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1、單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,71,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),,本講提要,1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),一般由,嵌入式微處理器,、,外圍硬件設(shè)備,、,嵌入式操作系統(tǒng),（可選），以及,應(yīng)用軟件系統(tǒng),等四個部分組成,,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),處理器,存儲器,輸入接口,操作系統(tǒng),,(驅(qū)動程序),應(yīng)用程序,軟件子系統(tǒng),硬件子系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)組成,,輸出接口,外圍設(shè)備,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),硬件,是

2、嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境運行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運行的物理平臺和通信接口；,,嵌入式操作系統(tǒng),和,嵌入式應(yīng)用軟件,是整個系統(tǒng)的控制核心，控制整個系統(tǒng)的運行，提供人機(jī)交互的信息等。,,嵌入式系統(tǒng),和實際應(yīng)用對象密切相關(guān),，而實際應(yīng)用非常繁雜，應(yīng)用也日新月異，,很難用一種構(gòu)架或模型加以描述,。我們將主要圍繞,典型,嵌入式系統(tǒng)的硬件組成和軟件組成部分加以詳細(xì)講述。,,,應(yīng)用程序,實時操作系統(tǒng)（RTOS）,輸入輸出接口,,處理器/ARM核,,MMU/Cache,SOC/SOPC,USB,GPIO,,IIS,,,LCD,,,UART和IrDA,,,ADC/DAC,,,FPGA/CPLD,,,DSP/

3、浮點運算協(xié)處理器,DMA,,,圖2-1 典型的嵌入式系統(tǒng)組成,人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo),設(shè)備驅(qū)動程序、HAL、BSP,文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口,驅(qū)動層,OS層,應(yīng)用層,軟件,硬件,以太網(wǎng),,,看門狗及復(fù)位電路,,,Timer/RTC,,,CAN,,,Flash,EEPROM,SDRAM,SRAM,內(nèi)存,電源管理,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖,作用：,防止程序發(fā)生死循環(huán)（程序跑飛）。,工作原理：,系統(tǒng)運行后即啟動看門狗，開始自動計數(shù)，如果到一定時間未清看門狗，看門狗就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。,軟件系統(tǒng),軟件,(software),是計算機(jī)系統(tǒng)中與硬件,(hardw

4、are),相互依存的另一部分，它包括程序,(program),、,相關(guān)數(shù)據(jù),(data),及其說明文檔,(document),。,其中：,,程序,是按照事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；,,數(shù)據(jù),是程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；,,文檔,是與程序開發(fā)維護(hù)和使用有關(guān)的各種圖文資料。,嵌入式軟件系統(tǒng)的分類,嵌入式軟件,系統(tǒng)軟件,支撐軟件,應(yīng)用軟件,控制、管理計算機(jī)系統(tǒng)的資源,嵌入式操作系統(tǒng),,嵌入式中間件(CORBA、,,Java),,等等,輔助軟件開發(fā)的工具,系統(tǒng)分析設(shè)計工具,,仿真開發(fā)工具,,交叉開發(fā)工具,,測試工具,,配置管理工具,,維護(hù)工具等,面向應(yīng)用領(lǐng)域,手機(jī)軟件,,路由器軟件,,

5、交換機(jī)軟件,,飛控軟件等,嵌入式軟件系統(tǒng)的分類,從,運行平臺,來分，嵌入式軟件可以分為,,運行在,開發(fā)平臺,上的軟件,：設(shè)計、開發(fā)、測試工具等。,,運行在,嵌入式系統(tǒng),上的軟件,：嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序及部分開發(fā)工具。,宿主機(jī),目標(biāo)機(jī),嵌入式軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),硬件,應(yīng)用層,驅(qū)動層,操作系統(tǒng)層,中間件層,板級,,初始化,FLASH驅(qū)動,RTC/定時器驅(qū)動,串口,,驅(qū)動,以太網(wǎng)驅(qū)動,LCD,,驅(qū)動,鍵盤,,驅(qū)動,其他,,驅(qū)動,內(nèi)核,TCP/IP,,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),文件,,系統(tǒng),嵌入式GUI,電源,,管理,嵌入式CORBA,嵌入式JAVA,嵌入式,,DCOM,面向應(yīng)用領(lǐng)域的中間件,應(yīng)用,,任

