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1、Slide Title,,Body Text,,Second Level,,Third Level,,*,,? 2005 BIT,嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用,,石秀民 ，,shixiumin,@sina,.com,,,北京理工大學(xué),-Intel,聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,,,,,2007-11-16,1,參考資料,,1.,嵌入式系統(tǒng),-- Intel XScale,結(jié)構(gòu)與開發(fā)，編著 陳章龍、涂時(shí)亮 ，北京航空航天大學(xué)出版 社，,2004,年,1,月,,2.,王田苗 主編,.,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例開發(fā),——ARM,與,μC/OS-Ⅱ.,北京：清華大學(xué)出版社，,2002.9,,3.Linux,與嵌入式系統(tǒng)，李善平，劉

2、文峰，北京：清華大學(xué)出版社，,2003.1,,4,．（美）,Jean J.Labrosse,,邵貝貝譯,. μC/OS-Ⅱ——,源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng),.,北京：中國(guó)電力出版社，,2001.8,,簡(jiǎn)介：是目前學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)最好的入門教材，書中對(duì)一個(gè)完整的嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核,——μC/OS-Ⅱ,進(jìn)行了剖析，詳細(xì)講述了實(shí)時(shí)內(nèi)核的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建方法，以及多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的原理和編程思想。,2,,5,．（美）,Wayne Wolf,，孫玉方等譯,.,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理,.,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，,2002.2,,,簡(jiǎn)介：被稱為“嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一本教科書”，書中重點(diǎn)介紹了嵌入式技術(shù)和基本原

3、理和技術(shù)，涉及到嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)的指令系統(tǒng)、,CPU,、計(jì)算平臺(tái)、程序設(shè)計(jì)與分析、進(jìn)程和操作系統(tǒng)、硬件加速器、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面。,,6,毛德操，胡希明著。,《Linux,內(nèi)核源代碼情景分析,》,。浙江,:,浙江大學(xué)出版社。,,7 Andrew N.Sloss(,美,),,ARM,嵌入式系統(tǒng)開發(fā),—,軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化,,,北京,:,北京航空航天大學(xué)出版社，,2005.5,,3,,實(shí)驗(yàn)平臺(tái),,4,,嵌入式系統(tǒng)的概述,----,基于,ARM,1,、什么是嵌入式系統(tǒng),,2,、硬件基礎(chǔ),,3,、嵌入式操作系統(tǒng),,4,、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,,5,、嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),,5,,一、什么是嵌入式系統(tǒng)

4、,1,發(fā)展歷史和典型應(yīng)用,,嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。一個(gè)手持的,MP3,和一個(gè),PC104,的微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)。,,嵌入式系統(tǒng)早期主要應(yīng)用于軍事及航空航天等領(lǐng)域,,,以后逐步廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、汽車電子、通信和家用消費(fèi)類等領(lǐng)域。隨著,Internet,的發(fā)展,,,新型的嵌入式系統(tǒng)正朝著信息家電,IA(Information Appliance),和,3C(Computer,、,Communication & Consumer),產(chǎn)品方向發(fā)展。,,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近,30,年的發(fā)展歷史，它是在硬件和軟件交替雙螺旋式發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,。,6,

5、,第一款微處理器是,Intel,的,4004,，它出現(xiàn)在,1971,年，然后是是,Intel,公司的,8048,，它出現(xiàn)在,1976,年。,Motorola,同時(shí)推出了,68HC05,，,Zilog,公司推出了,Z80,系列，這些早期的單片機(jī)均含有,256,字節(jié)的,RAM,、,4K,的,ROM,、,4,個(gè),8,位并口、,1,個(gè)全雙工串行口、兩個(gè),16,位定,,時(shí),,器。,,之后在,80,年代初，,Intel,又進(jìn)一步完善了,8048,，在它的基礎(chǔ)上研制成功了,8051,。,在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁(yè)，迄今為止，,51,系列的單片機(jī)仍然是最為成功的單片機(jī)芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用

6、。,,7,,典型應(yīng)用,,手機(jī),機(jī)頂盒,STB,PDA,可視電話,SONY,機(jī)器狗,“索杰納”火星車,8,,1981,年,Ready System,發(fā)展了世界上第,1,個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核（,VTRX32,）包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。,,隨后，出現(xiàn)了,Integrated System Incorporation (ISI),的,PSOS,、,WindRiver,的,VxWorks,、,QNX,公司的,QNX,等，,Palm OS,，,WinCE,，嵌入式,Linux,，,Lynx,，,uCOS,、,Nucleus,，以及國(guó)

7、內(nèi)凱思集團(tuán)的,Hopen,、,Delta OS,等嵌入式操作系統(tǒng)。,9,,90,年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)內(nèi)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（,RTOS,），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。,,今天,RTOS,已經(jīng)在全球形成了,1,個(gè)產(chǎn)業(yè)，根據(jù)美國(guó),EMF,（電子市場(chǎng)分析）報(bào)告，,1999,年全球,RTOS,市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá),3.6,億美元，而相關(guān)的整個(gè)嵌入式開發(fā)工具（包括仿真器、軟件編譯器和調(diào)試器）則高達(dá),9,億美元。,10,,風(fēng)河的,Tornado/VxWorks,P

8、alm,公司的,Palm OS,微軟的,Windows CE,11,,2,定義,IEEE,定義,,,根據(jù),IEEE,（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：,,嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為,devices,used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants,）。,,可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式,系統(tǒng),是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。,12,,一般定義,,,,“以,應(yīng)用,為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、,軟件硬件可裁剪,、,功

9、能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求,的,專用,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?,從以下幾個(gè)方面來(lái)理解國(guó)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：,,嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)?？梢赃@樣理解上述三個(gè)方面的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。,13,,嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個(gè)正確的定位。例如,Palm OS,之所以在,PD

