嵌入式系统简介PPT课件

嵌入式系统简介 一 嵌入式系统介绍 1 嵌入式系统定义定义 以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件可裁剪 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 嵌入式系统有时也称为嵌入式计算机系统 指的是专用计算机系统 个人电脑 嵌入式系统 一 嵌入式系统介绍 2 系统特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术以及电子技术与各行业的具体应用相结合的产物 嵌入式系统通常是面向用户 面向产品 面向特定应用的 嵌入式系统CPU都具有功耗低 体积小 集成度高等特点 能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而使整个系统设计趋于小型化 移动能力日益增强 与网络的关系也越来越密切 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 其升级换代也是和具体产品同步进行的 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 就具有较长的生存周期 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中 而不是存储于磁盘等载体中 嵌入式系统本身并不具备在其上进一步开发的能力 一 嵌入式系统介绍 3 发展历程嵌入式计算机系统与通用计算机系统目前属于计算机技术的两大分支 第一阶段 单片微型计算机 SCM 阶段 即单片机时代 这一阶段的嵌入式系统硬件是单片机 软件停留在无操作系统阶段 采用汇编语言实现系统的功能 这阶段的主要特点是 系统结构和功能相对单一 处理效率低 存储容量也十分有限 几乎没有用户接口 一 嵌入式系统介绍 第二阶段 微控制器 MUC 阶段 主要的技术发展方向是 不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接口电路 突显其对象的智能化控制能力 这一阶段主要以嵌入式微处理器为基础 以简单操作系统为核心 主要特点是硬件使用嵌入式微处理器 微处理器的种类繁多 通用性比较弱 系统开销小 效率高 软件采用嵌入式操作系统 这类操作系统有一点的兼容性和扩展性 这个阶段的嵌入式产品的应用软件比较专业化 用户界面不够友好 一 嵌入式系统介绍 第三阶段 片上系统 SOC 主要特点是 嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上 兼容性好 操作系统的内核小 效果好 第四阶段 以Internet为标志的嵌入式系统 嵌入式网络化主要表现在两个方面 一方面是嵌入式处理器集成了网络接口 另一方面是嵌入式设备应用于网络环境中 二 嵌入式系统结构 1 基本结构嵌入式系统的基本结构一般可分为硬件和软件两部分 1 1嵌入式系统的硬件包括嵌入式核心芯片 存储器系统及外部接口 二 嵌入式系统结构 1 1 1处理器嵌入式处理器 是构成系统的核心部件 系统工程中的其他部件均在它的控制和调度下工作 处理器通过专用的接口获取监控对象的数据 状态等各种信息 并对这些信息进行计算 加工 分析和判断并作出相应的控制决策 再通过专用接口将控制信息传送给控制对象 二 嵌入式系统结构 1 1 2嵌入式存储器存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能 因此存储器的选择非常重要 无论系统是采用电池供电还是由市电供电 应用需求将决定存储器的类型 易失性或非易失性 以及使用目的 存储代码 数据或者两者兼有 对于较小的系统 微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求 而较大的系统可能要求增加外部存储器 为嵌入式系统选择存储器类型时 需要考虑一些设计参数 包括微控制器的选择 电压范围 电池寿命 读 写速度 存储器尺寸 存储器的特性 擦除 写入的耐久性以及系统总成本 二 嵌入式系统结构 1 1 3嵌入式系统的输入 输出接口一般嵌入式处理器上集成了输入 输出接口 但是外设需要外接 例如 大多数的嵌入式通信控制器集成了以太网接口 但是收发器需要外部电路 二 嵌入式系统结构 2软件系统嵌入式系统的软件主要包括两大部分 嵌入式操作系统和应用软件 嵌入式系统软件层次结构 二 嵌入式系统结构 2 