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嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)：是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)渠脉，軟件、硬件可裁剪容握，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性估盘、成本瓷患、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遣妥。

嵌入式系統(tǒng)的組成：4個(gè)——嵌入式微處理器擅编、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)箫踩、用戶的應(yīng)用程序爱态。

嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)

版本一：

• 高度集成
  • 硬件高度集成：最小系統(tǒng)
  • 軟件高度集成：bios、應(yīng)用程序等集成在一起
• 可裁剪
  • 硬件可裁剪：可根據(jù)需求選擇合適處理器境钟，高端可用SOPC
  • 軟件可裁剪：bios (博德羅格?)移植锦担，驅(qū)動(dòng)裁剪，操作系統(tǒng)裁剪

版本二：

• 嵌入式系統(tǒng)極其關(guān)注成本慨削。
• 嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有較強(qiáng)要求
• 嵌入式系統(tǒng)跟一般采用嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System,EOS)洞渔，或實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operation System, RTOS)套媚。
• 嵌入式系統(tǒng)軟件故障造成的后果較通用計(jì)算機(jī)更為嚴(yán)重。
• 嵌入式系統(tǒng)多為低功耗系統(tǒng)
• 嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常在極端惡劣的環(huán)境下工作
• 嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)資源與通用計(jì)算機(jī)相比是非常少的
• 嵌入式系統(tǒng)通常在ROM中存放所有程序的目標(biāo)代碼
• 嵌入式系統(tǒng)可采用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)
• 嵌入式系統(tǒng)需要專用開(kāi)發(fā)工具和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)
• 嵌入式系統(tǒng)具有軟件的固件化特性

版本三：

• 功耗限制磁椒，低功耗設(shè)計(jì)
• 低成本
• 系統(tǒng)內(nèi)核小
• 專用性強(qiáng)
• 不可壟斷性
• 產(chǎn)品相對(duì)穩(wěn)定性
• 實(shí)時(shí)性：任務(wù)處理所花費(fèi)時(shí)間的可預(yù)測(cè)性
• 實(shí)時(shí)系統(tǒng)：正確性依賴與運(yùn)行結(jié)果的邏輯正確性和運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間正確性

EOS特征堤瘤、特點(diǎn)及實(shí)時(shí)系統(tǒng)

EOS特征：

• 小巧
• 實(shí)時(shí)性
• 可裁剪
• 代碼固化(EOS和應(yīng)用軟件被固化再ROM中)
• 文件管理
• 弱交互性(反正無(wú)人值守)
• 強(qiáng)穩(wěn)定性

實(shí)時(shí)系統(tǒng)：采用各種算法和策略，始終保持系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性(不僅邏輯上正確浆熔，時(shí)間也必須及時(shí))

非實(shí)時(shí)系統(tǒng)：邏輯正確即可本辐，主要關(guān)心系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間(吞吐量)

嵌入式系統(tǒng)組成的特點(diǎn)：

• 硬件：以微處理器為核心(集成存儲(chǔ)器和外圍I/O設(shè)備)
• 軟件：初始化代碼及驅(qū)動(dòng)(Bootloader)程序、嵌入式操作系統(tǒng)RTOS和應(yīng)用程序有機(jī)的結(jié)合在一起

EOS特點(diǎn)：

• 可裝卸性
• 強(qiáng)實(shí)時(shí)性
• 統(tǒng)一的接口
• 操作方便医增、簡(jiǎn)單慎皱、友好得圖形界面
• 提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議
• 強(qiáng)穩(wěn)定性调窍，弱交互性
• 固話代碼
• 更好的硬件適應(yīng)性宝冕，也就是良好的移植性

EOS的發(fā)展趨勢(shì)

軟件：

• 開(kāi)發(fā)平臺(tái)完備化
• UI支持完備化
• 支持多核處理器
• 支持各種無(wú)線通信方式

硬件：

• 面向應(yīng)用領(lǐng)域的、高度集成的邓萨、以32位嵌入式微處理器為核心的SoC將成為應(yīng)用主流
• 穩(wěn)定性地梨、體積、散熱缔恳、功耗進(jìn)一步優(yōu)化

存儲(chǔ)器宝剖、軟件及測(cè)試工具

嵌入式存儲(chǔ)器：嵌入式存儲(chǔ)器不同于片外存儲(chǔ)器，它是集成在片內(nèi)的歉甚，與系統(tǒng)中各個(gè)邏輯万细、混合信號(hào)等共同組成單一芯片的基本組成部分。包括嵌入式靜態(tài)存儲(chǔ)器纸泄、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器赖钞、各種非易失性存儲(chǔ)器。