10、A,領(lǐng)域占有,70,％以上的市場(chǎng)，就是因?yàn)槠淞⒆阌趥€(gè)人電子消費(fèi)品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的,VxWorks,之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因?yàn)槠涓邔?shí)時(shí)性和高可靠性。,14,,,嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求能夠?qū)浻布M(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。,所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾,KB,到幾十,KB,的微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減。由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利地進(jìn)行。,,15,,,嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)外延極廣的名詞，凡是與

11、產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，很難給它下一個(gè)準(zhǔn)確的定義,。因此，目前通常把嵌入式系統(tǒng)概念的重心放在“系統(tǒng)”（即操作系統(tǒng)）上，指能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體?？傮w上嵌入式系統(tǒng)可以劃分成硬件和軟件兩部分，硬件一般由高性能的微處理器和外圍的接口電路組成，軟件一般由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，軟件和硬件之間由所謂的中間層（,BSP,層，板級(jí)支持包）連接。,16,,3,、嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征,（,1,）系統(tǒng)內(nèi)核小,,,由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。,,比如,ENEA,公司的,OSE,分布式系統(tǒng)

12、，內(nèi)核只有,5K,，而,Windows,的內(nèi)核則要大得多。,,我們用的,sitsang,平臺(tái)，移植的內(nèi)核不包括文件系統(tǒng),851.3k,。包括之后是,39M,。,,,17,,（２）專用性強(qiáng),,嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。,,即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。,,同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，,這種修改和通用軟件的“升級(jí)”是完全不同的概念。,,18,,（３）系統(tǒng)精簡(jiǎn),,嵌入式系統(tǒng),一般沒(méi)有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分,，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過(guò)于

13、復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。,,（４）高實(shí)時(shí)性,OS,,這是,嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固化存儲(chǔ)，以提高速度。,軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時(shí)性。,,19,,（,5,）嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化，必須使用多任務(wù)操作系統(tǒng),,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。,,為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配,RTOS,（,Real,－,Time Operating System,）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。,20,,（,6,）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工

14、具和環(huán)境,,由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。,,這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。,,開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。,,21,,22,,4,、 嵌入式系統(tǒng)與,PC,之間的區(qū)別,嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計(jì)算平臺(tái),,嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多,,嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來(lái)的后果比PC機(jī)大得多,,嵌入式系統(tǒng)一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),,嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求,,嵌入式系

15、統(tǒng)得到多種微處理體系的支持,,嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具,23,,5,、典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件,MPU,微處理器,電源,,模塊,時(shí)鐘,復(fù)位,Flash,RAM,ROM,USB,LCD,Keyboard,外圍電路,Other,外設(shè),24,,6,、典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－軟件,處理器,存儲(chǔ)器,輸入,輸出,操作系統(tǒng),應(yīng)用程序,軟件結(jié)構(gòu),硬件結(jié)構(gòu),25,,嵌入式系統(tǒng)一般指非,PC,系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。,,硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和,I,／,O,端口、圖形控制器等。,,軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（,OS,）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件

16、組合在一起。,,應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。,26,,,嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下,4,個(gè)特點(diǎn),,1,）對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。,,,2,）具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。,,,3,）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。,,,4,）嵌入式微處理器必

17、須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有,mW,甚至,μW,級(jí)。,27,,嵌入式處理器,,,嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。,早期的,４位、,,８位單片機(jī)，后來(lái)的,16,位,CPU,，現(xiàn)在,,32,位、,64,位嵌入式,CPU,。,,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),,,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)目前最主要的組成部分。實(shí)時(shí)性需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，滿足對(duì)時(shí)間的限制和要求。,28,,馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu),,CISC與RICS,,嵌入式處理器,,影響CPU性能的因

18、素,,存儲(chǔ)器系統(tǒng),,I/O接口,,二、硬件基礎(chǔ),29,,馮,·,諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型,指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,存儲(chǔ)器,程序,指令,0,指令,1,指令,2,指令,3,指令,4,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),0,數(shù)據(jù),1,數(shù)據(jù),2,總線,30,,指令的執(zhí)行周期,T,1,）取指令（,Instruction Fetch),：,T,F,,,2,）指令譯碼（,Instruction Decode,）：,T,D,,,3,）執(zhí)行指令（,Instruction Execute,）：,T,E,,,4,）存儲(chǔ)（,Storage,）：,T,S,,,每條指令的執(zhí)行周期：,T= T,F,+T,D,+T,E,+T

19、,S,,,31,,馮,·,諾依曼體系的特點(diǎn),1,）數(shù)據(jù)與指令都存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)區(qū)中，取指令與取數(shù)據(jù)利用同一數(shù)據(jù)總線。,,,2,）被早期大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用,,,3,）,ARM7——,馮諾依曼體系,,,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,,但速度較慢。取指不能同時(shí)取數(shù)據(jù),32,,哈佛體系結(jié)構(gòu),指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,程序存儲(chǔ)器,指令,0,指令,1,指令,2,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù),0,數(shù)據(jù),1,數(shù)據(jù),2,總線,總線,33,,哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),1,）程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開,.,,2,）提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬，各自有自己的總線。,,3,）適合于數(shù)字信號(hào)處理,.,,4,）大多數(shù),DSP,都是哈佛結(jié)構(gòu)

20、,.,,5,）,ARM9,是哈佛結(jié)構(gòu),,取指和取數(shù)在同一周期進(jìn)行，提高速度，,,改進(jìn)哈佛體系結(jié)構(gòu)分成三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：程序、數(shù)據(jù)、程序和數(shù)據(jù)共用。,34,,CISC,和,RISC,RIS C,和,C IS C,是目前設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有：,35,,CISC,和,RISC,CISC,：復(fù)雜指令集（,Complex Instruction Set Computer,）,,具有大量的指令和尋址方式,,8/2,原則：,80%,的程序

21、只使用,20%,的指令,,大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。,,CISC CPU,包含有豐富的單元電路，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。,,RISC,：精簡(jiǎn)指令集（,Reduced Instruction Set Computer),,在通道中只包含最有用的指令,,,只提供簡(jiǎn)單的操作。,,確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令,,Load-store,結(jié)構(gòu) 處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，,load-store,指令用來(lái)完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。,,使,CPU,硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單，,RISC CPU,包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低,,,,36,,CISC,與,RISC,的數(shù)據(jù)