6、務(wù)1,應(yīng)用,,任務(wù)2,……,應(yīng)用,,任務(wù)n,嵌入式軟件運行流程,系統(tǒng)升級,引導(dǎo)/升級系統(tǒng),系統(tǒng)初始化,應(yīng)用初始化,多任務(wù)應(yīng)用,上電復(fù)位、板級初始化,遠(yuǎn)程升級,本地升級,基于多任務(wù)操作系統(tǒng),的嵌入式軟件的主要運行流程,,該運行流程主要分為,5,個階段,BSP的概念和特點,BSP,（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。,,,BSP的特點,：,,硬件相關(guān)性,：因為硬件具有應(yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。,,操作系統(tǒng)相關(guān)性,：不同

7、的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，針對不同的操作系統(tǒng)具有特定的接口形式。,,Board Support Package,BSP的功能,完成嵌入式系統(tǒng)部分初始化,,A、片級初始化,,B、板級初始化,,C、系統(tǒng)級初始化,,,完成硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動,,,,設(shè)計BSP的方法,一、以典型的BSP做為參考,,,二、參照操作系統(tǒng)或芯片廠商提供的BSP模板,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),11/27/2024,,嵌入式處理器,存儲器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,外圍接

8、口,軟件,硬件單元,中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行。,,包括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(System on Chip),,存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（Read Only Memory）和隨機(jī)存儲器RAM（Random Access Memory）,嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤等,,輸出設(shè)備則主要有LCD 顯示和語音輸出,外圍接口主要有GPIO、串口、I,2,C總線、USB總線和IEEE 1394總線等等,,典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件,最小硬件系統(tǒng),用最少的元件組成的可以工作的系統(tǒng),,,20世紀(jì)

9、80年代,,中后期,20世紀(jì)90年代,,初期,20世紀(jì)90年代,,中后期,21世紀(jì),,初期,制作工藝,1 - 0.8,?,m,0.8 - 0.5,?,m,0.5 – 0.35,?,m,0.25 - 0.13,?,m,主頻,< 33 MHz,<100 MHz,<200 MHz,< 600 MHz,晶體管個數(shù),> 500K,>2M,>5M,>22M,位數(shù),8/16bit,8/16/32bit,8/16/32bit,8/16/32/64bit,嵌入式微處理器的發(fā)展,嵌入式微處理器的特點,基礎(chǔ)是通用微處理器,,與通用微處理器相比的區(qū)別：,,體積小、重量輕、成本低、可靠性高,,功耗低,,工作溫度、抗電磁

10、干擾、可靠性等方面增強(qiáng),體系結(jié)構(gòu),指令集,性能,功耗和管理,成本,集成度,嵌入式微處理器的集成度,用于桌面和服務(wù)器的微處理器的芯片內(nèi)部通常,只包括CPU核心、Cache、MMU、總線接口等部分,，其他附加的功能如外部接口、系統(tǒng)總線、外部總線和外部設(shè)備獨立在其他芯片和電路內(nèi)。,,嵌入式微處理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、總線等部分外，還集成了各種外部接口和設(shè)備，如,中斷控制器,、,DMA,、,定時器,、,UART,等。,符合嵌入式系統(tǒng)的低成本和低功耗需求,，一塊單一的集成了大多數(shù)需要的功能塊的芯片價格更低，功耗更少。,單芯片方式(Single Chip),,芯片組方式(Chip Se

11、t)：由微處理器主芯片和一些從芯片組成,嵌入式微處理器的集成度,嵌入式微處理器是面向應(yīng)用的，其片內(nèi)所包含的,組件的數(shù)目和種類,是由它的市場定位決定的。,,在最普通的情況下，嵌入式微處理器包括：,,片內(nèi)存儲器：部分嵌入式微處理器,,外部存儲器的控制器，外設(shè)接口,(,串口，并口,),,LCD,控制器：面向終端類應(yīng)用的嵌入式微處理器,,中斷控制器，,DMA,控制器，協(xié)處理器,,定時器，,A/D,、,D/A,轉(zhuǎn)換器,,多媒體加速器：當(dāng)高級圖形功能需要時,,總線,,其他標(biāo)準(zhǔn)接口或外設(shè),嵌入式微處理器的種類,1000,多種硬件處理器，分為,MCU,、,DSP,、,MPU,、,SOC,,ARM RISC,（

12、,ARM,）,,TMS320 DSP,（,TI,）,,Trimedia,,（,Philips,）,,StrongARM,,（,Intel,）,,Xscale,,（,Intel,）,,MIPS RISC,（,MIPS,）,,DragonBall,（,Motorola,）,,對比,,,嵌入式,,微處理器,嵌入式,,微控制器,嵌入式,,DSP處理器,嵌入式,,片上系統(tǒng),硬件尺寸,,(包括外圍),大,小,小,最小,功耗,大,小,中,中,開發(fā)難度,小,大,大,大,軟件移植性,好,壞,壞,壞,成本,高,最低,低,中,性能,強(qiáng),弱,較強(qiáng),較強(qiáng),應(yīng)用領(lǐng)域,通用,較通用低端,專用,較通用高端,網(wǎng)絡(luò)能力,強(qiáng),弱,