• 易失性存儲(chǔ)器：速度快功耗低簡(jiǎn)單的SRAM聘裁、DRAM
• 非易失性存儲(chǔ)器：主要用于存儲(chǔ)器掉電時(shí)不丟失固定數(shù)據(jù)和程序雪营，OTP、ROM衡便、EEPROM

嵌入式系統(tǒng)的軟件

嵌入式的系統(tǒng)軟件分為兩大部分献起，嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和BSP

軟件層次結(jié)構(gòu)如圖

操作系統(tǒng)向上層的應(yīng)用軟件提供API镣陕，BSP負(fù)責(zé)與底層硬件交互谴餐，向操作系統(tǒng)屏蔽硬件的差異

• 應(yīng)用軟件：為了完成某些特定任務(wù)而開(kāi)發(fā)的軟件
• 嵌入式操作系統(tǒng)
• BSP：介于主板硬件和操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層程序之間的一層，一般認(rèn)為它屬于操作系統(tǒng)的一部分呆抑，主要是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的支持岂嗓，為上層的驅(qū)動(dòng)程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包，是指能與硬件主板更好地運(yùn)行鹊碍。

軟件的測(cè)試技術(shù)與工具：

1.內(nèi)存分析工具：用來(lái)處理再動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配中存在的缺陷摄闸。

2.性能分析工具：EOS程序性能很重要善镰，性能工具不僅能指出哪些例程花費(fèi)時(shí)間，與調(diào)試工具聯(lián)合使用可以引導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員查看需要優(yōu)化的特定函數(shù)年枕，還能引導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)再系統(tǒng)調(diào)用中存在的錯(cuò)誤和程序結(jié)構(gòu)上的缺陷

3.GUI測(cè)試工具：節(jié)省功能測(cè)試和回歸測(cè)試的時(shí)間

4.覆蓋分析工具：用來(lái)分析追蹤哪些代碼被使用過(guò)

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展階段：1.SCM階段炫欺；2.MCU階段；3.SoC階段熏兄；4.以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)品洛。

發(fā)展趨勢(shì)：1.高可靠性、高穩(wěn)定性摩桶；2.運(yùn)算速度快桥状、開(kāi)發(fā)周期短；3.強(qiáng)大的擴(kuò)展功能和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能硝清。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

本章節(jié)主要解決嵌入式系統(tǒng)中軟硬件設(shè)計(jì)及工作的問(wèn)題辅斟。

嵌入式開(kāi)發(fā)的一般開(kāi)發(fā)流程：早期由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，根據(jù)需求分析先設(shè)計(jì)硬件芦拿，硬件設(shè)計(jì)完成后士飒，再在以構(gòu)建平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā) ，這種先硬件后軟件的設(shè)計(jì)方法蔗崎，主要用于單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式處理器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)酵幕。

• 單片機(jī)系統(tǒng)：主要用于實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的控制，系統(tǒng)核心部件集成在一塊芯片——單片機(jī)上缓苛，再在外圍加入一些接口電路芳撒，軟件部分不需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，只需要采用匯編語(yǔ)言編寫針對(duì)特定應(yīng)用的程序未桥。

• 嵌入式處理器系統(tǒng)：可以看作針對(duì)特定應(yīng)用的PC機(jī)笔刹，包含CPU、內(nèi)存和吩咐的外部接口冬耿。開(kāi)發(fā)流程：1.選擇嵌入式處理器和硬件平臺(tái)徘熔；2.軟件部分一般包含操作系統(tǒng)，用來(lái)屏蔽底層硬件的復(fù)雜信息淆党，管理整個(gè)系統(tǒng)的資源。

  開(kāi)發(fā)方式讶凉；1.利用宿主機(jī)(PC)開(kāi)發(fā)軟件染乌；2.同過(guò)交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，再通過(guò)串口/USB/以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)機(jī)上懂讯；3.利用交叉調(diào)試器再監(jiān)控程序或?qū)崟r(shí)內(nèi)核/OS的支持下進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和調(diào)度荷憋；4.將運(yùn)行正確的程序下載固化到目標(biāo)機(jī)上，完成褐望。

嵌入式處理器的選型(待補(bǔ)充)

? 要滿足夠用勒庄、適用串前、成本、功耗实蔽、軟件開(kāi)發(fā)工具荡碾、是否內(nèi)置調(diào)試工具、是否提供評(píng)估板

操作系統(tǒng)的選擇：

? 非實(shí)時(shí)EOS：Microsoft-WinCE

? 實(shí)時(shí)EOS：WindRiverSystem-Vxworks

? 免費(fèi)EOS：μC/OS局装、μClinux

操作系統(tǒng)的選擇主要參考以下幾個(gè)方面：

• 操作系統(tǒng)的移植
• 操作系統(tǒng)過(guò)的內(nèi)存要求(Vxworks需較大內(nèi)存)
• 操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性(WindowsCE只能提供軟實(shí)時(shí))
• 支持的開(kāi)發(fā)工具
• 可裁剪性(Vxworks具有較強(qiáng)的裁剪性)
• 開(kāi)發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的API
• 操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動(dòng)程序

