【正文】 1 TM 1 東南大學(xué)成賢學(xué)院計算機(jī)系 吳強(qiáng) 嵌入式系統(tǒng) 2 TM 2 ?配套教材： 《 ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程 》 邱鐵 編著，清華大學(xué)出版社， 2022,3 《 嵌入式系統(tǒng) ━ 基于 SEP3203微處理器的應(yīng)用開發(fā) 》 時龍興等 編著，電子工業(yè)出版社， 3 TM 第 1章 緒論 本章主要介紹嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和相關(guān)概念，當(dāng)前嵌入式技術(shù)的主要應(yīng)用以及市場上最流行的嵌入式產(chǎn)品，通過典型產(chǎn)品實例使讀者了解當(dāng)前嵌入式技術(shù)的應(yīng)用狀況和研究方向。最后介紹了嵌入式技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。 4 TM 4 內(nèi)容提要 ? ? ? ? ：嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng) ? 5 TM 5 近年來，以集成電路為代表的微電子技術(shù)取得了重大突破，這使計算機(jī)技術(shù)、微控制器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，再加上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與普及，加速了 21世紀(jì)工業(yè)生產(chǎn)、軍工國防、消費電子、商業(yè)活動、科學(xué)實驗和家庭生活等領(lǐng)域的自動化和信息化進(jìn)程，這些為嵌入式技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展提供了強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)支撐。 6 TM 6 1． 1． 1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 ? Intel公司于 1971年開發(fā)出第一片具有 4位總線結(jié)構(gòu)的微處理器 4004，當(dāng)時主要用于電子玩具、家用電器，電子控制及簡單的計算工具。 ? 1976年 Intel公司推出功能相對較完備的單片機(jī)8048。 Motorola同時推出了 68HC05， Zilog公司推出了 Z80系列。 ? 在 80年代初， Intel又進(jìn)一步完善了 8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了 8051，這在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁。 ? 51系列的單片機(jī)仍然在市場上占有很大的比例，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。 7 TM 7 ? 在 80年代早期，出現(xiàn)了商業(yè)級的“實時操作系統(tǒng)內(nèi)核”，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的程序員開始在實時內(nèi)核下編寫嵌入式應(yīng)用軟件，從而使新產(chǎn)品的研制可以獲取更短的開發(fā)周期、更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率。 8 TM 8 ? 嵌入工實時操作系統(tǒng)具有以下特點： ? （ 1）采用搶占式的調(diào)度策略，任務(wù)的實時性好，并且執(zhí)行時間是確定的； ? （ 2）具有可裁剪性（根據(jù)任務(wù)的需要與否進(jìn)行添加或刪除操作系統(tǒng)模塊）和可移植性（移植到各種處理器上）； ? （ 3）具有較好的可靠性和可擴(kuò)展性，適合嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)。 9 TM 9 ? 進(jìn)入 90年代，隨著任務(wù)復(fù)雜性的不斷增加，軟件規(guī)模也越來越大，實時核也隨之逐漸發(fā)展并完善，并由此發(fā)展成為實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS），并作為一種可移植的軟件平臺成為當(dāng)前國際嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件支撐。 ? 這一階段在國際上相繼出現(xiàn)了 Palm OS， WinCE，嵌入式 Linux， Nucleux等嵌入式操作系統(tǒng) 10 TM 10 ? 進(jìn)入 21世紀(jì)，嵌入式系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展。在硬件上， MCU的性能得到了極大的提升，特別是 ARM技術(shù)的出現(xiàn)與完善，為嵌入式操作系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的硬件載體。 ? Intel、 Sansung、 Motorola、 Phlips和Atmel紛紛采用 ARM技術(shù)，再加上其公司先進(jìn)的外圍接口技術(shù)與先進(jìn)的制造技術(shù)，設(shè)計出功能完備的 MCU，應(yīng)用到工業(yè)自動化、消費類電子、航空航天、軍事工業(yè)等各個領(lǐng)域。 11 TM 11 1． 1． 2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點 ? IEEE的定義： ? Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants. ? 從中可以看出，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置 12 TM 12 我國嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義 ?我國嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)定義 ?