22、通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,開始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,開始,退出,單通數(shù)據(jù)通道,37,,嵌入式處理器,,,嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到,2000,年全世界嵌入式處理器的品種總量己經(jīng)超過(guò),1000,多種，流行體系結(jié)構(gòu)有,30,幾個(gè)系列。,,現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從,64kB,到,256MB,，處理速度從,0.1MIPS,到,2 0 00MIPS,，常用封裝從,8,個(gè)引腳到,256,個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀,,,嵌入式處理器可以分成下面幾

23、類。,,38,,The Intel? PXA255 Processor,,The Intel? PXA255 Processor (PXA255 processor is an application specific standard product (ASSP) that provides industry-leading MIPS/mW performance for handheld computing applications. The processor is a highly integrated system on a chip and includes a high-perf

24、ormance low-power Intel? XScale? microarchitecture with a variety of different system peripherals.,,The PXA255 processor is a 17x17mm 256-pin PBGA package configuration for high performance.The 17x17mm package has a 32-bit memory data bus and the full assortment of peripherals.,39,,,嵌入式微控制器（,Microco

25、ntroller U nit,，,MCU,）,嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)。從,20,世紀(jì),70,年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)了,20,多年的歷史，但這種８位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成,ROM/EPROM,、,RAM,、總線、總線邏輯、定時(shí)計(jì)數(shù)器、看門狗、,I/O,、串行口、脈寬調(diào)制輸出、,A/D,、,D/A,、,Flash,、,EEPROM,等各種必要功能模塊。,,嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有目前,MCU,占嵌入式系統(tǒng)約,7 0,％的市場(chǎng)份額。,,特別值得注意的是近年來(lái)提供,X86,微處理器的著名廠商,AMD,公司把,Am

26、l86CC/CH/CU,等嵌入式處理器稱之為,Microcontroller,。,MOTOROLA,公司把以,Power PC,為基礎(chǔ)的,PPC505,和,PPC55 5,亦列入單片機(jī)行列。,TI,公司亦將,TMS3 20C2XXX,系列,DSP,做為,MC U,進(jìn)行推廣。,40,,嵌入式,DSP,處理器（,Embedded Digital Signal Processor,EDSP,）,,DSP,處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行,DSP,算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、,F FT,、譜分析等方面,D S P,算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，,DSP,應(yīng)用

27、正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn),DSP,功能，過(guò)渡到采用嵌入式,D S P,處理器。嵌入式,D S P,處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源,:,,一是,D S P,處理器經(jīng)過(guò)單片化、,E M C,改造、，增加片上外設(shè)成為嵌入式,DSP,處理器，,Ti,的,TMS320C5000,等屬于此范疇：,,另一是在通用單片機(jī)或片上系統(tǒng)（,SOC,）中增,DSP,協(xié)處理器，例如,intel,的,MC S,－,2 9 6,。,41,,嵌入式微處理器,Embedded Microprocessor Unit,，,EMPU,嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的,CPU,演變而來(lái)的。它的特征是具有,32,位以上的處理器，具

28、有較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。目前主要的嵌入式處理器類型有,Am186/88,、,386EX,、,SC-400,、,Power PC,、,68000,（,68k,）、,MIPS,、,ARM,系列等。,,其中,ARM,／,Xscale,是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。,,嵌入式微處理器又可分為,CISC,和,RISC,兩類。大家熟悉的大多數(shù)臺(tái)式,PC,都是使用,CISC,微處理器，如,intel,的,x 8 6,。,,RISC,結(jié)構(gòu)體系有兩大主流：,S ilicon Graphics,公司（硅谷圖形公司）的,MIPS,技術(shù)，,ARM,公司的,Advanced RI

29、SC Machines,技術(shù)。此外,H i tac h i,（日立公司）也有自己的一套技術(shù),SuperH,。,42,,嵌入式片上系統(tǒng)（,System On Chip,）,,片上系統(tǒng),SOC,是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。,SOC,最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且,SOC,具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用,VHDL,等硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)地連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)，直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然

30、后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。,,由于,SOC,往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的,SOC,產(chǎn)品是,Philips,的,Smart XA,。少數(shù)通用系列如,Siemens,的,TriCore,、,Motorola,的,M-Core,、某些,ARM,系列器件、,Echelon,和,Motorola,聯(lián)合研制的,Neuron,芯片等。,43,,嵌入式處理器的選擇,,針對(duì)每一類應(yīng)用來(lái)說(shuō)，開發(fā)者對(duì)處理器的選擇就是多種多樣的由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差

31、異性極大，因此選擇是多樣化的。設(shè)計(jì)者在選擇微處理器是要考慮的主要因素有：,,處理器的處理速度：一個(gè)處理器的性能取決于多個(gè)方面的因素：時(shí)鐘頻率，內(nèi)部寄存器的大小，指令是否對(duì)等處理所有的寄存器等。對(duì)于許多需用處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)不是在于挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成作業(yè)的處理器和,I/O,子系統(tǒng)。如果你的設(shè)計(jì)是面向高性能的應(yīng)用，那么建議你考慮某些新的處理器，,XScale, Power PC,等。,,技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，從而減少了芯片的數(shù)量，進(jìn)而降低了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用。開發(fā)人員首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無(wú)需過(guò)多的膠合邏輯（,

32、Glue Logic,）就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如,DMA,控制器，內(nèi)存管理器，中斷控制器，串行設(shè)備、時(shí)鐘等的配套。,44,,處理器的低功耗。嵌入式微處理器最大并且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)是手持設(shè)備、電子記事本、,PDA,、,手機(jī)、,GPS,導(dǎo)航器、智能家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中選購(gòu)的微處理器典型的特點(diǎn)是要求高性能、低功耗。許多,CPU,生產(chǎn)廠家己經(jīng)進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域。,,處理器的軟件支持工具。僅有一個(gè)處理器，沒(méi)有較好的軟件開發(fā)工具的支持，也是不行的，因此選擇合適的軟件開發(fā)工具對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會(huì)起到很好的作用。,,處理器是否內(nèi)置調(diào)試工具。處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具可以大大的縮小