EOS的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

? 目前Soc時(shí)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)形式之一坛吁，面向SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是最流行的一種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)的EOS開(kāi)發(fā)方法 VS 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及缺點(diǎn)：

1需求分析 總體設(shè)計(jì) 2軟硬分開(kāi)設(shè)計(jì) 3集成驗(yàn)證 4結(jié)束

缺點(diǎn)：不統(tǒng)一铐尚、不協(xié)同拨脉、不易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、周期長(zhǎng)宣增、盲目性玫膀、不能綜合優(yōu)化。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本過(guò)程爹脾，它們與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法異同（作業(yè)）：

流程：1系統(tǒng)描述 2軟硬件劃分（成本函數(shù)） 3協(xié)同綜合 4協(xié)同仿真與驗(yàn)證

比較：

? 1采用并行設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)的思想帖旨，提高設(shè)計(jì)效率和縮短了開(kāi)發(fā)周期

? 2統(tǒng)一的工具描述，可合理劃分系統(tǒng)軟硬件誉简，分配系統(tǒng)功能碉就，在性能、成本闷串、功耗等方面進(jìn)行權(quán)衡折衷瓮钥，獲得更優(yōu)化設(shè)計(jì)

? 3支持多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同開(kāi)發(fā)。

SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)

• 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)
  軟硬件的優(yōu)缺點(diǎn)：
  • 硬件的優(yōu)缺點(diǎn)
    • 優(yōu)點(diǎn)：速度快烹吵、功耗低碉熄；分擔(dān)原先處理器的部分功能，降低處理器的復(fù)雜程度肋拔；相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)間較少
    • 缺點(diǎn)：成本較高锈津；研發(fā)周期較長(zhǎng)；輔助設(shè)計(jì)工具的成本非常高
  • 軟件的優(yōu)缺點(diǎn)：
    • 優(yōu)點(diǎn)：成本較低凉蜂；軟件設(shè)計(jì)的相關(guān)輔助工具較便宜琼梆；容易調(diào)試
    • 缺點(diǎn)：性能較差、功耗高窿吩；對(duì)處理器速度茎杂、存儲(chǔ)容量提出很高要求；通常需要RTOS的支持

器件的選擇

MCU/MPU

• 以ARM和51系列為主
• 豐富的軟件系統(tǒng)支持
• 豐富的控制處理和人機(jī)接口
• 復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理能力

DSP

• 主要由Texas Instrument公司生產(chǎn)
• 專用的乘加以及浮點(diǎn)運(yùn)算單元纫雁，在海量的數(shù)據(jù)處理上有優(yōu)勢(shì)
• 多用于信號(hào)的處理及采集上
• FIR煌往、FFT、MPEG4等

FPGA

• 主要用于Altera轧邪、Xilinx公司的產(chǎn)品
• 適用于復(fù)雜邏輯的實(shí)現(xiàn)
• 憑借單芯片超大容量和高速并行數(shù)據(jù)運(yùn)算能力刽脖，在信號(hào)處理上體現(xiàn)了自己的優(yōu)勢(shì)
• 軟件支持差

當(dāng)前解決方案SOPC

SOPC羞海，System-On-a-Programmable-Chip，可編程邏輯芯片上的片上系統(tǒng)

Altera的NiosII嵌入式處理器

Nios II采用SoPC Builder定制曲管，DSP采用DSP Builder定制

Nios II處理器結(jié)構(gòu)：一種軟核(Soft-Core)處理器

軟核：未被固化在硅片上却邓，使用時(shí)需要借助EDA軟件對(duì)其進(jìn)行配置并下載到可編程芯片中的IP核

最大特點(diǎn)：可由用戶按需求進(jìn)行配置。

Nios II處理器系列支持三種內(nèi)核：f快速翘地、e經(jīng)濟(jì)申尤、s標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)例

硬件裁剪-處理器

? 單參數(shù)監(jiān)護(hù)

? – 血壓(NIBP)、體溫(TEMP)監(jiān)控報(bào)警

? ? 單片機(jī)8051衙耕、Z80昧穿、PIC等

? – 全息體溫圖：ARM7: S3C44B0X,StrongARM

? – 心電ECG、血氧飽和度(SPO2)監(jiān)控報(bào)警

? ? ARM7: S3C44B0X,StrongARM

? – 心電圖綜合分析(圖形顯示)

