嵌入式系统通常对资源有限，编程需要注意优化代码，减小系统的资源占用。
嵌入式系统的设计是指系统功能和性能的设计。
在设计过程中，需要明确系统的需求和目标，并根据需求选择合适的硬件和软件组件。
设计还需要考虑系统的实时性、可靠性和安全性等方面的要求。
此外，设计还需要考虑系统的可维护性和可扩展性，以便在后续的升级和维护过程中更加方便和高效。
嵌入式系统的体系结构、编程和设计是相互关联的，它们共同决定了系统的性能和功能。
在嵌入式系统开发过程中，需要综合考虑这些方面，以满足系统的需求并提供良好的用户体验。
同时，嵌入式系统的开发也需要团队合作，包括硬件工程师、软件工程师、测试工程师等的协同工作。
总结起来，嵌入式系统的体系结构、编程和设计是嵌入式系统开发过程中的关键方面。
通过合理的体系结构设计、优化的编程和精心的系统设计，可以实现嵌入式系统的高性能和丰富的功能，从而满足用户的需求。
嵌入式系统的发展将继续推动物联网、智能家居、智能交通等领域的发展，为人们的生活带来更多的便利和舒适。
ARM嵌入式体系结构与接口技术
23
精品课件
ARM芯片厂商
2、PCB设计仿真阶段
需要在EDA仿真设计平台下，设计系统原理图及
PCB，并对PCB板上的信号完整性、EMI等进行
仿真，根据仿真结果来对PCB进行合理的布局布
线调整，完成PCB的设计
PCB图
ML67Q4051, ML67Q4060, ML67Q4061, ML696201, ML69Q6203
Samsung (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
S3C2410A, S3C2440A, S3C44B0X, S3C4510B,S5PC210
Sharp (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
LPC2294, LPC2364, LPC2366,, LPC2880, LPC2888, LPC3180
OKI (ARM7/ARM9/Cortex-M3 Family)
ML674000, ML674001, ML674002, ML674003, ML675001, ML675002, ML675003, ML67Q4050,
到终端用户手中
云计算的核心思想，是将大
量用网络连接的计算资源统
一管理和调度，构成一个计
算资源池向用户按需服务。
精品课件
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1.2 嵌入式系统的组成
应用 软 件
嵌 入 式操 作 系 统
硬件 设 备
嵌入式处理器
外围 设 备
图1-1 嵌入式系统结构简图
精品课件
13
1.2 嵌入式系统的组成
ARM嵌入式系统结构与编程(第2版)_第1-4章_习题答案
思考与练习题答案
1． 在指令编码中，条件码占有几位，最多有多少个条件，各个条件是如何形成的？ 答：见教材 3.1 节的描述。
2． 指令条件码中，V 标志位在什么情况下才能等于 1？ 答：当指令的算术运算发生异常时，V 标志位置 1。例如，两个正数相加，其
结果为一负数；或者是两个负数相加，其结果为一正数，都会置 V 标志位。
《ARM 嵌入式系统结构与编程》第 2 版，邱铁 编著. 清华大学出版社. 2013 年 8 月第 2 版，2015 年 8 月第 4 次印刷
称为异常模式
4． 分析程序状态寄存器（PSR）各位的功能描述，并说明 C、Z、N、V 在什 么情况下进行置位和清零。
答：PSR 的具体格式为
V—溢出标志位 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制补码表示的带符号数时，
4． 分析逻辑右移、算术右移、循环右移、带扩展的循环右移它们间的差别。 答：见教材 3.2 节的图 3-1 移位操作功能描述。
5． ARM 数据处理指令具体的寻址方式有哪些，如果程序计数器 PC 作为目标寄存 器，会产生什么结果？
答：ARM 数据处理指令具体的寻址方式有 5 种，见教材 3.2 节的具体说明。 如果程序计数器 PC 作为目标寄存器，会产生程序发生跳转。
0x1FE80000
