嵌入式系统组织架构与设计.ppt

*嵌入式系統組織架構與設計1 嵌入式系統組織架構與設計 *嵌入式系統組織架構與設計2 課程大綱 n 第一章 嵌入式系統概述 n 第二章嵌入式系統作業環境與系統開發程 n 第三章嵌入式系統Xscale微架構之系統結構 n 第四章 Xscale指系統 n 第五章 XscalePXA270應用處器結構和使用方 法 u實作 PXA270結構與特性 時脈與電源管 系統整合單元 LCD控制 UART控制 USB控制 GPIO控制 *嵌入式系統組織架構與設計3 嵌入式系統組織架構與設計 第一章 嵌入式系統概述 *嵌入式系統組織架構與設計4 第一章 課程大綱 n 嵌入式系統概述 u嵌入式系統特性 u嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 n 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 n 嵌入式系統硬體 uIntel Xscale SOC系 uIntel Xscale實驗平台 *嵌入式系統組織架構與設計5 前言 n 碩大是美正好與IA( Information Appliance) 求小而美、小而省是背道而馳。 n 半導體電子發展趨勢是符合摩爾定律 n 資訊載具上之資訊軟體研發，具有身訂做之特 性，已從電腦中心設計(范紐曼結構)之時代轉向 以消費者中心(3C)的設計。 n 多產業標準並存之網架構以及互動性、相容性 高之系統軟體變成為研發廠商開發之首要目標： u節省人成本 u配合嵌入式系統多功能化 u求新、求變 *嵌入式系統組織架構與設計6 計算機科學(Computer Science) nComputer Science u電腦科學是一門包含各種各樣與計算和資訊處 理相關主題的系統學科，從抽象的演算法分析 、形式化語法等等，到更具體的主題如程式設 計語言、程式設計、軟體和硬體等。作為一門 學科，它與數學、電腦程式設計、軟體工程和 電腦工程有顯著的不同，卻通常被混淆，儘管 這些學科之間存在不同程度的交叉和覆蓋。 u中國算盤(abacus)，遠古就應用在計算上。 資訊理論資訊理論 *嵌入式系統組織架構與設計7 計算機科學(Computer Science) nComputer science, or computing science uIt is the study of the theoretical foundations of information and computation and their implementation and application in computer systems. Computation: It is a general term for any type of information processing that can be represented mathematically. Computation is a process following a well-defined model that is understood and can be expressed in an algorithm, protocol, network topology, etc. *嵌入式系統組織架構與設計8 計算機科學(Computer Science) n Information: uGenerally speaking, the concept of information is closely related to notions of constraint, communication, control, data, form, instruction, knowledge, meaning, mental stimulus, pattern, perception, and representation.Information is the writing of knowldge of any subject. uInformation is the state of a system of interest. Message is the information materialized. The ASCII codes for the word “Wikipedia“ represented in binary, the numeral system most commonly used for encoding computer information. *嵌入式系統組織架構與設計9 nInformation processing may more specifically be defined in terms by Claude E. Shannon as the conversion of latent information into manifest informationcitation needed. Latent and manifest information is defined through the terms of equivocation (remaining uncertainty, what value the sender has actually