13、較弱,強(qiáng),實時性,差,好,好,一般,從計算機(jī)角度看,,單片機(jī)功能太簡單,,,性能太差,,DSP,太專用,,,可以看成一個外設(shè),,通用處理器與,SOC,是主要發(fā)展方向,主流的嵌入式微處理器,目前主流的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、Super H系列和X86系列等。,,屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有上千種以上。,Units,,(millions),Source: Andrew Allison, Inside The New Computer Industry, January 2001,ARM處理器的分類,結(jié)構(gòu)體系版本（,Architecture,

14、）,,ARM v4T,,ARM v5TE,,,ARM v6,,ARM Cortex (v7),,,Processor Family,,ARM7,,ARM9,,ARM10,,ARM11,,ARM Cortex,按應(yīng)用特征分類,,應(yīng)用處理器,,Application Processor,,實時控制處理器,,Real-time Controller,,微控制器,,Micro-controller,特征：MMU, Cache,,最快頻率、最高性能、合理功耗,特征：MPU, Cache,,實時響應(yīng)、合理性能、較低功耗,特征：no sub-memory system,,一般性能、最低成本、極低功耗,嵌入式

15、外圍接口電路和設(shè)備接口,,嵌入式外圍設(shè)備,：在嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，除核心控制部件,(嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器、SoC),以外的各種,存儲器,、,輸入/輸出接口,、,作為人機(jī)接口的,顯示器/鍵盤,、,串行通信接口等,。,,根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下5類:,,,存儲器,,通信接口,,輸入輸出設(shè)備,,設(shè)備擴(kuò)展接口,,電源及輔助設(shè)備,嵌入式,,處理器,,可編程,,邏輯器件,大容量,,存儲器,,電源模塊,,解決方案,嵌入式系統(tǒng)周邊元器件,嵌入式系統(tǒng)必備接插件,PowerPC 微處理器,,ARM微處理器,,TMS320C6000系列DSP,,TMS320C5000系列DSP,,TMS32

16、0C2000系列DSP,,TI公司其它DSP系列,,VirtexII Platform FPGA Virtex（E）系列 FPGA,,Spartan（XL）系列FPGA,,SpartanII（E）系列FPGA,,XC95(XL)系列 CPLD,,CoolRunner系列 CPLD,嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成,Xilinx,TI & Intel & Motorola,TI Power Trend嵌入式電源方案,,美國ERICSSON電源模塊,,日本COSEL電源模塊,,美國VICOR電源模塊,,法國GAIA軍用電源,懷特電子高可靠性存儲器系列,,IDT公司FIFO及雙口RAM,,Cypress公司高

17、速SRAM系列,,現(xiàn)代電子公司SDRAM系列,,Intel公司 大容量Flash系列,AMP公司接插件系列,,AI公司PCB插座系列,AMP & AI,嵌入式系統(tǒng)硬件,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),馮,·,諾依曼體系結(jié)構(gòu),/,哈佛體系結(jié)構(gòu),,CISC/RISC,,影響,CPU,性能的因素,,存儲器系統(tǒng),,I/O,接口,,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型,馮·諾依曼體系的特點：,,數(shù)據(jù)與指令都存儲在同一存儲空間中,,統(tǒng)一編址，

18、指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問,,被大多數(shù)計算機(jī)所采用,,ARM7——,馮諾依曼體系,指令寄存器,控制器,數(shù)據(jù)通道,輸入,輸出,中央處理器,存儲器空間,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,地址,指令,地址,數(shù)據(jù),缺點,： 取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個存儲空間存取，經(jīng)由同一總線 傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行,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,程序存儲器空間,指令0,指令1,指令2,數(shù)據(jù)存儲器空間,數(shù)據(jù)0,數(shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)2,地址,指令,地址,數(shù)據(jù),哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點：,,程序與數(shù)據(jù)在不同存儲空間；每個存儲器獨立編址、獨立訪問,,使用

19、程序和數(shù)據(jù)總線，使數(shù)據(jù)吞吐率提高一倍,,適合于數(shù)字信號處理,,大多數(shù),DSP,都是哈佛結(jié)構(gòu),,ARM9,是哈佛結(jié)構(gòu),1944年，哈佛大學(xué)的Howard Aiken發(fā)明了Harvard Mark系列計算機(jī)，并且在其中采用了,分開的,指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，這就是后來著名的“哈佛結(jié)構(gòu)”,由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運算速度。,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%的程序只使用20%的指