? ? ARM9,MIPS

? 綜合監(jiān)護(hù)

? – ARM9 橙喘，MIPS

? 重癥監(jiān)護(hù)

? – 集成方案: ARM7, ARM9, MIPS

? – 綜合方案: ARM9~ARM10, MIPS: XScale, 386EX

需求分析-OS

? 單參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

? – 血壓(NIBP)时鸵、體溫(TEMP)監(jiān)控報(bào)警

? ? 硬件提供參數(shù)通道，軟件采樣厅瞎、計(jì)算饰潜、存儲(chǔ)、數(shù)字顯示和簸；無(wú)OS

? – 全息體溫圖(TEMP): 需uCLinux彭雾， Win CE

? – 心電ECG、血氧飽和度(SPO2)監(jiān)控報(bào)警

? ? 硬件提供參數(shù)通道锁保，軟件采樣薯酝、計(jì)算、存儲(chǔ)爽柒、數(shù)字顯示吴菠；uC/OS

? – 心電圖綜合分析(圖形顯示)

? ? 硬件提供參數(shù)通道，軟件采樣浩村、計(jì)算做葵、存儲(chǔ)、數(shù)字顯示心墅； uCLinux酿矢， Win CE

? 綜合監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

? – 硬件提供參數(shù)通道，軟件采樣怎燥、計(jì)算瘫筐、存儲(chǔ)、數(shù)字顯示刺覆；Linux， Win CE

? 重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

? – 集成方案：硬件提供數(shù)據(jù)接口史煎，軟件掃描采樣谦屑、轉(zhuǎn)發(fā)驳糯、報(bào)警； uCLinux氢橙， uC/OS

? – 綜合方案：硬件提供數(shù)據(jù)接口酝枢，軟件掃描采樣、轉(zhuǎn)發(fā)悍手、報(bào)警帘睦、綜 合顯示； uCLinux坦康， Win CE
硬

硬件裁剪-I/O接口

? 單參數(shù)監(jiān)護(hù)

? – 血壓(NIBP)竣付、體溫(TEMP)監(jiān)控報(bào)警

? ? 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(PWM,ADC),PVC按鍵,LED(數(shù)字LCD),數(shù)字蜂鳴器

? – 全息體溫圖(TEMP)：加顯示接口,點(diǎn)陣LCD(小型CRT)

? – 心電ECG、血氧飽和度(SPO2)監(jiān)控報(bào)警

? ? ADC接口(I2C), UART,Watchdog,PVC按鍵,GPS,LED(數(shù)字LCD),GPRS

? – 心電圖綜合分析(圖形顯示)

? ? ADC接口(I2C), UART,Watchdog,PVC按鍵,點(diǎn)陣LCD(小型CRT)

? 綜合監(jiān)護(hù)

? – ADC接口(I2C), UART,Watchdog,PVC按鍵,點(diǎn)陣LCD(小型CRT)

? 重癥監(jiān)護(hù)

? – 集成方案: 100M Ethernet(或USB,CAN),各種監(jiān)護(hù)儀器接口, PVC按鍵 ,LED(數(shù)字LCD),數(shù)字蜂鳴器

? – 綜合方案:ADC接口(I2C), UART,Watchdog,PVC按鍵,點(diǎn)陣LCD(小型 CRT)

硬件結(jié)構(gòu)架構(gòu)

? 需求分析

? – 心電生命監(jiān)護(hù)報(bào)警,GPS定位,GPRS報(bào)警

? 軟硬件特性

? – 硬件提供參數(shù)采樣,軟件計(jì)算滞欠、存儲(chǔ)古胆、數(shù)字顯示;uCOS(Linux)

? 處理器:ARM7,S3C44BOX

? I/O接口與輸入輸出設(shè)備

? –ADC接口,Watch Dog, PVC按鍵,GPS,GPRS,LCD

? – 線性Flash(NOR),SDRAM,非線性Flash(NAND)

嵌入式硬件系統(tǒng)

最小硬件系統(tǒng)：嵌入式控制器、時(shí)鐘系統(tǒng)筛璧、供電系統(tǒng)(電源)逸绎、復(fù)位及配置系統(tǒng)，

? 可選：調(diào)試測(cè)試接口夭谤、存儲(chǔ)器系統(tǒng)

嵌入式微處理器的特點(diǎn)：

• 基礎(chǔ)是通用微處理器
• 體積更小棺牧、重量輕、成本低朗儒、可靠性高颊乘、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)

