嵌入式系统组织架构与设计概述(ppt 183页).ppt

2020/6/3,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,98.02.19,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,2,課程大綱,第一章嵌入式系統概述第二章嵌入式系統作業環境與系統開發程第三章嵌入式系統Xscale微架構之系統結構第四章Xscale指令系統第五章XscalePXA270應用處理器結構和使用方法實作PXA270結構與特性時脈與電源管理系統整合單元LCD控制UART控制USB控制GPIO控制,2020/6/3,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,98.02.19,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,4,第一章課程大綱,嵌入式系統概述嵌入式系統特性嵌入式系統體系架構嵌入式系統之發展嵌入式系統軟體Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺嵌入式系統硬體IntelXscaleSOC系列IntelXscale實驗平台,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,5,前言,碩大便是美正好與IA(InformationAppliance)求小而美、小而省是背道而馳。半導體電子發展趨勢是符合摩爾定律資訊載具上之資訊軟體研發，具有量身訂做之特性，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。多產業標準並存之網路架構以及互動性、相容性高之系統軟體變成為研發廠商開發之首要目標：節省人力成本配合嵌入式系統多功能化求新、求變,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,6,計算機科學(ComputerScience),ComputerScience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。中國算盤(abacus)，遠古就應用在計算上。,資訊理論資訊理論,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,7,計算機科學(ComputerScience),Computerscience,orcomputingscienceItisthestudyofthetheoreticalfoundationsofinformationandcomputationandtheirimplementationandapplicationincomputersystems.Computation:Itisageneraltermforanytypeofinformationprocessingthatcanberepresentedmathematically.Computationisaprocessfollowingawell-definedmodelthatisunderstoodandcanbeexpressedinanalgorithm,protocol,networktopology,etc.,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,8,計算機科學(ComputerScience),Information:Generallyspeaking,theconceptofinformationiscloselyrelatedtonotionsofconstraint,communication,control,data,form,instruction,knowledge,meaning,mentalstimulus,pattern,perception,andrepresentation.Informationisthewritingofknowldgeofanysubject.Informationisthestateofasystemofinterest.Messageistheinformationmaterialized.,TheASCIIcodesforthewordWikipediarepresentedinbinary,thenumeralsystemmostcommonlyusedforencodingcomputerinformation.,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,9,InformationprocessingmaymorespecificallybedefinedintermsbyClaudeE.Shannonastheconversionoflatentinformationintomanifestinformationcitationneeded.Latentandmanifestinformationisdefinedthroughthetermsofequivocation(remaininguncertainty,whatvaluethesenderhasactuallychosen),dissipation(uncertaintyofthesenderwhatthereceiverhasactuallyreceived)andtransformation(savedeffortofquestioning-equivocationminusdissipation)citationneeded.PracticalInformationProcessingcanbedescribedasacycle,wheredata(whichmayhavenoinherentmeaningtotheobserver)isconvertedintoinformation(whichdoeshavemeaningtotheobserver).Thisconversiontakesoneofthreeforms:Computationutilizesmathematics(specificallyarithmetics)tocreatetheinformationfromdata.Example:acashregister(eithermechanicalordigital)usesadditiontoconverttheindividualitemprices(data)intothetotalamountowedtothestore(information).Transductionistheconversionofonetypeofenergyintoanothertype.Example:Amechanicalspeakerconvertsanelectricsignal(data)intosoundwaves(information).Translationistheconversionofastringofsymbolsfromonesetintoanother.Example:apersonfluenttwolanguagescouldrewriteadocumentthatiswritteninalanguagethattheobserverdoesnotunderstand(data)intoalanguagethattheobserverdoesunderstand(information).NotethattranslationistheonlyInformationprocessingformthatcannotyetbeperformedpurelybyamachine.Itrequiresanorganicbrain(someelectroniccomputerprogramscantranslatebutinrealitytheyareusingcomplexprograms,whichactuallyrelysolelyoncomputationtocompletetheprocess).,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,10,計算機科學(ComputerScience),計算機科學研究的課題：電腦程式能做什麼和不能做什麼（可計算性）如何使程式更高效的執行特定任務（演算法和複雜性理論）程式如何存取不同類型的資料（資料結構和資料庫）程式如何顯得更具有智慧（人工智慧）；人類如何與程式溝通（人機互動和人機界面）,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,11,計算機科學(ComputerScience),電腦(計算機)科學的大部分研究是基於“杜林機”(TuringMachine)和“馮范紐曼電腦”(JohnvonNeumann)的，它們是絕大多數實際機器的計算模型。