20、令,,大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。,RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer),,在通道中只包含最有用的指令,,確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令,,使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單,傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計算機(jī)的發(fā)展引入了各種各樣的復(fù)雜指令，使得指令集和為此要實現(xiàn)這些指令的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，已經(jīng)不堪重負(fù)。,指令規(guī)整、對稱、簡單，指令小于,100,條，基本尋址方式只有,2,～,3,種,,單周期指令，便于流水操作,,大量的寄存器（不少于,32,個）,CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,開始,退

21、出,IF,ID,REG,ALU,MEM,開始,退出,單通數(shù)據(jù)通道,,CISC的數(shù)據(jù)通道,RISC的數(shù)據(jù)通道,CISC與RISC的對比,,,CISC,RISC,價格,由硬件完成部分軟件功能，硬件復(fù)雜性增加，芯片成本高,由軟件完成部分硬件功能，軟件復(fù)雜性增加，芯片成本低,性能,減少代碼尺寸，增加指令的執(zhí)行周期數(shù),使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數(shù)，但增加代碼尺寸,指令集,大量的混雜型指令集，有簡單快速的指令，也有復(fù)雜的多周期指令，符合HLL（high level language）,簡單的單周期指令，在匯編指令方面有相應(yīng)的CISC微代碼指令,高級語言支持,硬件完成,軟件完成,尋址模式,復(fù)雜的尋址模式，

22、支持內(nèi)存到內(nèi)存尋址,簡單的尋址模式，僅允許LOAD和STORE指令存取內(nèi)存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器,控制單元,微碼,直接執(zhí)行,寄存器數(shù)目,寄存器較少,寄存器較多,影響CPU性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存,流水線技術(shù),：幾個指令可以并行執(zhí)行（,使指令的執(zhí)行速度或數(shù)據(jù)的處理速度更快，,克服早期計算機(jī)指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理串行進(jìn)行產(chǎn)生的處理器閑置時間的弊端,）,,提高了CPU的運行效率,,內(nèi)部信息流要求通暢流動,取指,分析,執(zhí)行,譯碼,取指,執(zhí)行add,譯碼,取指,執(zhí)行sub,譯碼,取指,執(zhí)行cmp,時間,Add,Sub,Cmp,△,t,2△,t,3△,t,4△,t,5△,t,流水線,：在

23、CPU中把一條指令分解成多個可單獨處理的操作，使每個操作在一個專門的硬件站（stage）,上執(zhí)行，這樣一條指令需要順序地經(jīng)過流水線中多個站的處理才能完成，但是前后相連的幾條指令可以依次流入流水線中，在多個站間重疊執(zhí)行，因此可以實現(xiàn)指令的并行處理。,指令流水線—以ARM為例,為增加處理器指令流的速度，ARM7 系列使用3級流水線。,,允許多個操作同時處理，比逐條指令執(zhí)行要快。,,,,,,,,,PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令。,,Fetch,Decode,Execute,從存儲器中讀取指令,解碼指令中用到的寄存器,寄存器讀（從寄存器Bank）,,移位及ALU操作,,寄存器寫（到寄存器B

24、ank ）,PC PC,PC - 4 PC-2,PC - 8 PC - 4,ARM Thumb,最佳流水線,該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令。,,所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）。,,指令周期數(shù) (CPI) = 1。,,操作,周期,1 2 3 4 5 6,ADD,SUB,MOV,AND,ORR,EOR,CMP,RSB,Fetch,Decode,。,Fetch,Execute,Decode,Fetch,Execute,Decode,Fetch,Execute,Decode,Fetch,Fetch,Execute,Decode,Execute,Decode,Fetc

25、h,Execute,Decode,Fetch,流水線能夠正常工作的條件：任意時刻，每一級所使用的硬件必須能獨立操作，不能多級同時占用同一硬件資源。,,在正常情況下，每條指令都被劃分成這樣,3,個時鐘周期來完成，即指令執(zhí)行時間（,Latency,）是,3,周期。,,流水線的執(zhí)行使得程序計數(shù)器,PC,必須在當(dāng)前指令取指前計數(shù)。對于,ARM,處理器的,3,級流水線，以當(dāng)前,PC,取指后，,PC,值會增加為,PC,＋,4,。,超標(biāo)量執(zhí)行,超標(biāo)量,：配置多個執(zhí)行部件和指令譯碼電路，能同時執(zhí)行多條 指令。,,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