體系結(jié)構(gòu)：

• 馮諾依曼Von Neumann結(jié)構(gòu)：CPU與主存?zhèn)魉椭噶詈蛿?shù)據(jù)
• 哈佛結(jié)構(gòu)Harvard：分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，分別傳數(shù)據(jù)和指令胸嘁。

單板計(jì)算機(jī)：電路板上包括ROM疏尿、RAM、總線纲爸、各種外設(shè)，可靠性差妆够，保密性差

MPU：?jiǎn)纹独玻暮统杀窘档汀⒖煽啃蕴岣摺?/p>

嵌入式處理器

EOS：以應(yīng)用為中心神妹，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)颓哮，軟硬件可配置，對(duì)功能鸵荠、可靠性冕茅、成本、體積、功耗有嚴(yán)格約束的專用系統(tǒng)姨伤，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制哨坪、監(jiān)視和管理等功能。一般由微處理器乍楚、外圍硬件設(shè)備当编、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等部分組成

嵌入式硬件可以分為：處理器核、外圍電路和外設(shè)與擴(kuò)展徒溪。

MPC采用Von Neumann架構(gòu)或Harvard架構(gòu)忿偷。MPC由CPU演化而來(lái)，主流包括ARM臊泌、MIPS鲤桥、PowerPC、X86缺虐、68K

MCU：主流MCS51芜壁、P51XA、MCS-251

嵌入式處理器技術(shù)指標(biāo)

1.功能：集成的存儲(chǔ)器數(shù)量和I/O設(shè)備種類

2.字長(zhǎng)：字長(zhǎng)越長(zhǎng)計(jì)算精度越高

3.處理速度

• MFLOPS高氮，每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算
• 主頻慧妄，時(shí)鐘頻率，單位MHz
• CPI剪芍，每條指令周期數(shù)

4.工作溫度:民用0-70塞淹、工業(yè)用-40-85、軍用-55-125罪裹、航天用(更寬)

5.功耗：工作功耗和待機(jī)功耗

6.尋址能力

7.平均故障時(shí)間,MTBF

8.性價(jià)比

9.工藝

10.電磁兼容性指標(biāo)

嵌入式處理器選擇原則P35

選擇哪一類處理單元：根據(jù)具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用選擇：通過(guò)用CPU饱普、MPU。MCU状共、DSP套耕、PLC

選擇哪家的產(chǎn)品：

1.低成本

2.低功耗

3.恰當(dāng)?shù)奶幚砟芰?/p>

4.技術(shù)指標(biāo)

5.調(diào)查市場(chǎng)上已有的CPU供應(yīng)商

6.合適的EOS支持：

• 支持的編程語(yǔ)言和處理器的類型
• 可靠性和安全性
• 性能
• EOS以源代碼、目標(biāo)代碼或庫(kù)函數(shù)的方式提供
• 信譽(yù)和技術(shù)支持
• 集成解決方案
• 與開(kāi)發(fā)工具的兼容性
• 授權(quán)方式

7.與原有產(chǎn)品兼容

8.編程語(yǔ)言的限制

9.上市時(shí)間

10.處理器供應(yīng)商是否提供開(kāi)發(fā)板

典型的嵌入式處理器

ARM

ARM內(nèi)核的命名規(guī)則峡继，如ARM7TDMI

T：支持16位壓縮指令集Thumb

D：在片調(diào)試冯袍，處理器可響應(yīng)調(diào)試暫停請(qǐng)求

M：內(nèi)嵌硬件乘法器

I：嵌入ICE仿真器，支持上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)

到ARM 926EJ-S時(shí)期碾牌，上述后綴作為默認(rèn)不再列出康愤，有新后綴：

E：DSP指令支持

J：Java指令支持

S：可邏輯綜合軟內(nèi)核

F：帶向量浮點(diǎn)協(xié)運(yùn)算器

ARM處理器結(jié)構(gòu)

1.RISC體系結(jié)構(gòu)，指令小于100條舶吗，基本尋址方式2-3種征冷。

2.ARM和Thumb狀態(tài)。Thumb在性能和代碼大小之間提供了出色的折中誓琼。

? ARM支持7中處理器模式：

• User模式：有些受保護(hù)的資源不能訪問(wèn)
• System模式：不受任何限制的訪問(wèn)任何資源
• FIQ模式
• IRQ模式
• Supervisor模式
• Abort模式
• Undefined模式

除用戶模式均為特權(quán)模式检激，除系統(tǒng)模式另外5種都是異常模式Exception肴捉。

3.寄存器。ARM有37個(gè)寄存器叔收。P40

4.指令集

5.存儲(chǔ)器格式

多核處理器

對(duì)稱(同構(gòu))多核每庆，SMP，Symmetric Multiprocessing：各CPU共享內(nèi)存子系統(tǒng)及總線系統(tǒng)今穿，簡(jiǎn)單說(shuō)就是多個(gè)CPU同時(shí)工作，交替運(yùn)行伦籍，從而提高工作效率蓝晒。

