第三嵌入式系统平台构建

1、1嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用第三讲第三讲 嵌入式系统平台构建嵌入式系统平台构建2本章提要本章提要典型的嵌入式系统平台结构典型的嵌入式系统平台结构 嵌入式处理器嵌入式处理器基于基于44b0+uCOS-II的平台构建的平台构建嵌入式操作系统嵌入式操作系统 3l嵌入式系统平台主要包括指嵌入式系统的硬件平台和嵌入式系统平台主要包括指嵌入式系统的硬件平台和软件平台。主要体现在处理器和操作系统的选择上。软件平台。主要体现在处理器和操作系统的选择上。 MPUMPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashFlashRAMRAMROMROM最小系统最小系统其他外设其他外设常用外设常用外设

2、人机交互人机交互外设外设UARTUARTSPISPI网口网口CANCAN触摸屏触摸屏键盘键盘显示显示典型嵌入式系统硬件平台结构典型嵌入式系统硬件平台结构 43.2 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的位系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的位处理器，目前仍在大规模应用的位单片机，到最新处理器，目前仍在大规模应用的位单片机，到最新的受到广泛青睐的的受到广泛青睐的32位，位，64位嵌入式位嵌入式CPU。 53.2.1 嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类（1）嵌入式微控制器）嵌入

3、式微控制器（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器（3）嵌入式微处理器）嵌入式微处理器（4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip)6（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器l嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。应用。l单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROMROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/ /计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/OI/O、串行口、脉宽调制、串行口、脉宽调制(PWM)(PWM)输出、输出、

4、A/DA/D、D/AD/A、Flash R0MFlash R0M、EEPROMEEPROM等各种等各种必要功能和外设。必要功能和外设。7嵌入式微控制器嵌入式微控制器l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。而使功耗和成本下降、可靠性提高。l微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。称为微控制器。8（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器lDSPDSP处理器是专门用于处理器

5、是专门用于信号处理信号处理方面的处理器，其在方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、滤波、FFTFFT、频谱分析等各种仪器上、频谱分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规获得了大规模的应用。模的应用。lDSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门年代就已经出现，但是由于专门的的DSPDSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立元件实现。等由分立元件实现。 19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合成和

6、编码解码器中得到了广泛应芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。用。 DSPDSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。述范围扩大到了通信和计算机方面。l 目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/C5000TMS320C2000/C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。9lMPUMPU嵌入式微处理器是由通

7、用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的。演变而来的。l与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。求。（3 3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit)10嵌入式微处理器嵌入式微处理器l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积

8、和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有的嵌入式处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等11lSoC(SystemSoC(System on Chip) on Chip)，就是把整个电子系统就是把整个电子系统功能全部集成到一块集成电路里面功能全部集成到一块集成电路里面,SoC,SoC嵌入嵌入式系

9、统微处理器就是一种电路系统。式系统微处理器就是一种电路系统。l它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上片上，像是，像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口（，像是通用串行端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单通信单元、元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、通信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依、蓝牙模块接口等等，这些单元以往

10、都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。（4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip) 12lSoCSoC是追求产品系统最大包容的集成器件，是追求产品系统最大包容的集成器件，SoCSoC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。l运用运用VHDLVHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用

11、的连接焊制，只需要使用精确的语言精确的语言，综合时综合时序设计序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。厂商进行生产。 l也可以采用也可以采用FPGAFPGA来实现来实现SoCSoC功能功能13l由于由于SoCSoC往往是专用的，所以大部分都不为用往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如户所知，如 PhilipsPhilips的的Smart XASmart XA。SiemensSiemens的的TriCoreTriCore，MotorolaMotorola的的M-Co

12、reM-Core，某些，某些ARMARM系列系列器件，器件，EchelonEchelon和和MotorolaMotorola联合研制的联合研制的Neuron Neuron ( (神经元神经元) )芯片等。芯片等。lSoCSoC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。统逻辑等应用领域中发挥重要作用。14 SoC SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点：可以分为下列几点：l利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。l减少芯片对外管脚数，简化制造过程。

13、减少芯片对外管脚数，简化制造过程。l减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。递，可以加快微处理器数据处理的速度。l内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。所造成系统杂讯。15新的发展方向：新的发展方向：SoCSoCASIC CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface163.2.2 常见的嵌入式处理器常见的嵌入式处理器当前主流的几种嵌入式微处理器核：当前主流的