33、調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。,,處理器供應(yīng)商是否提供評(píng)估板。許多處理器供應(yīng)商可以提供評(píng)估板來(lái)驗(yàn)證你的理論是否止確，驗(yàn)證你的決策是否得當(dāng)。,45,,46,,影響,CPU,性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存,流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行,,提高了,CPU,的運(yùn)行效率,,內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng),譯碼,取指,執(zhí)行,add,譯碼,取指,執(zhí)行,sub,譯碼,取指,執(zhí)行,cmp,時(shí)間,Add,Sub,Cmp,47,,超標(biāo)量執(zhí)行,超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量,CPU,采用多條流水線結(jié)構(gòu),,,執(zhí)行,1,預(yù)取,指令,CACHE,譯碼,2,譯碼,1,執(zhí)行,2,執(zhí)行,1,預(yù)取,譯碼,2,譯碼,1,執(zhí)行,2,流水線,1,流水線,

34、2,數(shù)據(jù),48,,高速緩存（,CACHE,）,1,、為什么采用高速緩存,,微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。,,2,、高速緩存的工作原理,,高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。,,CPU,,高速緩存控制器,,CACHE,,,,主存,,,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),地址,49,,存儲(chǔ)器系統(tǒng),存儲(chǔ)器的物理實(shí)質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)信息的功能可分為只讀存儲(chǔ)器,R O M,（,Read only Memory,）和隨機(jī)存儲(chǔ)器,RAM( Random Access Memor

35、y,）。,,,50,,SRAM,和,DRAM,1,）,SRAM 2,）,DRAM,CS,R/W,Addr,Data,CS,R/W,CAS,Data,RAS,Addr,1,）,SRAM,比,DRAM,快,,2,）,SRAM,比,DRAM,耗電多,,3,）,DRAM,存儲(chǔ)密度比,SRAM,高得,,4,）,DRAM,需要周期性刷新,51,,SDRAM(Synchronous DRAM,，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,),此,RAM,與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，以相同的速度同步工作，這樣就可以取消等待周期，減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間。,SDRAM,不僅可用作主存，在顯示卡方面也有廣泛應(yīng)

36、用。,,SDRAM Ⅱ,,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)儲(chǔ)存器,Ⅱ,，也稱,DDR(Double Data Rate),，其核心以,SDRAM,為基礎(chǔ)，但在速度和容量上有明顯提高。與,SDRAM,相比：,DDR,運(yùn)用了更先進(jìn)的同步電路，使指定地址、數(shù)據(jù)的輸送和輸出主要步驟既獨(dú)立執(zhí)行，又保持與,CPU,完全同步；,DDR,使用了,DLL(DelayLocked Loop,，延時(shí)鎖定回路提供一個(gè)數(shù)據(jù)濾波信號(hào),),技術(shù)，,DDL,本質(zhì)上不需要提高時(shí)鐘頻率就能加倍提高,SDRAM,的速度，它允許在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿讀出數(shù)據(jù)，因而其速度是標(biāo)準(zhǔn),SDRA,的兩倍。,52,,ROM,：只讀存儲(chǔ)器,,FLASH,：閃存

37、,,NOR,和,NAND,是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù),,NOR,的讀速度比,NAND,稍快一些,,NAND,的寫入速度比,NOR,快很多,,NAND,的擦除速度遠(yuǎn)比,NOR,的快（,NAND,的,4ms,擦除速度遠(yuǎn)比,NOR,的,5s,快）,,NOR,的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行,(XIP,Execute In Place),，這樣應(yīng)用程序可以直接在,flash,閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng),RAM,中。,53,,接口差別,NOR flash,帶有,SRAM,接口，線性尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié),,NAND flash,使用復(fù)用接口和控制,IO,多次尋址存取數(shù)據(jù),,NAND,

38、讀和寫操作采用,512,字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作易于取代硬盤等類似的塊設(shè)備,54,,容量和成本,NAND flash,生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，成本低,,常見(jiàn)的,NOR flash,為,128KB,～,16MB,，而,NANDflash,通常有,8,～,128MB,,NOR,主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，,NAND,適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),,NAND,在,CompactFlash,、,Secure Digital,、,PC Cards,和,MMC,存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大,55,,可靠性和耐用性,在,NAND,中每塊的最大擦寫次數(shù)是,100,萬(wàn)次，而,NOR,的擦寫次數(shù)是,10,萬(wàn)次。,,位交換的

39、問(wèn)題,NAND flash,中更突出，需要,ECC,糾錯(cuò),,NAND flash,中壞塊隨機(jī)分布，需要通過(guò)軟件標(biāo)定,——,產(chǎn)品量產(chǎn)的問(wèn)題，,NAND,器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。,56,,輸入輸出接口,CPU,與外部設(shè)備及存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而前級(jí)被稱為,I/O,接口，而后者則被稱為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在,CPU,的同步控制下，作為接口電路比較簡(jiǎn)單。而,I/O,設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說(shuō)到接口只是,I/O,接口。,,并行接口：,,串行接口：,,USB,接口：,,PCMCIA,和,CF,：,,紅外線接口

40、：,,ISA,總線：,,PCI,總線：,,SPI,總線：,,PC104,總線：,,CAN,總線：,57,,并行接口：,,,,所謂“并行”，是指,8,位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線進(jìn)行傳送這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長(zhǎng)度受到限制，因?yàn)殚L(zhǎng)度增加，干擾就會(huì)增加，容易出錯(cuò)。常用的,25,針工作模式，,S P P,標(biāo)準(zhǔn)工作模式。,EPP,增強(qiáng)型工作模式。,ECP,擴(kuò)充型工作模式。,,58,,串行接口：,,在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用中，經(jīng)常需要使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制。一般是通過(guò)上位機(jī)本身配置的串行口，通過(guò)串行通訊技術(shù)，和嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行連接通訊。,,串行口的典型代表是,RS—2 3

