嵌入式系统基本概念

1提高阶段：第16讲基本概念电气工程系赵志衡2本节提要132嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统设计方法3冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RISC影响CPU性能的因素存储器系统I/O接口一、嵌入式系统硬件基础4典型嵌入式系统基本组成－硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设51.1冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据261.2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据71.3CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单81.4影响CPU性能的因素：流水线、缓存流水线技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp9高速缓存（CACHE）1、为什么采用高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址101.5存储器系统RAM：随机存取存储器，SRAM：静态随机存储器，DRAM：动态随机存储器1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗电多3）DRAM存储密度比SRAM高得多4）DRAM需要周期性刷新ROM：只读存储器FLASH：闪存11I/O接口I/OA/D、D/A键盘LCD存储器接口设备接口12例如USBUSB：UniversalSerialBus，通用串行总线大家生活中常见的与USB有关的东西有：U盘、移动硬盘、无驱型的MP3（U盘）USB接口的键盘、Mouse、打印机、数码相机……即插即用，热插拨，系统不需重启便可工作，且易于扩展（127个）USB2.0以低成本实现高达480Mb/s的传输率（USB1.1的全速设备可达12Mb/s）接口标准统一、端口供电13本节提要132嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统设计方法14二、嵌入式系统软件基础操作系统的分类嵌入式实时操作系统前台与后台多任务，任务优先级，调度非占先式与占先式153.1操作系统的分类（1）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，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。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。16按实时性分类强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）；一般实时系统，其系统响应时间在毫秒－几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询、ATM）。弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长（工程机械）。171）循环轮询系统：（PollingLoop）最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。Initialize()While(true){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……if(condition_n)acition_n();}按软件结构分类182）事件驱动系统：（Event-Drivensystem）事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台、实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为（background）。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为（foreground)。后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如微波炉、电话机、玩具等。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有的事都靠中断服务来完成。19前后台系统（后台循环、前台中断）ISRISR后台前台ISR时间20代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断进入。在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完以后要立即开中断（在任务切换时，地址、指令、数据等寄存器堆栈保护）。代码的临界区21多任务（任务、进程和线程）CPU寄存器任务控制块1任务控制块2任务控制块n休眠、就绪、运行、挂起、被中断任务1任务2任务n……CPU寄存器22一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行程序。每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。多任务运行的实现实际上是靠CPU（中央处理单元）在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实际应用中，多任务的最大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化。23任务的状态RUNNINGREADYOSTaskCreate()OSTaskCreateExt()TaskisPreemptedOSMBoxPend()OSQPend()OSSemPend()OSTaskSuspend()OSTimeDly()OSTimeDlyHMSM()OSMBoxPost()OSQPost()OSQPostFront()OSSemPost()OSTaskResume()OSTimeDlyResume()OSTimeTick()OSTaskDel()DORMANTWAITINGOSStart()OSIntExit()OS_TASK_SW()OSTaskDel()OSTaskDel()InterruptOSIntExit()ISR24系统内核（Kernel)与调度（Scheduler)多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加ROM用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量。内核本身对CPU的占用时间一般在2到5个百分点之间。调度（Scheduler）是内核的主要职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。25非占先式与占先式非占先式（non-preemptive）非占先式调度法也称作合作型多任务（cooperativemultitasking），各个任务彼此合作共享一个CPU。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。非占先式内核的一个特点是几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有CPU，而不必担心被别的任务抢占。非占先式内核的最大缺陷在于其响应高优先级的任务慢，任务已经进入就绪态，但还不能运行，也许要等很长时间，直到当前运行着的任务释放CPU。内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到CPU的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放CPU。26非占先式(Non-Preemptive)低优先级任务ISR高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中断服务程序使高优先级任务就绪低优先级任务释放CPU使用权TIME27当系统响应时间很重要时，要使用占先式（preemptive）内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。使用占先式内核时，应用程序不应直接使用不可重入型函数。低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。占先式（preemptive）28占先式(Preemptive)低优先级任务ISR高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）中断服务程序使高优先级任务就绪高优先级任务得到CPU使用权TIME29可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。一个不可重入型函数的例子intTemp;Voidswap(int*x,int*y){Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}可重入型函数30一个可重入型函数的例子Voidswap(int*x,int*y){intTemp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}31任务优先级静态优先级应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的动态优先级应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。实时内核应当避免出现优先级反转问题。32本节提要132嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统设计方法33嵌入式系统的软/硬件框架机械装置嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/DD/A人机交互接口通用接口实时操作系统(RTOS)图形用户接口BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包任务管理文件系统应用程序嵌入式计算机系统传感器1传感器2传感器N......驱动器1驱动器2驱动器N......硬件层软件层中间层功能层被控对象34嵌入式开发工具与开发环境35开发平台简介36开始新工程编辑源代码交叉编译连接仿真调试程序下载台式/笔记本式PC机并口JTAG仿真器网络接口JTAG接口USB接口串口0ARM300开发板串口USB接口以太网口ARMSDTDebugArmDvkARM7处理器执行监测结果超级终端ARM300开发板实验流程结束嵌入式软件开发流程37开发平台简介网口JTAGUSB串口0扩展板接口ARM微处理器S3C44B0X扩展口2网卡JTAG仿真器ARM300开发板集成开发环境运行平台38几种常用的开发方法指令集模拟器一种利用PC机端的仿真开发软件模拟调试的方法。驻留监控软件驻留监控程序运行在目标板上，PC机端调试软件可通过并口、串口、网口与之交互，以完成程序执行、存储器及寄存器读写、断点设置等任务JTAG仿真器通过ARM芯片的JTAG边界扫描口与ARM核进行通信，不占用目标板的资源，是目前使用最广泛的调试手段在线仿真器使用仿真头代替目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为。但结构较复杂，价格昂贵，通常用于ARM硬件开发中