1BSP 板级支持包 板级支持包 BSP 是介于主板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层 一般认为它属于操作系统一部分 主要是实现对操作系统的支持 为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包 使之能够更好的运行于硬件主板 在嵌入式系统软件的组成中 就有BSP 一 嵌入式系统介绍 2 2操作系统嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分 是嵌入式系统的灵魂 经历了4个比较明显的阶段 第一阶段 无操作系统的嵌入算法阶段 通过汇编语言编程对系统进行直接控制 第二阶段 以嵌入式CPU为基础 简单操作系统为核心的嵌入式系统 第三阶段 通用的嵌入式实时操作系统阶段 该阶段以嵌入式操作系为核心 第四阶段 以基于Internet为标志的嵌入式系统 这还是一个正在发展的阶段 二 嵌入式系统结构 嵌入式操作系统一般具有体积小 实时性强 可剪裁 可靠性高 功耗低等特点 实时性是嵌入式系统最重要的要求之一 实时操作系统又分为软实时和硬实时两种 常用的嵌入式操作系统有 VxWorks WindowsCE 嵌入式Linux 嵌入式实时内核uC os等 二 嵌入式系统结构 2 3应用软件嵌入式系统领域的应用软件是为了解决某些特定的应用性问题而设计出来的软件 如浏览器 播放器等 嵌入式系统的应用软件与通用计算机软件相比 由于嵌入式系统的资源有限 致使对应用软件有更多苛求 要求尽量做到高效 低耗 而且嵌入式系统的应用软件还存在着操作系统的依赖性 一般情况下 不同操作系统之间的软件必须进行修改才能移植 甚至需要重新编写 二 嵌入式系统结构 3处理器嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器 实际上 处理单元的种类很多 包括嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 数字信号处理器 可编程器件及其组合 嵌入式处理器运行嵌入式系统的系统软件和应用软件 嵌入式处理器有如下的共性 1 处理器内核 内部 2 地址总线 3 数据总线 4 控制类总线 5 处理器本身的辅助支持电路 如时钟 复位等 6 片上I O接口电路 二 嵌入式系统结构 嵌入式系统的硬件子系统包括处理器子系统 存储器子系统 附属电路 I O子系统 它们之间通过系统总线连接在一起 形成一个专用的计算机系统 嵌入式系统 嵌入式系统硬件的设计围绕嵌入式处理器进行 嵌入式系统的硬件体系结构 二 嵌入式系统结构 3 1嵌入式处理器的分类1 嵌入式微控制器 EMCU 嵌入式微控制器又称单片机 就是将整个计算机系统集成到一块芯片中 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心 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 脉宽调制输出 A D D A FlashRAM等各种必要功能和外设 目前 比较知名的嵌入式微控制器有Intel公司的MCS 51系列 Freescale公司的68HCXX系列 Microchip的PIC系列等 二 嵌入式系统结构 嵌入式微处理器 EMPU 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU 与嵌入式微控制器相比 嵌入式微处理器的处理能力比较强 字长一般是16位或32位 如ARM Atmel Intel Freescale NationalSemiconductors等公司推出了许多可用的嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的特点如下 1 需要扩展 要使用嵌入式微处理器来设计开发嵌入式系统 一般需要大量的外围电路 包括存储器和I O接口电路 2 处理能力一般大于微控制器 由于集成的外部接口比较少 通常嵌入式微处理器的处理能力较强 芯片上集成了处理器内核 通常具有更高的时钟频率和较宽的字长 3 寻址能力大于微控制器 4 一般适用于高端应用 5 型号多 6 通用性强 二 嵌入式系统结构 3 嵌入式DSP处理器 EDSP DSP是特别为处理信号设计的处理器 而不是为一般应用设计的 对系统结构和指令进行了特殊设计 使其适合于执行DSP算法 编译效率较高 指令执行速度也较高 DSP体系结构需要具备以下特点 