答：每个立即数由一个 8 位的常数进行 32 位循环右移偶数位得到，其中循环右
移的位数由一个 4 位二进制的两倍表示。即：
<immediate>=immed_8 进行 32 位循环右移（2*rotate_4）位
符合这一条件的都为合法的立即数。
1) 0x5430 0B 0101 0100 0011 0000
3． 在 ARM 指令中，什么是合法的立即数？判断下面各立即数是否合法，如果合
1.1 嵌入式系统的定义和组成
逻辑结果正确 在要求的时间内
2．RTOS特点
约束性
时间约束 资源约束（能耗，费用） 执行顺序约束（多任务操作系统，每一组任务都要 在时间约束内完成） 性能约束（可靠性）
完成实时任务所需的执行时间应该是可知的 在系统最坏情况下都能正常工作或避免损失
可预测性
可靠性
交互性
硬件层
output
analog
CPU
input
analog
embedded computer
mem
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的体系结构
冯· 诺依曼体系结构 哈佛体系结构(指令数据分别存储在不同 memory中，且不同总线)，
精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC） 复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer, CISC）。
硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等 用来存放大数据量的程序代码或信息，
容量较大 读取速度慢
通用设备接口和I/O接口
与外界交互所需要的通用设备接口
GPIO、 A/D（模／数转换接口） D/A（数／模转换接口） RS-232接口（串行通信接口） Ethernet（以太网接口） USB（通用串行总线接口） 音频接口 VGA视频输出接口 I2C（现场总线） SPI（串行外围设备接口） IrDA（红外线接口）
轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、 便于移植、可配置 实现方法：
嵌入式系统计算机组成与体系结构考试
嵌入式系统计算机组成与体系结构考试（答案见尾页）一、选择题1. 嵌入式系统主要由哪两部分组成？A. CPU和存储器B. 存储器和I/O设备C. CPU和I/O设备D. CPU和总线2. 嵌入式系统的基本体系结构包括哪几个层次？A. 物理层B. 数据链路层C. 网络层D. 传输层E. 应用层3. 嵌入式微处理器中，存储器的地址空间分配通常采用哪种方式？A. 分段B. 分页C. 混合D. 重叠4. 嵌入式系统中，广泛使用的通信协议标准有哪些？A. TCP/IPB. UDPC. ICMPD. ARPE. PPP5. 嵌入式系统硬件平台的主要特点是什么？A. 高性能B. 低功耗C. 可靠性高D. 易于升级6. 嵌入式系统中，实现程序调试的方法通常有哪些？A. 内部调试B. 外部调试C. 在线调试D. 离线调试7. 嵌入式系统应用程序开发通常使用哪种编程语言？A. C语言B. C++语言C. Java语言D. Python语言8. 嵌入式系统中，实现数据压缩和解压缩的常见算法有哪些？A. LZW算法B. Huffman编码C. Run-Length编码D. Deflate算法9. 嵌入式系统中，实现多线程的几种技术有哪些？A. 使用POSIX线程库B. 使用Windows APIC. 使用实时操作系统(RTOS)D. 使用汇编语言直接实现10. 嵌入式系统硬件抽象层(OSAL)的主要功能是什么？A. 提供标准的API接口B. 管理硬件资源C. 实现设备驱动D. 提供任务调度功能11. 嵌入式系统的基本组成是什么？A. CPU、内存、外设和接口B. CPU、存储器、外部设备和连线C. CPU、存储器、总线和接口D. CPU、存储器、总线和外部设备12. 嵌入式系统的硬件层包括哪些部分？A. CPUB. 存储器C. 总线D. I/O设备13. 嵌入式系统的软件层包括哪些部分？A. 操作系统B. 驱动程序C. 中间件D. 应用程序14. 嵌入式系统的运行环境通常是什么？A. 实时操作系统B. 