41、 2—C,及其兼容插口，,2 5,針串行口可用,9,、,11,、,18,、,25,針來(lái)實(shí)現(xiàn)。,RS,－,232,－,C,是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì),EM,（,Electronic Industry Association,）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。,RS,是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，,232,為標(biāo)識(shí)號(hào)，,C,表示修改次數(shù)。,R S2 32,－,C,總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有,2 5,條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，,,在多數(shù)情況下上要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信．僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。,59,,全功能UART（FFUART）、藍(lán)牙UART（BEUART）和標(biāo)準(zhǔn)UART

42、（STURAT）。,,FFUART支持Modem控制功能。它的最高波特率為230.4Kbs。,,藍(lán)牙UART BTUART為一個(gè)高速UART，支持最高為921.6Kps，可連接至蘭牙模塊。除了RXD和TXD外，它僅有nCTS和nRTS Modem 控制腳。,,標(biāo)準(zhǔn)UART STUART不支持Modem控制功能。它的最高波特率為230.4Kps。,60,,61,,USB,接口：,,USB,全稱,Universal Serial Bus,（通用串行總線）。,USB,接口是現(xiàn)在比較流行的接口，用于將使用的,USB,的外圍設(shè)備連接到主機(jī)。在,USB,的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個(gè),USB,的系統(tǒng)有且只有一

43、個(gè),host,，它負(fù)責(zé)管理整個(gè),USB,系統(tǒng)，包括,USBDevice,的連接與刪除、,host,與,USBdevice,的通信、總路線的控制等等。,,,USB,最大的好處在于能支持多達(dá),127,個(gè)外設(shè)，并且可以獨(dú)立供電。支持熱拔插，真正做到即插即用。一個(gè),USB,接口可同時(shí)支持高速和低速,USB,外設(shè)的訪問(wèn)，由一條,4,芯電纜速接，其中,2,條是正電源和地，傳送的是,5 V,的電源，,2,條是差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸線，數(shù)據(jù)線是單工的，在整個(gè)的一個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率是一定的，要么是高速，要么是低速。高速外設(shè)的傳輸速率為,12Mbps,，而低速外設(shè)的傳輸速率,1.5Mbps,。新出臺(tái)的,USB2.0,標(biāo)準(zhǔn)的

44、最高傳輸速率可達(dá),480Mbps,,是目前,USB1.1,的,40,倍。,62,,63,,,PCMCIA,全名為,Personal Computer Memory Card Intenational Association,，中文意思是“國(guó)際個(gè)人電腦存儲(chǔ)卡協(xié)會(huì)”。凡符合此協(xié)會(huì)定義的界面規(guī)定技木所設(shè)計(jì)的界面卡，便可稱為,PCMCIA,卡或簡(jiǎn)稱為,PC,卡。以前這項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只適用于存儲(chǔ)器擴(kuò)展卡，但后來(lái)還擴(kuò)展到存儲(chǔ)器以外的外部設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)卡、視頻會(huì)議卡及調(diào)制解調(diào)器等。,,,PCMCIA,卡共分成四種規(guī)格，分別是,TYPE I,、,TYPE II,、,TYPE III,以及,CardBuS,。由于,C

45、ardBus,屬于需要高頻寬外設(shè)的界面規(guī)格，而且不常見(jiàn)，這里集中介紹前三類規(guī)格，即,TYPE I,、,TYPE II,、,TYPE III,，它們常被應(yīng)用于一般的外設(shè)規(guī)格上。,TYPE I,的規(guī)格：面積為,8.56X5.4cm,,厚度則為,0.33cm,；適用于一般存儲(chǔ)器擴(kuò)充卡。,TYPE II,的規(guī)格：而積為,8.56 x 5.4cm,，厚度則為,0,．,5cm,；應(yīng)用范圍包括,Modem,卡、,Network,卡、視頻會(huì)議卡等。,TYPE III,的規(guī)格：面積為,8,．,56x5,．,4cm,，厚度為,1.05cm,；應(yīng)用范圍為硬盤。,,,PCMCIA,和,CF,64,,90,年代初，當(dāng)消

46、費(fèi)性數(shù)碼電子產(chǎn)品尚在研制時(shí)，,Sandisk,和,Canon,（佳能）等幾家公司就洞悉到急需新的存儲(chǔ)介質(zhì)與之相適應(yīng)，通過(guò)業(yè)界的溝通，,Sandisk,和,KODAK,（柯達(dá)）、,CASIO,（卡西歐）、,Canon,（佳能）結(jié)成戰(zhàn)略性伙伴，制定新一代的基于,RAM,和,ROM,技術(shù)的固態(tài)非易掉大的存儲(chǔ)介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：,Compact Flash,標(biāo)準(zhǔn)。到,1994,年，,Sandisk,推出第一塊可抹寫的,CF,卡（屬于,EPROM,）。隨后，在,1995,年，由,125,家廠商聯(lián)盟組成一個(gè)非盈利性質(zhì)的，旨在共同推廣,CF,標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)會(huì)一一,CompactFlansh Association,（簡(jiǎn)

47、稱,CFA,）,,,CF,卡分,2,種，,TYPE I,為,43mm x36mm x3,．,3mm,（,CFI,），,TYPE II,為,43mmx36mm x5mmCF II,），,CF,卡的連接裝置與,PCMCIA,卡相似，只不過(guò),CF,卡是,50,－,pin,（,PCMCIA,卡,68,－,pin,）。,CF,卡可以很容易的插入無(wú)源,68--pin TYPE II,適配卡并完全符合,PCMCIA,電力和機(jī)械接口規(guī)格。,CompactFlash,卡同時(shí)支持,3.3,伏和,5,伏的電壓，我們知道大部份的數(shù)字集成電路的供電要么是,5V,要么是,3.3 V,。,Compact Flash,標(biāo)準(zhǔn),

