嵌入式系统原理与应

《嵌入式系统原理与应》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统原理与应（124页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、Slide Title,,Body Text,,Second Level,,Third Level,,*,,© 2005 BIT,嵌入式系统原理与应用,,石秀民 ，,shixiumin,@sina,.com,,,北京理工大学,-Intel,联合实验室,,,,,2007-11-16,1,参考资料,,1.,嵌入式系统,-- Intel XScale,结构与开发，编著 陈章龙、涂时亮 ，北京航空航天大学出版 社，,2004,年,1,月,,2.,王田苗 主编,.,嵌入式系统设计及实例开发,——ARM,与,μC/OS-Ⅱ.,北京：清华大学出版社，,2002.9,,3.Linux,与嵌入式系统，李善平，刘

2、文峰，北京：清华大学出版社，,2003.1,,4,．（美）,Jean J.Labrosse,,邵贝贝译,. μC/OS-Ⅱ——,源码公开的实时嵌入式操作系统,.,北京：中国电力出版社，,2001.8,,简介：是目前学习嵌入式操作系统最好的入门教材，书中对一个完整的嵌入式实时内核,——μC/OS-Ⅱ,进行了剖析，详细讲述了实时内核的设计和创建方法，以及多任务实时系统的原理和编程思想。,2,,5,．（美）,Wayne Wolf,，孙玉方等译,.,嵌入式计算机系统设计原理,.,北京：机械工业出版社，,2002.2,,,简介：被称为“嵌入式计算系统设计的第一本教科书”，书中重点介绍了嵌入式技术和基本原

3、理和技术，涉及到嵌入式系统的相关的指令系统、,CPU,、计算平台、程序设计与分析、进程和操作系统、硬件加速器、网络、系统设计技术等方面。,,6,毛德操，胡希明著。,《Linux,内核源代码情景分析,》,。浙江,:,浙江大学出版社。,,7 Andrew N.Sloss(,美,),,ARM,嵌入式系统开发,—,软件设计与优化,,,北京,:,北京航空航天大学出版社，,2005.5,,3,,实验平台,,4,,嵌入式系统的概述,----,基于,ARM,1,、什么是嵌入式系统,,2,、硬件基础,,3,、嵌入式操作系统,,4,、嵌入式系统的应用领域,,5,、嵌入式技术的发展趋势,,5,,一、什么是嵌入式系统

4、,1,发展历史和典型应用,,嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的,MP3,和一个,PC104,的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。,,嵌入式系统早期主要应用于军事及航空航天等领域,,,以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领域。随着,Internet,的发展,,,新型的嵌入式系统正朝着信息家电,IA(Information Appliance),和,3C(Computer,、,Communication & Consumer),产品方向发展。,,嵌入式系统已经有了近,30,年的发展历史，它是在硬件和软件交替双螺旋式发展的基础上发展起来的,。,6,

5、,第一款微处理器是,Intel,的,4004,，它出现在,1971,年，然后是是,Intel,公司的,8048,，它出现在,1976,年。,Motorola,同时推出了,68HC05,，,Zilog,公司推出了,Z80,系列，这些早期的单片机均含有,256,字节的,RAM,、,4K,的,ROM,、,4,个,8,位并口、,1,个全双工串行口、两个,16,位定,,时,,器。,,之后在,80,年代初，,Intel,又进一步完善了,8048,，在它的基础上研制成功了,8051,。,在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，,51,系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用

6、。,,7,,典型应用,,手机,机顶盒,STB,PDA,可视电话,SONY,机器狗,“索杰纳”火星车,8,,1981,年,Ready System,发展了世界上第,1,个商业嵌入式实时内核（,VTRX32,）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。,,随后，出现了,Integrated System Incorporation (ISI),的,PSOS,、,WindRiver,的,VxWorks,、,QNX,公司的,QNX,等，,Palm OS,，,WinCE,，嵌入式,Linux,，,Lynx,，,uCOS,、,Nucleus,，以及国

7、内凯思集团的,Hopen,、,Delta OS,等嵌入式操作系统。,9,,90,年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（,RTOS,），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。,,今天,RTOS,已经在全球形成了,1,个产业，根据美国,EMF,（电子市场分析）报告，,1999,年全球,RTOS,市场产值达,3.6,亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、软件编译器和调试器）则高达,9,亿美元。,10,,风河的,Tornado/VxWorks,P

