第1章嵌入式系统基础知识(55)

AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统设计基础教程江苏大学计算机科学与通信工程学院通信工程系陈祖爵E-mail:[e-mail]:13775360008AFreesamplebackgroundfrom课程理论教学内容安排第1章嵌入式系统基础知识第2章ARM体系结构第3章32BitRISC微处理器S3C2410A第4章嵌入式系统的存储器系统第5章嵌入式系统输入/输出设备接口第6章嵌入式系统总线接口第7章嵌入式系统网络接口第8章嵌入式系统软件及操作系统基础第9章ARM汇编语言程序设计基础第10章Bootloader设计基础第11章Linux操作系统基础第12章嵌入式Linux软件设计第13章图形用户接口（GUI）AFreesamplebackgroundfrom第1章嵌入式系统基础知识1.1嵌入式系统的定义和组成1.2嵌入式微处理器体系结构1.3嵌入式微处理器的结构和类型AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统的定义和组成1.1.1嵌入式系统的定义1.1.2嵌入式系统发展趋势1.1.3嵌入式系统的组成1.1.4实时系统（RTOS）AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统的定义IEEE的嵌入式系统定义:根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。国内的嵌入式系统定义:目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统发展趋势1．嵌入式系统的发展历史从单片机的出现到各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到20世纪60年代中期，嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下4个阶段。（1）无操作系统阶段单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统发展历史（2）简单操作系统阶段20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微处理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统发展历史（3）实时操作系统阶段20世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面(GUI)等功能，并提供了大量的应用程序接口(API)，从而使应用软件的开发变得更加简单。（4）面向Internet阶段进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统发展趋势面对嵌入式技术与Internet技术的结合，嵌入式系统的研究和应用在飞速发展。（1）新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬件成本。更加友好的多媒体人机交互界面。（2）Linux、WindowsCE等嵌入式操作系统迅速发展手机主流OS有：Android,Symbian,WindowsMobile,Linux,RIM,Palm,iPhone,Gphone.嵌入式OS结构的设计更便于移植,具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点,能在短时间内支持更多的微处理器。计算机的新技术、新观念逐步移植到嵌入式系统中,嵌入式软件平台得到进一步完善.（3）嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发商不仅提供嵌入式软硬件系统,还提供强大的硬件开发工具和软件支持包。AFreesamplebackgroundfrom核(IntellectualPropertyCore知识产权核)SOC（SystemOnChip，片上系统）是90年代中期出现的一个概念，并成为现代集成电路设计的发展方向。SOC是指在单芯片上集成数字信号处理器、微控制器、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。IP核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。AFreesamplebackgroundfrom核IP核分为:1)用硬件描述语言（hardwareDescriptionLanguage，HDL）文本形式提交给用户，经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息的软核(SoftIPCore)；2)完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节，一般以门级电路网表的形式提供给用户的固核（FirmIPCore）；3)基于物理描述，并经过工艺验证，具有可保证的性能，提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件的硬核（HardIPCore）。AFreesamplebackgroundfrom核IP软核以源代码的形式提供的，IP知识产权不易保护。IP硬核易于实现IP保护，缺点是灵活性和可移植性差。目前全球IP核市场处于快速成长的阶段，EDA联盟、RAPID联盟、VCX联盟与VSIA联盟等都在积极推动IP核的开发、应用及推广。其中，EDA联盟主要是以如何提供更好的EDA软件工具为主，VSIA联盟主要针对IP核的定义、开发、授权及测试等建立一个公开的共性规范。ARM、Rambus和MIPS在十大IP供应商排行中居前3位。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置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。AFreesamplebackgroundfrom嵌入式系统组成AFreesamplebackgroundfrom典型的嵌入式系统组成应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口中间层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMDRAMSRAM内存AFreesamplebackgroundfrom嵌入式计算机系统的硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的ROM中。AFreesamplebackgroundfrom（1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用PC机中的CPU和各种接口集成到芯片内部，有利于系统设计趋于微型化、高效率和高可靠性。为特定用途专门设计。嵌入式微处理器的体系结构可采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可选用精简指令系统（RISC）或复杂指令集系统（CISC）。嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。AFreesamplebackgroundfrom（2）存储器嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器。①Cache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。使处理速度更快，实时性更强。Cache集成在嵌入式微处理器内，可分数据Cache、指令Cache或混合Cache。②主存储器存放系统、用户程序和数据。主存储器有ROM和RAM类，位于微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有Flash、EEPROM等，RAM类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量为256KB～1GB。③辅助存储器指硬盘、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等，存放大容量的程序代码或信息，容量较大，但读取速度较慢。AFreesamplebackgroundfrom（3）通用设备接口和I/O接口嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的各种通用设备接口，如GPIO（通用I/O接口）、A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口）、RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、I2C、IIS（音频