西元1937年，亞蘭杜林（AlanTuring）提出了TuringMachine的概念。TuringMachineTuringmachinesareextremelybasicabstractsymbol-manipulatingdeviceswhich,despitetheirsimplicity,canbeadaptedtosimulatethelogicofanycomputerthatcouldpossiblybeconstructed.Thoughtheywereintendedtobetechnicallyfeasible,Turingmachineswerenotmeanttobeapracticalcomputingtechnology,butathoughtexperimentaboutthelimitsofmechanicalcomputation;thustheywerenotactuallyconstructed.Studyingtheirabstractpropertiesyieldsmanyinsightsintocomputerscienceandcomplexitytheory.,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,12,計算機科學(ComputerScience),TuringMachine艾倫杜林的“通用電腦器”(“universalcomputingmachine”)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。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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,13,計算機科學(ComputerScience),VonNeumannorStoredprogramComputer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。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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,14,計算機的通用架構,西元1945年范紐曼模式（vonNeumannModel）最主要的精神在於儲存程式（storedprogram）的概念,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,15,uProcessor架構Intel80386為例,Blockdiagramofthei386,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,16,計算機科學(ComputerScience),計算機系統層次結構從功能上看，現代電腦系統可分為五個層次級別，每一層都能進行程式設計。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。由機器硬體直接執行微指令。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令來編寫，那麼可在這一級上運行應用程式。一般機器級也稱為機器語言級，它由微程式解釋機器指令系統。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行。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,17,計算機科學(ComputerScience),作業系統級由作業系統程式實現。這些作業系統由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是作業系統定義和解釋的軟體指令，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理和統一調度，它支撐著其他系統軟體和應用軟體，使電腦能夠自動運行，發揮高效率的特性。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行。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；如果應用程式不採用組合語言編寫，則這一級可以不要。高階語言級導向用戶，為方便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行。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,18,計算機科學(ComputerScience),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，同時也受到運行在下面各級上的程式的支援。第一級到第三級編寫程式採用的語言，基本是二進位數字字化語言，機器執行和解釋容易。第四、五兩級編寫程式所採用的語言是符號語言，用英文字母和符號來表示程式，因而便於大多數不瞭解硬體的人們使用電腦。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,19,計算機系統層次結構,Ring0,Ring1,Ring2,Ring3,Ring4,Ring5,Ring6,Ring0：硬體邏輯Ring1：程序控制Ring2：作業系統(OS)Ring3：匯編程序Ring4：高級語言匯編或解釋程序Ring5：應用程序Ring6：應用系統羅及模型,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,20,計算機系統層次結構,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,21,計算機科學(ComputerScience),ComputerScience與資訊工程(InformationEngineering)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（computersciencedepartments）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,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,22,摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登摩爾（GordonMoore）提出來的。其內容為：積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，而價格下降一半；或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。1這一定律揭示了資訊技術進步的速度。,計算機科學(ComputerScience),2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,23,第一章課程大綱,嵌入式系統概述嵌入式系統特性嵌入式系統體系架構嵌入式系統之發展嵌入式系統軟體Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺嵌入式系統硬體IntelXscaleSOC系列IntelXscale實驗平台,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,24,嵌入式系統概述,嵌入式系統特性何謂嵌入式系統？何謂系統：根據一個固定之計畫、一個程式或一系列的規則，處理執行一個或多個工作之方法，系統也可以是根據計畫或程式來整合所有硬體的協同工作。例如：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，處理一些不需由人們來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，執行特種功能。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(InformationTechnology)之最終產品。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,25,嵌入式系統概述,嵌入式系統特性何謂嵌入式系統？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、機器和設備執行之裝置，亦可說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更新、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,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,26,嵌入式系統概述,嵌入式系統特性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。