48、65,,66,,紅外線接口,,由于利用紅外線接口進(jìn)行文件傳輸不用連線，且速度較快，達(dá),4M/s,，不失為短距離雙機(jī)拐通訊的一種好萬(wàn)法。進(jìn)行紅外線通訊時(shí)需注意：將具有紅外線通訊功能的兩個(gè)系統(tǒng)靠近，且發(fā)送口大致在同一水平線上，注意兩系統(tǒng)三間的距離不能相差太遠(yuǎn)，一般在一到兩米，角度相差不超過(guò),30,度。,,紅外線接口大多是,5,個(gè)針插座，其管腳定義如下：,,紅外發(fā)射電路由紅外發(fā)射管,L2,和限流電阻,R2,組成。當(dāng)主板紅外接口的輸出端,IRTX,輸出調(diào)制后的電脈沖信號(hào)時(shí)，紅外發(fā)射管將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外線光信號(hào)發(fā)射出去。電阻,R2,起限制電流作用，以免過(guò)大的電流將紅外管損壞。,,紅外接受電路由紅外線

49、接收管,L1,和取樣電阻,R1,組成。當(dāng)紅外接收管接收到紅外線光信號(hào)時(shí)，其反向電阻會(huì)隨光信號(hào)的強(qiáng)弱變化而相應(yīng)變化，根據(jù)歐姆定律可以得知道通過(guò)紅外接收管,L1,和電阻,R1,的電流也會(huì)相應(yīng)變化，而在取樣電阻兩端的電壓也隨之變化，此變化的電壓經(jīng)主板紅外接口的輸入端,IRRX,輸入主機(jī)。,67,,68,,總 線,,,總線就是各種信號(hào)線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。總線的主要參數(shù)有：,,,總線的帶寬,:,,,總線的帶寬指的是一定時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，即我們常說(shuō)的每秒鐘傳送多少,MB,的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個(gè)概念是總線的位寬和總線的工作時(shí)鐘頻率

50、。,,,69,,,總線的位寬,,總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即我們常說(shuō)的,3 2,位、,6 4,位等總線寬度的概念。總線的位寬越寬則總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也即總線帶寬越寬。,,總線的工作時(shí)鐘頻率,,總線的工作時(shí)鐘頻率以,MHz,為單位，工作頻率越高則總線工作速度遠(yuǎn)快，也即總線帶寬越寬。,70,,ISA,總線,,IBM,公司于,1981,年推出的基于,8,位機(jī),PC/XT,的總線，稱為,PC,總線。,1984,年,IBM,公推出了,16,位,P C,機(jī),P C,／,AT,，其總線稱為,AT,總線。然而,IBM,公司從未公布過(guò)他們,AT,總線規(guī)格。為了能夠合理地開發(fā)外插接口卡，由,

51、Intel,公司，,IE E E,和,EISA,集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了與,IBM/AT,原裝機(jī)總線意義相近的,ISA,總線，即,8,／,16,位的“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)”,IS A,－,,Industry Standard Architecture),總線。,,,ISA,總線有,98,只引腳。其中,62,線的一段基于,8,位的,PC,總線，可以獨(dú)立使用，連接,8,位的擴(kuò)展卡，而,6 2,線與,3 6,線相加后就擴(kuò)展成標(biāo)準(zhǔn)的,16,位,IS A,，連接,16,位的擴(kuò)展卡。,71,,,,ISA,總線的主要性能指標(biāo)如下：,,（,1,）,I/O,地址空間,0100H-03FFH,,（,2,）,2 4,位地址線可直接尋

52、址的內(nèi)存容量為,16MB,,（,3,）,8,／,16,位數(shù)據(jù)線,,( 4,）,6 2,＋,3 6,引腳,,（,5,）最大位寬,16,位（,b it,）,,（,6,）最高時(shí)鐘頻率,8MHz,,（,7,）最大穩(wěn)態(tài)傳輸率,16MB,／,S,,（,8,）中斷功能,,（,9,）,D MA,通道功能,,（,10,）開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個(gè),CP U,共享系統(tǒng)資源,,72,,PCI,總線,,,,,,19 91,年下半年，,Intel,公司首先提出了,PCI,的概念，并聯(lián)合,IBM,、,Compaq,、,AST,、,HP,、,DEC,等,100,多家公司成立了,PCI,集團(tuán)，其英文全稱為：,Peripher

53、al Component Interconnect Special Interest Group,（外圍部件互連專業(yè)組），簡(jiǎn)稱,PCISIG,。,PCI,有,32,位和,6 4,位兩種，,32,位,PCI,有,124,引腳，,64,位有,188,引腳，日前常用的是,32,位,PCI,。,3 2,位,PCI,的數(shù)據(jù)傳輸率為,133MB/s,,大大高于,ISA,。,73,,,PCI總線的主要性能,,（ l）支持 10臺(tái)外設(shè),,（2）總線時(shí)鐘頻率 3 3．3 MHz/6 6 MHZ,,（3）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133 MB／s,,（4）時(shí)鐘同步方式,,（5）與 CPU及時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān),,（6）總

54、線寬度3 2位（5 V）／64位（3.3 V）,,（7）能自動(dòng)識(shí)別外設(shè),,74,,SPI,總線,,串行外圍設(shè)備接口（,serial peripheral interface,）總線技術(shù)是,Motorola,公司推出的一種同步串行接口。,Motorola,公司生產(chǎn)的絕大多數(shù),MCU,（微控制器）都配有,SPI,硬件接口，如,68,系列,MCU,。,SPI,總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng)，所以，與,SPI,有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡(jiǎn)單，使,CP U,有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。,,由,SPI,連成的串行總線是一種三線同步總線，總線上可以連接多個(gè)可作為主機(jī)的,MCU,，裝有,SPI,接口的輸出設(shè)備，