1 能够非常快速地计算出总和的乘加 MAC 模块 而通用处理器可能要花费多个周期才能计算出一个乘积 2 支持通过移位操作完成对位的处理 3 独立的地址生成单元产生存储器单元的地址 这样使访问存储器变得更加快速 4 专门的硬件实现循环 通过硬件可以增加循环计数器 将计数值与最终目标值进行比较 执行循环之后再转到循环顶部等 二 嵌入式系统结构 3 2嵌入式处理器的构架标准的嵌入式系统架构有两大体系 精简指令集计算机 reducedinstructionsetcomputer RISC 处理器复杂指令集计算机 complexinstructionsetcomputer CISC 处理器 这两种指令集结构的重要区别之一是其指令功能的强弱不同 二 嵌入式系统结构 3 2 1CISC计算机指令集CISC结构追求的目标是强化指令功能 减少程序的指令条数 从而达到提高性能的目的 CISC体系的设计思想就是基于使用大量的指令 包括复杂指令 它的优点是进行程序设计比较容易 因为每一个简单的或者复杂的操作都有相应的指令 如为了适应所处理数据的不同长度 CISC设计有8位 16位甚至32位的指令 还有专门用于浮点数运算的指令 对程序设计者来书 CISC系统可用简单的指令组合解决一个比较复杂的问题 CISC指令系统趋于多用途 强功能化 且面向高级语言发展 但它又把指令系统带向庞大化 复杂化 使得设计处理器的电路非常复杂 设计周期长 难保正确性 维护困难 二 嵌入式系统结构 3 2 2RISC计算机指令集在对各条指令使用频率的统计分析中发现 最常使用的是一些比较简单的指令 而这些指令数占指令总数的20 但它们在程序中出现的频率却占80 这个结论后来被称为 20 对80 率 因此如果从指令系统中去掉一些不常用的指令 特别是那些复杂的指令就可以降低处理器电路的复杂程度 使处理器以更快的速度 更高的频率运行 从而提高整个计算机的执行速度 根据这个设计指导思路设计出来的处理器被称为精简指令集计算机系统即RISC 二 嵌入式系统结构 RISC机的特点 选取一些使用频率高 很有用但不复杂的简单指令 指令长度固定 指令格式种类少 寻址方式种类少 只有取数 存数指令会访问存储器 其余指令的执行都在寄存器之间进行 即限制内存访问 CPU中通用寄存器数量相当多 大部分指令在一个机器周期内完成 采用流水线组织 以硬布线控制逻辑为主 不用或少用微程序控制 特别重视编译工作 以简单有效的方式支持高级语言 减少程序执行时间 二 嵌入式系统结构 RISC和CISC的差异 指令系统 RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上 尽量使它们具有简单高效的特色 对不常用的功能 常通过组合指令来完成 因此 在RISC机器上实现特殊功能时 效率可能比较低 但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补 而CISC计算机的指令系统比较丰富 由专用指令完成特定的功能 因此 处理特殊任务效率较高 存储器操作 RISC对存储器操作有限制 使控制简单化 而CISC机器的存储器操作指令多 操作直接 程序 RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间 实现特殊功能时程序复杂 不易设计 而CISC汇编语言程序编程相对简单 科学计算及复杂操作的程序设计相对容易 效率较高 中断 RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断 而CISC机器是在指令执行结束后相应中断 CPU RISC处理器包含有较少的单元电路 因而面积小 功耗低 而CISC处理器包含有丰富的电路单元 因而功能强 面积大 功耗大 二 嵌入式系统结构 设计周期 RISC微处理器结构简单 布局紧凑 设计周期短 且易于采用最新技术 CISC微处理器结构复杂 设计周期长 用户使用 RISC微处理器结构简单 指令规整 性能容易把握 易学易用 CISC微处理器结构复杂 功能强大 实现特殊功能容易 应用范围 由于RISC指令系统的确定与特定的应用领域有关 故RISC机器更适合于专用机 主要应用于ARM系列 而CISC机器则更适合于通用机 主要应用于Intelx86系列 从以上的比较来看 RISC与CISC各有优势 而RISC的实用性则更强一些 应该是未来处理器架构的发展方向 但事实上 由于早期的很多软件是根据CISC设计的 单纯的RISC将无法兼容 此外 