26、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2,數(shù)據(jù),借助硬件資源重復(fù),(例如有兩套譯碼器和ALU等),來實現(xiàn)空間的并行操作,高速緩存（CACHE）,1、為什么采用高速緩存,,微處理器的時鐘頻率比內(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,,依據(jù),：程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性原理。,,高速緩存是一種小型、快速的存儲器，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,Cache的設(shè)計思想,：,把在一段時間內(nèi)、一定地址范圍中被頻繁訪問的信息集合，成批地從主存中讀到一個能,高速存取的小容量存

27、儲器,中存放起來,供程序在這段時間內(nèi)隨時使用，從而減少或不再去訪問速度較慢的主存，以加快程序的運行速度。,以CPU為核心看，將CPU直接參與的事件稱為,同步事件,，CPU未直接參與的稱為,異步事件,。,cache的操作都是同步的,，但是如果在寫一個外部設(shè)備的驅(qū)動時為了減少CPU的參與,用DMA來搬移數(shù)據(jù)，那么DMA搬移數(shù)據(jù)這個事件便是異步事件。,,,,圖1中，RAM內(nèi)存從地址0x00000000到0x000ffffff 1M范圍內(nèi)的內(nèi)容全部被調(diào)入cache中;,,現(xiàn)假定外部設(shè)備有新的數(shù)據(jù)到來并發(fā)生了中斷，CPU在設(shè)定完DMA控制器后繼續(xù),其工作，DMA根據(jù)設(shè)定將1M的新數(shù)據(jù)裝入RAM中并通知C

28、PU新的數(shù)據(jù)到了。(,此時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致,),當(dāng)CPU要對新的數(shù)據(jù)操作時，因為此外部設(shè)備的數(shù)據(jù)被存放在從0x00000000開始的RAM中，而此段數(shù)據(jù)又恰好被cache命中，那么CPU將直接訪問cache中的數(shù)據(jù)，可是cache中的數(shù)據(jù)并非剛剛得到的新數(shù)據(jù)。CPU并不知道此時cache中的數(shù)據(jù)已經(jīng)過時。,解決的辦法：,在CPU訪問異步事件控制的數(shù)據(jù),前,一定要強(qiáng)行刷新cache中的內(nèi)容,；反 之，,從內(nèi)存到外部設(shè)備搬移數(shù)據(jù)前一定要回寫內(nèi)存,。,,一般CPU都提供了cache的刷新和回寫機(jī)制，甚至有的CPU,還有,cache,保護(hù)（即強(qiáng)制其不要對某一范圍內(nèi)的內(nèi)存使用,cache,機(jī)制

29、）。,,CACHE刷新與回寫,DMA參與操作情況下的cache操作,,◆,總線是計算機(jī)中各模塊傳輸信息的,公共信號線集合,。為各模塊間，甚至模塊各部件之間提供公共的、標(biāo)準(zhǔn)化的信息通路。,,◆總線的特點在于其,公用性,(即它可以同時掛接多個模塊或設(shè)備，作為所有掛接模塊或設(shè)備公用的信號載體),。總線,在同一時刻，只能允許一對模塊或設(shè)備進(jìn)行信息交換,。當(dāng)有多個模塊或設(shè)備需要同時使用總線進(jìn)行信息傳輸時，只能采用,分時方式,，并且要對總線使用的,優(yōu)先權(quán),進(jìn)行,仲裁管理,。,,◆ 總線結(jié)構(gòu)包括：,傳輸信息的,傳輸線路,和,總線控制邏輯,,◆ 嵌入式系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：,總線和總線橋,⑴ 簡化了系統(tǒng)

30、結(jié)構(gòu)。,,⑵ 優(yōu)化了硬件和軟件設(shè)計。,,⑶ 便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和更新。,存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),寄存器,高速緩存SRAM,主存儲器DRAM,本地存儲器 Flash、ROM、磁盤,網(wǎng)絡(luò)存儲器 Flash、ROM、磁盤,時鐘周期,0,1—10,50—100,20000000,存儲器系統(tǒng),RAM,：隨機(jī)存取存儲器，,SRAM,：靜態(tài)隨機(jī)存儲器，,DRAM,：動態(tài)隨機(jī)存儲器,,1）SRAM比DRAM快,,2）SRAM比DRAM耗電多,,3）DRAM存儲密度比SRAM高得多,,4）DRAM需要周期性刷新,,ROM,：只讀存儲器,,FLASH,：閃存,,,NOR,,NAND,,寫入/擦除一個塊的