14、几种嵌入式微处理器核：1ARM/StrongARM ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球领公司是全球领先的先的1632位位RISC微处理器知识产权设计供应商。微处理器知识产权设计供应商。 ARM 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。 ARM处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；本而高性能；16/32位双指令集

15、；全球众多的合作伙位双指令集；全球众多的合作伙伴伴. ARM处理器目前有五个系列产品：处理器目前有五个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和和SecurCore。17ARM芯片的特性芯片的特性l其中其中ARM7是低功耗的是低功耗的32位核，最适合应用于对价位位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及适用于开放平台，以及适用于开放平台的的ARM720T和适用于和适用于DSP运算及支持运算及支持Java的的ARM7EJ等。等。l ARM7TDMI处理器是处理器是ARM7处理

16、器系列成员之一，处理器系列成员之一，是目前应用最广的是目前应用最广的32位高性能嵌入式位高性能嵌入式RISC处理器。处理器。18ARM芯片的特性芯片的特性 (1)指令流水线指令流水线 ARM7TDMI使用流水线以提高处理器指令的流动使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。储系统连续操作。 ARM7TDMI使用使用3级流水线，因此，指令的执行级流水线，因此，指令的执行分为分为3个阶段一取指、译码和执行。个阶段一取指、译码和执行。 当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一当正常操作时，在执行一条

17、指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第个指令进行译码，且第3条指令从存储器中取指令。条指令从存储器中取指令。19ARM芯片的特性芯片的特性 (2)存储器访问存储器访问 ARM7TDMI核是冯核是冯诺依曼体系结构，使用单一诺依曼体系结构，使用单一32位数据总线传送指令和数据。位数据总线传送指令和数据。 只有只有加载加载、存储存储和和交换交换指令可以访问存储器中的指令可以访问存储器中的数据。数据。 数据可以是：数据可以是：8位位(字节字节)、16位位(半字半字)和和32位位(字字)。 字必须是字必须是4字节边界对准，半字必须是字节边界对准，半字必须是2字节边界对准字节边界对准20ARM芯片的特性

18、芯片的特性 (3)存储器接口存储器接口 ARM7TDMI的存储器接口被设计成在使用存储器的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。速度的关键控制信号是流最少的情况下实现其潜能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发术支持快速突发(Burst)访问模式的开发。访问模式的开发。 ARM7TDMI有有4种存储周期的基本类型：空闲周种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期、

19、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期期。21ARM芯片的特性芯片的特性 (4)嵌入式嵌入式ICE-RT逻辑逻辑 嵌入式嵌入式ICE-RT逻辑为逻辑为ARM7TDMI核提供了集成核提供了集成的在片调试的在片调试(In-Circuit Emulator)支持。可以使用嵌支持。可以使用嵌入式入式ICE-RT逻辑来编写断点或观察断点出现的条件逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。 嵌入式嵌入式ICE-RT逻辑包含调试通信通道逻辑包含调试通信通道(DCC，Debug Communications Channel)。 DCC用于在用于在目标和宿主调试器之间传送信息。嵌入式目标和宿主调试器之间传送信息

20、。嵌入式ICE-RT逻逻辑通过辑通过JTAG(Joint Test Action Group) 测试访问口测试访问口进行控制。进行控制。 AM7TDMI有有2个指令集：个指令集：32位位ARM指令集和指令集和16位位THUMB指令集。指令集。22ARM基于基于ARM处理器核的典型产品如下处理器核的典型产品如下：Intel公司公司的的StrongARM的系列：的系列：SA110、SA1100、SA1101、SA1110、SA71111；Cirrus Logic公司的公司的ARM 系列：系列：EP7209、EP7211、EP7212、EP7312、EP9312、PS7500PE；Samsung公司

21、的公司的ARM系列：系列：S3C44B0、S3C2400、S3C4510；Aplio公司的公司的ARM系列系列：Aplio/TRIO；LinkUp Systems公司的公司的ARM系列：系列：L7200、L7205；NETsilicon公司的公司的ARM系列；系列；NET+ARM；Triscend Corporation ARM的产品：的产品： A7。232. MIPS MIPS是是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages（没有互锁管线阶段的微处理器）（没有互锁管线阶段的微处理器）的缩写，是一种处理器内核标准，它是由的缩写，是一种处理