chosen), dissipation (uncertainty of the sender what the receiver has actually received) and transformation (saved effort of questioning - equivocation minus dissipation)citation needed. nPractical Information Processing can be described as a cycle, where data (which may have no inherent meaning to the observer) is converted into information (which does have meaning to the observer). This conversion takes one of three forms: nComputation utilizes mathematics (specifically arithmetics) to create the information from data. Example: a cash register (either mechanical or digital) uses addition to convert the individual item prices (data) into the total amount owed to the store (information). nTransduction is the conversion of one type of energy into another type. Example: A mechanical speaker converts an electric signal (data) into sound waves (information). nTranslation is the conversion of a string of symbols from one set into another. Example: a person fluent two languages could rewrite a document that is written in a language that the observer does not understand (data) into a language that the observer does understand (information). Note that translation is the only Information processing form that can not yet be performed purely by a machine. It requires an organic brain (some electronic computer programs can translate but in reality they are using complex programs, which actually rely solely on computation to complete the process). *嵌入式系統組織架構與設計10 計算機科學(Computer Science) n計算機科學研究的課題： u電腦程式能做什麼和能做什麼（可計算性） u如何使程式高效的執特定任務（演算法和 複雜性論） u程式如何存取同型的資（資結構和資 庫） u程式如何顯得具有智慧（人工智慧）； u人如何與程式溝通（人機互動和人機界面） *嵌入式系統組織架構與設計11 計算機科學(Computer Science) n 電腦(計算機)科學的大部分研究是基於“杜林機”(Turing Machine)和“馮范紐曼電腦”(John von Neumann ) 的，它們 是絕大多數實際機器的計算模型。 n 西元1937年，亞蘭杜林（Alan Turing）提出了Turing Machine的概念。 uTuring Machine Turing machines are extremely basic abstract symbol-manipulating devices which, despite their simplicity, can be adapted to simulate the logic of any computer that could possibly be constructed. Though they were intended to be technically feasible, Turing machines were not meant to be a practical computing technology, but a thought experiment about the limits of mechanical computation; thus they were not actually constructed. Studying their abstract properties yields many insights into computer science and complexity theory. *嵌入式系統組織架構與設計12 計算機科學(Computer Science) n Turing Machine u艾倫杜林的“通用電腦器”(“universal computing machine”)是由他(1936-1937)為他的多用途單機器（電 腦器）模型命名，這模型可以“運行”任何任意（但well- formed）指令序列（稱為 “quintuples“）。