嵌入式复习纲要

第1章嵌入式系统概论嵌入式基本概念：嵌入式系统是嵌入在其它设备中,起智能控制作用的专用计算机系统。嵌入式基本技术典型系统：采样控制系统、飞行控制系统、实时信号处理系统典型应用领域：信息家电、普适计算、车载综合管理系统 C语言编程(读懂程序)实时系统概念（硬or软）定义：能够在限定响应时间内提供所需服务的计算机系统实时：即在系统允许的时间范围内完成任务硬实时：系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。软实时：系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃。自适应实时:自动调整满足环境需要，保证性能级别嵌入式系统开发过程：产品定义、系统总体设计、软硬件设计、软硬件集成与测试、产品发布第2章ARM嵌入式微处理器1. 嵌入式处理器特点：可靠性高、功耗低、集成度高、性价比高。2. 哈佛体系结构：哈佛体系结构的特点是程序存储器和数据存储器分开，程序计数器PC只指向程序存储器而不指向数据存储器。两条总线。程序计数器（PC）指向程序存储器。3. 冯·诺伊曼结构,计算机系统一般由中央处理单元，存储器系统、I/O设备组成。数据和指令都存在同一存储器系统中。CPU根据PC中的内容从存储器中取出指令，然后对指令进行译码、执行寄存器组：ARM处理器有37个寄存器：31个通用寄存器：程序计数器、堆栈及其他通用寄存器和6个状态寄存器。通用寄存器：分组寄存器（R0~R7，同时指向一个32位物理寄存器），未分组寄存器（R8~R14根据微处理器模式访问物理存储器-ARM32位模式--字对准和Thumb16位模式-半字对准，（R13SP堆栈指针;R14LR子程序链接寄存器）程序计数器PC（R15）一个程序状态寄存器（CPSR），五个备份程序状态寄存器（SPSR）；条件码标志（4位）：N负/小于；Z零；C移位/借位/进位；V溢出保留位控制位（8位）：中断禁止I=1禁止外部中断，F=1禁止快速中断；T标志位：T=1Thumb，T=0ARM；运行模式位M[4：0]指令流水线（5级流水线）取指、译码、执行、访存、写回ARM指令寻址方式立即寻址寄存器寻址寄存器间接寻址变址寻址多寄存器寻址相对寻址BLNEXT；跳转到子程序NEXT处执行；子程序返回到此处NEXT；子程序入口地址……MOVPC，LR；子程序返回堆栈寻址STMFDSP!,{R1-R7,LR}；将R1-R7，LR入栈。LDMFDSP!,{R1-R7,LR}；数据出栈，放入R1-R7，LR寄存器ARM指令集跳转指令BLabel；程序无条件跳转到标号Label处执行B0x1200；跳转到绝对地址0x1200处数据处理指令乘法指令与乘加指令程序状态寄存器访问指令加载/存储指令数据交换指令SWPR0，R1，[R2]；将R2所指向的存储器中的字数据传送到R0，同时将R1中的字数据；传送到R2所指向的存储单元。SWPR0，R0，[R1]；该指令完成将R1所指向的存储器中的字数据与R0中的字数据交换。移位指令MOVR0,R1,LSL#2；将R1中的内容左移两位后传送到R0中。异常产生指令指令系统：ARM指令系统的主要特点:由两个指令集构成，ARM指令集中的指令是32位的，执行效率高；而Thumb指令集中的指令是16位的，代码密度高。ARM采用RISC（精简指令集）指令系统。RISC结构的特点包括：优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；简易的译码指令格式；在单周期内完成指令等。ARM处理器体系结构（P35）RISC+AMBA总线RISC:简单指令集计算机：CISC芯片代码密度高，但结构复杂，其额外的控制逻辑单元使价格变得很高；RISC芯片拥有简单的结构，代码密度低，因为其指令集简单；VLIW代码密度最低，因为它的指令字倾向于采用多字节。ARM处理器广泛采用AMBA总线结构，它包括ASB/AHB和APB。AHB直接连接到CPU，为了高速传输而优化设计，用于连接性能高速的片上外设；APB假定所有外设均工作在主从方式，且不执行流水线操作，用于连接低速外设。