8、alm,公司的,Palm OS,微软的,Windows CE,11,,2,定义,IEEE,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“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为,devices,used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants,）。,,可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式,系统,是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,12,,一般定义,,,,“以,应用,为中心、以计算机技术为基础、,软件硬件可裁剪,、,功

9、能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求,的,专用,计算机系统。”,,从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：,,嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。可以这样理解上述三个方面的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。,13,,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如,Palm OS,之所以在,PD

10、A,领域占有,70,％以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的,VxWorks,之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。,14,,,嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。,所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几,KB,到几十,KB,的微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。,,15,,,嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与

11、产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义,。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重心放在“系统”（即操作系统）上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间层（,BSP,层，板级支持包）连接。,16,,3,、嵌入式系统的几个重要特征,（,1,）系统内核小,,,由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。,,比如,ENEA,公司的,OSE,分布式系统

12、，内核只有,5K,，而,Windows,的内核则要大得多。,,我们用的,sitsang,平台，移植的内核不包括文件系统,851.3k,。包括之后是,39M,。,,,17,,（２）专用性强,,嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。,,即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。,,同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，,这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,,18,,（３）系统精简,,嵌入式系统,一般没有系统软件和应用软件的明显区分,，不要求其功能设计及实现上过于

13、复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。,,（４）高实时性,OS,,这是,嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。,软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,,19,,（,5,）嵌入式软件开发走向标准化，必须使用多任务操作系统,,嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。,,为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配,RTOS,（,Real,－,Time Operating System,）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,20,,（,6,）嵌入式系统开发需要开发工

14、具和环境,,由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。,,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。,,开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,,21,,22,,4,、 嵌入式系统与,PC,之间的区别,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台,,嵌入式系统的资源比PC少得多,,嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多,,嵌入式系统一般采用实时操作系统,,嵌入式系统大都有成本、功耗的要求,,嵌入式系

15、统得到多种微处理体系的支持,,嵌入式系统需要专用的开发工具,23,,5,、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,Flash,RAM,ROM,USB,LCD,Keyboard,外围电路,Other,外设,24,,6,、典型嵌入式系统基本组成－软件,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,25,,嵌入式系统一般指非,PC,系统，它包括硬件和软件两部分。,,硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和,I,／,O,端口、图形控制器等。,,软件部分包括操作系统软件（,OS,）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件

16、组合在一起。,,应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,26,,,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下,4,个特点,,1,）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。,,,2,）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。,,,3,）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。,,,4,）嵌入式微处理器必

17、须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有,mW,甚至,μW,级。,27,,嵌入式处理器,,,嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。,早期的,４位、,,８位单片机，后来的,16,位,CPU,，现在,,32,位、,64,位嵌入式,CPU,。,,实时操作系统,,,实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。,28,,冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构,,CISC与RICS,,嵌入式处理器,,影响CPU性能的因

18、素,,存储器系统,,I/O接口,,二、硬件基础,29,,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,2,总线,30,,指令的执行周期,T,1,）取指令（,Instruction Fetch),：,T,F,,,2,）指令译码（,Instruction Decode,）：,T,D,,,3,）执行指令（,Instruction Execute,）：,T,E,,,4,）存储（,Storage,）：,T,S,,,每条指令的执行周期：,T= T,F,+T,D,+T,E,+T

19、,S,,,31,,冯,·,诺依曼体系的特点,1,）数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。,,,2,）被早期大多数计算机所采用,,,3,）,ARM7——,冯诺依曼体系,,,结构简单,,,但速度较慢。取指不能同时取数据,32,,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,总线,总线,33,,哈佛体系结构的特点,1,）程序存储器与数据存储器分开,.,,2,）提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。,,3,）适合于数字信号处理,.,,4,）大多数,DSP,都是哈佛结构

20、,.,,5,）,ARM9,是哈佛结构,,取指和取数在同一周期进行，提高速度，,,改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。,34,,CISC,和,RISC,RIS C,和,C IS C,是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：,35,,CISC,和,RISC,CISC,：复杂指令集（,Complex Instruction Set Computer,）,,具有大量的指令和寻址方式,,8/2,原则：,80%,的程序

21、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。,,CISC CPU,包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。,,RISC,：精简指令集（,Reduced Instruction Set Computer),,在通道中只包含最有用的指令,,,只提供简单的操作。,,确保数据通道快速执行每一条指令,,Load-store,结构 处理器只处理寄存器中的数据，,load-store,指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。,,使,CPU,硬件结构设计变得更为简单，,RISC CPU,包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低,,,,36,,CISC,与,RISC,的数据