這模型被一 些人例如Davis (2000) 認為是“存儲程式電腦”的原點。 u每台圖靈機從它的字母表得到字串計算一確定的固定 偏可計算函數。從外觀上它的行為就像一台使用固定 程式的電腦。儘管如此，我們可以把任何杜林機的動 作表格編碼到一條字串。 *嵌入式系統組織架構與設計13 計算機科學(Computer Science) n Von Neumann or Stored program Computer u最早的電腦器僅內涵固定用途的程式，通常是為了簡 化或教育目的。例如一個計算器僅有固定的數學計算 程式，它不能拿來當作文書處理軟體，更不能拿來玩 遊戲。若想要改變此機器的程式，則必須更改線路、 更改結構甚至重新設計此機器。 u范紐曼結構型電腦，則是以儲存程式型電腦的概念改 變了這一切。藉由創造一組指令集結構，並將所謂的 運算轉化成一串程式指令的執行細節，讓此機器更有 彈性。借著將指令當成一種特別型態的靜態資料，一 台儲存程式型電腦可輕易改變其程式，並在程式控制 下改變其運算內容。 *嵌入式系統組織架構與設計14 計算機的通用架構 n西元1945年 u范紐曼模式（von Neumann Model） 最主要的精神在於儲存程式（stored program） 的概念 *嵌入式系統組織架構與設計15 nuProcessor架構Intel 80386為 Block diagram of the i386 *嵌入式系統組織架構與設計16 計算機科學(Computer Science) n計算機系統層次結構 u 從功能上看，現代電腦系統可分為五個層次級別，每 一層都能進程式設計。 微程式設計級 這一級是由硬體直接實現的，是電腦系統最底層的硬體系統 。由機器硬體直接執微指。只有採用微程式設計的電腦 系統，才有這一級。如果某一個應用程式直接用微指編 寫，那麼可在這一級上運應用程式。 一般機器級 也稱為機器語言級，它由微程式解釋機器指系統。這一級 也是硬體級，是軟體系統和硬體系統之間的紐帶。硬體系統 的操作由此級控制，軟體系統的各種程式，必須轉換成此級 的形式才能執。 *嵌入式系統組織架構與設計17 計算機科學(Computer Science) u作業系統級 由作業系統程式實現。這些作業系統由機器指和廣義指組 成，廣義指是作業系統定義和解釋的軟體指，所以這一級 也稱為混合級。電腦系統中硬體和軟體資源由此級管和統一 調，它支撐著其他系統軟體和應用軟體，使電腦能夠自動運 ，發揮高效的特性。 u組合語言級 給程式人員提供一種符號形式語言，以減少程式編寫的複雜性 。這一級由組合語言程式支持和執。如果應用程式採用組合 語言編寫，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程式採 用組合語言編寫，則這一級可以要。 u高階語言級 導向用戶，為方用戶編寫應用程式而設置的。這一級由各種 高階語言編譯程序支持和執。 *嵌入式系統組織架構與設計18 計算機科學(Computer Science) u 電腦系統各層次之間的關係十分緊密， 上層是下層的擴展，下層是上層的基礎 u 除第一級外，其他各級都得到它下面級 的支持，同時也受到運在下面各級上 的程式的支援。 u 第一級到第三級編寫程式採用的語言， 基本是二進位字字化語言，機器執 和解釋容。第四、五級編寫程式所 採用的語言是符號語言，用英文字母和 符號表示程式，因而於大多瞭 解硬體的人們使用電腦。 *嵌入式系統組織架構與設計19 n計算機系統層次結構 Ring 0 Ring 1 Ring 2 Ring 3 Ring 4 Ring 5 Ring 6 Ring 0：硬體輯 Ring 1：程序控制 Ring 2：作業系統(OS) Ring 3：匯編程序 Ring 4：高級語言匯編 或解釋程序 Ring 5：應用程序 Ring 6：應用系統羅及模 型 *嵌入式系統組織架構與設計20 n計算機系統層次結構 *嵌入式系統組織架構與設計21 計算機科學(Computer Science) n Computer Science與資訊工程(Information Engineering) u西元1962年，史丹佛大學和普渡大學成立了全球最早 的計算機科學系（computer science departments） 台灣最早的計算機科學系：交通大學計算機與控制 工程系(1970) 台灣最早命名為資訊工程系的則是台灣大學(1977) 交大的計工系也於1988年更名為資訊工程系 現在幾乎全球各主流大學，都設立了計算機科學的 相關科系，足以顯示計算機一日千里的進展 *嵌入式系統組織架構與設計22 n摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登摩 爾（Gordon Moore）提出的。