22、器内核标准，它是由MIPS技术技术公司开发的。公司开发的。 MIPS技术公司是一家设计制造高性能技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式、高档次及嵌入式32位和位和64位处理器的厂商，在位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。处理器方面占有重要地位。 MIPS公司设计公司设计RISC处理器始于处理器始于80年代初；年代初；1986年推出年推出R2000处理器处理器;1988年推出年推出R3000处理器处理器;1991年推出第一款年推出第一款64位商用微处理器位商用微处理器R4000之后，之后，又陆续推出又陆续推出R8000(于于1994年年)、Rl0000(于于1996年年)和和

23、R12000(于于1997年年)等型号。等型号。24MIPS 之后，之后， MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。入式系统。1999年，年，MIPS公司发布公司发布MIPS 32和和MIPS 64架构标准，为未来架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了原来所有的。新的架构集成了原来所有的MIPS指令集，并且增指令集，并且增加了许多更强大的功能。加了许多更强大的功能。 MIPS公司陆续开发了高性公司陆续开发了高性能、低功耗的能、低功耗的32位处理器内核位处理器内核(core)MPS 324Kc与高与高性能以位

24、处理器内核性能以位处理器内核MIPS 645Kc。2000年，年， MIPS公司发布了针对公司发布了针对MIPS 324Kc的新版本以及未来的新版本以及未来64位位MIPS 6420Kc处理器内核。处理器内核。25MIPS 为了使用户更加方便地应用为了使用户更加方便地应用MIPS处理器，处理器， MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPS IDF (Integrated Development Framework)，特别适用，特别适用于嵌入式系统的开发。于嵌入式系统的开发。 MIPS技术公司既开发技术公司既开发MPS处理器结构，又自己处理器结构，又自己

25、生产基于生产基于MPS的的32位位64位芯片。位芯片。26MIPS MIPS技术公司技术公司32位的嵌入式处理器位的嵌入式处理器MIPS 32TM体体系的特性如下：系的特性如下：l与与MIPS lTM和和MIPS IITM 指令体系指令体系(ISA)完全兼容。完全兼容。l增强的状态传送及数据预取指令。增强的状态传送及数据预取指令。l标准的标准的DSP操作：乘操作：乘(MUL)、乘加、乘加(MADD)及及CountleadIng 01s(CLZ/O)l优先的优先的Cache Load/Control操作。操作。l向上与向上与MIPS64TM体系兼容。体系兼容。l稳定的稳定的3操作数操作数Load

26、/Store RISC指令体系指令体系(3寄存器，寄存器，或或2寄存器寄存器+立即数立即数)。l7个、个、32个个32位的通用寄存器位的通用寄存器(GPRs)；2个乘除寄存个乘除寄存器器(HI和和LO)。27MIPSl可选的浮点数支持：可选的浮点数支持：32个单精度个单精度32位或者位或者16个双精度个双精度64位浮点数寄存器位浮点数寄存器(FPRs)、浮点状态代码寄存器、浮点状态代码寄存器l可选的存储器管理单元可选的存储器管理单元(MMU)：TLB或或BAT地址翻译机地址翻译机制、可编程的页面大小。制、可编程的页面大小。l可选的可选的Cache：可选择指令缓存和数据缓存大小，数：可选择指令缓

27、存和数据缓存大小，数据缓存可选择据缓存可选择Write-back或或Write-through方式、支持方式、支持虚拟地址或物理地址方式。虚拟地址或物理地址方式。l增强的增强的JTAG(EJTAG)提供不受干扰提供不受干扰(Non-intrusive)调调试支持。试支持。基于这些特性，基于这些特性，MIPS芯片被广泛应用于以下环境：芯片被广泛应用于以下环境：lMIPS32TM及其兼容处理器定位于高性能、低功耗的片及其兼容处理器定位于高性能、低功耗的片上系统上系统(System-On-Chip)等嵌入式应用。等嵌入式应用。28MIPSl便携式计算系统：便携式计算系统：手持或掌上电脑、信息电器、数

28、字手持或掌上电脑、信息电器、数字信息管理信息管理l便携式通信设备：便携式通信设备：便携式电话便携式电话(Cellar phone)3G手持手持设备、智能电话设备、智能电话(Smart phone)、可视电话、可视电话(Screen Phone)。l数字消费产品：数字消费产品：数字相机数字相机(Digital Cameras)、机顶盒、机顶盒(STB)、游戏平台、游戏平台Game Platform)、DVD播放器。播放器。l办公自动化设备：办公自动化设备：打印机、复印机、扫描仪、多功能打印机、复印机、扫描仪、多功能外设。外设。l工业控制：工业控制：仓库存储系统、自动化系统、导航系统仓库存储系统、

