第一章 嵌入式系统基础知识.ppt

嵌入式系统 信息与电气工程学院郑红党 联系方式 zhenghongdang 83885961 授课主教材介绍 ARM9嵌入式系统设计基础教程黄智伟邓月明王彦北京航空航天大学出版社 实验教材介绍 ARM9嵌入式技术及Linux高级实践教程陈赜秦贵和徐华中王磊等北京航空航天大学出版社华中科技大学武汉创维特信息技术有限公司 主要参考书 嵌入式系统开发与应用田泽编著北京航空航天大学出版社ISBN 7 81077 541 32005年1月第1版定价 54 00元简评 主要介绍嵌入式基本概念 ARM体系结构 ARM嵌入式程序设计 uCOS II操作系统 设备驱动 uCLinux操作系统 借用为宜 参考书 嵌入式系统方面 嵌入式系统设计原理及应用 符意德主编北京 清华大学出版社 2004 嵌入式计算机系统设计原理 computersascomponents principlesofembeddedcomputingsystemdesign waynewolf 机械工业出版社 2002 嵌入式系统开发圣经 探矽工作室 中国青年出版社 2002 中国矿业大学信息与电气工程学院 ARM方面 ARMArchitectureReferenceM ARMSystem on ChipArchitecture ARMSoC体系结构 田泽译北航出版社 2002 ARM嵌入式系统开发 软件设计与优化 沈建华译北航出版社 2005 ARM体系结构与编程 杜春雷编著清华大学出版社 2003 ARM嵌入式处理器结构与应用基础 马忠梅等 北航出版社 2002 中国矿业大学信息与电气工程学院 前导课程知识 基础课程计算机组成原理 微机原理与接口软件专业课程操作系统汇编语言 ANSIC 标准C JAVA硬件专业课程电子线路 数字电路 集成电路设计 教学安排 课程安排 理论 24学时 实验 8学时 考核方式 期末考试 60 课后作业 15 上机实验 15 平时出勤 10 中国矿业大学信息与电气工程学院 教学主要内容 嵌入式系统基础知识 2 嵌入式系统的开发与调试 2 ARM体系结构和指令集 8 ARM汇编语言程序设计基础ARM开发工具ARM9硬件和中断 DMA管理 2 嵌入式存储器和接口技术 4 嵌入式操作系统概论 2 2 第一章嵌入式系统基础知识 1 1嵌入系统的定义和组成嵌入式系统的定义嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的组成RTOS1 2嵌入微处理器体系结构1 3嵌入式微处理器的结构和类型1 4嵌入式系统的开发与调试 1嵌入式系统基础知识 在应用数量上 嵌入式系统远远超过了通用计算机系统平均每个家庭使用40个嵌入式处理器平均每个汽车需要35个嵌入式处理器2001年 Gartner估计存在70亿嵌入式处理器70亿嵌入式处理器占据了94 处理器市场IntelPentium MotorolaPowerPC等通用处理器 仅占6 的处理器市场 中国矿业大学信息与电气工程学院 嵌入式系统与你我 我们现实生活中已经无法离开嵌入式系统了 食 每天使用食堂的刷卡机付款行 乘坐公共汽车 汽车等出行随身携带数码相机 摄像机住 洗衣机 电冰箱等 你我身边嵌入式系统无处不在 中国矿业大学信息与电气工程学院 嵌入式系统与你我 娱乐 mp3 mp5 CD机 DVD等学习 移动硬盘 U盘等通信 手机等 你我身边嵌入式系统无处不在 中国矿业大学信息与电气工程学院 嵌入式系统的应用范围 消费电子 嵌入式应用 信息家电 智能玩具 军事电子 通信设备 移动存贮 工控设备 智能仪表 汽车电子 网络设备 工业 军事国防 电子商务 网络 中国矿业大学信息与电气工程学院 1 1嵌入式系统的定义和组成 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devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationofequipment machineryorplants 中国矿业大学信息与电气工程学院 1 1什么是嵌入式系统 国内普遍被认同的定义 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 中国矿业大学信息与电气工程学院 嵌入性 嵌入到对象体系中 有对象环境要求 专用性 软 硬件按对象要求裁减 计算机 实现对象的智能化功能 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统 三要素 嵌入 专用 计算机 嵌入式系统的特点 由三要素引出 中国矿业大学信息与电气工程学院 1 1什么是嵌入式系统 1 2嵌入式系统的发展史 