22、通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,37,,嵌入式处理器,,,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，到,2000,年全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过,1000,多种，流行体系结构有,30,几个系列。,,现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从,64kB,到,256MB,，处理速度从,0.1MIPS,到,2 0 00MIPS,，常用封装从,8,个引脚到,256,个引脚。根据其现状,,,嵌入式处理器可以分成下面几

23、类。,,38,,The Intel® PXA255 Processor,,The Intel® PXA255 Processor (PXA255 processor is an application specific standard product (ASSP) that provides industry-leading MIPS/mW performance for handheld computing applications. The processor is a highly integrated system on a chip and includes a high-perf

24、ormance low-power Intel® XScale™ microarchitecture with a variety of different system peripherals.,,The PXA255 processor is a 17x17mm 256-pin PBGA package configuration for high performance.The 17x17mm package has a 32-bit memory data bus and the full assortment of peripherals.,39,,,嵌入式微控制器（,Microco

25、ntroller U nit,，,MCU,）,嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从,20,世纪,70,年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了,20,多年的历史，但这种８位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。单片机芯片内部集成,ROM/EPROM,、,RAM,、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、,I/O,、串行口、脉宽调制输出、,A/D,、,D/A,、,Flash,、,EEPROM,等各种必要功能模块。,,嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有目前,MCU,占嵌入式系统约,7 0,％的市场份额。,,特别值得注意的是近年来提供,X86,微处理器的著名厂商,AMD,公司把,Am

26、l86CC/CH/CU,等嵌入式处理器称之为,Microcontroller,。,MOTOROLA,公司把以,Power PC,为基础的,PPC505,和,PPC55 5,亦列入单片机行列。,TI,公司亦将,TMS3 20C2XXX,系列,DSP,做为,MC U,进行推广。,40,,嵌入式,DSP,处理器（,Embedded Digital Signal Processor,EDSP,）,,DSP,处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行,DSP,算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、,F FT,、谱分析等方面,D S P,算法正在大量进入嵌入式领域，,DSP,应用

27、正从在通用单片机中以普通指令实现,DSP,功能，过渡到采用嵌入式,D S P,处理器。嵌入式,D S P,处理器有两个发展来源,:,,一是,D S P,处理器经过单片化、,E M C,改造、，增加片上外设成为嵌入式,DSP,处理器，,Ti,的,TMS320C5000,等属于此范畴：,,另一是在通用单片机或片上系统（,SOC,）中增,DSP,协处理器，例如,intel,的,MC S,－,2 9 6,。,41,,嵌入式微处理器,Embedded Microprocessor Unit,，,EMPU,嵌入式微处理器是由通用计算机中的,CPU,演变而来的。它的特征是具有,32,位以上的处理器，具

28、有较高的性能，当然其价格也相应较高。目前主要的嵌入式处理器类型有,Am186/88,、,386EX,、,SC-400,、,Power PC,、,68000,（,68k,）、,MIPS,、,ARM,系列等。,,其中,ARM,／,Xscale,是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。,,嵌入式微处理器又可分为,CISC,和,RISC,两类。大家熟悉的大多数台式,PC,都是使用,CISC,微处理器，如,intel,的,x 8 6,。,,RISC,结构体系有两大主流：,S ilicon Graphics,公司（硅谷图形公司）的,MIPS,技术，,ARM,公司的,Advanced RI

29、SC Machines,技术。此外,H i tac h i,（日立公司）也有自己的一套技术,SuperH,。,42,,嵌入式片上系统（,System On Chip,）,,片上系统,SOC,是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。,SOC,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。而且,SOC,具有极高的综合性，在一个硅片内部运用,VHDL,等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计，直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然

30、后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。,,由于,SOC,往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的,SOC,产品是,Philips,的,Smart XA,。少数通用系列如,Siemens,的,TriCore,、,Motorola,的,M-Core,、某些,ARM,系列器件、,Echelon,和,Motorola,联合研制的,Neuron,芯片等。,43,,嵌入式处理器的选择,,针对每一类应用来说，开发者对处理器的选择就是多种多样的由于嵌入式系统设计的差

31、异性极大，因此选择是多样化的。设计者在选择微处理器是要考虑的主要因素有：,,处理器的处理速度：一个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和,I/O,子系统。如果你的设计是面向高性能的应用，那么建议你考虑某些新的处理器，,XScale, Power PC,等。,,技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了芯片的数量，进而降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑（,