29、自动化系统、导航系统(GPS)、图形系统、精细终端、图形系统、精细终端(POS、ATM、E-Cash)293 Power PC Power PC是是由由IBM、Motorola和和Apple联合开发的联合开发的高性能高性能32位和位和64位位RISC微处理器系列。微处理器系列。 Power PC架架构的特点是构的特点是可伸缩性好，方便灵活。可伸缩性好，方便灵活。 Power PC处理器处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系

30、统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面 目前目前Power PC独立微处理器与嵌入式微处理器的主独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从频从5MHz700MHz不等，它们的能量消耗、大小、整合不等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊，主要产品模块有主频程度、价格差异悬殊，主要产品模块有主频350MHz-700MHz Power PC 750CX和和750CXe以及主频以及主频400MHz的的PowerPC 440GP等。嵌入式的等。嵌入式的Power PC 405(主频最高为主频最高为266MHz)和和PowerPC 440(主频最

31、高为主频最高为550MHz)处理器内核可以用处理器内核可以用于各种集成的系统芯片于各种集成的系统芯片(system-On-Chip，SOC)设备上设备上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。30基于基于PowerPc架构的处理器架构的处理器 (1)IBM： Power PC IBM公司开发的公司开发的Power PC 405GP是一个集成是一个集成10100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其他外设的高性能嵌入式处理器。器以及其他外设的高性能嵌入式处理器。 Power PC 405GP 嵌

32、入式处理器的特性：嵌入式处理器的特性：lPower PC 405GP是一个专门应用于网络设备的高性是一个专门应用于网络设备的高性能嵌入式处理器，包括有线通信、数据存储以及其他能嵌入式处理器，包括有线通信、数据存储以及其他计算机设备。计算机设备。l扩展了扩展了Power PC处理器家族的可伸缩性。处理器家族的可伸缩性。l应用软件源代码兼容所有其他的应用软件源代码兼容所有其他的Power PC处理器。处理器。l利用最高可达利用最高可达133MHz外频的外频的64位位CoreConnect总线总线体系结构，提供高性能、相应时间短的嵌入式芯片。体系结构，提供高性能、相应时间短的嵌入式芯片。31Powe

33、r PCl提供了具有创新意义的提供了具有创新意义的CodePack的代码压缩，极大的代码压缩，极大地改进了指令代码密度和减少系统整体成本。地改进了指令代码密度和减少系统整体成本。lPower PC 405GP的蓝色逻辑上层结构为要求低功耗的蓝色逻辑上层结构为要求低功耗的嵌入式处理器提供了理想的解决方案，其可重复使的嵌入式处理器提供了理想的解决方案，其可重复使用的核心、灵活的高性能总线结构、可定制用的核心、灵活的高性能总线结构、可定制SOC设计设计等特性极大地缩短了产品从设计到上市的时间。等特性极大地缩短了产品从设计到上市的时间。32Power PC(2)Motorola： Power PC-M

34、PC823e(龙珠系列龙珠系列) MPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统微处理器是一个高度综合的片上系统(SOC)设备，它结合了设备，它结合了Power PC 405GP微处理器核微处理器核心的功能、通信处理器和单硅成分内的显示控制器。心的功能、通信处理器和单硅成分内的显示控制器。这个设备可以在大量的电子应用中使用，特别是在低这个设备可以在大量的电子应用中使用，特别是在低能源、便挠式、图像捕捉和个人通信设备方面。能源、便挠式、图像捕捉和个人通信设备方面。 MPC823e微处理器使用带有大量数据和指令高微处理器使用带有大量数据和指令高速缓存的双处理器结构设计方法，使用通用速缓存的双处理器

35、结构设计方法，使用通用RISC整整数处理器和特殊数处理器和特殊32-bit标量标量RISC通信处理器模块来提通信处理器模块来提供高性能。为了通信的需要，外设的设计独特，可以供高性能。为了通信的需要，外设的设计独特，可以为高速数字通信、成像、用户接口的增加和其他为高速数字通信、成像、用户接口的增加和其他I/O的支持提供嵌入式信号处理功能。的支持提供嵌入式信号处理功能。334. x86 x86系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于系列处理器是我们最熟悉的了，它起源于Intel架构的架构的8080，再发展出，再发展出286、386、486，直到现在的，直到现在的Pentium4、Athlon和和AMD