高效率、穩定之系統先進之電腦、半導體和電子等技術融合一體。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、更新。不易被竊取和高安全性嵌入式系統本身不具有自主開發之能力，一般使用者無法對其中功能進行修改，必須有一套開發工具與環境才能進行開發，如硬體模擬之ICE或軟體模擬之ADS(ARMDeveloperSuite)、RealViewDeveloperSuite等。容易操作微型化,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,27,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構早期應用於軍事、航空航太為主，逐步轉移工業控制、汽車電子、通訊及家用消費等領域。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：處理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EEPROMBootloaderVs.BIOS,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,28,第一章課程大綱,嵌入式系統概述嵌入式系統特性嵌入式系統體系架構嵌入式系統之發展嵌入式系統軟體Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺嵌入式系統硬體IntelXscaleSOC系列IntelXscale實驗平台,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,29,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構重要名詞解釋uprocessorSOCICEMIPSPIPELINE結構作業系統指令主頻MMC,2020/6/3,30,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構嵌入式系統架構圖,嵌入式系統採用“量身訂作”的方式，把所需要之功能嵌入至各種應用系統中，隨應用形式之不同，區分：IP（IntellectualProperty）級-系統級晶片SOC（SystomonChip）的形式晶片級-目前嵌入式系統最常見的形式模組級-常出現在工業控制和儀器儀表中,2020/6/3,31,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構IP（IntellectualProperty）級-系統級晶片SOC在一個矽晶片上實現一個更為複雜系統各種通用處理器核心將成為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路板將變得很簡潔，對於減小體積和功率消耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分為通用和專用兩類：專用SOC通常用於某類系統中，而不為一般用戶所知。通用型SOC如：ARM系列晶片元件。,2020/6/3,32,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構晶片級嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,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理器內核為核心，晶片內部整合。ROM/EPROM、RAM、匯流排、匯流排邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串列埠、脈寬調變輸出、類比轉數位(A/D)、數位轉類比(D/A)、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和週邊設備。為適應不同的應用需求，一個單晶片系列具有許多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核心都是一樣的，不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，因而使功率消耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統工業的主流。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。市佔率約70的嵌入式市場。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,33,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)系統結構和指令進行了特殊的設計，使其適合於執行DSP演算法，提高編譯效率和指令執行速度。DSP應用正從以普通指令實現DSP功能的通用單晶片中，過渡到採用嵌入式DSP處理器。,2020/6/3,34,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構模組級-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理器(CPU)裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用相關的母板功能在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種加強。具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點在電路板上必須包括ROM、RAM、匯流排界面、和各種週邊設備，因而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差嵌入式微處理器及其記憶體、匯流排、週邊設備等安裝在一塊電路板上，亦稱之為單板電腦。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,35,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM簡介AdvanceRISCMachine,ARM是一個公司名，已可說是微處理器之通稱，例如：SONYARM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，不從事晶片生產，賣轉讓設計許可。ARM微處理器之應用領域：工業控制無線通訊網路應用消費類電子影像與安全類產品,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,36,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM微處理器之特點體積小、低功耗、低成本、高性能支援16/32位元等級之微處理器大量使用微處理器，指令執行速度快大多數指令操作是在暫存器中執行。定址方式靈活簡單，執行效率高。指令長度固定,2020/6/3,37,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM微處理器系列通用型：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10EIntel的StrongARM、Xscale等。專用型：SecurCoreARM提供一系列方案：CPU內核小型、快速、低能耗、ARM指令集Thumb指令集之整合式RISC內核，採用多層管線(Pipeline)架構，以增進處理效能。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量非常小。嵌入式ICE調校由於整合了類似於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了極大的簡化。微處理器,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,38,Thumb指令集是ARM指令集之一個子集，允許指令編碼為16為元之長度，其優勢是節省系統儲存之空間。