32、Glue Logic,）就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如,DMA,控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。,44,,处理器的低功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、,PDA,、,手机、,GPS,导航器、智能家电等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理器典型的特点是要求高性能、低功耗。许多,CPU,生产厂家己经进入了这个领域。,,处理器的软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持，也是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。,,处理器是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大的缩小

33、调试周期，降低调试的难度。,,处理器供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证你的理论是否止确，验证你的决策是否得当。,45,,46,,影响,CPU,性能的因素：流水线、超标量和缓存,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,Add,Sub,Cmp,47,,超标量执行,超标量执行：超标量,CPU,采用多条流水线结构,,,执行,1,预取,指令,CACHE,译码,2,译码,1,执行,2,执行,1,预取,译码,2,译码,1,执行,2,流水线,1,流水线,

34、2,数据,48,,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提高快得多，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,49,,存储器系统,存储器的物理实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。存储器按存储信息的功能可分为只读存储器,R O M,（,Read only Memory,）和随机存储器,RAM( Random Access Memor

35、y,）。,,,50,,SRAM,和,DRAM,1,）,SRAM 2,）,DRAM,CS,R/W,Addr,Data,CS,R/W,CAS,Data,RAS,Addr,1,）,SRAM,比,DRAM,快,,2,）,SRAM,比,DRAM,耗电多,,3,）,DRAM,存储密度比,SRAM,高得,,4,）,DRAM,需要周期性刷新,51,,SDRAM(Synchronous DRAM,，同步动态随机存储器,),此,RAM,与系统时钟同步，以相同的速度同步工作，这样就可以取消等待周期，减少数据存储时间。,SDRAM,不仅可用作主存，在显示卡方面也有广泛应

36、用。,,SDRAM Ⅱ,,同步动态随机储存器,Ⅱ,，也称,DDR(Double Data Rate),，其核心以,SDRAM,为基础，但在速度和容量上有明显提高。与,SDRAM,相比：,DDR,运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行，又保持与,CPU,完全同步；,DDR,使用了,DLL(DelayLocked Loop,，延时锁定回路提供一个数据滤波信号,),技术，,DDL,本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高,SDRAM,的速度，它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿读出数据，因而其速度是标准,SDRA,的两倍。,52,,ROM,：只读存储器,,FLASH,：闪存

37、,,NOR,和,NAND,是现在市场上两种主要的非易失闪存技术,,NOR,的读速度比,NAND,稍快一些,,NAND,的写入速度比,NOR,快很多,,NAND,的擦除速度远比,NOR,的快（,NAND,的,4ms,擦除速度远比,NOR,的,5s,快）,,NOR,的特点是芯片内执行,(XIP,Execute In Place),，这样应用程序可以直接在,flash,闪存内运行，不必再把代码读到系统,RAM,中。,53,,接口差别,NOR flash,带有,SRAM,接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节,,NAND flash,使用复用接口和控制,IO,多次寻址存取数据,,NAND,

38、读和写操作采用,512,字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作易于取代硬盘等类似的块设备,54,,容量和成本,NAND flash,生产过程更为简单，成本低,,常见的,NOR flash,为,128KB,～,16MB,，而,NANDflash,通常有,8,～,128MB,,NOR,主要应用在代码存储介质中，,NAND,适合于数据存储,,NAND,在,CompactFlash,、,Secure Digital,、,PC Cards,和,MMC,存储卡市场上所占份额最大,55,,可靠性和耐用性,在,NAND,中每块的最大擦写次数是,100,万次，而,NOR,的擦写次数是,10,万次。,,位交换的

39、问题,NAND flash,中更突出，需要,ECC,纠错,,NAND flash,中坏块随机分布，需要通过软件标定,——,产品量产的问题，,NAND,器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。,56,,输入输出接口,CPU,与外部设备及存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，而前级被称为,I/O,接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在,CPU,的同步控制下，作为接口电路比较简单。而,I/O,设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是,I/O,接口。,,并行接口：,,串行接口：,,USB,接口：,,PCMCIA,和,CF,：,,红外线接口