36、的的64位处理器位处理器Hammer。从嵌入式市场来看，从嵌入式市场来看，486DX是当时和是当时和ARM、68K、MIPS和和SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一，齐名的五大嵌入式处理器之一，8080是第一款主流的处理器。今天的是第一款主流的处理器。今天的Pentium和当初的和当初的8080使用相同的指令集，这有利也有弊，利是可以保使用相同的指令集，这有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少十年前写的程序在现在的机器上还能持兼容性，至少十年前写的程序在现在的机器上还能运行；弊端是限制了运行；弊端是限制了CPU性能的提高。性能的提高。34x86 基于基于x86处理器核的嵌入式微处理器有：处理器

37、核的嵌入式微处理器有： (1) Geode SP1SC10 Geode SP1SC10具有非妥协网络访问、硬件具有非妥协网络访问、硬件MPEG-2音频和视频解码器、音频和视频解码器、TV解码器、解码器、modem、10100以以太网、各种固化通信和外设接口。这使得太网、各种固化通信和外设接口。这使得Geode SP1SC10成为快速开发数字电缆和卫星机项盒、交互式成为快速开发数字电缆和卫星机项盒、交互式电视的理想平台。电视的理想平台。2个个IEEE1394端口允许连接像数字摄像端口允许连接像数字摄像机和数字机和数字VCR之类的设备。之类的设备。 (2)STPC高度集成高度集成x86 SOC S

38、T微电子微电子STPC高度集成的高度集成的(SOC)系列与系列与x86 PC兼容兼容，其，其3个新产品是建立在个新产品是建立在0.25um技术上的，该技术允许它技术上的，该技术允许它们提供高度集成、低功耗和低成本的解决方案。每个们提供高度集成、低功耗和低成本的解决方案。每个STPC设备针对不同类型的应用：设备针对不同类型的应用：35x86 STPC ELite不带显示器的不带显示器的“服务器产品引服务器产品引擎擎”。典型的应用预计是带有存储器的网络、防火墙。典型的应用预计是带有存储器的网络、防火墙、web服务器、传真服务器、打印服务器、家庭网关服务器、传真服务器、打印服务器、家庭网关、路由器、

39、路由器、PBX等。等。 SIPC Constumer-ll使用使用TV或监控器来实现或监控器来实现显示和视频性能的产品的显示和视频性能的产品的“TV产品引擎产品引擎”。典型的应。典型的应用预计是用预计是web盒、可访问盒、可访问Web的的TV和和TV机顶盒、机顶盒、Web DVD等。等。 SIPC Atlas带有带有CRT或或TFT LCD显示的产品显示的产品和终端的和终端的“网络产品终端引擎网络产品终端引擎”。典型的应用预计。典型的应用预计是是Internet终端、瘦客户机终端、终端、瘦客户机终端、Web电话、电话、WebPDA、汽车导航设备和娱乐系统。、汽车导航设备和娱乐系统。36x86

40、三种产品的共同特点：三种产品的共同特点：l64位，位，133MHz，与，与x86 CPU兼容；兼容；l8KB缓存；缓存；l64位位SDRAM内存控制器，传输率最高为内存控制器，传输率最高为720Mbps；l与与PC机兼容的机兼容的DMA，中断和定时控制器：，中断和定时控制器：lISA和和PCI总线控制器：总线控制器：l增强型增强型IDE总线控制器；总线控制器；lJTAG调试接口。调试接口。375. 68KColdfire Motorola 68000(68K)是出现得比较早的一款嵌是出现得比较早的一款嵌入式处理器，入式处理器，68K采用的是复杂指令集计算机采用的是复杂指令集计算机(CISC)结

41、构，与现在的结构，与现在的PC指令集保持了二进制兼容。指令集保持了二进制兼容。 CISC是个人电脑是个人电脑CPU常用的，常用的，Intel、AMD、VIA都采用了都采用了CISC指令集，只有指令集，只有Apple电脑中的电脑中的Power PC使用了使用了RISC架构。最初使用架构。最初使用CISC指令集是有道理的，因为指令集是有道理的，因为CISC指令数量少，执行效率更高，而且当时的指令数量少，执行效率更高，而且当时的CPU时钟频率不同，没有牵涉到现在的超标量和超流水线时钟频率不同，没有牵涉到现在的超标量和超流水线的问题。的问题。RISC是精减指令集，每条指令长度部一样是精减指令集，每条指