嵌入式系统设计的核心部件是各种类型的嵌入式处理器 中国矿业大学信息与电气工程学院 1 以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统 一般没有操作系统的支持 通过汇编语言直接控制 二十世纪七十年代1971年11月 世界上第一片微处理器Intel4004嵌入式应用发展最重要的里程碑 其后相继推出了许多8位 16位的微处理器Intel8080 8085 8086Motorola6800 68000ZilogZ80 Z8000系列化 模块化的单板计算机 第一阶段 中国矿业大学信息与电气工程学院 2 以嵌入式CPU为基础 以简单操作系统为核心的嵌入式系统 有简单操作系统的支持 但通用性较弱 1 2嵌入式系统的发展史 二十世纪八十年代80年代初 出现了单片机Intel进一步完善了8048 在它的基础上研制成功了8051单片机其后发展的DSP产品更快地提升了嵌入式系统的技术水平1981年 第1个商业嵌入式实时内核 VTRX32 随后 出现了一些嵌入式操作系统 第二阶段 中国矿业大学信息与电气工程学院 3 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 兼容性佳 4 以Internet为标志的嵌入式系统 与Internet相结合 1 2嵌入式系统的发展史 二十世纪九十年代至今硬件方面 尤其是芯片方面的发展表现出三个特点软件方面 嵌入式操作系统出现了进一步的分化 诞生了一些嵌入式操作系统家族 跨平台的软件开发技术从通用计算机上延展到嵌入式设备上 第三阶段 第四阶段 嵌入式系统的发展趋势 硬件 优化关键算法 降低功耗软件 嵌入式操作系统便于移植源代码开放内核小执行效率网络结构开发平台 IP核 IntellectualPropertyCore 知识产权核 核库文件是集成电路的布图设计 属于知识产权的范畴 于是核库中各种核文件以及它们的集合称为知识产权 IntellectualProperty 简称IP 又由于单个知识产权是不可再分解的 所以核文件也称为知识产权核或者IP核 IPCore IntellectualPropertyCore 特别地 人们把处理器的核库文件称为处理器核 ProcessorCore IP核分类及特征 分类 软IP固IP硬IP 特征 第三方使用 按照复用原则设计 可读性强 完备的可测性 端口定义标准化 1 3嵌入式系统的组成 中国矿业大学信息与电气工程学院 软件 嵌入式处理器 接口 接口 存储器 板级支持包 嵌入式操作系统 应用程序 输入 输出 硬件 软件 1 硬件层 硬件层是由嵌入式微处理器 存储器系统 通用设备接口和I O接口 A D D A I O等 组成 在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路 时钟电路和存储器电路 ROM和SDRAM等 就构成了一个嵌入式核心控制模块 其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中 MP3随声听的硬件组成 嵌入式系统的硬件组成 嵌入式微处理器 核心存储器 ROM RAM FlashROM I O设备电源模块复位 中国矿业大学信息与电气工程学院 与普通计算机硬件不同之处 嵌入式系统之最小系统 嵌入式系统之接口模块 USB模块LCD模块键盘模块 硬件可裁剪 嵌入式系统的软件组成 应用软件层 应用程序 中国矿业大学信息与电气工程学院 中间层 板级支持包 BSP 与硬件相关的底层驱动软件 系统软件层 嵌入式操作系统 是嵌入式应用软件的基础和开发平台 嵌入式系统的出现 解决了嵌入式软件开发标准化的难题 通用性强 可靠性强 2 中间层 中间层也称为硬件抽象层 HardwareAbstractLayer HAL 或板级支持包 BoardSupportPackage BSP 它把系统软件与底层硬件部分隔离 使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关 BSP具有以下两个特点 1 操作系统相关性2 硬件相关性设计一个完整的BSP需要完成两部分工作 嵌入式系统的初始化 片级初始化 板级初始化和系统级初始化设计硬件相关的设备驱动 3 软件层 软件层由实时多任务操作系统 RTOS 文件系统 图形用户接口 GUI 网络系统及通用组件模块组成 RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台 RTOS实际上是一段嵌入式目标代码中的程序 系统复位后首先执行 相当于用户的主程序 用户的其他应用程序都建立在RTOS之上 RTOS是一个标准的内核 它将CPU时钟 中断 I O 定时器等资源都封装起来 