40、：,,ISA,总线：,,PCI,总线：,,SPI,总线：,,PC104,总线：,,CAN,总线：,57,,并行接口：,,,,所谓“并行”，是指,8,位数据同时通过并行线进行传送这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。常用的,25,针工作模式，,S P P,标准工作模式。,EPP,增强型工作模式。,ECP,扩充型工作模式。,,58,,串行接口：,,在嵌入式系统的开发和应用中，经常需要使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制。一般是通过上位机本身配置的串行口，通过串行通讯技术，和嵌入式系统进行连接通讯。,,串行口的典型代表是,RS—2 3

41、 2—C,及其兼容插口，,2 5,针串行口可用,9,、,11,、,18,、,25,针来实现。,RS,－,232,－,C,是美国电子工业协会,EM,（,Electronic Industry Association,）制定的一种串行物理接口标准。,RS,是英文“推荐标准”的缩写，,232,为标识号，,C,表示修改次数。,R S2 32,－,C,总线标准设有,2 5,条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，,,在多数情况下上要使用主通道，对于一般双工通信．仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。,59,,全功能UART（FFUART）、蓝牙UART（BEUART）和标准UART

42、（STURAT）。,,FFUART支持Modem控制功能。它的最高波特率为230.4Kbs。,,蓝牙UART BTUART为一个高速UART，支持最高为921.6Kps，可连接至兰牙模块。除了RXD和TXD外，它仅有nCTS和nRTS Modem 控制脚。,,标准UART STUART不支持Modem控制功能。它的最高波特率为230.4Kps。,60,,61,,USB,接口：,,USB,全称,Universal Serial Bus,（通用串行总线）。,USB,接口是现在比较流行的接口，用于将使用的,USB,的外围设备连接到主机。在,USB,的网络协议中，每个,USB,的系统有且只有一

43、个,host,，它负责管理整个,USB,系统，包括,USBDevice,的连接与删除、,host,与,USBdevice,的通信、总路线的控制等等。,,,USB,最大的好处在于能支持多达,127,个外设，并且可以独立供电。支持热拔插，真正做到即插即用。一个,USB,接口可同时支持高速和低速,USB,外设的访问，由一条,4,芯电缆速接，其中,2,条是正电源和地，传送的是,5 V,的电源，,2,条是差分数据传输线，数据线是单工的，在整个的一个系统中的数据速率是一定的，要么是高速，要么是低速。高速外设的传输速率为,12Mbps,，而低速外设的传输速率,1.5Mbps,。新出台的,USB2.0,标准的

44、最高传输速率可达,480Mbps,,是目前,USB1.1,的,40,倍。,62,,63,,,PCMCIA,全名为,Personal Computer Memory Card Intenational Association,，中文意思是“国际个人电脑存储卡协会”。凡符合此协会定义的界面规定技木所设计的界面卡，便可称为,PCMCIA,卡或简称为,PC,卡。以前这项技术标准只适用于存储器扩展卡，但后来还扩展到存储器以外的外部设备，如网络卡、视频会议卡及调制解调器等。,,,PCMCIA,卡共分成四种规格，分别是,TYPE I,、,TYPE II,、,TYPE III,以及,CardBuS,。由于,C

45、ardBus,属于需要高频宽外设的界面规格，而且不常见，这里集中介绍前三类规格，即,TYPE I,、,TYPE II,、,TYPE III,，它们常被应用于一般的外设规格上。,TYPE I,的规格：面积为,8.56X5.4cm,,厚度则为,0.33cm,；适用于一般存储器扩充卡。,TYPE II,的规格：而积为,8.56 x 5.4cm,，厚度则为,0,．,5cm,；应用范围包括,Modem,卡、,Network,卡、视频会议卡等。,TYPE III,的规格：面积为,8,．,56x5,．,4cm,，厚度为,1.05cm,；应用范围为硬盘。,,,PCMCIA,和,CF,64,,90,年代初，当消

46、费性数码电子产品尚在研制时，,Sandisk,和,Canon,（佳能）等几家公司就洞悉到急需新的存储介质与之相适应，通过业界的沟通，,Sandisk,和,KODAK,（柯达）、,CASIO,（卡西欧）、,Canon,（佳能）结成战略性伙伴，制定新一代的基于,RAM,和,ROM,技术的固态非易掉大的存储介质标准：,Compact Flash,标准。到,1994,年，,Sandisk,推出第一块可抹写的,CF,卡（属于,EPROM,）。随后，在,1995,年，由,125,家厂商联盟组成一个非盈利性质的，旨在共同推广,CF,标准的协会一一,CompactFlansh Association,（简