非對(duì)稱(異構(gòu))多核，AMP帖鸦，Asymmetric Multiprocessing：由主從處理器組成芝薇，主處理器是系統(tǒng)的核心，能運(yùn)行操作系統(tǒng)作儿，從處理器用來(lái)處理用戶定義的制定功能洛二。(比較少，比較有前景)

嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)

層次結(jié)構(gòu)：EMPU（cache（片內(nèi)ROM和RAM））\片外（主存攻锰、輔存）

存儲(chǔ)器的選擇：

• 內(nèi)部存儲(chǔ)器的性價(jià)比最高但靈活性較低——盡量選擇能滿足要求的存儲(chǔ)容量最小的MCU
• 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展
  • 基于并行總線增加存儲(chǔ)器
  • 封裝尺寸相同但容量更大的存儲(chǔ)器
  • 新型串行總線EEPROM或閃存

存儲(chǔ)方案原則：

• 引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器——必須是非易失性存儲(chǔ)器(最好是片內(nèi)存儲(chǔ))
• 配置存儲(chǔ)器(FPGA和Soc常用)——必須是非易失性EPROM晾嘶、EEPROM、Flash
• 程序(OS和APP)存儲(chǔ)器——不常改變的代碼和數(shù)據(jù)盡量放在內(nèi)部存儲(chǔ)器娶吞；更新頻繁的放在外部
• 未來(lái)更多的使用Flash非易失性存儲(chǔ)器——易失性存儲(chǔ)器(DRAM)+電池=非易失性存儲(chǔ)器

嵌入式外圍設(shè)備和I/O

• 基本輸入/輸出設(shè)備
• I/O接口和總線：
  • 總線接口：IIC(100-400kbit/s)垒迂，IIS，CAN(1Mbit/s)妒蛇， 以太網(wǎng)
  • 并行接口
  • 串行接口：RS-232机断、IEEEE1394(400Mbit/s)、USB
  • 無(wú)線接口：紅外線绣夺、藍(lán)牙吏奸、IEEE802.11(WALN)、GPRS
• I/O接口的數(shù)據(jù)交換方式：DMA陶耍、查詢奋蔚、中斷

嵌入式軟件系統(tǒng)

• 軟（Soft）實(shí)時(shí)和硬（Hard）實(shí)時(shí)
  • 硬實(shí)時(shí) – 過(guò)時(shí)的響應(yīng) →完全無(wú)用甚至產(chǎn)生致命后果。
  • 軟實(shí)時(shí) – 過(guò)時(shí)的響應(yīng) → 服務(wù)質(zhì)量下降
• 實(shí)時(shí)系統(tǒng)和高性能系統(tǒng)
  • 實(shí)時(shí)系統(tǒng)不一定是高性能物臂，反之亦然
  • 高性能系統(tǒng)追求系統(tǒng)的總體效率旺拉，比如一秒能處理多 少個(gè)事務(wù)（Transaction）。
  • 實(shí)時(shí)系統(tǒng)追求系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性（處理一個(gè)事務(wù)差情 況下需要多少時(shí)間）

搶占式(Preemptive)多任務(wù)調(diào)度策略

• 每個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)
  • 高優(yōu)先級(jí)任務(wù)強(qiáng)制將低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換出CPU
  • 高優(yōu)先級(jí)任務(wù)一直執(zhí)行完畢棵磷，再執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)任務(wù)
• 搶占式RTOS優(yōu)先級(jí)分配方法
  • 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)分配——優(yōu)先級(jí)事先由開(kāi)發(fā)者確定好蛾狗；RMS方法
  • 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)分配——優(yōu)先級(jí)由OS Kernel來(lái)分配；EDF方法

EOS分類

• 按收費(fèi)劃分
  • 商用型 ：Vxworks, Nucleux 仪媒，PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OS
  • 免費(fèi)型 ：Linux, μCLinux, μC/OS-Ⅱ,eCos, Uitron
• 按實(shí)時(shí)性劃分
  • 硬實(shí)時(shí)（面向控制和通信等領(lǐng)域） VxWorks
  • 軟實(shí)時(shí)（面向消費(fèi)電子產(chǎn)品） ? WinCE, RTLinux

VxWorks特點(diǎn)