55、輸入設(shè)備如液晶驅(qū)動(dòng)、,A/D,轉(zhuǎn)換等外設(shè)，也可以簡(jiǎn)單連接到單個(gè),TTL,移位寄存器的芯片?？偩€上允許連接多個(gè)能作主機(jī)的設(shè)備，但在任一瞬間只允許有一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)。總線的時(shí)鐘線,SCK,由主機(jī)控制，另外兩根分別是：主機(jī)輸入／從機(jī)輸出線,MISO,和主機(jī)輸出／從機(jī)輸入線,MO SI,。典型的結(jié)構(gòu)如下圖 所示。,75,,76,,系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單，也可以復(fù)雜，主要有以下幾種形式：,,（,1,）一臺(tái)主機(jī),MCU,和若干臺(tái)從機(jī),MCU,,,（,2,）多臺(tái),MCU,互相連接成一個(gè)多主機(jī)系統(tǒng)。,,（,3,）一臺(tái)主機(jī),MCU,和若干臺(tái)從機(jī)外圍設(shè)備。,,主機(jī)和哪臺(tái)從機(jī)通訊通過(guò)各從機(jī)的選通線進(jìn)行選擇。,,,SPI,是全

56、雙工的，即主機(jī)在發(fā)送的同時(shí)也在接收數(shù)據(jù)，傳送的速率由主機(jī)編程決定：,,時(shí)鐘的極性和相位也是可以選擇的，具體的約定由設(shè)計(jì)人員根據(jù)總線上各設(shè)備接口的功能決定。,,77,,PC104,總線,,,,1992,年,IEEE,開始著手為,PC,和,PC/AT,總線制定一個(gè)精簡(jiǎn)的,IEEEP996,標(biāo)準(zhǔn)（草稿），,PC104,作為基本文件被采納，叫做,IEEE P996.1,兼容,PC,嵌入式模塊標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，,PC104,是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。我們知道,IEEE,－,P996,是,PC,和,PC,／,AT,，工業(yè)總線規(guī)范，,IEEE,協(xié)會(huì)將它定義,IEEE,－,P996,．,l,，很明

57、顯,PC104,實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的,IEE E,－,P 9 9 6,，其信號(hào)定義和,PC/AT,基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)總線。,,,PCI 04,有兩個(gè)版本，,8,位和,16,位，分別與,PC,和,PC/AT,相對(duì)應(yīng)。,PC104PLUS,則與,PCI,總線相對(duì)應(yīng)，在,PC104,總線的兩個(gè)版本中，,8,位,P C104,共有,6 4,個(gè)總線管腳，單列雙排插 針和插孔，,P1,：,64,針，,P 2,：,40,針，合計(jì),10 4,個(gè)總線信號(hào)，,P C10 4,因此得名。,78,,CAN,總線,,CAN,，全稱為“,Controll

58、er Area Network”,，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。起先，,CAN,被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置,ECU,之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電于主干系統(tǒng)中，均嵌入,CAN,控制裝置。,CAN,是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到,10 Km,時(shí)，,CAN,仍可提供高達(dá),50Kbit/S,的數(shù)據(jù)傳輸速率。,,為促進(jìn),CAN,以及,CAN,協(xié)議的發(fā)展，,1992,在歐洲成立了,CiA,（,CAN in

59、 Automation,）。在,C iA,的努力推廣下，,CAN,技術(shù)在汽車電控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)确矫婢玫搅藦V泛的應(yīng)用。現(xiàn)己,40 0,多家公司加入了,C iA,，,CiA,己經(jīng)為全球應(yīng)用,CAN,技術(shù)的權(quán)威。,79,,,CAN,的主要特性,,(1),低成本；,,（,2,）極高的總線利用率；,,（,3,）很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長(zhǎng)達(dá),10Km,）；,,（,4,）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá),1Mbit/s,）；,,（,5,）可根據(jù)報(bào)文的,ID,決定接收或屏蔽該報(bào)文；,,（,6,）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；,,,(7),發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

60、,,（,8,）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；,,（,9,）用了不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。,,80,,,81,,三、嵌入式操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)功能,,操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史,,操作系統(tǒng)的分類,,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),82,,1,操作系統(tǒng)的功能,操作系統(tǒng)是充當(dāng)計(jì)算機(jī)用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的一個(gè)中介，并用于管理計(jì)算機(jī)資源和控制應(yīng)用程序運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序。,,操作系統(tǒng)一般提供以下功能服務(wù)：,,,程序運(yùn)行,一個(gè)程序的運(yùn)行離不開操作系統(tǒng)的配合，其中包括指令和數(shù)據(jù)載入內(nèi)存，,I/O,設(shè)備和文件系統(tǒng)的初始化等等。,,,I/O,設(shè)備訪問(wèn),每種,I/O,設(shè)備的管理和使用都有

61、自己的特點(diǎn)。而操作系統(tǒng)接管了這些工作，從而使得用戶在使用這些,I/O,設(shè)備的過(guò)程中會(huì)感到更方便。,,,83,,,文件訪問(wèn),文件訪問(wèn)不僅需要熟悉相關(guān),I/O,設(shè)備的特點(diǎn)，而且還要熟悉相關(guān)的文件格式。對(duì)于多用戶操作系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，從計(jì)算安全角度考慮，需要對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限作出相應(yīng)的規(guī)定和處理。這些都是操作系統(tǒng)所要完成的工作。,,,系統(tǒng)訪問(wèn),對(duì)于一個(gè)多用戶或者網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)需要對(duì)用戶系統(tǒng)訪問(wèn)權(quán)限作出相應(yīng)的規(guī)定和處理。,,,程序開發(fā),一般操作系統(tǒng)都會(huì)提供豐富的,API,供程序員開發(fā)應(yīng)用程序，并且很多程序編輯工具，集成開發(fā)環(huán)境等等也是通過(guò)操作系統(tǒng)提供的。,,84,,2,操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史,串