批处理操作系统C. 微内核操作系统D. 混合操作系统15. 嵌入式系统的设计原则包括哪些？A. 可靠性、稳定性、可扩展性和效率B. 可靠性、稳定性、可扩展性和功耗C. 可靠性、稳定性、可扩展性和成本D. 可靠性、稳定性、可扩展性和安全性16. 嵌入式系统的开发流程通常是什么？A. 需求分析、设计、编码、测试、维护B. 需求分析、设计、编码、测试、部署C. 需求分析、设计、编码、测试、上线D. 需求分析、设计、编码、测试、退役17. 嵌入式系统的应用领域有哪些？A. 消费电子B. 工业控制C. 医疗设备D. 交通物流18. 嵌入式系统的核心技术包括哪些？A. 微处理器技术B. 微控制器技术C. 操作系统技术D. 网络通信技术19. 嵌入式系统的开发工具包括哪些？A. 集成开发环境（IDE）B. 编程语言C. 开发板D. 制冷器20. 嵌入式系统的未来发展趋势是什么？A. 人工智能B. 5G通信C. 物联网D. 虚拟现实21. 嵌入式系统的基本组成是什么？A. CPU、内存、外设和接口B. CPU、存储器、外部设备和总线C. CPU、存储器、输入输出设备D. CPU、存储器、接口和通信总线22. 嵌入式系统的核心组成部分是什么？A. CPUB. 内存C. 存储器D. 总线23. 嵌入式系统中，CPU的主要特点是什么？A. 高速运算能力B. 高功耗C. 低功耗D. 高性能24. 嵌入式系统中，存储器的主要类型有哪些？A. RAMB. ROMC. Flash MemoryD. Hard Disk25. 嵌入式系统中，外部设备的主要作用是什么？A. 输入数据到系统B. 输出数据到用户C. 控制系统的运行D. 存储数据26. 嵌入式系统中，总线的类型有哪些？A. 控制总线B. 数据总线C. 地址总线D. 多总线27. 嵌入式系统的设计原则是什么？B. 安全性C. 实时性D. 低功耗28. 嵌入式系统的应用领域有哪些？A. 消费电子产品B. 工业控制系统C. 医疗设备D. 汽车电子29. 嵌入式系统的发展趋势是什么？A. 微型化B. 集成化C. 人工智能化D. 云计算化30. 嵌入式系统的开发流程通常包括哪些阶段？A. 需求分析B. 设计C. 编程D. 调试E. 测试F. 生产31. 嵌入式系统的基本组成是什么？A. CPU、内存、外设和接口B. CPU、存储器、外部设备和总线C. CPU、存储器、输入输出设备D. CPU、存储器、外部设备和操作系统32. 嵌入式系统的硬件层包括哪些？A. CPUB. 存储器D. 输入输出设备33. 嵌入式系统的核心是哪一个部件？A. CPUB. 存储器C. 总线D. 操作系统34. 嵌入式系统中，存储器的主要作用是什么？A. 存储程序B. 控制执行C. 存储数据D. 存储指令和数据35. 嵌入式系统中，外部设备的作用是什么？A. 输入数据到系统B. 输出数据到用户C. 控制执行D. 存储数据36. 嵌入式系统的总线通常用于连接哪些部件？A. CPU、存储器和外部设备B. CPU、存储器和显示器C. CPU、存储器和打印机D. CPU、存储器和键盘37. 嵌入式系统中，操作系统的功能包括哪些？A. 进程管理B. 内存管理C. 文件管理D. 设备管理38. 嵌入式系统的实时性主要依赖于哪一个组成部分？A. CPUB. 存储器C. 总线D. 操作系统39. 嵌入式系统的安全性主要依赖于哪一个组成部分？A. CPUB. 存储器C. 总线D. 操作系统40. 嵌入式系统的设计原则包括哪些？A. 可靠性B. 安全性C. 实时性D. 低功耗二、问答题1. 什么是嵌入式系统？请简述其特点。
嵌入式系统复习 南京邮电大学 期末复习 答案 提纲
1.嵌入式系统定义p1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，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。
2.嵌入式系统的组成结构，层次关系p4、板级支持包p61．硬件层硬件层由嵌入式微处理器、存储系统、通信模块、人机接口、其它I/O接口（A/D、D/A、通用I/O等）以及电源等组成。
嵌入式系统的硬件层以嵌入式微处理器为核心。
