【正文】 　　?？粕厴I(yè)論文（設(shè)計(jì)）中文題目 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它具有以下特點(diǎn)： 與應(yīng)用密切相關(guān) 嵌入式系統(tǒng)作為機(jī)器或設(shè)備的組成部分，與具體的應(yīng)用密切相關(guān)。 實(shí)時(shí)性 嵌入式系統(tǒng)必須在實(shí)時(shí)方式下工作，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)某一請(qǐng)求得不到處理或者處理沒有結(jié)束，可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。 復(fù)雜的算法 對(duì)不同的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)有不同的算法。 制造成本 在某些情況下，制造成本決定了含有嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備或產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上被成功地銷售。 功耗 許多嵌入式系統(tǒng)采用電池供電，因此對(duì)功耗有嚴(yán)格的要求。 開發(fā)和調(diào)試 必須有相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具和調(diào)試工具，才能進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。 可靠性 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該能夠可靠地運(yùn)行，比如能在規(guī)定的溫度、濕度環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行、有一定的抗干擾能力。 體積 嵌入式系統(tǒng)一般都要求體積盡可能地小。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的將向著更加小、更快速、功耗更低以及互聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：可靠性 實(shí)時(shí)性 抗干擾第一章　　緒論　嵌入式系統(tǒng)　嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。當(dāng)今，嵌入式系統(tǒng)已成為一個(gè)時(shí)髦的名詞，就像當(dāng)初的計(jì)算機(jī)熱潮，似乎比當(dāng)初的計(jì)算機(jī)熱潮涉及的領(lǐng)域更廣泛，應(yīng)用技術(shù)人員更多，相關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值也更龐大。報(bào)紙、雜志、網(wǎng)絡(luò)都把嵌入式系統(tǒng)當(dāng)作討論的熱門話題?！?實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time multitasking Operation System),即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。目前在中國(guó)大多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒有采用商品化的RTOS，不能將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理。RTOS是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS還是一個(gè)可靠性和可信性很高的實(shí)時(shí)內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源都包裝起來(lái)，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)間。 TOS是針對(duì)不同處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效率實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)秀商品化的RTOS可以面對(duì)幾十個(gè)系列的嵌入式處理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供類同的API接口，這是RTOS基于設(shè)　嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟，主要有VMware、QNX、Palmas、Windows CE、嵌入式Linux等。國(guó)內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有2種類型，一類是基于國(guó)外操作系統(tǒng)2次開發(fā)完成的，如海信的基于Windows CE的機(jī)頂盒系統(tǒng)；另一類是中國(guó)自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團(tuán)公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)Hope OS(“女媧計(jì)劃”)等。 　嵌入式系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對(duì)嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的要求也和通用計(jì)算機(jī)有所不同。 ?！榱颂岣邎?zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 、高可靠性?！”M管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長(zhǎng)度、提高執(zhí)行速度。 (OS)的高實(shí)時(shí)性是基本要求?！≡诙嗳蝿?wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無(wú)法完成和沒有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來(lái)完成，因此系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。 ?！∏度胧介_發(fā)概述 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺(tái) 通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口(API)，是計(jì)算機(jī)基本組成不可分離的一部分，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應(yīng)用專家為主 通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員一般是計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個(gè)不同行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合的，要求更多的計(jì)算機(jī)以外的專業(yè)知識(shí)，其開發(fā)人員往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家。因此開發(fā)工具的易學(xué)、易用、可靠、高效是基本要求?！∏度胧较到y(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言Ada語(yǔ)言是20世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)防部開發(fā)并投入使用的功能強(qiáng)大的通用系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言，最初為Ada83。它支持模塊化、獨(dú)立編譯、協(xié)處理等功能。其可靠性、可維護(hù)性、可讀性都是相當(dāng)好的。后來(lái)，為了更好地支持OOP（ObjectOriented Programming），對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，形成了目前廣泛使用的Ada95。使用Ada語(yǔ)言可以大大改善系統(tǒng)的清晰性、可靠性、可維護(hù)性等性能指標(biāo)[2,3]。它是美國(guó)國(guó)防部指定的唯一一種可用于軍用系統(tǒng)開發(fā)的語(yǔ)言。第二章　ARM處理器結(jié)構(gòu)和ARM指令集 　ARM處理器結(jié)構(gòu)　　ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省，適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。　　ARM處理器的框架如圖21所示　　　　　　　　　　　　　　乘法器指令解碼地址自增器nRESETnMREQSEQABORTnIRQnFIQnRWMAS[1:0]LOCKnCPICPACPBnWAITMCLKnOPCBIGENDISYNCnTRANSnM[4:0]桶形移位器32 位 ALU寫數(shù)據(jù) 寄存器讀數(shù)據(jù) 寄存器地址寄存器寄存器A[31:0]ABE及控制 邏輯PC Update解碼站指令 解碼IncrementerPCABusBBus 　　　　　　圖21　ARM處理器架構(gòu)　寄存器和處理器模式 有7個(gè)基本工作模式:User:非特權(quán)模式，大部分任務(wù)執(zhí)行在這種模式。限制你的內(nèi)存訪問并且你不能直接讀取硬件設(shè)備正常程序執(zhí)行的模式FIQ:當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)(fast)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理IRQ:當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)(normal)中斷產(chǎn)生時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式通常的中斷處理Supervisor:當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時(shí)將會(huì)進(jìn)入這種模式供操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式程序計(jì)數(shù)器構(gòu)造如下圖22: 2731N Z C V Q2867I F T mode1623 815 54024fsxc U n d e f i n e dJ 圖22 程序計(jì)數(shù)器構(gòu)造n 條件位：n N = 1結(jié)果為負(fù),0結(jié)果為正或0n Z = 1結(jié)果為0,0結(jié)果不為0n C =1進(jìn)位，0借位n V =1結(jié)果溢出，0結(jié)果沒溢出n Q 位：n 僅ARM 5TE/J架構(gòu)支持n 指示增強(qiáng)型DSP指令是否溢出n J 位n 僅ARM 5TE/J架構(gòu)支持n J = 1: 處理器處于Jazelle狀態(tài)n 中斷禁止位：n I = 1: 禁止 IRQ.n F = 1: 禁止 FIQ.n T Bitn 僅ARM xT架構(gòu)支持n T = 0: 處理器處于 ARM 狀態(tài)n T = 1: 處理器處于 Thumb 狀態(tài)n Mode位(處理器模式位):n 0b10000 Usern 0