47、称,CFA,）,,,CF,卡分,2,种，,TYPE I,为,43mm x36mm x3,．,3mm,（,CFI,），,TYPE II,为,43mmx36mm x5mmCF II,），,CF,卡的连接装置与,PCMCIA,卡相似，只不过,CF,卡是,50,－,pin,（,PCMCIA,卡,68,－,pin,）。,CF,卡可以很容易的插入无源,68--pin TYPE II,适配卡并完全符合,PCMCIA,电力和机械接口规格。,CompactFlash,卡同时支持,3.3,伏和,5,伏的电压，我们知道大部份的数字集成电路的供电要么是,5V,要么是,3.3 V,。,Compact Flash,标准,

48、65,,66,,红外线接口,,由于利用红外线接口进行文件传输不用连线，且速度较快，达,4M/s,，不失为短距离双机拐通讯的一种好万法。进行红外线通讯时需注意：将具有红外线通讯功能的两个系统靠近，且发送口大致在同一水平线上，注意两系统三间的距离不能相差太远，一般在一到两米，角度相差不超过,30,度。,,红外线接口大多是,5,个针插座，其管脚定义如下：,,红外发射电路由红外发射管,L2,和限流电阻,R2,组成。当主板红外接口的输出端,IRTX,输出调制后的电脉冲信号时，红外发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。电阻,R2,起限制电流作用，以免过大的电流将红外管损坏。,,红外接受电路由红外线

49、接收管,L1,和取样电阻,R1,组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知道通过红外接收管,L1,和电阻,R1,的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端,IRRX,输入主机。,67,,68,,总 线,,,总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。总线的主要参数有：,,,总线的带宽,:,,,总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据量，即我们常说的每秒钟传送多少,MB,的最大稳态数据传输率。与总线带宽密切相关的两个概念是总线的位宽和总线的工作时钟频率

50、。,,,69,,,总线的位宽,,总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数，即我们常说的,3 2,位、,6 4,位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带宽越宽。,,总线的工作时钟频率,,总线的工作时钟频率以,MHz,为单位，工作频率越高则总线工作速度远快，也即总线带宽越宽。,70,,ISA,总线,,IBM,公司于,1981,年推出的基于,8,位机,PC/XT,的总线，称为,PC,总线。,1984,年,IBM,公推出了,16,位,P C,机,P C,／,AT,，其总线称为,AT,总线。然而,IBM,公司从未公布过他们,AT,总线规格。为了能够合理地开发外插接口卡，由,

51、Intel,公司，,IE E E,和,EISA,集团联合开发了与,IBM/AT,原装机总线意义相近的,ISA,总线，即,8,／,16,位的“工业标准结构”,IS A,－,,Industry Standard Architecture),总线。,,,ISA,总线有,98,只引脚。其中,62,线的一段基于,8,位的,PC,总线，可以独立使用，连接,8,位的扩展卡，而,6 2,线与,3 6,线相加后就扩展成标准的,16,位,IS A,，连接,16,位的扩展卡。,71,,,,ISA,总线的主要性能指标如下：,,（,1,）,I/O,地址空间,0100H-03FFH,,（,2,）,2 4,位地址线可直接寻

52、址的内存容量为,16MB,,（,3,）,8,／,16,位数据线,,( 4,）,6 2,＋,3 6,引脚,,（,5,）最大位宽,16,位（,b it,）,,（,6,）最高时钟频率,8MHz,,（,7,）最大稳态传输率,16MB,／,S,,（,8,）中断功能,,（,9,）,D MA,通道功能,,（,10,）开放式总线结构，允许多个,CP U,共享系统资源,,72,,PCI,总线,,,,,,19 91,年下半年，,Intel,公司首先提出了,PCI,的概念，并联合,IBM,、,Compaq,、,AST,、,HP,、,DEC,等,100,多家公司成立了,PCI,集团，其英文全称为：,Peripher

53、al Component Interconnect Special Interest Group,（外围部件互连专业组），简称,PCISIG,。,PCI,有,32,位和,6 4,位两种，,32,位,PCI,有,124,引脚，,64,位有,188,引脚，日前常用的是,32,位,PCI,。,3 2,位,PCI,的数据传输率为,133MB/s,,大大高于,ISA,。,73,,,PCI总线的主要性能,,（ l）支持 10台外设,,（2）总线时钟频率 3 3．3 MHz/6 6 MHZ,,（3）最大数据传输速率133 MB／s,,（4）时钟同步方式,,（5）与 CPU及时钟频率无关,,（6）总