留给用户的是一个标准的API函数接口 4 应用层 功能层与执行装置 功能层 由基于RTOS开发的应用程序组成 用来完成对被控对象的控制功能 功能层是面向被控对象和用户的 为方便用户操作 往往需要提供一个友好的人机界面 执行装置 是指那些可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令 执行所规定的操作或任务的设备和装置 在不同的应用领域中 嵌入式系统的执行装置一般是不同的 应该根据具体的应用场合和系统所要求实现的功能选择不同的设备和执行装置 1 4RTOS RTOS Real timeoperatingsystem 实时系统 在航空 航天 工业过程控制 武器防御系统 自动化导航 控制系统 医疗 信息检索 银行 多媒体系统等领域广泛应用 不仅执行结果要正确 而且必须在一定的时间约束 deadline 内完成 1 4 1RTOS的定义 RTOS是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部 同步或异步时间做出响应的系统 系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据 1 4 2RTOS的特点 约束性时间约束 软实时和硬实时 资源约束执行顺序约束性能约束可预测性可靠性交换性 1 4 3RTOS的调度技术 抢占式调度和非抢占式调度抢占式 任务有优先级 实时性好 反应快 调度算法相对简单上下文切换多非抢占式 不允许任务执行期间被中断上下文切换少资源利用率低 可调度性不好静态表驱动策略和优先级驱动策略静态表驱动策略 运动时刻表优先级驱动策略 按照任务优先级确定执行顺序 2嵌入式微处理器体系结构 冯 诺依曼体系结构与哈佛结构精简指令集计算机流水线技术信息存储的字节顺序 冯 诺依曼体系结构 2嵌入式微处理器体系结构 哈佛体系结构 冯 诺依曼体系结构模型 指令寄存器 控制器 数据通道 输入 输出 中央处理器 存储器 程序 指令0 指令1 指令2 指令3 指令4 数据 数据0 数据1 数据2 中国矿业大学信息与电气工程学院 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 冯 诺依曼体系结构的特点 ARM7 冯 诺依曼体系结构 中国矿业大学信息与电气工程学院 指令寄存器 控制器 数据通道 输入 输出 中央处理器 程序存储器 指令0 指令1 指令2 数据存储器 数据0 数据1 数据2 地址 指令 地址 数据 哈佛体系结构 中国矿业大学信息与电气工程学院 1 程序存储器与数据存储器分开2 提供了较大的存储器带宽3 适合于数字信号处理4 大多数DSP都是哈佛结构 ARM9 哈佛体系结构 哈佛体系结构的特点 中国矿业大学信息与电气工程学院 CISC 复杂指令集计算机 ComplexInstructionSetComputer 具有大量的指令和寻址方式2 8规律大多数程序只使用少量的指令就能够运行 RISC 精简指令集计算机 ReducedInstructionSetComputer 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 2 2CISC和RISC技术 中国矿业大学信息与电气工程学院 RISC体系结构特点 指令集中的大多数指令只需要执行简单和基本的功能 减少存储器访问指令 芯片逻辑采用硬布线逻辑 减少指令数和寻址方式指令译码简化 典型的高性能RISC处理器 MIPS公司的SGI MIPS 1986 SUN公司的SPARC 1987 HP公司的PA RISC IBM Motorola公司的PowerPCDEC Compac公司的AlphaAXPIBM的RS6000 1990 第一台SuperscalarRISC机 中国矿业大学信息与电气工程学院 CISC与RISC的对比 中国矿业大学信息与电气工程学院 二级流水 串行执行 取指令取指令单元完成 总有一个部件空闲 指令预取 若取指和执行阶段时间上完全重叠 指令周期减半速度提高1倍 执行指令执行指令单元完成 2 3流水线技术 中国矿业大学信息与电气工程学院 2 3流水线技术 流水线 Pipeline 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 流水线 pipeline 是Intel首次在486芯片中开始使用的 流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线 InstructionFetch Shift ALU MemoryAccess RegWrite RegRead RegDecode FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE ARM9TDMI ARMorThumbInstDecode RegSelect RegRead Shift ALU RegWrite Thumb ARMdecompress ARMdecode InstructionFetch FETCH DECODE EXECUTE ARM7TDMI 三级流水线 五级流水线 2 3指令流水线 中国矿业大学信息与电气工程学院 指令取指 移位 ALU 寄存器写 寄存器读 寄存器译码 FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE ARM9TDMI ARM或Thumb指令解码 ARM10 指令地址生成 移位 ALU 数据Cache接口 寄存器写 FETCH DECODE EXECUTE MEMORY WRITE 寄存器读 结果前向迁移 记分板 乘法 乘加 协处理器数据接口 分支预测 指令取指 ISSUE 寄存器访问 数据 分支地址生成 ARM或Thumb指令解码 协处理器指令发出 五级流水线 2 3指令流水线 六级流水线 中国矿业大学信息与电气工程学院 中国矿业大学信息与电气工程学院 超标量执行 超标量技术 通过重复设置多套指令执行部件 同时处理并完成多条指令 实现并行操作来达到提高处理速度的目的 控制 指令1 寄存器 指令单元 指令单元 指令2 ARM体系中的存储空间 中国矿业大学信息与电气工程学院 2 4信息存储的字节顺序 ARM体系使用单一的平板地址空间 地址空间大小个8位的字节 其单元地址为无符号的32位数 范围为0 ARM体系的也可视为地址空间大小个32位的字 其单元地址为无符号的30位数 范围为0 地址为A的字数据包括A A 1 A 2 A 3中的4字节内容 ARM体系的也可视为地址空间大小个16位的半字 其单元地址为无符号的31位数 范围为0 地址为A的字数据包括A A 1中的2字节内容 处理器将存储器看作是一个从0开始的线性递增的字节集合 字节0到3保存第1个存储的字字节4到7保存第2个存储的字字节8到11保存第3个存储的字依此类推 字节 字节 字节 字节 地址A A 1 A 2 A 3 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 字节 0 4 8 2 4信息存储的字节顺序 存储器格式 地址空间的规则 位于地址A的字包含的字节位于地址A A 1 A 2和A 3 位于地址A的半字包含的字节位于地址A和A 1 位于地址A 2的半字包含的字节位于地址A 2和A 3 位于地址A的字包含的半字位于地址A和A 2 2 4信息存储的字节顺序 存储器系统有两种映射机制 小端存储器系统 在小端格式中 高位数字存放在高位字节中 因此存储器系统字节0连接到数据线7 0 低位对齐 大端存储器系统 在大端格式中 高位数字存放在低位字节中 因此存储器系统字节0连接到数据线31 24 高位对齐 存储器格式 2 4信息存储的字节顺序 一个基于ARM内核的芯片可以只支持大端模式或小端模式 也可以两者都支持 通常 小端模式是ARM处理器的默认形式 在ARM指令集中不包含任何直接选择大小端的指令 但是一个同时支持大小端模式的ARM芯片可以通过硬件配置 一般使用芯片的引脚来配置 来匹配存储器系统所使用的规则 存储器格式 注意 如果实际的存储器格式与芯片的存储器格式不符时 只有以字为单位的数据存取才正确 否则将出现不可预期的结果 2 4信息存储的字节顺序 3嵌入式处理器的结构和类型 中国矿业大学信息与电气工程学院 分类 嵌入式微控制器 MicroControllerUnit 嵌入式微处理器 EmbeddedMicroProcessorUnit 嵌入式DSP处理器EDSP EmbeddedDigitalSignalProcessor 嵌入式片上系统SoC SystemonChip 多核处理器 嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中芯片内部集成ROM EPROM RAM 总线 总线逻辑 定时 计数器 Watchdog I O 串行口等各种必要功能和外设 特点 一个系列的微控制器具有多种衍生产品 单片化 体积大大减小 功耗和成本降低 可靠性提高 是目前嵌入式工业的主流 约占嵌入式系统70 的份额 多是8位和16位处理器流行的嵌入式微控制器通用系列 8051 MCS251 MCS 96 196 296半通用系列 支持I2C CANBUS及众多专用MCU和兼容系列 嵌入式微控制器 MCU 中国矿业大学信息与电气工程学院 嵌入式微处理器 MPU 嵌入式微处理器就是和通用计算机的处理器对应的CPU 可以认为是 增强型 通用微处理器