其內容為：積體 電上可容納的電晶體目，約每隔18個月會 增加一倍，性能也將提升一倍，而價格下降一半 ；或者，每一美元所能買到的電腦性能，將每 隔18個月翻倍以上。1這一定律揭示資訊技 術進步的速。 計算機科學(Computer Science) *嵌入式系統組織架構與設計23 第一章 課程大綱 n 嵌入式系統概述 u嵌入式系統特性 u嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 n 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 n 嵌入式系統硬體 uIntel Xscale SOC系 uIntel Xscale實驗平台 *嵌入式系統組織架構與設計24 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統特性 u何謂嵌入式系統？ 何謂系統：根據一個固定之計畫、一個程式或一系的規則， 處執一個或多個工作之方法，系統也可以是根據計畫或程 式整合所有硬體的協同工作。 如：手錶、洗衣機、汽車電子、電腦(含OS) 嵌入式系統是在一些大型系統內，由硬體與軟體所構成的一個 元件，處一些需由人們操作且特定之一些功能。大多是 以電腦為基礎之系統(Computer-Based)的應用程式或產品。 內含軟體(OS、AP)於ROM之中的單一微電腦機板，執特種 功能。 融合驗腦軟/硬體技術、通訊技術與半導體微電子技術，是資 訊技術IT( Information Technology)之最終產品。 *嵌入式系統組織架構與設計25 嵌入式系統概述 n嵌入式系統特性 u何謂嵌入式系統？ 從應用之層面，根據IEEE的定義：嵌入式系統是 控制、監視或者輔助裝置、機器和設備執之裝置 ，亦可是軟體與硬體之綜合體。 以應用為中心、以電腦技術為基礎、軟體硬體可 隨需要而新、適應應用系統對功能、可靠性、成 本、體積、功耗嚴格要求之專用電腦系統。 當今稱嵌入式系統是針對具有作業系統之嵌入式系 統 *嵌入式系統組織架構與設計26 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統特性 u配合特定應用之特殊設計 用戶導向、產品導向、應用導向，與應用緊密結合。 u高效、穩定之系統 先進之電腦、半導體和電子等技術融合一體。 u產品壽命長 與實際系統需求緊密結合，與具體產品同步升級、新。 u被竊取和高安全性 嵌入式系統本身具有自主開發之能，一般使用者無法對其 中功能進修改，必須有一套開發工具與環境才能進開發， 如硬體模擬之ICE或軟體模擬之ADS(ARM Developer Suite) 、RealView Developer Suite等。 u容操作 u微型化 *嵌入式系統組織架構與設計27 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 u早期應用於軍事、航空航太為主，逐步轉移工業控制 、汽車電子、通訊及家用消費等域。 u嵌入式系統主要區分硬體與軟體二部分，其架構可分 為四個部份： 處器核心 記憶體 輸入與輸出 嵌入式作業系統與應用軟體(與一般性之PC有極大之區別 ) 結合特定功能之應用 嵌入式作業系統存入FLASH或EEPROM Bootloader Vs. BIOS *嵌入式系統組織架構與設計28 第一章 課程大綱 n 嵌入式系統概述 u嵌入式系統特性 u嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 n 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 n 嵌入式系統硬體 uIntel Xscale SOC系 uIntel Xscale實驗平台 *嵌入式系統組織架構與設計29 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 u重要名詞解釋 uprocessor SOC ICE MIPS PIPELINE結構 作業系統 指 主頻 MMC *30 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統架構圖 n嵌入式系統採用“身訂作”的方式，把所需要之功能嵌入 至各種應用系統中，隨應用形式之同，區分： uIP（Intellectual Property）級-系統級晶片SOC（Systom on Chip）的形 式 u晶片級 -目前嵌入式系統最常的形式 u模組級 -常出現在工業控制和儀器儀表中 *31 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 uIP（Intellectual Property）級-系統級晶片SOC 在一個矽晶片上實現一個為複雜系統 各種通用處器核心將成為 SoC 設計的標準庫，成 為 VLSI 設計中一種標準的器件，可以用標準的 VHDL 等語言描述，並儲存在元件庫中。 除個別無法集成的元件以外，整個嵌入式系統大部 分均可集成到一塊或幾塊晶片中 應用系統電板將變得很簡潔，對於減小體積和功 消耗、提高可靠性非常有利。 SOC可以分為通用和專用： 專用SOC通常用於某系統中，而為一般用戶所知。 通用型SOC如：ARM系晶片元件。 *32 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 u晶片級 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 又稱單晶片，就是將整個電腦系統匯集到一塊晶片中 是以某一種微處器內核為核心，晶片內部整合。 ROM/EPROM、RAM、匯排、匯排輯、定時/計 器、WatchDog、I/O、串埠、脈寬調變輸出、比轉 位(A/D)、位轉比(D/A)、Flash RAM、EEPROM等各 種必要功能和週邊設備。 為適應同的應用需求，一個單晶片系具有許多種衍生 產品，每種衍生產品的處器內核心都是一樣的，同的 是記憶體和週邊設備的配置與封裝。 最大特點是單晶片化，體積大幅減小，因而使功消耗和 成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統工業的主。 微控制器晶片上週邊設備資源通常比較豐富，適合於控制 用途，因此稱之為微控制器。 市佔約70的嵌入式市場。 *嵌入式系統組織架構與設計33 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 嵌入式 DSP 處器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 系統結構和指進特殊的設計，使其適合於 執DSP演算法，提高編譯效和指執速 。 DSP應用正從以普通指實現DSP功能的通用單 晶片中，過渡到採用嵌入式DSP處器。 *34 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 u模組級 -常出現在工業控制和儀器儀表中 基礎就是通用電腦中的中央處器 ( CPU ) 裝配在專門設計的電板上，只保和嵌入式應用 相關的母板功能 在工作溫、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做 各種加強。 具有體積小、重輕、成本低、可靠性高的優點 在電板上必須包括 ROM、RAM、匯排界面、 和各種週邊設備，因而降低系統的可靠性，技術 保密性也較差 嵌入式微處器及其記憶體、匯排、週邊設備等 安裝在一塊電板上，亦稱之為單板電腦。 *嵌入式系統組織架構與設計35 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 uARM簡介 Advance RISC Machine, ARM是一個公司名，已 可是微處器之通稱，如：SONY ARM公司是專門RISC技術晶片設計開發公司，作為 之是產權供應商，從事晶片生產，賣轉讓設計許 可。 ARM微處器之應用域： 工業控制 無線通訊 網應用 消費電子 影像與安全產品 *嵌入式系統組織架構與設計36 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 uARM微處器之特點 體積小、低功耗、低成本、高性能 支援16/32位元等級之微處器 大使用微處器，指執速快 大多指操作是在暫存器中執。 定址方式活簡單，執效高。 指長固定 *37 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM微處器系 通用型：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E Intel 的 StrongARM、Xscale等。 專用型：SecurCore uARM提供一系方案： CPU內核 小型、快速、低能耗、ARM 指集 Thumb 指集之整合式 RISC內核，採用多層管線 ( Pipeline ) 架構，以增進處效能。 體系擴展 Thumb:以16位元系統的成本，提供32位元RISC性能，特別注 意的是它所需的記憶體容非常小。 嵌入式ICE調校 由於整合似於ICE的CPU內核調校技術，所以原型設計和 系統晶片的調校得到極大的簡化。 微處器 nThumb指集是ARM指集之一個子集， 允許指編碼為16為元之長，其優勢是 節省系統儲存之空間。 nThumb指集可支援ARM指， Thumb的 編碼程式亦可對應至ARM編碼程式。期付 程式亦可相互呼叫運用。 *嵌入式系統組織架構與設計38 *嵌入式系統組織架構與設計39 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM7微處器 具有嵌入式ICE-RT 輯，除錯開發方 極低的功耗，適合對功耗要求嚴格的應用，如攜帶 型產品； 能夠提供0.9MIPS/MHz 的三級水線結構； 程式密高並相容16 位元的Thumb 指集； 對作業系統的支援廣泛，包括Windows CE、Linux 、Palm OS 等； 指系統與ARM9、ARM9E 和ARM10E 系相容 ，於使用者的產品升級換代； 主頻最高可達130MIPS，高速的運算處能能勝 任絕大多的複雜應用。 *嵌入式系統組織架構與設計40 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM7 系微處器的主要應用域為：工業控制、 Internet 設備、網和據機設備、動電話等多種多 媒體和嵌入式應用。 uARM7 系微處器包括如下幾種型的核心： ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。 