54、线宽度3 2位（5 V）／64位（3.3 V）,,（7）能自动识别外设,,74,,SPI,总线,,串行外围设备接口（,serial peripheral interface,）总线技术是,Motorola,公司推出的一种同步串行接口。,Motorola,公司生产的绝大多数,MCU,（微控制器）都配有,SPI,硬件接口，如,68,系列,MCU,。,SPI,总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与,SPI,有关的软件就相当简单，使,CP U,有更多的时间处理其他事务。,,由,SPI,连成的串行总线是一种三线同步总线，总线上可以连接多个可作为主机的,MCU,，装有,SPI,接口的输出设备，

55、输入设备如液晶驱动、,A/D,转换等外设，也可以简单连接到单个,TTL,移位寄存器的芯片。总线上允许连接多个能作主机的设备，但在任一瞬间只允许有一个设备作为主机。总线的时钟线,SCK,由主机控制，另外两根分别是：主机输入／从机输出线,MISO,和主机输出／从机输入线,MO SI,。典型的结构如下图 所示。,75,,76,,系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：,,（,1,）一台主机,MCU,和若干台从机,MCU,,,（,2,）多台,MCU,互相连接成一个多主机系统。,,（,3,）一台主机,MCU,和若干台从机外围设备。,,主机和哪台从机通讯通过各从机的选通线进行选择。,,,SPI,是全

56、双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主机编程决定：,,时钟的极性和相位也是可以选择的，具体的约定由设计人员根据总线上各设备接口的功能决定。,,77,,PC104,总线,,,,1992,年,IEEE,开始着手为,PC,和,PC/AT,总线制定一个精简的,IEEEP996,标准（草稿），,PC104,作为基本文件被采纳，叫做,IEEE P996.1,兼容,PC,嵌入式模块标准。可见，,PC104,是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。我们知道,IEEE,－,P996,是,PC,和,PC,／,AT,，工业总线规范，,IEEE,协会将它定义,IEEE,－,P996,．,l,，很明

57、显,PC104,实质上就是一种紧凑型的,IEE E,－,P 9 9 6,，其信号定义和,PC/AT,基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统总线。,,,PCI 04,有两个版本，,8,位和,16,位，分别与,PC,和,PC/AT,相对应。,PC104PLUS,则与,PCI,总线相对应，在,PC104,总线的两个版本中，,8,位,P C104,共有,6 4,个总线管脚，单列双排插 针和插孔，,P1,：,64,针，,P 2,：,40,针，合计,10 4,个总线信号，,P C10 4,因此得名。,78,,CAN,总线,,CAN,，全称为“,Controll

58、er Area Network”,，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先，,CAN,被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置,ECU,之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电于主干系统中，均嵌入,CAN,控制装置。,CAN,是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到,10 Km,时，,CAN,仍可提供高达,50Kbit/S,的数据传输速率。,,为促进,CAN,以及,CAN,协议的发展，,1992,在欧洲成立了,CiA,（,CAN in

59、 Automation,）。在,C iA,的努力推广下，,CAN,技术在汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现己,40 0,多家公司加入了,C iA,，,CiA,己经为全球应用,CAN,技术的权威。,79,,,CAN,的主要特性,,(1),低成本；,,（,2,）极高的总线利用率；,,（,3,）很远的数据传输距离（长达,10Km,）；,,（,4,）高速的数据传输速率（高达,1Mbit/s,）；,,（,5,）可根据报文的,ID,决定接收或屏蔽该报文；,,（,6,）可靠的错误处理和检错机制；,,,(7),发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

60、,,（,8,）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；,,（,9,）用了不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。,,80,,,81,,三、嵌入式操作系统,操作系统功能,,操作系统的发展历史,,操作系统的分类,,嵌入式实时操作系统,82,,1,操作系统的功能,操作系统是充当计算机用户和计算机硬件之间的一个中介，并用于管理计算机资源和控制应用程序运行的计算机程序。,,操作系统一般提供以下功能服务：,,,程序运行,一个程序的运行离不开操作系统的配合，其中包括指令和数据载入内存，,I/O,设备和文件系统的初始化等等。,,,I/O,设备访问,每种,I/O,设备的管理和使用都有