现代的CISC结构CPU已经融合了很多RISC的成分 如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势 其性能差距已经越来越小 而复杂的指令可以提供更多的功能 这是程式设计所需要的 因此 CISC与RISC的融合应该是未来的发展方向 目前RISC的架构主要有 ARC架构 ARM架构 MIPS架构 PowerPC架构以及Tensilica架构 CISC的架构主要有 x86架构 AMD架构 二 嵌入式系统结构 3 3嵌入式处理器的技术指标主要从以下几方面考虑 1 功能 主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种类 2 字长 指参与运算的数的基本位数 决定了寄存器 运算器和数据总线的位数 因而直接影响硬件的复杂程度 处理器的字长越长 它包含的信息量越多 能表示的数值有效位数越多 计算精度也越高 通常处理器可以有4 8 16 32 64位等不同的字长 3 处理速度 目前普遍采用在单位时间内各类指令的平均执行条数 即根据各种指令的使用额度和执行时间来计算 取其倒数即得到该处理器的运算速度指标 其单位为百万条指令每秒 表示为MIPS 二 嵌入式系统结构 4 工作温度 从工作温度方面考虑 嵌入式处理器通常分为民用 工业用 军用 航天等几个温度级别 5 功耗 嵌入式处理器通常给出几个功耗指标 如工作功耗 持机功耗等 许多嵌入式处理器还给出功耗与工作频率之间的关系 表示为Mw Hz或W Hz 6 寻址能力 嵌入式处理器的寻址能力取决于处理器地址线的数目 处理器的处理能力与寻址能力有一定的关系 注 对于嵌入式微控制器而言 寻址能力的意义不大 因为嵌入式微控制器通常集成了程序存储器和数据存储器 一般不能进行扩展 7 平均失效间隔时间 MTBF 是指在相当长的运行时间内 机器工作时间除以运行期间故障次数 它是一个统计值 用来表示嵌入式系统的可靠性 MTBF值越大 表示可靠性越高 二 嵌入式系统结构 3 4典型的嵌入式处理器ARM处理器ARM简介ARM advancedRISCmachine 既可认为是一个公司的名称 又可以认为是对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名称 ARM公司成立于1991年 主要出售芯片设计技术 目前 采用ARM技术知识产权 IP 核的微处理器 即通常所说的ARM处理器 已遍及工业控制 消费类电子产品 通信系统 网络系统 无线系统等各类产品市场 基于ARM技术的微处理器应用占据32位RISC微处理器75 以上的市场份额 目前 全世界有几十家大的半导体公司使用ARM公司的授权 因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具 制造 软件的支持 又使整个系统成本降低 从而使产品更容易进入市场被消费者所接受 这样产品更具有竞争力 二 嵌入式系统结构 2 ARM处理器的应用领域及特点ARM处理器系列提供的解决方案包括以下3点 1 在无线 消费类电子和图像应用方面的开放平台 2 存储 自动化 工业和网络应用的嵌入式实时系统 3 智能卡和SIM卡的安全应用 ARM处理器一般具有如下特点 1 小体积 低功耗 低成本 高性能 2 支持Thumb 16位 ARM 32位 双指令集 能很好地兼容8位 16位器件 3 大量使用寄存器 指令执行速度更快 4 大多数数据操作都在寄存器中完成 5 寻址方式灵活简单 执行效率高 6 指令长度固定 二 嵌入式系统结构 3 ARM处理器系列ARM处理器当前有以下产品系列 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11和SecurCore 进一步的产品来自于合作伙伴 例如IntelXScale微体系结构和StrongARM产品 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11是通用处理器系列 每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗 性能和体积得需求 SecurCore是专门为安全设备而设计的 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM11产品系列提供了一系列处理器供用户选择 其中包括用于低价位应用的整型内核 用于WindowCE操作系统的 带集成存储器管理单元 MMU 的内核 最适用于运行实时嵌入