其中，ARM7TMDI 是目前使用最廣泛的32 位元嵌入式 RISC 處器，屬低端ARM 處器核心。 uTDMI 的基本含義為： T：支援16 位元壓縮指集Thumb； D：支援晶片上Debug； M：內嵌硬體乘法器（Multiplier）； I： 嵌入式ICE，支援晶片上中斷點和除錯點。 uARM7 具有MMU功能。 *41 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM9微處器： ARM9 系微處器在高性能和低功耗特性方 面提供最佳的性能。具有以下特點： 提供1.1MIPS/MHz5 級水線結構； 支援32 位元ARM 指集和16 位元Thumb 指集； 支援32 位元的高速AMBA 匯排介面； 全性能MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS 等主嵌入式作業系統； MPU 支援即時操作系統； 支援資Cache 和指Cache，具有高的指和資 處能。 uARM9 系微處器主要應用於無線設備、儀器儀表 、安全系統、機頂盒、高端印表機、位照相機和 位攝像機等。它包含ARM920T、ARM922T 和 ARM940T 三種型。 *嵌入式系統組織架構與設計42 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM9E微處器 ARM9E 系微處器為可綜合處器，使用單一的 處器核心提供微控制器、DSP、Java 應用系統 的解決方案，極大地減少晶片的面積和系統的複 雜程。 ARM9E系微處器提供增強的DSP 處能， 很適合於那些需要同時使用DSP 和微控制器的應用 場合。 uARM9E 系微處器的主要特點如下： 支援DSP 指集，適合於需要高速位信號處的 場合； 5 級整水線，指執效高； *嵌入式系統組織架構與設計43 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM9E 支援32 位元ARM 指集和16 位元Thumb 指集； 支援32 位的高速AMBA 匯排介面； 支援VFP9 浮點處輔助運算器； 全性能MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS 等主嵌入式作業系統； MPU 支援即時操作系統； 支援資Cache 和指Cache，具有高的指和資 處能； 主頻最高可達300MIPS。 uARM9E 系微處器主要應用於下一代無線設備、 位消費品、影像設備、工業控制、儲存設備和網設 備等域。它包含ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM966E-S 三種型。 *嵌入式系統組織架構與設計44 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uARM10E 系微處器 具有高性能、低功耗的特點，由於採用新的體系 結構，與同等的ARM9 元件相比較，在同樣的時鐘 頻下，性能提高近50，同時，ARM10E 系 微處器採用種先進的節能方式，使其功耗極 低。 uARM10E 系微處器的主要特點如下： 支援DSP 指集，適合於需要高速位信號處的 場合； 6 級整水線，指執效高； 支援DSP 指集，適合於需要高速位信號處的 場合； 6 級整水線，指執效高； *嵌入式系統組織架構與設計45 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 支援32 位元ARM 指集和16 位元Thumb 指集； 支援32 位元的高速AMBA 匯排介面； 支援VFP10 浮點處輔助運算器； 全性能MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS 等主嵌入式作業系統； 支援資Cache 和指Cache，具有高的指和資 處能； 主頻最高可達400MIPS； 內嵌並/寫操作元件。 uARM10E 系微處器主要應用於下一代無線 設備、位消費品、影像設備、工業控制、通 信和資訊系統等域。 u它包含ARM1020E、ARM1022E 和ARM1026EJ -S 三種型。 *嵌入式系統組織架構與設計46 嵌入式系統概述 n 嵌入式系統體系架構 uSecurCore 微處器系 SecurCore 系微處器專為安全需要而設計，提供 完善的32 位元RISC 技術的安全解決方案，因此 它除具有ARM 體系結構的低功耗、高性能的特點 外，還具有其獨特的優勢，即提供對安全解決方 案的支援。SecurCore 系微處器在系統安全方面 具有如下的特點： 帶有活的保護單元，以確保作業系統和應用資的安全 ； 採用軟核心技術，防止外部對其進掃描探測； 可集成使用者自己的安全特性和其他輔助運算器。 *嵌入式系統組織架構與設計47 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 SecurCore 系微處器主要應用於一些對安全性要 求較高的應用產品及應用系統，如電子商務、電子 政府服務、電子銀業務、網和認證系統等域 。 它包含SecurCoreSC100、SecurCore SC110、 SecurCore SC200 和SecurCore SC210 四種型。 