61、自己的特点。而操作系统接管了这些工作，从而使得用户在使用这些,I/O,设备的过程中会感到更方便。,,,83,,,文件访问,文件访问不仅需要熟悉相关,I/O,设备的特点，而且还要熟悉相关的文件格式。对于多用户操作系统或者网络操作系统，从计算安全角度考虑，需要对文件的访问权限作出相应的规定和处理。这些都是操作系统所要完成的工作。,,,系统访问,对于一个多用户或者网络操作系统，操作系统需要对用户系统访问权限作出相应的规定和处理。,,,程序开发,一般操作系统都会提供丰富的,API,供程序员开发应用程序，并且很多程序编辑工具，集成开发环境等等也是通过操作系统提供的。,,84,,2,操作系统的发展历史,串

62、行处理系统,,,在二十世纪四五十年代，电子计算机发展初期，没有操作系统的概念，人们通过一个由显示灯、跳线、某些输入输出设备同计算机打交道。当需要执行某个计算机程序时，人们通过输入设备将程序灌入计算机中．然后等待运行结果。如果中间出现错误，程序员就得检查计算机寄存器、内存甚至是一些元器件以找出原因所在；如果顺利完成，结果就从打印机上打印出来。人们称这种工作方式为串行处理方式：随着计算机技术的发展， 一些较为成型的软件开始出现， 比如说，调试器、,I/O,驱动等。,85,,简单批处理系统,,,由于早期的计算机系统十分昂贵， 人们希望通过某种方式提高计算机的利用率， 于是批处理的概念就被引入

63、了。在早期的批处理系统中，功能相对比较简单，其核心思想就是借助某个称为监视器的软件，用户不需要直接和计算机硬件打交道，而只需要将自己所要完成的计算任务提交给计算机操作员。在操作员那里，所有计算任务按照一定的顺序被成批输入计算机中。当某个计算任务结束之后，监视器会自动开始执行下一个计算任务。,86,,多道程序设计批处理系统,,,,即便是采用了批处理技术，并不能对计算机资源进行有效利用。一个很头疼的问题就是,I/O,设备的操作速度往往比处理器慢很多。当某个批处理任务需要访问,I/O,设备的时候，处理器往往处于空闲状态。基于这方面的考虑，多道程序设计思想被引入了批处理系统中。通常， 多道程序设计也

64、可被称为多任务。即多道程序设计批处理系统也可称为多任务批处理系统。,,多道程序设计思想的引入允许某个计算任务在等待,I/O,操作的时候，计算机可以转而执行其它计算任务。从而提高处理器的利用率。,87,,分时系统,,,在多任务批处理系统中．计算机资源的利用率得到了很大提高。问题是如果用户希望能够干预计算任务的执行该怎么办,?,我们需要引入一种交互模式来实现这一功能。分时的概念引入了。在分时系统中，处理器时间按照一定的分配策略在多个用户中间共享。在实际的单处理器系统中，是多个任务交替获取处理器控制权，交替执行，从而提供更好的交互性能。,88,,现代操作系统,,现代操作系统技术是在综合了以上四种典型

65、的操作系统技术的基础上提出的操作系统实现方式，它适应了现代计算机系统管理和使用的要求。其主要特征是多任务、分时、多用户。现代操作系统一般包括：,,,(1),进程及进程管理,,,(2),内存及虚拟管理,,,(3),信息保护和安全,,,(4),调度和资源管理,,,(5),模块化系统化设计。,89,,3,操作系统的分类,（,1,）顺序执行系统：系统内只有一个程序在运行，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,的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如

66、,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。,,90,,4 嵌入式实时操作系统,,实时系统,(Real Time System),是一个能够在指定或者确定的时间内完成系统功能及对外部或内部事件在同步或异步时间内做出响应的系统。,,实时系统,使能同时满足以下要求的系统：,,逻辑正确性：,,产生正确的输出,,时间正确性：,,在恰当的时间或时限之前产生输出 。,,失败所需付的高代价,,可预测性,91,,(1),实时性 实时系统所产生的结果在时间上有着严格的要求，只有符合时间要求的结果才认为是正确的。在实时系统中每个任务都有一个截止期限，任务必须在这个截止期限之内完成以此保证系统所产生的结果在时间上的正确性。,,(2),可靠性 可靠性一方面指系统的正确性即系统所产生的结果在返回值和运行费时上都是正确的，另一方面它指系统的健壮性，也就是说虽然系统出现了错误或外部环境与预先假定的外部环境不符合，但系统仍然可以处于可预测状态它仍可以安全地带错运行和平缓地降级。,,(3),并行性 一般来说一个实时系统