31、操作時間,1～5ms,,2～4ms,,讀性能,1200～1500KB,600～800KB,寫性能,<80KB,200～400KB,接口/總線,SRAM接口/獨立的地址數(shù)據(jù)總線,8位地址/數(shù)據(jù)/控制總線，I/O接口復(fù)雜,讀取模式,隨機(jī)讀取,串行地存取數(shù)據(jù),成本,較高,較低，單元尺寸約為NOR的一半，生產(chǎn)過程簡單，同樣大小的芯片可以做更大的容量,容量及應(yīng)用場合,1～64MB，主要用于存儲代碼,8MB～4GB，主要用于存儲數(shù)據(jù),擦寫次數(shù)(耐用性),約10萬次,約100萬次,位交換(bit位反轉(zhuǎn)),少,較多，關(guān)鍵性數(shù)據(jù)需要錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法,壞塊處理,無，因為壞塊故障率少,隨機(jī)分

32、布，無法修正,,輸入輸出接口,,I/O,,A/D,、,D/A,,,鍵盤,,,LCD,,,存儲器接口,,設(shè)備接口,,USB：Universal Serial Bus，通用串行總線,,大家生活中常見的與USB有關(guān)的東西有：,,U盤、移動硬盤、無驅(qū)型的MP3（U盤）,,USB接口的鍵盤、Mouse、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)……,,即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展（127個）,,USB2.0以低成本實現(xiàn)高達(dá)480Mb/s的傳輸率(USB1.1的全速設(shè)備可達(dá)12Mb/s； USB1.0的全速設(shè)備可達(dá)1.5Mb/s),,接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電,例如:USB,一個典型的USB通訊系統(tǒng),HOST系統(tǒng)

33、,HUB,DEVICE,D,DEVICE,應(yīng)用軟件+驅(qū)動程序Ms.Win+接口芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,驅(qū)動代碼+嵌入式處理器+HOST芯片,HUB,U盤,其他,數(shù)據(jù)采集器,通用系統(tǒng)模型,PC機(jī)中的情況,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,知識產(chǎn)權(quán)核（IP核,,intellectual property,）,知識產(chǎn)權(quán),(IP),電路或核是設(shè)計好并經(jīng)過驗證的集成電路功能單元。,,IP,復(fù)用意味著設(shè)計代價降低（時間，價格）。,,IP,核的類別,:,,微處理器,: ARM, PowerPC;,,存儲器,: RAM, memory controller;,,外設(shè),: PCI, DMA controller;,

34、,多媒體處理,: MPEG/JPEG ;,,encoder/decoder ;,,數(shù)字信號處理器,(DSP),；,,通信,: Ethernet controller, router,。,Soft Cores(“code”)（軟核）,,HDL語言描述；,,靈活度高，可修改；,,與工藝獨立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合；,,IP很難保護(hù)。,,Firm cores(“code+structure”)(固核）,,邏輯綜合后的描述；,,與工藝相關(guān)。,,Hard cores(“physical”)(硬核）,,物理綜合后的描述；,,準(zhǔn)備流片；,,包含工藝相關(guān)的布局和時序信息；,,IP很容易保護(hù)，但靈活性和可

35、移植性差。,,多數(shù)的處理器和存儲器,IP核的商業(yè)模型,,三種模式,,1.設(shè)計者提供設(shè)計和工具的許可證,,DSP Group (Pine and Oak Cores), 3Soft, ARM。,,提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。,,使用者負(fù)責(zé)設(shè)計制造。,,2.,核廠商設(shè)計并制造集成電路芯片,,TI, Motorola, Lucent。,,VLSI, SSI, Cirrus, Adaptec。,,3.,核廠商賣核, 負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計并制造芯片,,LSI logic, TI, Lucent。,固化宏單元（硬核）,,ARM920T,,ARM7TDMI,,ARM720T,,ARM1022E,可

36、綜合內(nèi)核（軟核）,,ARM926EJ-S,,ARM7TDMI-S,,ARM1026EJ-S,測試芯片,,ARM10200E,,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),11/27/2024,軟件組成,有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作,,Hardware Abstraction Layer ：BSP&Device Driv

37、er,SCSIDriver,Flash,,Driver,MMUDriver,CacheDriver,SerialDriver,EthernetDriver,DeviceDrivers,支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器Browser等,Hardware Independent Software,TCP/IP Stack,I/O System,RTOS libraries,RTOS Kernel,File System,Boot Loader