以應(yīng)用為中心 ,以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ) ,軟件硬件可裁剪適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 13 TM 13 ? 從這個定義可以看出嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁剪利用。 ? 因此有人把嵌入式系統(tǒng)比作是一個針對特定的應(yīng)用而“量身定做”的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 14 TM 14 ? 嵌入式操作系統(tǒng)（ Embedded Operation System）產(chǎn)生于 20世紀(jì) 80年代，當(dāng)時國際上一些 IT公司開始進(jìn)行商用嵌入式操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。 ? 到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多嵌入式操作系統(tǒng)，在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。 15 TM 15 1． 2． 1嵌入式實時操作系統(tǒng) ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)是指在限定的時間內(nèi)對輸入進(jìn)行快速處理并作出響應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)。 ? 實時操作系統(tǒng)具有實時性，必須有相應(yīng)的硬件支持才能達(dá)到實時控制的目的。 16 TM 16 ? 嵌入式實時操作系統(tǒng)大體可分為商用型和免費型（開源）兩種。 ? 商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價格一般較高。典型的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)有VxWorks， QNX， OSE， ECOS， PSOS，Windows CE等等。 17 TM 17 ? 嵌入式 Linux: ? 嵌入式 Linux操作系統(tǒng)是針對嵌入式微控制器的特點而量身定做的一種 Linux操作系統(tǒng)，包括常用的嵌入式通信協(xié)議和常用驅(qū)動，支持多種文件系統(tǒng)。 18 TM 18 ? 嵌入式實時操作內(nèi)核 181。C /OSII : ? 181。C /OSⅡ 是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，只包含了任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能。沒有提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動及管理、圖形界面等模塊。但是由于 181。C /OSⅡ 的可移植性和開源性，用戶可以根據(jù)功能需求添加所需的各種服務(wù) 19 TM 19 典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹 181。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng) WinCE操作系統(tǒng) Linux操作系統(tǒng) 20 TM 20 181。C/OSII 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核 ? 181。C/OSII是一個可裁減的 、 源碼開放的 、 結(jié)構(gòu)小巧、 可剝奪型的實時多任務(wù)內(nèi)核 ， 主要面向中小型嵌入式系統(tǒng) ， 具有執(zhí)行效率高 、 占用空間小 、 可移植性強(qiáng) 、 實時性能優(yōu)良等特點 。 ? 181。C/OSII中最多可以支持 64個任務(wù) ， 分別對應(yīng)優(yōu)先級 0~63， 其中 0為最高優(yōu)先級 。 實時內(nèi)核在任何時候都是運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù) 。 ? 181。C/OSII最大程度上使用 ANSI C語言開發(fā) ， 現(xiàn)已成功移植到近 40多種處理器體系上 。 21 TM 21 WinCE操作系統(tǒng) ? Microsoft Windows CE是針對有限資源的平臺而設(shè)計的多線程 、 完整優(yōu)先權(quán) 、 多任務(wù)的操作系統(tǒng) 。 ? 高度模塊化是 WinCE的一個特性 ， 有利于對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。 ? WinCE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少 200K的 ROM， 它支持 Win32 API子集 、 多種用戶界面硬件 、 多種的串行和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) 、 COM/OLE和其他的進(jìn)程間通訊的先進(jìn)方法 。 Microsoft公司為 Windows CE提供了 Platform Builder和 Embedded Visual Studio開發(fā)工具 。 22 TM 22 WinCE操作系統(tǒng) ? Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)能提供與 PC機(jī)類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序。 ? 這樣只要是對 PC機(jī)上的 Windows比較熟悉的用戶，可以很快地使用移植有 Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)備。 23 TM 23 ? 時代的發(fā)展使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的商機(jī)，為嵌入式產(chǎn)品提供了廣闊的市場前景，同時也對嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn) 。 