SecurCore 系微處器主要應用於一些對安全性要 求較高的應用產品及應用系統，如電子商務、電子 政府服務、電子銀業務、網和認證系統等域 。 *嵌入式系統組織架構與設計48 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 uStrongARM 微處器系 Intel StrongARM SA-1100 以及Intel StrongARM SA- 1110 處器是採用ARM 體系結構，高集成的32 位元RISC 微處器。融合Intel 公司的設計和處 技術以及ARM 體系結構的電源效，採用在軟體上 相容ARMv4 體系結構、同時採用具有Intel 技術優點 的體系結構。Intel StrongARM 處器是攜帶型通訊 產品和消費型電子產品的想選擇，已成功應用於 多家公司的掌上型PDA 系產品。 *嵌入式系統組織架構與設計49 嵌入式系統概述 n 由於ARM 微處器有多達十幾種的核心結構，幾 十個晶片生產廠家，以及千變萬化的內部功能配 置組合，因此以介紹ARM 微處器為主，但 ARM系核心之功能亦有同，其較大差異明 如后： u作業系統：WinCE 或標準Linux 作業系統，就需要選擇 ARM720T 以上帶有MMU（Memory Management Unit ）功能的ARM 晶片，ARM720T、ARM920T、 ARM922T、ARM946T、Strong-ARM 都帶有MMU 功 能。 ARM7TDMI 則沒有MMU，支援Windows CE 和標準Linux， 但目前有uCLinux以及uC/OS-II 等需要MMU 支援的作業系 統可執於ARM7TDMI 硬體平臺之上。 本課程教學實驗系統使用的PXA270 為一款具有MMU 的ARM 微處器，可在其上執Linux、Windows CE 和uC/OS-II 等作 業系統。 *嵌入式系統組織架構與設計50 嵌入式系統概述 u系統的工作頻： 系統的工作頻在很大程上決定ARM 微處器的處能。ARM7 系微處器 的典型處速為0.9MIPS/MHz，常 ARM7 晶片系統主時鐘20MHz-133MHz。 ARM9 系微處器的典型處速為 1.1MIPS/MHz，常ARM9 的系統主時鐘頻 為100MHz-233MHz；ARM10 最高可以達 到700MHz。同晶片對時鐘的處同， 有的晶片只需要一個主時鐘頻，有的晶片 內部時鐘控制器可以分別為ARM 核心和 USB、UART、DSP、音頻等功能元件提供 同頻的時鐘。 *嵌入式系統組織架構與設計51 嵌入式系統概述 u晶片內記憶體的容： 大多ARM 微處器片內記憶體的容都大， 需要使用者在設計系統時外擴記憶體，但也有部分 晶片具有相對較大的晶片內儲存空間，如 ATMEL 的AT91F40162 就具有高達2MB 的晶片內程式儲存 空間，使用者在設計時可考慮選用這種型，以簡 化系統的設計。 u晶片內週邊電的選擇： 除ARM 微處器核心以外，幾乎所有的ARM 晶片 均根據各自同的應用域，擴充相關功能模組 ，並集成在晶片之中，我們稱之為晶片內週邊電 ，如USB 介面、IIS 介面、LCD 控制器、鍵盤介面 、RTC、ADC 和DAC、DSP 輔助運算器等。 設計者應分析系統的需求，盡可能採用晶片內週邊 電完成所需的功能，以簡化系統的設計，提高系 統的可靠性。 *嵌入式系統組織架構與設計52 第一章 課程大綱 n 嵌入式系統概述 u嵌入式系統特性 u嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 n 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 n 嵌入式系統硬體 uIntel Xscale SOC系 uIntel Xscale實驗平台 *嵌入式系統組織架構與設計53 嵌入式系統概述 n嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 應用軟體的開發需要強大的開發工具和作業系統的 支援 網成為必然趨勢 支援小型電子設備實現小尺寸、低功和低成本 提供精巧的多媒體人機界面 *嵌入式系統組織架構與設計54 第一章 課程大綱 n 嵌入式系統概述 u嵌入式系統特性 u嵌入式系統體系架構 u嵌入式系統之發展 n 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 n 嵌入式系統硬體 uIntel Xscale SOC系 uIntel Xscale實驗平台 *嵌入式系統組織架構與設計55 嵌入式系統軟體 n 嵌入式作業系統限於儲存空間等因素，相對地作業系統規 模較為精簡，精簡之方式主要是透過減少內核核心、減少 動態結庫、減少應用程式等，以達到減少各種程式碼佔 用記憶體空間之目的。 n 嵌入式系統需要增強即時性之特殊功能，這可透過修改 程調演算法和使用雙核心系統達成。 n 嵌入式系統具有主機模擬的環境(跨平台)進發展之優 勢。 u模擬MS Windows的Cygwin或VMWare等 n 嵌入式作業系統最常用之作業系統 u嵌入式Linux uclinux Fedora uWinCE *嵌入式系統組織架構與設計56 嵌入式系統軟體 uLinux作業系統 uWinCE作業系統 u嵌入式系統開發平臺 *嵌入式系統組織架構與設計57 嵌入式系統軟體 n 軟體系統可以進一步劃分為系統軟體、支撐軟體 和應用軟體三個層次。 