2．中间层硬件层与软件层之间为中间层，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。
中间层一般包括：硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）板级支持包（Board Support Package，BSP）3．软件层实时操作系统（Real Time Operating System，）文件系统图形用户接口（Graphical User Interfaces，GUI）网络系统通用组件模块RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4．功能层功能层由基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成实际所需的应用功能。
功能层是面向被控对象和用户的，当需要用户操作时往往需要提供一个友好的人机界面。
3.嵌入式处理器的分类，有哪些典型的嵌入式处理器p8嵌入式处理器的分类：嵌入式微控制器（MCU），嵌入式微处理器（MPU），嵌入式DSP 处理器，SoC 片上系统。
1.嵌入式微控制器(MicroController)嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。
嵌入式微控制器将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其他外设封装在同一片集成电路里，因为其片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本降低、可靠性提高。
由于微控制器低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，是目前嵌入式系统工业的主流。
嵌入式系统软件体系结构.ppt
见的PC机上的USB接口属于哪一类？ 4、简述USB的工作原理及工作方式。 5、常常听到的USB2.0指的是什么？
5、了解其他相关嵌入式软件体系的知识Biblioteka 第四章 嵌入式系统软件体系结构
4.1 基本概念 软件体系结构是包含系统构件、连接件和
约束的集合。 本质：核心内容必须考虑软件系统的结
构。这种结构是包含着各类交互关系、限制 及拓扑结构和设计原则等基本实体。
第四章 嵌入式系统软件体系结构
4.2 软件体系结构的作用 主要体现在两个方面： 1、是整个系统的整体规划
第四章 嵌入式系统软件体系结构
一、主要内容
1、基本概念 2、作用 3、通用软件体系结构 4、轮询系统 5、前后台系统 6、实时多任务系统 7、多处理器系统
第四章 嵌入式系统软件体系结构 二、学习目标
1、掌握嵌入式软件体系模型
2、熟悉嵌入式软件开发流程
3、熟悉软件体系的架构方法
4、掌握常见软件系统的设计和实现过程
2、是系统的抽象框架，越复杂的系统该 作用越明显
4.2 软件体系结构的作用
1、对整个系统的规划 结构性规划，只对系统组成元素、元素之
间应该如何组织才可以实现系统功能等问题 提出解决方法。也可以这么说，该规划只完 成系统的设计思路、功能特点进行描述。参 考图4.1.
4.2 软件体系结构的作用
2、抽象管理框架 完成对现实系统的抽象，体现于软件体系
结构中的各个元素，是从多个实际环境中抽 象出来的。例如在嵌入式系统组成中，就有 所谓的硬件抽象层。这层中，不管底层硬件 如何，只要在该抽象层中，提供了API接口， 那么基本上硬件的驱动就可以完成。
嵌入式系统
传感器
处理器
控制
实例：大棚温控系统
温度传感器
嵌入式控制 器
G
P
AD
IO
电炉及控制系统
（2）复杂嵌入式系统 一般指有操作系统的嵌入式系统，嵌入式处理器为32位。
RAM
FLASH
传感器 输入
嵌入式控制器 通讯
实例：手机
输出
加速度传感器 按键
RAM
FLASH
嵌入式控制器
通讯
LCD
3、嵌入式系统与PC的区别
（2）通俗定义
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。
第1章：嵌入式系统概述
第1节：嵌入式系统定义 第2节：嵌入式系统发展历程 第3节：嵌入式系统的特点 第4节：嵌入式系统结构 第5节：嵌入式微处理器 第6节：嵌入式操作系统 第7节：实例－网络温度采集系统