• 高可靠性
• 高效硬實(shí)時(shí)
  • 微秒級(jí)的中斷響應(yīng)
  • 256個(gè)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任 務(wù)調(diào)度
    • 同級(jí)別任務(wù)可以選擇輪轉(zhuǎn) 式調(diào)度
  • 基于優(yōu)先級(jí)繼承方式解決優(yōu) 先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題
  • 快速沉桌、確定的進(jìn)程上下文切 換時(shí)間
• 系統(tǒng)footprint小谢鹊，可靈 活剪裁
  • 最小內(nèi)核8KB
  • 共400多個(gè)模塊
• 標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)接口
  • 部分支持ANSI C標(biāo)準(zhǔn)
  • 支持常見(jiàn)的各種IPC（進(jìn)程 間通信）機(jī)制 ?
• 豐富的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
• 支持多處理器（SMP）
• 提供豐富的調(diào)試工具

QNX嵌入式操作系統(tǒng)

• 加拿大的QNX公司推出，已被Research In Motion并購(gòu)
• 特點(diǎn)：
  • 商用的類Unix實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)留凭，X86平臺(tái)好的 RTOS
  • 非常小巧：4.x只有12k佃扼，運(yùn)行速度極快
  • 典型微內(nèi)核RTOS，核心僅提供4種服務(wù)
    • 進(jìn)程調(diào)度蔼夜，進(jìn)程間通信兼耀，底層網(wǎng)絡(luò)通信，中斷處理
    • 內(nèi)核獨(dú)立運(yùn)行在一個(gè)被保護(hù)的地址空間
• QNX的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
  • QNX將應(yīng)用程序和傳統(tǒng)的操作 系統(tǒng)功能隔離開(kāi)求冷，每個(gè)部分都 有自己專有的地址空間
  • 一個(gè)組成部分不能未經(jīng)許可監(jiān) 測(cè)或破壞其他組成部分
  • 應(yīng)用程序的交互僅通過(guò)內(nèi)核管 理機(jī)制來(lái)進(jìn)行瘤运，保證安全性和 可控性
• QNS微內(nèi)核優(yōu)點(diǎn)
  • 驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議匠题、文件系統(tǒng)等一般OS模塊與內(nèi) 核相互獨(dú)立拯坟，任何一般OS模塊的故障都不會(huì)導(dǎo)致內(nèi) 核崩潰
  • 驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議韭山、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序都處于 程序空間郁季，調(diào)用相同的內(nèi)核API，開(kāi)發(fā)和調(diào)試與應(yīng) 用程序沒(méi)有分別
  • 功能模塊可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)加載和卸載钱磅，不需要重 新編譯內(nèi)核梦裂；
  • 可以編寫監(jiān)視模塊監(jiān)控高可靠性模塊，必要時(shí)可重 新啟動(dòng)或加載模塊而無(wú)需重啟整個(gè)系統(tǒng)

Nucleus Plus

• 95%的代碼用ANSI C編寫, 便于移植到各種CPU
• 支持CPU類型最豐富的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)盖淡。
• 以函數(shù)庫(kù)的形式鏈接到目標(biāo)應(yīng)用程序中
• 內(nèi)核在CISC中20kB,在RISC中40kB, 1.5kB的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)空間
• 提供完全源代碼塞琼，無(wú)產(chǎn)品版稅 ? 開(kāi)發(fā)應(yīng)用非常方便：無(wú)BSP開(kāi)發(fā)，移植性強(qiáng)
• 基于Microsoft Developers Studio的嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
• 內(nèi)核采用軟件組件的方法
  • 每個(gè)組件具有單一明確的目的(C和匯編語(yǔ)言組成) 禁舷，提供清晰的外部接口彪杉，不允許從外部對(duì)組件內(nèi) 的全局訪問(wèn)。
  • 各個(gè)組件非常易于替換和復(fù)用 ? 任務(wù)控制牵咙、內(nèi)存管理派近、任務(wù)間通信、中斷管理等16個(gè) 組件
• 主要應(yīng)用:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備洁桌，例如：路由器渴丸、機(jī)頂盒等。

