嵌入式系统设计原理及应用课件

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μ W级。
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
1.1什么是嵌入式系统
• 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－硬件
系统级设计工具 • Cadence的SPW • System View • 模拟电路系统仿真工具 • Pspice • EWB • PCB设计工具 • Protel • PADs 的Power PCB & Tool Kit • Mentor的Expedition & Tool Kit • 可编程逻辑器件设计工具 • Mentor FPGA Advantage & ModelSim • Xilinx Foundation ISE & Tool Kit • 各种综合和仿真第三方工具
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
1.6嵌入式系统的分类
。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）
嵌入式处理器
嵌入式处理器的发展趋势 • 经济性（成本） • 微型化（封装、功耗） • 智能化（功能、速度） • 嵌入式处理器的分类和现状 • 微控制器（MCU） • 微处理器（MPU） • 数字信号处理器（DSP） • 混合处理器和片上系统（SOC） • 可编程片上系统（SOPC）
硬件设计工具（EDA工具）
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
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。
• • • • • • • • • • • • • 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。
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(DSP) 嵌入式微处理器(MPU) 嵌入式片上系统 (System On Chip)
嵌入式微控制器（MCU）
（1）、嵌入式微控制器（MCU） • l嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种８位的 电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛 的应用。 • 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总 线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、 脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等 各种必要功能和外设。
1.2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。
1.8 指令集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 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 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 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
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
存储器
程序 指令寄存器 指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
控制器
数据通道 输入 输出 中央处理器
数据
数据0 数据1 数据2
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
SRAM AND DRAM
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
1.3 IEEE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。
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 • 提高了CPU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
• 时间
Βιβλιοθήκη Baidu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。
嵌入式系统设计原理及应用
关英春
yingchun_guan@sina.com
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
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。
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。
• 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。
嵌入式系统的几个重要特征
（1）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。