62、行處理系統(tǒng),,,在二十世紀(jì)四五十年代，電子計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，沒(méi)有操作系統(tǒng)的概念，人們通過(guò)一個(gè)由顯示燈、跳線、某些輸入輸出設(shè)備同計(jì)算機(jī)打交道。當(dāng)需要執(zhí)行某個(gè)計(jì)算機(jī)程序時(shí)，人們通過(guò)輸入設(shè)備將程序灌入計(jì)算機(jī)中．然后等待運(yùn)行結(jié)果。如果中間出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序員就得檢查計(jì)算機(jī)寄存器、內(nèi)存甚至是一些元器件以找出原因所在；如果順利完成，結(jié)果就從打印機(jī)上打印出來(lái)。人們稱這種工作方式為串行處理方式：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 一些較為成型的軟件開始出現(xiàn)， 比如說(shuō)，調(diào)試器、,I/O,驅(qū)動(dòng)等。,85,,簡(jiǎn)單批處理系統(tǒng),,,由于早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)十分昂貴， 人們希望通過(guò)某種方式提高計(jì)算機(jī)的利用率， 于是批處理的概念就被引入

63、了。在早期的批處理系統(tǒng)中，功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其核心思想就是借助某個(gè)稱為監(jiān)視器的軟件，用戶不需要直接和計(jì)算機(jī)硬件打交道，而只需要將自己所要完成的計(jì)算任務(wù)提交給計(jì)算機(jī)操作員。在操作員那里，所有計(jì)算任務(wù)按照一定的順序被成批輸入計(jì)算機(jī)中。當(dāng)某個(gè)計(jì)算任務(wù)結(jié)束之后，監(jiān)視器會(huì)自動(dòng)開始執(zhí)行下一個(gè)計(jì)算任務(wù)。,86,,多道程序設(shè)計(jì)批處理系統(tǒng),,,,即便是采用了批處理技術(shù)，并不能對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行有效利用。一個(gè)很頭疼的問(wèn)題就是,I/O,設(shè)備的操作速度往往比處理器慢很多。當(dāng)某個(gè)批處理任務(wù)需要訪問(wèn),I/O,設(shè)備的時(shí)候，處理器往往處于空閑狀態(tài)?；谶@方面的考慮，多道程序設(shè)計(jì)思想被引入了批處理系統(tǒng)中。通常， 多道程序設(shè)計(jì)也

64、可被稱為多任務(wù)。即多道程序設(shè)計(jì)批處理系統(tǒng)也可稱為多任務(wù)批處理系統(tǒng)。,,多道程序設(shè)計(jì)思想的引入允許某個(gè)計(jì)算任務(wù)在等待,I/O,操作的時(shí)候，計(jì)算機(jī)可以轉(zhuǎn)而執(zhí)行其它計(jì)算任務(wù)。從而提高處理器的利用率。,87,,分時(shí)系統(tǒng),,,在多任務(wù)批處理系統(tǒng)中．計(jì)算機(jī)資源的利用率得到了很大提高。問(wèn)題是如果用戶希望能夠干預(yù)計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行該怎么辦,?,我們需要引入一種交互模式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。分時(shí)的概念引入了。在分時(shí)系統(tǒng)中，處理器時(shí)間按照一定的分配策略在多個(gè)用戶中間共享。在實(shí)際的單處理器系統(tǒng)中，是多個(gè)任務(wù)交替獲取處理器控制權(quán)，交替執(zhí)行，從而提供更好的交互性能。,88,,現(xiàn)代操作系統(tǒng),,現(xiàn)代操作系統(tǒng)技術(shù)是在綜合了以上四種典型

65、的操作系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，它適應(yīng)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理和使用的要求。其主要特征是多任務(wù)、分時(shí)、多用戶?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)一般包括：,,,(1),進(jìn)程及進(jìn)程管理,,,(2),內(nèi)存及虛擬管理,,,(3),信息保護(hù)和安全,,,(4),調(diào)度和資源管理,,,(5),模塊化系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。,89,,3,操作系統(tǒng)的分類,（,1,）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)程序在運(yùn)行，獨(dú)占,CPU,的運(yùn)行時(shí)間，按語(yǔ)句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動(dòng)運(yùn)行。如,DOS,操作系統(tǒng)。,,,（,2,）分時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可以有多個(gè)程序運(yùn)行，把,CPU,的時(shí)間分按順序分成若干片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如

66、,UNIX,,,（,3,）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)程序運(yùn)行，每個(gè)程序有不同的優(yōu)先級(jí)，只有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能占有,CPU,的控制權(quán)。,,90,,4 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),,實(shí)時(shí)系統(tǒng),(Real Time System),是一個(gè)能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能及對(duì)外部或內(nèi)部事件在同步或異步時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)。,,實(shí)時(shí)系統(tǒng),使能同時(shí)滿足以下要求的系統(tǒng)：,,邏輯正確性：,,產(chǎn)生正確的輸出,,時(shí)間正確性：,,在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間或時(shí)限之前產(chǎn)生輸出 。,,失敗所需付的高代價(jià),,可預(yù)測(cè)性,91,,(1),實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)間上有著嚴(yán)格的要求，只有符合時(shí)間要求的結(jié)果才認(rèn)為是正確的。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)截止期限，任務(wù)必須在這個(gè)截止期限之內(nèi)完成以此保證系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)間上的正確性。,,(2),可靠性 可靠性一方面指系統(tǒng)的正確性即系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在返回值和運(yùn)行費(fèi)時(shí)上都是正確的，另一方面它指系統(tǒng)的健壯性，也就是說(shuō)雖然系統(tǒng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤或外部環(huán)境與預(yù)先假定的外部環(huán)境不符合，但系統(tǒng)仍然可以處于可預(yù)測(cè)狀態(tài)它仍可以安全地帶錯(cuò)運(yùn)行和平緩地降級(jí)。,,(3),并行性 一般來(lái)說(shuō)一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)