第二章 嵌入式系统基本概念

嵌入式系统基本概念

2.1 嵌入式处理器

嵌入式系统的核心是处理器。如一个系统，使用了内存、键盘，无处理器，也不能称为嵌入式系 统

处理器组成：执行单元（EU）+程序流控制单元（CU）。

嵌入式处理器主流：MPU、DSP、MCU、SOC。

流派：ARM系列、MIPS系列、PPC系列、X86系列。

嵌入式处理器、核的之类：通用处理器GPP、专用系统处理器（ASSP）、多处理器、嵌入到ASIC或VLSI中的GPP或ASIP、FPGA、多核。

2.2 冯诺依曼结构与哈佛结构

■冯诺依曼结构

指令存储器与数据存储器一体化设计

指令地址与数据地址统一编码

高速运算时，储存传输通道有瓶颈

主要案例：intel的8086系列、ARM7、MIPS

■哈佛结构

指令存储器与数据存储器一体化设计

存储地址独立编址、独立访问

四总线制提高吞吐率：程序的地址总线、数据总线，数据的地址总线、 数据总线

取指与执行能并发

主要案例：摩托的MC68K、zilog的Z8、atmel的AVR、ARM的 ARM9、10(XSCALE 255)、11(2007)、Cortex(2007)

2.3 CISC与RISC

复杂指令集CISC：X86；精简指令集RISC：ARM、PPC。

CISC与RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、586、K5以后内核都是RISC。

EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令计算机）也是用RISC指令集。

2.4 RISC主流的理由

指令使用频度较均衡

控制逻辑规整，适于VLSI工艺

软硬功能分配合理

利于指令级并行技术

芯片代码公开

可定制性强、

桌面市场被CISC积压, 需要寻找出路

性能强

2.5 流水线

流水线：重叠执行（时空图、吞吐率）

2.6 字节序

大端存储，big-endian 低地址中存放的是字数据的高字节 IBM、motolora、Sun

小端存储，little-endian 低地址中存放的是字数据的低字节 Intel的x86

Bi-endian都支持 ARM、MIPS、PPC

2.7 处理器的介绍

MIPS：Microprocessor without Interlocked Piped Stages: 无互锁流水级的微处理器

应用于消费类电子、下一代网络、宽带产品、智能卡、 机顶盒、数字电视、DVD

ARM：Advanced RISC Machine。ARM内核被授权给数百家厂商

ARM主要应用于无线局域网、3G、手机、手持设备、有线网络通讯

PowerPC：应用于DSL调制解调器、SOHO路由器、远程接入服 务器、DSLAM、执行局交换机设备、无线基站、企业 路由器。

DSP：数字信号处理的专用内核。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。目前最流行的嵌入式内核：ARM+DSP。

MCU：嵌入式微控制器MCU，又称单片机。对计算量不是很大，并且对结果控制要求比较高的。

芯片内部集成：ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串 行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高

2.8 4、8、16、32、64位微控制器

嵌入式微控制器 应用产品

4位 计算器、车用仪表、防盗器、无线电话、CD播放器、 傻瓜相机等

8位 电表、马达控制器、电动玩具、传真机、电话录音、 键盘、USB

16位 手机摄象机录象机各种多媒体应用

32位 MODEM 、路由器、HUB、STB、GPS、激光打印 机、彩色传真机

64位 高级工作站新型电脑游戏机各种多媒体应用

2.9 SOC

System On Chip，片上系统，是在一个硅片上实现一个复杂的系统。

整个嵌入式系统大部分均集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁

SOC可以分为通用和专用两类：通用系列和专用SOC一般专用于某个或某类系统中。

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2.10 常用的多核结构

ARM+ARM：两个核功能不一样。

ARM+DSP：ARM管软件，DSP管数据处理（协处理器）或者ARM跑wince，DSP跑2.5G或3G协议栈

ARM+FPGA：ARM管软件，FPGA重构为特殊功能的硬件（协处理器）。

2.11 嵌入式系统可以分为四类。

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2.12 嵌入式系统的特点

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。

具有功能很强的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

可扩展的处理器结构，能快速开发出满足应用的高性能嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备。

2.13 嵌入式操作系统EOS－基本概念

嵌入式操作系统是可选项,并不是所有的嵌入式系统都要有操作系统。

嵌入式系统软硬件资源的控制中心。

以尽量合理有效的方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源。

通常复杂的操作系统支持文件系统。

合理有效的方法：操作系统如何协调并充分利用硬件资源来实现多任务。

2.14 嵌入式操作系统概述－发展阶段

1 无操作系统的嵌入式算法阶段。

单芯片为核心，系统结构和功能都相对单一，针对性强。

无操作系统支持。

几乎没有用户接口。

通过汇编语言编程对系统进行直接控制。

2 简单监控式的实时操作系统阶段。

以嵌入式处理器为基础，以简单监控式操作系统为核心。

主要特点：

处理器种类繁多，通用性比较弱；

开销小，效率高；

一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；

用户界面不够友好，主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。

3 通用的嵌入式实时操作系统阶段。

以通用型嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统：VxWorks、pSos、Windows CE等。

运行在不同的微处理器且具有强大的能用型操作系统的功能，具有丰富的API和嵌入式应用软件。

4 以Internet为标志的嵌入式系统。

嵌入式系统与Internet的真正结合，嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合，代表着嵌入式操作系统发展的未来。

2.15 嵌入式linux，WinCE，VxWorks操作系统。

精简的内核。性能高、稳定，多任务。

持多种体系结构。如X86、ARM、MIPS、ALPHA、 SPARC等。

提供良好的开发环境。能够提供完善的嵌入式GUI以 及嵌入式X-Windows。

支持大量嵌入式应用程序。

具有良好的开发环境。提供完整的开发工具和SDK。

用户可定制。可提供图形化的定制和配置工具。

丰富的硬件驱动。

提供完善的解决方案。开放源码。

WinCE是开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，基于掌上型电脑类的电子设备操作，继承了传统的Windows图形界面。

应用范围：手掌型小型设备, 移动电话, 小型终端设备,汽车, 私用电器。

VxWorks 的衡量指标值最好，颇具优势。是现在所有独立于处理器的实时系统中最具特色的操作系统。

其他还有很多嵌入式操作系统。

2.16 嵌入式软硬件裁减原则

高频事件高速处理----量化原则一 提高高频事件的执行速度,有助于提高整体性能。高频事件往往是简单事件,更易于提高速度。

大概率事件尽量高速 小概率事件保证正确。

计算机整体性能的改善程度受其采用的快速部件（被提高性能的部件）在原任务中使用所占的时间百分比的限制。

Amdahl定律的定量形式——加速比 加速比 = 原计算机完成一个任务的时间 / 提高性能后计算机完成同个任务的时间

CPU执行时间 = I(编译后机器指令数I)×CPI(每条指令平均周期数)×τ(每个机器周期时间)

局部性原理:传统的指令集中指令有90/10的局部性。除了这个以外还有时间局部性和空间局部性。

局部性原理指出：如何解决高性能和高成本之间的矛盾。

2.17 嵌入式系统的性能评价

度量项目：吞吐率，实时性，各种资源利用率，平均故障间隔时间MTBF，可用性，功耗，环境适应性，通用性，安全性，保密性，可扩展性。

评价方法分两种：测量法(采样,跟踪),模型法(分析模型法,模拟模型法)

嵌入式处理器评估主要指标:MIPS测试基准,Dhrystoen测试基准,EEMBC测试向量,其他测试