38、,中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應(yīng)用程序接口的事實，向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應(yīng)用程序，同時也使應(yīng)用程序具有跨平臺的特性。,,嵌入式應(yīng)用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用，不同的系統(tǒng)需要設(shè)計不同的嵌入式應(yīng)用程序。它是整個系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)的能力總是通過應(yīng)用程序表現(xiàn)出來。,一個嵌入式系統(tǒng)可簡單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應(yīng)用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。,,概述,嵌入式操作系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)，它具有一般操作系統(tǒng)的功能，同時具有嵌入式軟件的特點，主要有：,,,可固化存儲,

39、,可配置、可剪裁,,獨立的板級支持包，可修改,,不同的,CPU,有不同的版本,,應(yīng)用的開發(fā)需要有集成的交叉開發(fā)工具,一般操作系統(tǒng),只注重平均性能，如對于整個系統(tǒng)來說，所有任務(wù)的平均響應(yīng)時間是關(guān)鍵，而不關(guān)心單個任務(wù)的響應(yīng)時間。,嵌入式實時操作系統(tǒng),最主要的特征是性能上的“實時性”，也就是說,系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計算的邏輯結(jié)果，也依賴于結(jié)果產(chǎn)生的時間,。,,從這個角度上看，可以把實時系統(tǒng)定義為“,一個能夠在指定的或者確定的時間內(nèi)，完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的系統(tǒng),”。,概述,近十年來，嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展,,從支持,8,位微處理器到,16,位、,32,位甚至,64

40、,位微處理器；,,從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片；,,從只有內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其他功能模塊，如文件系統(tǒng)，,TCP/IP,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，窗口圖形系統(tǒng)等。,,隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，目前嵌入式操作系統(tǒng)的市場在不斷細(xì)分，出現(xiàn)了針對不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品按領(lǐng)域的要求和標(biāo)準(zhǔn)提供特定的功能。,嵌入式操作系統(tǒng)的演變,*,Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded device,,10%*,Kernel,,30%*,Kernel,Networking,File System,,75

41、%*,Kernel,Networking,File System,Multiprocessing,Memory Management,Networking Utility,Windows API,Application,Application,Application,Application,,90%*,Kernel,Networking,File System,Multiprocessing,Fault Tolerance,Distributed Objects,Advanced Networking,Advanced Interconnect,Java,Browser / GUI,嵌入式操作

42、系統(tǒng)分類,從應(yīng)用領(lǐng)域來分,,面向信息家電的嵌入式操作系統(tǒng),,面向智能手機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)，如,SymbianOS,、,MS Mobile OS,、,PalmOS,、,Embedded Linux,等,,面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng),,面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng),,,……….,從實時性的角度來分,,實時嵌入式操作系統(tǒng),：具有強(qiáng)實時特點，如,VxWorks,、,QNX,、,Nuclear,、,OSE,、,DeltaOS,、,各種,ITRON OS,等。,,非實時嵌入式操作系統(tǒng),：一般只具有弱實時特點，如,WinCE,、,版本眾多的嵌入式,Linux,、,PalmOS,等。,從嵌入式系統(tǒng)的商業(yè)模式

43、來分類,,商用型,：功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，,開發(fā)費用,+,版稅,。,,開源型,：開放源碼，只收服務(wù)費，沒有版稅。 如,Embedded,linux,，,RTEMS,，,eCOS,。,嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),,體系結(jié)構(gòu),,,系統(tǒng)組成,常見的嵌入式操作系統(tǒng),,μC/OS-II,,WinCE,,Linux,,,VxWorks,,Palm OS,,QNX,,…,第二講 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),1,3,2,5,4,嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,嵌入式操作系統(tǒng)涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式系統(tǒng)硬件涉及的幾個關(guān)鍵概念,嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),監(jiān),,控,,程,,序,操,,作,,系,,統(tǒng)

44、,實時操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時 間 先 后,適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源,適用于計算中心等較大的計算機(jī)系統(tǒng),適用于嵌入式設(shè)備和有實時性要求的系統(tǒng)中,實時操作系統(tǒng)是我們關(guān)注的重點,任務(wù)的定義及其主要特性,任務(wù)是一個具有,獨立功能,的,無限循環(huán),的程序段的一次運行活動，是實時內(nèi)核調(diào)度的單位，具有以下特性：,,動態(tài)性,：任務(wù)狀態(tài)是不斷變化的。,,一般分為就緒態(tài)、運行態(tài)和等待態(tài)。,,在多任務(wù)系統(tǒng)中，任務(wù)的狀態(tài)將隨著系統(tǒng)的需要不斷進(jìn)行變化。,,并行性,：,,系統(tǒng)中同時存在多個任務(wù)，這些任務(wù)在宏觀上是同時運行的。,,異步獨立性,：,,每個任務(wù)各自按相互獨立的不可預(yù)知的速度運行，走