42、令长度部一样，有利于简化译码结构，减少处理器的晶体管数量，有利于简化译码结构，减少处理器的晶体管数量，这对于嵌入式处理器来说是很重要的。这对于嵌入式处理器来说是很重要的。3868KColdfire 68K最初曾用在最初曾用在AppIe 2上，比上，比Intel的的8088还要早。还要早。SUN也把这款处理器用于其最早的工作站。现在也把这款处理器用于其最早的工作站。现在68K芯片芯片已经完全应用于嵌入式系统了，已经完全应用于嵌入式系统了，1992年年68K系列芯片的销系列芯片的销售量达到二千万片，几乎是当时市场上所有其他嵌入式微售量达到二千万片，几乎是当时市场上所有其他嵌入式微处理器处理器(包括

43、包括ARM、MIPS、Power PC等等)销量的总和。销量的总和。 1994年，年， Motorola 推出了基于推出了基于RISC结构的结构的68KColdFire系列微处理器。日前基于该架构的嵌入式微处理系列微处理器。日前基于该架构的嵌入式微处理器主要有器主要有MCF5272，它基于第二代，它基于第二代ColdFire V2核心，在核心，在66MHz下操作速度为下操作速度为63Dhrystone 2.1MIPS，是迄今最，是迄今最高的高的V2性能。性能。 与所有与所有ColdFire 产品一样，产品一样，MCF5272系统结构提供系统结构提供优秀的编码密度，同时达到出色的系统性能水平。由

44、于优秀的编码密度，同时达到出色的系统性能水平。由于MCP5272共用共用68K的编程模式，并为通信外围设备组的的编程模式，并为通信外围设备组的需要提供了更高性能选择，因此它是需要提供了更高性能选择，因此它是68K系列产品的重要系列产品的重要补充。补充。393.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统操作系统主要分为以下几种：操作系统主要分为以下几种：（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。操

45、作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如执行不同的程序。如UNIX（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。嵌入式操作系统大多属于实时操作系的控制权。嵌入式操作系统大多属于实时操作系统。统。403.3.1嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统l从功能角度来说从功能角度来说，嵌

46、入式实时操作系统是一个程序，嵌入式实时操作系统是一个程序，它按时序方式调度、执行和管理系统资源，并为应用它按时序方式调度、执行和管理系统资源，并为应用代码提供运行环境。代码提供运行环境。l从构成角度来看从构成角度来看，通常每个嵌入式实时操作系统都有，通常每个嵌入式实时操作系统都有一个内核。在某些应用中，一个嵌入式实时操作系统一个内核。在某些应用中，一个嵌入式实时操作系统仅仅是一个内核，它只提供最小逻辑的核心控制软件仅仅是一个内核，它只提供最小逻辑的核心控制软件、调度和资源管理算法。、调度和资源管理算法。 在另外的某些应能够用中，一个嵌入式实时操作在另外的某些应能够用中，一个嵌入式实时操作系统也

47、可以是各种模块的组合，除了内核以外，还包系统也可以是各种模块的组合，除了内核以外，还包括文件系统括文件系统(FS)、图形用户接口、图形用户接口(GUI)、网络管理（、网络管理（NM) 以及应用相关的其它部件。以及应用相关的其它部件。 41一般情况下，一般情况下，RTOS的内核包括以下的基本功能：的内核包括以下的基本功能：l任务管理；任务管理；l任务间同步和通信；任务间同步和通信；l存储器优化管理存储器优化管理l实时时钟服务；实时时钟服务；l中断管理服务。中断管理服务。 42 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种，种，商用型商用型和和免费型免

48、费型。嵌入式操作系统具有以下一些特点嵌入式操作系统具有以下一些特点 ：（1）体积小。）体积小。 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存(Flash Memory)作为存储介质。这就要求嵌入式操作作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。结构紧凑，体积微小。43（2）实

49、时性。）实时性。 大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统实时操作系统(RTOS)8。实时操作系统作为操作系。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为研究的一个热点，主要探讨统的一个重要分支已成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。（3）特殊的开发调试环境。）特殊的开发调试环境。 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发

50、人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译环境一般需要提供的工具是编译/连接器、内核调试连接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。器等。44常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统lVxworkslWindows EmbeddedlpSOSlPalm OSl0S-9lLynxOSlQNXluCOS45VxWorkslVxWorksVxWorks操作系统是美

