嵌入式系统-程序员宅基地

技术标签: 笔记和心得体会  学习  嵌入式硬件  

第一章 嵌入式系统概述

一、嵌入式系统概述

1、定义

目前,对嵌入式系统的订一起多种多样,但没有一种定义是全面的,下面给出两种比较合理定义:

(1)技术角度:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件、硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

(2)系统角度:嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。

术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整部分,成为嵌入的系统。

2. 把嵌入式系统集成到更大的系统里面?

更高的性能

更多的功能

更低的功耗

更高的可靠性

3.嵌入式系统的特点

  • 嵌入式系统中运行的任务是专用而确定
  • 桌面通用系统需要支持大量的、需求多样的应用程序
  • 往往对实时性提出较高的要求
  • 嵌入式系统运行需要高可靠性保障 ,比桌面系统的故障容忍能力弱很多
  • 大都有功耗约束
  • 比桌面系统可用资源少的多(嵌入式系统资源配置够用就行)
  • 开发需要专用工具和特殊方法(开发:交叉编译,交叉链接;调试:仿真机、虚拟机)

4. 应用

  • 消费电子
  • 交通
  • 国防
  • 机器人

二、嵌入式系统处理器

1、嵌入式系统结构

一般由嵌入式系统微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统(可选)、以及用户的应用软件系统等四个部分组成

2、处理器结构

(1)处理器组成

  • 控制单元:取指令
  • 执行单元:数据运算

(2)处理器结构

  • 哈佛结构:指令和数据有各自的总线,执行效率高,设计复杂度高
  • 冯诺依曼结构:存储程序原理,代码本身也是数据;简化了结构,降低了复杂性,总线的吞吐量成为性能提升的瓶颈

CISC:Complex Instruction Set Compute

RISC:Reduced Instruction Set Compute

CISC  vs RISC

前者适用于通信计算机,后者适用于嵌入式系统。

RISC中,CPU与memory之间不能进行数据传输,必须通过load/store指令把数据从内存搬到register,Cpu再操作register里面的数据。

3.嵌入式系统微处理器

ARM

  • ARM:Advanced RISCMachines,一个公司的名字,一类微处理器的名字,一种技术的名字
  • 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式系统解决方案的RISC标准
  • ARM的三大特点

(1)体积小、低功耗、低成本、高性能

(2)16/32 位双指令集

(3)全球的合作伙伴众多

MIPS

  • Microprocessor without Interlocked Piped Stages,无内部互锁流水级的微处理器,是一个处理器内核标准
  • 基于RISC架构
  • 使用率仅次于ARM
  • 应用领域覆盖游戏机、路由器、掌上电脑等各个方面

PowerPC

  • Perfomance Optimization With Enhanced RISC -Performance Computing
  • 基于RISC
  • 品种多,既有通用的处理器,也有嵌入式控制器和内核

4.嵌入式处理器

  • 嵌入式微MPU)

只保留和嵌入式紧密相关的功能部件;如ARM MIPS POWERPC;电路板上必须包括ROM、ARM、总线接口、各种外设等器件。

  • 嵌入式微控制器(MCU)

以微处理器内核为核心;将整个计算机集成到一个芯片中;芯片内部集成ROM、RAM、总线、定时、IO、串口等各种必要功能和外设;集成度高、功耗高、可靠性高

  • 嵌入式DSP处理器(DSP)

对系统结构和指令进行了特殊设计;

执行滤波、FFT等数字信号处理

  • 嵌入式片上系统  system on chips 

晶体管逻辑电路

中小规模IC逻辑电路

大规模IC逻辑电路

摩尔定律:当价格不变时,IC集成度约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

三、嵌入式操作系统

1.概念

基本概念

计算机中最基本的程序。负责计算机系统中全部软硬资源的分配和回收、控制与协调等并发的活动;提供用户接口,使用户获得良好的工作环境;为用户提供新的系统功能提供软件平台。

用户程序
操作系统
硬件驱动
硬件

2.使用嵌入式实时操作系统的必要性

(1)嵌入式实时操作系统再目前嵌入式应用中用得越来越广泛,尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。

(2)在嵌入式系统应用中,只有把CPU嵌入到系统中,同时把操作系统嵌入进去,才是真正的计算机嵌入式应用

(3)使用实时操作系统主要原因:

①提高了系统的可靠性

②提高了开发效率,缩短了开发周期

③充分发挥了32位CPU的多任务潜力

3.嵌入式实时操作系统的优缺点

优点:

①在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易,不需要大的给董就可以增加新的功能

②通过将应用程序分割成若干独立的任务模块,使应用程序的设计过程大为简化,而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。

③通过有效的系统服务,嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用

缺点:

需要额外的ROM/RAM开销 ,2~5%的cpu额外负荷

四、嵌入式系统设计流程

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