45、走停停,。,任務(wù)的內(nèi)容,任務(wù)主要包含以下內(nèi)容：,,代碼,：一段可執(zhí)行的程序,,數(shù)據(jù),：程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量、工作空間、緩沖區(qū)等）,,堆棧,,程序執(zhí)行的上下文環(huán)境,嵌入式操作系統(tǒng)與多任務(wù),多任務(wù)運行的實現(xiàn)，實際上是靠CPU(中央處理單元)在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。,,CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。,,在實際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?時間軸,任務(wù)1,任務(wù)2,任務(wù)3,任務(wù)1,任務(wù)2,任務(wù)3,任務(wù)1,任務(wù)2,任務(wù)3,CPU寄存器,任務(wù),,控制,,塊1,任務(wù),,控制,,塊2,任

46、務(wù),,控制,,塊n,休眠、就緒、運行、掛起、被中斷,任務(wù),,1,任務(wù),,2,任務(wù),,n,……,CPU,寄存器,任務(wù)的狀態(tài),睡眠態(tài),相當(dāng)于該任務(wù)駐留在內(nèi)存中，但并不被內(nèi)核所調(diào)度,就緒,意味著該任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以運行了，但由于該任務(wù)的優(yōu)先級比正在運行的任務(wù)的優(yōu)先級低，還暫時不能運行,運行態(tài),是指任務(wù)掌握了CPU的控制權(quán)，正在運行中,掛起狀態(tài),也可以叫做等待事件態(tài)WAITING，指該任務(wù)在等待，等待某一事件的發(fā)生（例如等待某外設(shè)的I/O操作，等待某共享資源由暫不能使用變成能使用狀態(tài)，等待定時脈沖的到來或等待超時信號的到來以結(jié)束目前的等待，等等）,發(fā)生中斷時，CPU提供相應(yīng)的中斷服務(wù)，原來正在運行的

47、任務(wù)暫不能運行，就進(jìn)入了被,中斷狀態(tài),資源和共享資源,資源,（Resource）,,任何為任務(wù)所占用的實體都可稱為,資源,。資源可以是輸入輸出設(shè)備，,例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器,，資源也可以是一個變量，一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。,,共享資源,（Shared Resource）,,可以被一個以上任務(wù)使用的資源叫做,共享資源,。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個任務(wù)在與共享資源打交道時，必須獨占該資源。這叫做,互斥,（mutual exclusion）。,內(nèi)核（Kernel）,,,多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。,,內(nèi)核提供的基本服務(wù)是,任務(wù)切換,。內(nèi)核

48、本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。,,調(diào)度（Scheduler或,dispatcher,）,,,內(nèi)核的主要職責(zé)之一，決定哪個任務(wù)運行。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程度被賦予一定優(yōu)先級。CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。,系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（Scheduler),搶占式與非占先式,(,Preemptive & Non-Preemptive,),可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞。,可重入型函數(shù),任何時候都可以被中斷，一段時間

49、以后又可以運行，而相應(yīng)數(shù)據(jù)不會丟失。可重入型函數(shù),只使用局部變量,，即變量保存在CPU寄存器或堆棧中。,可重入型函數(shù),一個不可重入型函數(shù)的例子,,int Temp;,,Void swap (int *x,int*y),,{,,Temp=*x;,,*X=*Y;,,*y=Temp;,,},一個可重入型函數(shù)的例子,,Void swap (int *x,int*y),,{,,int Temp;,,Temp=*x;,,*X=*Y;,,*y=Temp;,,},代碼的臨界段（Critical Section Of Code）,代碼的臨界段也稱為,臨界區(qū),，指處理時不可分割的代碼。,,一旦臨界段代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷產(chǎn)生，否則將導(dǎo)致錯誤。這種操作又稱為,原子操作,。,,為確保臨界段代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界段之前要關(guān)中斷，而臨界段代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷,（在任務(wù)切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器壓入堆棧來保護(hù)）,。,本講作業(yè),簡述,BSP,的概念、特點。,,嵌入式微處理器有哪些類別？試列舉一些實例。,,翻閱資料談?wù)勀銓?CISC,和,RISC,的理解。,,嵌入式操作系統(tǒng)的特點？列舉常見的嵌入式操作系統(tǒng)，并簡述其特點和應(yīng)用領(lǐng)域。,,簡述搶占式內(nèi)核,(preemptive),和非搶占式內(nèi)核,(non-preemptive),的區(qū)別？,