Thumb指令集可支援ARM指令，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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,39,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM7微處理器具有嵌入式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WindowsCE、Linux、PalmOS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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,40,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM7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。ARM7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。TDMI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。ARM7不具有MMU功能。,2020/6/3,41,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM9微處理器：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WindowsCE、Linux、PalmOS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。ARM9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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,42,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM9E微處理器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。ARM9E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；,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,43,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM9E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WindowsCE、Linux、PalmOS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。ARM9E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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,44,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構ARM10E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。ARM10E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；,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,45,嵌入式系統概述,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WindowsCE、Linux、PalmOS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。ARM10E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。它包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種型。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,46,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構SecurCore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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,47,嵌入式系統概述,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、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種型。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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,48,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構StrongARM微處器系IntelStrongARMSA-1100以及IntelStrongARMSA-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。IntelStrongARM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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,49,嵌入式系統概述,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系列核心之功能亦有不同，其較大差異說明如后：作業系統：WinCE或標準Linux作業系統，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（MemoryManagementUnit）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WindowsCE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、WindowsCE和uC/OS-II等作業系統。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,50,嵌入式系統概述,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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,51,嵌入式系統概述,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。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。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,52,第一章課程大綱,嵌入式系統概述嵌入式系統特性嵌入式系統體系架構嵌入式系統之發展嵌入式系統軟體Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺嵌入式系統硬體IntelXscaleSOC系列IntelXscale實驗平台,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,53,嵌入式系統概述,嵌入式系統體系架構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路成為必然趨勢支援小型電子設備實現小尺寸、低功率和低成本提供精巧的多媒體人機界面,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,54,第一章課程大綱,嵌入式系統概述嵌入式系統特性嵌入式系統體系架構嵌入式系統之發展嵌入式系統軟體Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺嵌入式系統硬體IntelXscaleSOC系列IntelXscale實驗平台,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,55,嵌入式系統軟體,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、減少動態連結庫、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。嵌入式系統需要增強即時性之特殊功能，這可透過修改流程調度演算法和使用雙核心系統達成。嵌入式系統具有主機模擬的環境(跨平台)來進行發展之優勢。