(1) MPU嵌入式微处理器 它是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留
和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入 式应用的 特殊要求。
(2)嵌入式微控制器MCU
目前典型的MCU内部框图
CPU
工作支撑模块
1、嵌入式系统的由来 计算机是应数值计算的要求而诞生的。在计算机发展的早期，电子计算机技术一直是以沿着满
足高速数值计算的道路发展的。
通俗地说：计算机是因科学家需要一个高速的计算工具而产生的。
直到20世纪70年代，电子计算机在数字计算、逻辑运算与推理、信息处理以及实际控制方面 表现出非凡能力后，在通信、测控、数据传输等领域，人们对计算机技术给予了更大的期待。这 些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在：
嵌入式系统原理及应用基于arm-cortexm4体系结构
嵌入式系统原理及应用基于arm-cortexm4体系结构1. 引言1.1 概述嵌入式系统是指嵌入到其他设备中的计算机系统，它具有高度集成、可靠性强和功耗低等特点。
随着科技的不断发展和进步，嵌入式系统在各个领域得到了广泛的应用，包括但不限于消费电子产品、医疗设备、交通工具以及智能家居等。
本文将重点介绍基于ARM Cortex-M4体系结构的嵌入式系统原理及应用。
ARM Cortex-M4是一种32位RISC处理器架构，被广泛应用于微控制器（MCU）领域。
通过对ARM Cortex-M4架构的详细介绍，我们可以深入了解其特点和优势，并在后续章节中探讨如何实际开发嵌入式系统。
1.2 文章结构本文分为以下几个部分：第二部分将概述嵌入式系统的定义，并讨论其特点和应用领域。
我们将从整体上了解什么是嵌入式系统以及它们在现实生活中扮演的角色。
第三部分将详细介绍ARM Cortex-M4架构。
我们将对ARM体系结构进行概览，并重点讨论Cortex-M系列的特点和分类。
接着，我们将深入研究Cortex-M4架构以及其独特的特性。
第四部分将介绍嵌入式系统开发流程和工具链。
我们将概述嵌入式开发的一般流程，并讨论如何选择和配置合适的嵌入式开发工具链。
此外，我们还会提供一些关于开发板硬件选择和选型指南的实用信息。
第五部分将通过应用案例分析和实践，展示嵌入式系统在不同领域中的具体应用。
我们将着重介绍实时操作系统（RTOS）在嵌入式开发中的应用、传感器与嵌入式系统集成设计实例以及基于ARM Cortex-M4的音频处理应用案例。
最后，第六部分是本文的结论部分，我们将对全文进行总结并提出进一步研究和应用的展望。
1.3 目的本文旨在深入探讨基于ARM Cortex-M4体系结构的嵌入式系统原理及应用。
通过对该体系结构的详细介绍和相关案例分析，读者能够更好地了解嵌入式系统在各个领域中的实际运用方式，并且为他们在嵌入式系统开发中提供指导和帮助。
嵌入式存储器及系统结构
上面那个系统的外围器件比较多,电路也比较复杂. 对于很多的嵌入式系统,如小型手持设备而言,出于硬件成 本,PCB板面积等因素的考虑,往往去掉其它一些器件. 比如,在自带Nand Flash的情况下,可用NandFlash代替 EEPROM和NorFlash.如有些MCU自带USB控制器和 LCD Driver,RTC等,就可以省去这些外围电路.但需要 一个MCU/MPU能直接运行的Bootloader程序对存放在 NandFlash的程序进行引导.该BootLoader程序必须带有 NandFlash驱动. 对于另外一些MPU,由于自身并不带有RAM和ROM,就需 要扩展相应的电路. 对于某些MCU/MPU,其内置的ROM自带有Bootloader.
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嵌入式存储器及系统结构
李 立华 2007.04.13
目录
1.嵌入式存储器简介 嵌入式存储器简介
1.1 常用存储器简介
1.嵌入式系统存储器 1.嵌入式系统存储器
对NandFlash而言,h读写流程图.