u系統軟體是電腦系統中基礎的軟體系統，它包括作業 系統、編譯系統和資庫等。其中作業系統在軟體系 統的最下層，緊接著底層硬體. u支撐軟體包括網通信程式、多媒體支援軟體、硬體 介面程式、實用軟體工具以及軟體發展工具等等。網 通信程式完成電腦網通信的功能。多媒體支援軟 體協助電腦系統實現對圖形、圖像、語音和視頻等多 媒體資訊的處。硬體介面程式提供與各種電腦外部 設備的接支援。 u實用軟體工具則提供多種系統維護和操作的手段， 而軟體發展工具為程式設計人員編寫代碼提供良好 、捷的環境。 *嵌入式系統組織架構與設計58 嵌入式系統軟體 nLinux作業系統 uLinux OS之種： 桌面與伺服器形式之OS：Fedora Linux 嵌入式Linux OS：RT-Linux、uCLinux、XLinux、 紅旗嵌入式Linux *59 嵌入式系統軟體 nLinux作業系統 uLinux 系統分成三個重要的部份： 核心 Shell 工具程式(檔案結構、實用工具) u為何稱它為 Shell 呢? Shell 的本意是 “殼“ 的意 思呢! u沒錯，在核心的外面，包覆著一層外殼，用 負責接收使用者輸入的指，然後將指 解譯成核心能夠解的方式，傳給核心去執 ，再將結果傳回至預設的輸出周邊。 *嵌入式系統組織架構與設計60 嵌入式系統軟體 n嵌入式Linux 嵌入式Linux系統包含：內核核心和應用程式二部 分。 u內核核心 為應用程式提供一個虛擬之硬體平台，以統一之方 式對資源進分配。 u應用程式 負責系統之部分初始化、基本之人機介面、必要之 指等內容。 *嵌入式系統組織架構與設計61 嵌入式系統軟體 u核心 在電腦科學中，核心是作業系統最基本的部 分。 它是為眾多應用程式提供對電腦硬體的安全 訪問的一部分軟體，這種訪問是有限的，並 且內核決定一個程式在什麼時候對某部分硬 體操作多長時間。 直接對硬體操作是非常複雜的；所以核心通 常提供一種硬體抽象的方法，完成這些操 作。硬體抽象隱藏複雜的部分，為應用軟 體和硬體提供一套簡潔，統一的介面，使 程式設計為簡單。 * 嵌入式系統軟體 u核心 核心可分為四大： 單內核：它為潛在的硬體，提供大完善的硬體 抽象操作。如：Linux核心、UNIX、Windows 9x。 微內核 ：只提供很小一部分的硬體抽象，大部分 功能由一種特殊的用戶態(user mode)程式：伺服器 完成。如：MINIX 混合內核 ：它很像微內核結構，只過它的的元件 多的在內核態(supervisor mode)中運，以獲得 快的執速。如：Windows XP、Vista、NT。 外內核 ：這種內核提供任何硬體抽象操作，但是 允許為內核增加額外的函式庫(library)，通過這些 函式庫應用程式可以直接地或者接近直接地對硬體 進操作。 Linux *嵌入式系統組織架構與設計63 嵌入式系統軟體 u四大核心示意圖： 單內核微內核 混合內核 單內核結構的子： 傳統的UNIX內核， 如伯克利大學發的版 本 Linux內核 MS-DOS, Windows 9x (Windows 95, 98, Me) 微內核結構的子： AIX BeOS L4微內核系 Mach,用於GNU Hurd和 Mac OS X Minix *嵌入式系統組織架構與設計64 嵌入式系統軟體 uLinux核心 核心是系統的心臟，是執程式和管像磁片和印 表機等硬體設備的核心程式。它從使用者那裏接受 指並把指送給核心去執。 核心(kernel)指的是一個提供硬體抽象層、磁片 及檔案系統控制、多工等功能的系統軟體。一個核 心是一套完整的作業系統。一套基於Linux核心的 完整作業系統叫作Linux作業系統，或是GNU/Linux 。 Linux核心是由芬蘭之網駭客Linus Torvalds以 Andrew Stuart Tanenbaum教授(美國)所開發之MINIX OS為基礎發展而成。是由GNU組織所發布，是目前 自由軟體中最卓越之軟體程式。 Linux ： *65 嵌入式系統軟體 uLinux核心 Linux 核心的功能大致分成如下幾個部分： 進程(process)管：進程管功能負責建和撤銷 進程以及處他們和外部世界的接。同進程之 間的通信是整個系統的基本功能，因此也由核心處 。除此之外，控制進程如何共用CPU 資源的調 程式也是進程管的一部分。概括的，核心的進 程管活動就是在單個或多個CPU 上實現多進程的 抽象。 記憶體管：記憶體是電腦的主要資源之一，用 管記憶體的策是決定系統性能的一個關鍵因素 。核心在有限的可用資源上為每個進程都建一 個虛擬定址空間。核心的同部分在和記憶體管 子系統交互時使用一套相同的系統呼叫，包括從簡 單的malloc/free 到其他一些常用的系統呼叫。 Linux ： *66 嵌入式系統軟體 uLinux核心 檔案系統：Linux 在很大程上依賴於檔案系統的概 ，Linux 中的每個物件幾乎都是可以被視為檔案的 。核心在沒有結構硬體上構造結構化的檔案系統。 所構造的檔案系統籌向在整個系統中廣泛使用。另 外，Linux 支援多種檔案系統型，即在物介質上 組織的結構同。 設備控制：幾乎每個系統操作最終都會映射到物 設備上。除處器，記憶體以及其他很有限的的 幾個實體外，所有的設備控制操作都由與被控制設 備相關的程式完成。這段程式叫做設備驅動程式， 核心必須為系統中的每件外部設備嵌