μC/OS-II

• 獨(dú)特的收費(fèi)模式
  • 非商業(yè)另凌、教育使用免費(fèi)
  • 商業(yè)使用谱轨，按產(chǎn)品或者產(chǎn)品線來(lái)收License費(fèi)， 而無(wú)需按每個(gè)賣出的產(chǎn)品再交Royalty
• 移植性強(qiáng) – 絕大多數(shù)源代碼是ANSI C寫的吠谢，只有和處理器硬件相關(guān)的 那部分是匯編語(yǔ)言寫的土童，這樣非常便于移植。
• 實(shí)時(shí)性 – 內(nèi)核具有可搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度功能工坊，全部函數(shù)調(diào)用與 服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間都是可知的（或者說(shuō)可確定的）献汗。
• 開(kāi)源＋短小精悍 – μC/OS-II僅僅是一個(gè)小的操作系統(tǒng)內(nèi)核敢订，僅包含簡(jiǎn)單的調(diào)度 系統(tǒng)、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信機(jī)制罢吃。而嵌入式系統(tǒng)提供的常 見(jiàn)功能楚午，如文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)尿招、圖形界面都是通過(guò)額 外的組件來(lái)提供
• μC/OS-II體積小 – 具有可裁剪性矾柜，減少系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間。
• 與應(yīng)用程序無(wú)嚴(yán)格界限
• 支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法（支持無(wú)限數(shù)量的任務(wù)）
• 支持32位CPU就谜，同時(shí)支持8/16位CPU
• 完備的內(nèi)置性能測(cè)量功能
  • 能測(cè)量每一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間 , 每個(gè)任務(wù)的堆棧使用情況 把沼，任務(wù)的執(zhí)行次數(shù)，CPU的使用情況吁伺， ISR 到任務(wù)的切 換時(shí)間 , 任務(wù)到任務(wù)的切換時(shí)間，列表中的對(duì)象的峰值數(shù) 租谈，關(guān)中斷篮奄、鎖調(diào)度器平均時(shí)間等。
• 直接發(fā)送信號(hào)或消息到任務(wù)（不需要信號(hào)量）
• 任務(wù)可以同時(shí)等待多個(gè)內(nèi)核對(duì)象

嵌入式Linux

• 嵌入式Linux的由來(lái) – 將通用Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪割去、定制修改后窟却，應(yīng)用 到某些特定嵌入式領(lǐng)域里的Linux操作系統(tǒng)
• 優(yōu)點(diǎn)
  • 內(nèi)核代碼完全開(kāi)放并免費(fèi)。
  • 大量可用的第三方開(kāi)源軟件和開(kāi)發(fā)工具
  • 符合IEEE POSIX標(biāo)準(zhǔn)呻逆，許多桌面應(yīng)用程序可方便地移植到嵌入式Linux中
  • 功能更強(qiáng)大
    • 支持各種Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
    • 支持ext2夸赫、fat、yaffs咖城、romfs等多種文件系統(tǒng)
  • 廣泛的硬件支持
    • RISC or CISC茬腿，32位 or 64位，無(wú)MMU的處理器
• 缺點(diǎn)
  • 對(duì)資源要求較高宜雀，一般要幾個(gè)MB的ROM切平，十 幾MB的RAM
  • 缺乏一站式的文檔和傻瓜式的開(kāi)發(fā)工具，對(duì)開(kāi)發(fā) 者要求較高
  • 本身不是RTOS ? 可以通過(guò)RT Linux方式解決

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的幾個(gè)技術(shù)

• EOS裁剪：目的: 減少操作系統(tǒng)所占的存儲(chǔ)空間

任務(wù)劃分的一些原則

• 原則1: 盡量將對(duì)同一個(gè)外設(shè)的訪問(wèn)放在一個(gè)任務(wù)中 –
  • 對(duì)每個(gè)獨(dú)立的硬件(例如串行通信端口)進(jìn)行操作的驅(qū)動(dòng)程序 段放在一個(gè)任務(wù)中辐董。
• 原則2：避免長(zhǎng)任務(wù) –
  • 優(yōu)先級(jí)低：執(zhí)行中被頻繁打斷悴品；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)占用資源 –
  • 優(yōu)先級(jí)高：長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，其它任務(wù)得不到執(zhí)行 – 方法：任務(wù)分割简烘；選擇硬件指令執(zhí)行
• 原則3：任務(wù)之間盡量不相關(guān)
  • 通過(guò)信號(hào)量苔严、郵箱聯(lián)系

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段 2簡(jiǎn)單監(jiān)控的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段 3通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段

嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

1小巧 2實(shí)時(shí)性 3可裝卸 4固化代碼 5弱交互性 6強(qiáng)穩(wěn)定性 7統(tǒng)一的接口

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？

1正向?qū)崟r(shí)超微內(nèi)核開(kāi)放發(fā)展 2開(kāi)放環(huán)境正向開(kāi)放的孤澎、集成化的方向發(fā)展届氢。

在進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)選擇時(shí)，主要考慮哪些因素覆旭？

1市場(chǎng)進(jìn)入時(shí)間 2可移植性 3可利用資源 4系統(tǒng)定制能力 5成本 6中文內(nèi)核支持悼沈。

uCLinux系統(tǒng)采用哪種小型化方法贱迟？

1內(nèi)核加載方式方面 2文件系統(tǒng)方面 3應(yīng)用程序方面

常用名詞