写数据
读数据
事实上,在写数据时,还要先对擦除NandFlash. 在送地址和数据时,NandFlash通过I/O总线依次送入地址和数据,而 且读写是以块为单位进行操作. 这样,如果要访问NandFlash内的数据,必段以块中的页为单位,根据 所指定的块和页将该页的数据读入内存,然后根据内存中的相对地址 对该数据进行访问. 该原理和PC机的硬盘工作机理很相似. 如果需要将NandFlash作程序存储器,需要注意以下事项: (1)由于NandFlash出错和出现坏块的机会比NorFlash大得多,而程序出 错后的问题往往是致命的.所以必须有错误冗余校验机制和纠错机制. (2)由于MCU/MPU不能直接对NandFlash程序和数据进行访问,所以必 须有一个BootLoader程序将NandFlash程序映射到RAM中才可以执行. 也就是说在该单片机系统中,必须有一个ROM存储引导程序.该引 导程序一般说来是很精巧的. 在该BootLoader,必须包含NandFlash读驱动程序. 需要注意的是,该处的BootLoader和我们PC机的Boot是有区别的,而 更像PC机的BIOS程序. (3)用NandFlash存储程序的系统一般都用于程序量比较大,且要求带有 NandFlash存储器的系统.
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845系列芯片组
• 82845E/82845GL/82845G/82845GV/82845GE/82845PE，除 82845GL以外都支持533MHz FSB（82845GL只支持400MHz FSB），支持内存方面，所有845系列北桥都支持最大2GB内存。 82845GL/82845E支持DDR 266，其余都支持DDR 333。除 82845GL/82845GV之外都支持AGP 4X规范； • 865系列芯片组的82865P/82865G/82865PE/82865GV/82848P， 除82865P之外都支持800MHz FSB，DDR 400（82865P只支 82865P 800MHz FSB DDR 400 82865P 持533MHz FSB，DDR 333，除82848P之外都支持双通道内存 以及最大4GB内存容量（82848P只支持单通道最大2GB内存）， 除82865GV之外都支持AGP 8X规范； • 还有目前最高端的875系列的82875P北桥，支持800MHz FSB， 4GB双通道DDR 400以及PAT功能。
Add Sub Cmp 时间 取指 译码 取指 执行add 译码 取指 执行sub 译码 执行cmp
超标量执行
超标量执行：超标量 超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构 采用多条流水线结构
指令CACHE
预取
预取
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
指令寄存器 控制器
指令
地址 数据通道 输入 中央处理器 输出 数据
数据存储器 数据0 数据 数据1 数据 数据2 数据
CISC和RISC 和
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 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 原则 的程序只使用20% 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) 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 CPU硬件结构设计变得更为简单
存储器系统
• RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随 ：随机存取存储器， ： 机存储器， 机存储器， DRAM：动态随机存储器 ： • 1）SRAM比DRAM快 ） 比 快 • 2）SRAM比DRAM耗电多 ） 比 耗电多 • 3）DRAM存储密度比 存储密度比SRAM高得多 ） 存储密度比 高得多 • 4）DRM需要周期性刷新 ） 需要周期性刷新 • ROM：只读存储器 ： • FLASH：闪存 ：
总线和总线桥
CPU 低速设备
高速总线
桥
低速总线
存储器
高速设备
数据
高速设备
芯片组（Chipset）
• 主板的核心组成部分，如果说中央处理器（CPU） 是整个电脑系统的心脏，那么芯片组将是整个身 体的躯干。 • 芯片组是主板的灵魂。芯片组性能的优劣，决定 了主板性能的好坏与级别的高低。 • 目前CPU的型号与种类繁多、功能特点不一，如 果芯片组不能与CPU良好地协同工作，将严重地 影响计算机的整体性能甚至不能正常工作。
南桥芯片（South Bridge）
• 南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI 总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控 制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高 级电源管理等，这些技术一般相对来说比 较稳定，所以不同芯片组中可能南桥芯片 是一样的，不同的只是北桥芯片。所以现 在主板芯片组中北桥芯片的数量要远远多 于南桥芯片。
北桥芯片
• 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、 PCI数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和 主频、系统的前端总线频率、内存的类型 （SDRAM，DDR SDRAM以及RDRAM等等）和 最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持. • 整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。 • 离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与 处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而 缩短传输距离。