ARM处理器模式存储器映射I/OI/O映射编址：I/O端口与内存单元分开编址，即I/O单元与内存单元都有自己独立的地址空间存储器映射编址：I/O端口的地址与内存地址统一编址，即I/O单元与内存单元在同一地址空间ARM的I/O端口都是内存映射的方式，即对I/O端口的访问与内存的访问的方式完全一样。通常将I/O所映射的存储系统标识为非高速缓存(uncachable)和非缓冲（unbufferable)。存储系统:支持大端格式和小端格式.（存放位置关系）ARM体系结构可以用两种方法存储数据：大端格式：较高的有效字节存放在较低的存储器地址，较低的有效字节存放在较高的存储器地址。小端格式：较高的有效字节存放在较高的存储器地址，较低的有效字节存放在较低的存储器地址。七种中断与异常：复位、未定义指令、软件中断、预取中止、数据中止、外部中断、快速中断。不同的中断又不同的优先级，而且每个中断都有固定的中断入口地址。当一个中断发生时，相应的R14存储中断返回地址，SPSR存储状态寄存器CPSR的值。第3章外围硬件设计芯片选型原则P80（从内核结构、系统时钟、外围设备等综合考虑）ARM微处理器内核的选择：不同领域不同内核系统的工作频率：工作频率决定ARM微处理器的处理能力芯片内存储器的容量：片内外围电路的选择：根据不同领域扩展相关功能，并集成芯片之中3.3其他接口设计:UART串行接口概念：串行数据传输总线标准。USB接口概念：通用串行总线其目的是用于取代逐渐不适应外设需求的传统串、并口。优点：即插即用，无需手动设置地址、中断；热插拔，设备不需要重新设置启动便可以工作；易于扩展，理论上可连接多达127个设备；接口标准统一、端口供电不同设备之间基本可以共享接口电缆。JTAG接口概念。主要用于芯片内部测试。检测PCB(印刷电路板)和IC芯片（集成电路）第4章嵌入式软件体系结构什么是嵌入式软件体系结构?IEEE体系结构是以构件、构件之间的关系、构件与环境之间的关系为内容的某一系统的基本组织结构嵌入式软件结构一般包含四个层次：驱动层板级初始化程序、系统软件相关的驱动、应用软件相关的驱动操作系统层操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分中间件层目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向应用领域的中间件软件。应用层应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成前后台系统的构成P107通过中断服务程序实现。（而多任务系统：通过某种任务调度策略与机制来调度执行）后台：一组任务按照轮询方式访问CPU（处理实时任务）前台：当有实时任务到达时首先提出中断，然后将该任务交给后台插入到轮询环中的某个位置，按照后台的运行模式工作（处理中断任务，外部事件触发）性能指标：响应时间（从中断发生到中断处理完成所需时间），中断延迟时间（中断请求到达成正式开始处理的等待），吞吐量（给定时间内系统处理中断级别事务的总数）前后台交互：同步信号，数据交互（共享存储）不适合告诉信号处理；多个设备多个用户请求CPU时，使用多任务系统中断不能进行参数传递；中断与后台任务的数据通信完全通过共享存储方式。导致多个任务竞争同一存储区。实时多任务系统。4.7.1:相关概念；任务（Task）一个程序运行的实体；资源拥有的基本单位；系统调度的基本单元（若不含线程）实时任务（Real-timeTask）一个带有实时性能约束的任务实时多任务系统：一个由多个并发执行的实时任务构成的系统。任务之间依据一定的调度算法占用计算机资源，其上下文切换通常是由外部事件的中断来触发，或由周期性的时钟触发。可以并行执行多个任务。4.7.2:RTOS实时操作系统实时操作系统（RTOS）构架系统时从系统中抽象出一个便于上层应用开发的平台，为支持实时多任务应用性能指标：中断响应延迟、中断响应时间第5章嵌入式实时操作系统概念:P118 嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：可固化可配置、可剪裁独立的板级支持包，可修改不同的CPU有不同的版本应用的开发需要有集成的交叉开发工具RTOS特点：P121八点及时性：（软实时，硬实时，严格实时）可确定性：系统调用时间可预测（截止时间），多少外部事件可以到达必须是可预测，每个任务占用资源可预测并发性：高可信性：可靠性，鲁棒性，防危性安全性可嵌入性可剪裁性可扩展性RTOS体系结构:整体结构（不分层次、直接互相调用形成网状调用模式，内部复杂高效）层次（结构内部只有相邻层有关联关系）、微内核（体系结构内核代码量最小化、内核小，内核任务在独立的地址空间运行）构件化微内核结构的优点提供一致的接口可扩展性：扩展对新的软件/硬件支持灵活性：可伸缩可移植性分布式系统支持适用于面向对象操作系统环境微内核性能问题：通过微内核构造和发送信息、接受应答并解码所花费的时间比进行一次系统调用的时间多很大程度取决于微内核的大小和功能目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构。分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块。这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无关，功能的伸缩则集中在模块上，从而确保其具有良好的可移植性和可伸缩性。而采用微内核结构，则可利用其可伸缩的特点适应硬件的发展，便于扩展。实时内核：优先级逆转及其解决方法优先级逆转（priorityinversion）高优先级任务需要等待低优先级任务释放资源，而低优先级任务又正在等待中等优先级任务的现象实时内核任务管理：内核的核心部分，具有任务调度、创建任务、删除任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能。而嵌入式操作系统多采用基于静态优先级的可抢占的调度，任务优先级是在运行前通过某种策略静态分配好的，一旦有优先级更高的任务就绪就马上进行调度。任务调度策略静态调度表驱动基于优先权的调度可抢占的调度非抢占的调度时间片的调度常用调度算法时间片轮转调度（Round-Robin）速率单调调度算法（RMS）任务的优先级是静态的，并且反比于任务的周期；即周期越短，优先级越高最早截至时间优先算法（EDF）截止时间越短的任务具有越高的优先权。任务周期为任务的截止时间。多处理器调度算法优先级逆转与死锁的产生优先级逆转（priorityinversion）高优先级任务需要等待低优先级任务释放资源，而低优先级任务又正在等待中等优先级任务的现象优先级逆转的避免办法优先级继承优先级天花板两种协议的比较：执行效率继承协议可能多次改变占有临界资源的任务的优先级，而天花板协议只需改变一次：后者效率高；运行影响天花板协议阻塞中间优先级不竞争资源的任务5.6.3中断(静态优先级中断嵌套作为任务切换的工作方式的实现原理)实时多任务系统可以有三种方式来处理外界的中断请求：中断作为任务切换中断作为系统调用中断作为前台任务扩展组件:内容P143-168（了解）嵌入式网络：嵌入式TCP/IP、无线应用协议、现场总线、传感网路第6章板级支持包与系统引导嵌入式系统运行过程:P182RTOS的引导模式：P188在嵌入式系统的应用过程中，针对不同的应用环境，对时间效率和空间效率有不同的要求。需要BOOTLOADER对于采用高性能RAM的系统，RAM空间有一定限制，此时一般采用BootLoader引导方式。不需要BOOTLOADER对于时间效率要求较高的系统，通常要求系统能够快速启动。直接在NorFlash或ROM系列可以做主存的非易失性存储介质中运行，以达到较快的启动速度。嵌入式板级支持包（BSP）概念BSP是嵌入式系统的基础部分，也是实现系统可移植性的关键。它负责上电时的硬件初始化、启动RTOS或应用程序模块、提供底层硬件驱动，为上层软件提供访问底层硬件的手段。BSP（嵌入式板级支持包）和BIOS的区别（BIOSbios基本输入输出系统固件接口电脑启动时加载的第一个软件） 1、PC机主板上的BIOS开始部分所做工作和BSP比较类似，主要是负责在电脑开启时检测、初始化系统设备（设置栈指针，中断分配，内存初始化等）、装入操作系统。但是BIOS不包含设备驱动程序，而BSP却包含。2、BIOS不可修改；BSP可以编程修改BOOTLOADERBootLoader概念BootLoader是在操作系统内核运行之前执行的一段小程序。它将操作系统内核从外部存储介质拷贝到内存中，并跳转到内核的首条指令。在嵌入式