24 TM 24 ? 1．隨著信息化與數(shù)字化的發(fā)展，嵌入式設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是未來發(fā)展的趨勢。 ? 未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)信息化與數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展的方向。要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在硬件設(shè)計上要提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口 。 ? 在應(yīng)用軟件方面，要提供可以在設(shè)備上安裝嵌入式Web瀏覽器，實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的訪問。 25 TM 25 ? 2．優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)軟硬件內(nèi)核，提高系統(tǒng)運行速度，降低功耗和硬件成本。 ? 嵌入式產(chǎn)品是軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)備，為了提高運行速度、降低功耗和成本，要求開發(fā)人員盡量裁剪系統(tǒng)的硬件資源和軟件內(nèi)核，利用最少的硬件資源和軟件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最多的功能。在實現(xiàn)過程中要不斷的優(yōu)化硬件電路并改進(jìn)算法，達(dá)到最佳的控制功能。 26 TM 26 ? 3．指令級的并行計算技術(shù)將引入嵌入式微處理器。 ? 在工程的實際應(yīng)用中會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的運算功能，比如向量計算，這就需要在單個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的運算操作。 ? 在 CPU中設(shè)計多個執(zhí)行部件來完成此功能，這種 CPU的架構(gòu)形式稱為單指令流多數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)，也稱之為指令級的并行計算技術(shù)。 27 TM 27 ? 4．嵌入式微處理器將會向多核技術(shù)發(fā)展。 ? 無所不在的智能必將帶來無所不在的計算，大量的圖像信息也需要高速的處理器來處理，面對海量數(shù)據(jù)，單個處理器可能無法在規(guī)定的時間完成處理。 ? 引入并行計算技術(shù)，可以采用多個執(zhí)行單元同時處理，這就是處理器的多核技術(shù)。 28 TM 28 ? 5．嵌入式技術(shù)將引領(lǐng)信息時代 ? 嵌入式產(chǎn)品具有自身的優(yōu)點，如體積小、低功耗等，這也正是在走可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略 ； ? 使我們無論身處何時、何地，想要什么信息都可以信手拈來 ； ? “無所不在的智能”的觀點，它是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的最高境界。 29 TM 第 2章 ARM技術(shù)與 ARM體系結(jié)構(gòu) 本章主要介紹 ARM處理器的產(chǎn)生及版本發(fā)展歷史，以及各個版本的典型處理器及應(yīng)用情況和性能分析； ARM處理器的內(nèi)核調(diào)試結(jié)構(gòu)，重點分析了ARM7TDMIS、 ARM9TDMI兩種結(jié)構(gòu)； ARM處理器的工作模式及寄存器組織結(jié)構(gòu)，分析了在什么情況下進(jìn)入到相應(yīng)的工作模式； ARM處理器支持的內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲格式，分為大端格式和小端格式；最后介紹了 ARM7的三級流水線運行機(jī)制和 ARM9的五級流水線運行機(jī)制。 30 TM 30 內(nèi)容提要 2． 1 ARM體系結(jié)構(gòu)版本與內(nèi)核 2． 2 ARM內(nèi)核模塊 2． 3 ARM處理器的工作模式 2． 4 ARM內(nèi)部寄存器 2． 5 ARM異常處理 2． 6 存儲方式與存儲器映射機(jī)制 2． 7 ARM流水線技術(shù)分析 31 TM 31 2． 1 ARM體系結(jié)構(gòu)版本與內(nèi)核 第一片 ARM處理器 是 1983年 10月到 1985年 4月間在位于英國劍橋的 Acorn Computer公司開發(fā) 1990年， ARM公司成立 20世紀(jì) 90年代， ARM快速進(jìn)入世界市場 1995年 StrongARM 問世 XScale是下一代 StrongARM芯片的發(fā)展基礎(chǔ) ARM10TDMI是 ARM處理器核中的高端產(chǎn)品 ARM11是 ARM家族中性能最強(qiáng)的一個系列 32 TM 32 2． 1． 1ARM體系結(jié)構(gòu)版本 ARM7TDMI 4T 1 支持Halfword 和signed halfword / byte 和System mode 支持Thumb指令集 2 4 ARM9TDMI ARM720T ARM940T 改良的ARM/Thumb 交互作用 以及 CLZ 指令 5TE Saturated maths DSP multiplyaccumulate instructions XScale ARM1020E ARM9ES ARM966ES 3 早期的 ARMs ARM9EJS 5TEJ ARM7EJS ARM926EJS Jazelle 支持 Java字節(jié)碼 6 ARM11 SIMD SISIMDMD S SIMD 7 ARM Cotex 33 TM 33 ? 第一階段 ： ? 版本 V V V3這 3個早期 ARM版本功能單一，沒有大范圍占領(lǐng)市場，主要是處于開發(fā)和實驗階段 ? 第二階段： ? 從 ARM4開始， ARM體系結(jié)構(gòu)處于完善和提高階段 34 TM 34 ? 版本 4與以前版本相比增加了下列指令 : 有符號 、 無符號的半字和有符號字節(jié)的