冯·诺依曼体系结构模型 诺依曼体系结构模型
存储器
指令寄存器 控制器
程序 指令0 指令0 指令1 指令1 指令2 指令2 指令3 指令3 指令4 指令4
数据通道 输入 中央处理器
输出
数据 数据0 数据0 数据1 数据1 数据2 数据2
哈佛体系结构
地址 程序存储器 指令0 指令 指令1 指令 指令2 指令
CISC与RISCБайду номын сангаас数据通道
ALU MEM
微操作通道
开始
IF
ID
REG
退出
开始
IF
ID
REG
ALU
MEM
退出
单通数据通道
影响CPU性能的因素：流水线、超标量 性能的因素：流水线、 影响 性能的因素 和缓存
• 流水线技术：几个指令可以并行执行 流水线技术： 提高了CPU的运行效率 提高了 的运行效率 内部信息流要求通畅流动
25 针串口功能一览表
9 针串口功能一览表
USB 通用串行总线
• 即插即用，热插拨，系统不需重启便可工作，且易 于扩展（127个） • USB2.0以低成本实现高达480Mb/s的传输率 （USB1.1的全速设备可达12Mb/s） • 接口标准统一、端口供电 • 每个USB 的系统有且只有一个host， 它负责管理 整个USB系统，包括USB Device 的连接与删除、 Host 与USB Device 的通信、总路线的控制等等。
Technologies
• • • • • • • • • • • • • • • Advanced Switching Advanced TCA COM Express Embedded ATX Human Dynamics Surveillance Technology Intel® Active Management Technology Intel® Embedded Graphics Driver Intel® Flash Memory Packaging Technology Intel® Quick Capture Technology Intel® Micro Signal Architecture Intel® Mobile Media Technology Intel® Wireless MMX™ Technology Intel XScale® Technology PCI Express* Wireless Intel SpeedStep® Technology
• 其中CPU的类型、主板的系统总线频率，内存类 型、容量和性能，显卡插槽规格是由芯片组中的 北桥芯片决定的； • 扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量 （如USB2.0/1.1，IEEE1394，串口，并口，笔记 本的VGA输出接口）等，是由芯片组的南桥决定 的; • 还有些芯片组由于纳入了3D加速显示（集成显示 芯片）、AC＇97声音解码等功能，还决定着计算 机系统的显示性能和音频播放性能等。
数据
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 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多， 可以提高内存的平均性能。 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， 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。 内容的拷贝。
EIA(Embedded intel Architecture)
• • • • • • • • • • • • • • Intel® Xeon™ Processors Intel® Pentium® M Processors Intel® Pentium® 4Processors Intel® Pentium® III Processors Intel® Pentium® II Processors Intel® Celeron® MProcessors Intel® Celeron® Processors Intel® Pentium® Processors with MMX™Technology Intel® Pentium® Processors Classic Processor Product Portfolio Intel486™ Processors Intel386™ Processor Intel® 186 Processor Embedded Intel® Architecture Chipsets
EIA嵌入式系统体系结构 嵌入式系统体系结构
一、嵌入式系统硬件基础
• 冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 • CISC与RISC • 影响CPU性能的因素 • 存储器系统 • I/O接口
典型嵌入式系统基本组成－硬件
电源 模块 时钟
外围电路 微处理器
Flash
RAM
MPU
复位 ROM
外设
USB LCD Keyboard Other
输入输出接口
• • • • • • I/O A/D、D/A 、 键盘 LCD 存储器接口 设备接口
RS232
• 最高传输速率为20 kb/s, 最大传输线长为30 米。 • 一般微机提供标准的RS232C 接口，该接 口采用负逻辑，与CMOS、TTL 电路的相 连需要专用集成电路进行电平转换。 • 传输速率低、传输距离近、抗共模干扰能 力差，在条件较恶劣的现场控制中，很难 实现数据的正常传输和获取。
• 南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过 一定的方式（不同厂商各种芯片组有所不 同，例如英特尔的英特尔Hub Architecture 以及SIS的Multi-Threaded“妙渠”）与北桥 芯片相连。 • 离处理器较远,一般都没有覆盖散热片。 • 发展方向主要是集成更多的功能，例如网 卡、RAID、IEEE 1394、甚至WI-FI无线网 络等等。