51、国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于19831983年设年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），具有），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。着一席之地。lVxWorksVxWorks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是： 可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、ARMARM、Sun SparcSu

52、n Sparc、Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS 、POWER PCPOWER PC等等。等等。l 大多数的大多数的VxWorksVxWorks API API是专有的，火星机器人。是专有的，火星机器人。46Windows EmbeddedlWindows CE 3.0Windows CE 3.0：一种针对小容量、移动式、智能：一种针对小容量、移动式、智能化、化、3232位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。l针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一

53、种功能丰富的操作系统平台，供了一种功能丰富的操作系统平台， WindowsCEWindowsCE嵌嵌入但不够实时，属于软实时操作系统。入但不够实时，属于软实时操作系统。l由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。背景，界面比较统一认可。l操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200K200K的的ROMROM。 47Palm OSlPalm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3COM3COM旗下的旗下的Palm ComputingPalm Computing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。l3COM3COM、CISCOCIS

54、CO竞争竞争lPalm OSPalm OS在在PDAPDA市场上占有很大的市场份额，市场上占有很大的市场份额， Palm OSPalm OS的市场份额占到将近的市场份额占到将近90%90%，最近下降，最近下降7070，目前主要与，目前主要与WINCEWINCE进行激烈竞争。进行激烈竞争。 48QNXl 加拿大加拿大QNXQNX公司的产品。公司的产品。l QNXQNX是在是在X86X86体系上面开发出来的，这和别的体系上面开发出来的，这和别的RTOSRTOS不一样，很多不一样，很多RTOSRTOS都是从都是从68K68K的的CPUCPU上面上面开发成熟，然后再移植到开发成熟，然后再移植到X86X

55、86体系上面来的体系上面来的l QNXQNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循部分遵循POSIXPOSIX相关标准，由于相关标准，由于QNXQNX具有强大具有强大的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、的图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、手持设备（手掌电脑、手机）、GPSGPS设备的实设备的实时操作系统使用。时操作系统使用。l如果不作商用，可免费使用如果不作商用，可免费使用49嵌入式嵌入式Linuxl嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化。因此原来在某些设备或领域中占主导地位

56、的软件系统越此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的来越难以为继，整个系统必须是开放的、提供标准的APIAPI，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。lLinuxLinux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多众多LinuxLinux爱好者又是爱好者又是LinuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术后盾。lLinuxLinux的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。

57、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。lLinuxLinux不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支持其他数十种，还可以支持其他数十种CPUCPU芯片。芯片。50 l嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过小经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K K字节或几兆字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用场合的专用LinuxLinux操作系统。嵌入式操作系统。嵌入式LinuxLinux的

58、开发和的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinuxRTLinux和和 CLinuxCLinuxlLinuxLinux在嵌入式领域异军突起不过是近几年的事情，在嵌入式领域异军突起不过是近几年的事情，过去的几年中有大约过去的几年中有大约13%13%的用户已经开始使用嵌入式的用户已经开始使用嵌入式LinuxLinux系统进行开发工作；特别是嵌入式应用行业中系统进行开发工作；特别是嵌入式应用行业中许多用户使用许多用户使用LinuxLinux作为嵌入式操作系统的开发原型作为嵌入式操作系统的开发原型嵌入式嵌入式Linux及应用及应用51uC/OS

59、uC/OS是源码公开的实时嵌入式操作系统本。是源码公开的实时嵌入式操作系统本。 uC/OS-II的主要特点如下的主要特点如下：l公开源代码公开源代码 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详尽的源代码讲解和注释。这样使系统变得透明，很容尽的源代码讲解和注释。这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台厂。易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台厂。52uC/OSl可移植性可移植性 uC/OS-II绝大部分源码是用绝大部分源码是用ANSI C写的，可移植写的，可移植性性(Portable)较强。而与微处理器硬件相关的那部分较强。

60、而与微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的，已经压到最低限度，使得是用汇编语言写的，已经压到最低限度，使得uC/OS-II便于移植到其他微处理器厂。便于移植到其他微处理器厂。 uC/OS-II移植的条件是，只要该微处理器有堆栈指移植的条件是，只要该微处理器有堆栈指针，有针，有CPU内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的的C编译器必须支持内嵌汇编编译器必须支持内嵌汇编(InLine Assembly)或者或者该该C语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在中断能在C语言程序中实现。语言程序中实现。 uC/OS