嵌入式系统-原理与应用技术（第二版）期末复习-第一章

第一章 嵌入式系统概述

1.1嵌入式系统简介

1.定义

嵌入式系统定义：在国内的很多嵌入式网站和相关书籍中，一般都认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软/硬件可裁剪，可满足应用系统对功能，可靠性，成本，体积和功耗有严格要求的专业计算机系统

2.特征

1. 通常是面向特定应用的
2. 硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣
3. 实时操作系统支持
4. 嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也是同步进行
5. 为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中
6. 专业开发工具的支持

3.组成

嵌入式系统的组成：嵌入式系统是指嵌入各种设备及应用产品内部的专用计算机系统，而非PC统，嵌入式系统一般由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统以及用户应用软件四个部分组成，用于实现对其他设备的控制，监视或管理等功能。

4.嵌入式微处理器

1.冯诺依曼体系结构

冯诺依曼结构的计算机由cpu和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同

2.哈佛结构

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。

3.精简指令集计算机

1.CISC体系

在CISC中，为了支持目标程序的优化，支持高级语言和编译程序，增加了许多复杂的指令，用一条指令来代替一串指令。通过增强指令系统的功能，虽然简化了软件，却增加了硬件的复杂程度。而这些复杂指令并不等于缩短程序的执行时间

2.RISC体系

RISC的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令系统是计算机的结构更加简单合理，从而提高运算效率

在RISC中，优先选取使用频率最高的，很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类；指令之间各个字段划分比较一致，各个字段的功能也比较规整；采用Load/Store指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；增加cpu中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取；大部分指令系统在一个或小于一个机器周期内完成，以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制；采用高级语言编程，重视编译优化工作，以缩短程序执行时间

3.结合

现代的cpu往往采用了CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集cpu就是融合了RISC和CISC两者的优势，成为未来cpu发展方向之一

5.嵌入式操作系统

1.特点

注意，这里是操作系统特点

1. 强稳定性，弱交互性。
2. 较强的实时性
3. 可伸缩性
4. 外围硬件接口的统一性

2.分类

根据响应时间的不同，嵌入式操作系统可分为以下三类：

1.强实时嵌入式操作系统（系统响应时间在微秒或毫秒级）
2.一般实时嵌入式操作系统（系统响应时间在毫秒至几秒数量级，实时性要求没有强实时系统要求高）
3.弱实时嵌入式操作系统（系统响应时间在数十秒或更长）

6.应用软件

嵌入式系统软件的要求与pc有所不同，其主要特点如下

• 软件要求固态化存储
• 软件代码要求高效率，高可靠性
• 系统软件（嵌入式操作系统）有较高的实时性要求

1.2嵌入式微处理器

1.分类

1.按字符宽度来区分

1.8位微处理器
大部分用在低端应用领域中，也包括用在外围设备或内存控制器中

2.16位微处理器
通常用在比较精密的应用领域中，需要比较长的字符宽度来处理

3.32位微处理器
大多是RISC的微处理器，则提供了更好的性能

2.从应用的角度来划分

• 嵌入式微控制器
• 嵌入式数字信号处理器–核心计算
• 嵌入式片上系统

2.ARM嵌入式微处理器

1.特点

采用RISC架构的ARM微处理器主要特点如下：

• 体积小，低功耗，低成本，高性能
• 支持Thumb（16位）/ARM(32位）双指令集，兼容8位/16位器件
• 使用单周期指令，指令简洁，规整
• 大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率
• 寻址方式简单灵活，执行效率高
• 固定长度的指令格式

2.系列

1.ARM7

ARM7优化了低价位和低功耗的32位核，带有：

• 嵌入式ICE-RT逻辑
• 三级流水线和冯诺依曼体系结构
• 三级流水线的各个周期的含义说明如下：
  1.取指：从存储器中装载一条指令
  2.译码：识别将被执行的指令
  3.执行：处理指令并把结果写回到寄存器

2.ARM9系列

ARM9系统提供了高性能和低功耗的硬宏单元，带有：

• 五级流水线
• 哈佛体系结构

3.ARM Cortex

AEMv6体系结构新特性：单指令多数据流指令，而最新的技术就是经过优化的Thumb-2指令集，他专门为适应低成本的单片机及汽车电子组件等设计、
1.款式A（ARMV7-A）：设计成用于高性能的开发应用平台，越来越接近一台计算机了
2.款式R：设计成用于高端的嵌入式系统，尤其是那些带有实时性应用要求的嵌入式系统
3.款式M：设计成用于深度嵌入的单片机或MCU风格的系统中

3.选型

一般从应用的角度考虑嵌入式

• 功能
• 性能
• 价格
• 熟悉程序及开发资源
• 操作系统支持
• 升级
• 供货情况
• 多处理器应用
• ARM微处理器内核的选择
• 系统的工作频率的选择
• 芯片内存储器的容量选择
• 片内外围电路的选择

1.3嵌入式操作系统

1.μC/OS-II简介

1.μC/OS-II是免费公开源代码，结构小巧，具有可剥夺实时内核的实时操作系统。
2.具有执行效率高，占用空间小，实时性能优良和可扩展性强等特点
3.μC/OS-II目标是实现基于优先级调度的抢占式的实时内核
4.严格的说，μC/OS-II只是实时操作系统内核，仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能
5.μC/OS-II可以分为核心，任务处理，时钟处理，任务同步与通信和与cpu的接口5个部分