模擬MSWindows的Cygwin或VMWare等嵌入式作業系統最常用之作業系統嵌入式LinuxuclinuxFedoraWinCE,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,56,嵌入式系統軟體,Linux作業系統WinCE作業系統嵌入式系統開發平臺,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,57,嵌入式系統軟體,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。系統軟體是電腦系統中基礎的軟體系統，它包括作業系統、編譯系統和資料庫等。其中作業系統在軟體系統的最下層，緊接著底層硬體.支撐軟體包括網路通信程式、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。網路通信程式完成電腦網路通信的功能。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理。硬體介面程式提供與各種電腦外部設備的連接支援。實用軟體工具則提供了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了良好、便捷的環境。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,58,嵌入式系統軟體,Linux作業系統LinuxOS之種類：桌面與伺服器形式之OS：FedoraLinux嵌入式LinuxOS：RT-Linux、uCLinux、XLinux、紅旗嵌入式Linux,2020/6/3,59,嵌入式系統軟體,Linux作業系統Linux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)為何稱它為Shell呢?Shell的本意是殼的意思呢!沒錯，在核心的外面，包覆著一層外殼，用來負責接收使用者輸入的指令，然後將指令解譯成核心能夠了解的方式，傳給核心去執行，再將結果傳回至預設的輸出周邊。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,60,嵌入式系統軟體,嵌入式Linux嵌入式Linux系統包含：內核核心和應用程式二部分。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行分配。應用程式負責系統之部分初始化、基本之人機介面、必要之指令等內容。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,61,嵌入式系統軟體,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，來完成這些操作。硬體抽象隱藏了複雜的部分，為應用軟體和硬體提供了一套簡潔，統一的介面，使程式設計更為簡單。,2020/6/3,嵌入式系統軟體,核心核心可分為四大類：單內核：它為潛在的硬體，提供了大量完善的硬體抽象操作。如：Linux核心、UNIX、Windows9x。微內核：只提供了很小一部分的硬體抽象，大部分功能由一種特殊的用戶態(usermode)程式：伺服器來完成。如：MINIX混合內核：它很像微內核結構，只不過它的的元件更多的在內核態(supervisormode)中運行，以獲得更快的執行速度。如：WindowsXP、Vista、NT。外內核：這種內核不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行操作。,Linux,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,63,嵌入式系統軟體,四大類核心示意圖：,單內核,微內核,混合內核,單內核結構的例子：傳統的UNIX內核，例如伯克利大學發行的版本Linux內核MS-DOS,Windows9x(Windows95,98,Me),微內核結構的例子：AIXBeOSL4微內核系列Mach,用於GNUHurd和MacOSXMinix,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,64,嵌入式系統軟體,Linux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。一個核心不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核心是由芬蘭之網路駭客LinusTorvalds以AndrewStuartTanenbaum教授(美國)所開發之MINIXOS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,：,：,：,2020/6/3,65,嵌入式系統軟體,Linux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,：,：,：,2020/6/3,66,嵌入式系統軟體,Linux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入相應的驅動程式。,Linux,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,67,嵌入式系統軟體,Linux核心網功能：網功能也必須有作業系統管，因為大部分網操作都和具體的進程無關。在每個進程處這些資之前，資報必須已經被收集、標、和分發。系統負責在應用程式和網之間傳遞資。另外，所有的由和位址解析問題都由核心處。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,68,嵌入式系統軟體,嵌入式Linux內核核心嵌入式Linux內核核心可以分為六部分：程序管理，記憶體管理，檔案系統，程序間通信，網路，設備驅動。這六個部分間之關係，如下圖：,網路,檔案系統,程序間通訊,驅動程式,記憶體管理,程序調度,虛擬硬體層,實體硬體層,表示相依關係,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,69,嵌入式系統軟體,嵌入式Linux內核核心程序管理：控制CPU之資源分配，Linux值型基於優先順序的搶占式多工。即時處理需求多，因此需要改變程序調度來執行及時程序程序調度一般是透過時鐘中斷執行，因此與硬體有關。程序調度程式碼一般是以組合語言撰寫記憶體管理系統：管理記憶體資源，支援虛擬記憶體。執行程序間之記憶體保護、記憶體共用、分配等管理。與記憶體硬體有關：初始化記憶體、分頁處理機制。與記憶體硬體無關：記憶體分配與記憶體映射(memorymapping),2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,70,嵌入式系統軟體,嵌入式Linux內核核心檔案系統：虛擬檔案系統介面(VFS)，真實之檔案系統皆掛在VFS之下，在統一之介面下，進行查詢。邏輯檔案系統與設備驅動程式在嵌入式Linux系統，檔案系統皆是建立在區塊裝置形式，如RAM、FLASH程序間通信：所有程序皆在自己之記憶體位址空間執行，部會相互干擾。而程序間資訊之護船，則是經由程序通信機制。Pipe、Signal、網路通信等,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,71,嵌入式系統軟體,嵌入式Linux內核核心網路支援多種網路協定：IP、IPv6、Bluetooth等核心網路程式碼與硬體無關驅動程式Linux除CPU和記憶體以外之資源皆用驅動程式的形式管理，內核核心原始程式碼大部分是各種驅動程式Linux有三類設備：字元設備、區塊裝置及網路設備。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,72,嵌入式系統軟體,Linuxshell由於核心的部份相當低階,操作者不易和它直接溝通,因此,必須要有一個友善的介面(interface),使得操作時能更為方便,這個介面便是Shell.換言之,Shell就是一個居於核心和操作者之間的一層使用者介面.為何稱它為Shell呢?Shell的本意是殼的意思呢!沒錯，在核心的外面，包覆著一層外殼，用來負責接收使用者輸入的指令，然後將指令解譯成核心能夠了解的方式，傳給核心去執行，再將結果傳回至預設的輸出周邊。,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,73,嵌入式系統軟體,Linuxshell,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,74,嵌入式系統軟體,Linuxshell例如：資料夾檔案顯示，指令為ls-l，則shell給你以下回應:,2020/6/3,嵌入式系統組織架構與設計,75,嵌入式系統軟體,擁檔有案檔種案檔案大小最近修改的類檔案權限數擁有人組別(byte單位)日