【正文】 　　專科生畢業(yè)論文（設計）中文題目 嵌入式計算機系統(tǒng)的設計 摘 要 嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它具有以下特點： 與應用密切相關(guān) 嵌入式系統(tǒng)作為機器或設備的組成部分，與具體的應用密切相關(guān)。 實時性 嵌入式系統(tǒng)必須在實時方式下工作，若在規(guī)定的時間內(nèi)某一請求得不到處理或者處理沒有結(jié)束，可能會帶來嚴重的后果。 復雜的算法 對不同的應用，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)的設備或產(chǎn)品能否在市場上被成功地銷售。 功耗 許多嵌入式系統(tǒng)采用電池供電，因此對功耗有嚴格的要求。 開發(fā)和調(diào)試 必須有相應的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具和調(diào)試工具，才能進行開發(fā)和調(diào)試。 可靠性 嵌入式系統(tǒng)應該能夠可靠地運行，比如能在規(guī)定的溫度、濕度環(huán)境下連續(xù)運行、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。 隨著計算機技術(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 實時性 抗干擾第一章　　緒論　嵌入式系統(tǒng)　嵌入式系統(tǒng)簡介　　隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應用領域越來越廣泛。當今，嵌入式系統(tǒng)已成為一個時髦的名詞，就像當初的計算機熱潮，似乎比當初的計算機熱潮涉及的領域更廣泛，應用技術(shù)人員更多，相關(guān)國民經(jīng)濟產(chǎn)值也更龐大。報紙、雜志、網(wǎng)絡都把嵌入式系統(tǒng)當作討論的熱門話題。　 實時多任務操作系統(tǒng)RTOS(Real Time multitasking Operation System),即實時多任務操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。目前在中國大多數(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)軟件和應用軟件分開處理。RTOS是一段嵌入在目標代碼中的軟件，用戶的其它應用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS還是一個可靠性和可信性很高的實時內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的API，并根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，合理地在不同任務之間分配CPU時間。 TOS是針對不同處理器優(yōu)化設計的高效率實時多任務內(nèi)核，優(yōu)秀商品化的RTOS可以面對幾十個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　嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展狀況國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟，主要有VMware、QNX、Palmas、Windows CE、嵌入式Linux等。國內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)研究開發(fā)有2種類型，一類是基于國外操作系統(tǒng)2次開發(fā)完成的，如海信的基于Windows CE的機頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團公司自主研制開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)Hope OS(“女媧計劃”)等。 　嵌入式系統(tǒng)軟件的特點嵌入式處理器的應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，對嵌入式處理器系統(tǒng)軟件和應用軟件的要求也和通用計算機有所不同。 ?！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器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。 、高可靠性?！”M管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。 (OS)的高實時性是基本要求。　在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個任務及時執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。 ?！∏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 通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發(fā)應用程序和環(huán)境即可進行對自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。 嵌入式系統(tǒng)軟件需要RTOS開發(fā)平臺 通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應用程序接口(API)，是計算機基本組成不可分離的一部分，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺上面運行，但一般不是實時的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務、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，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員以應用專家為主 通用計算機的開發(fā)人員一般是計算機科學或計算機工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng)則是要和各個不同行業(yè)的應用相結(jié)合的，要求更多的計算機以外的專業(yè)知識，其開發(fā)人員往往是各個應用領域的專家。因此開發(fā)工具的易學、易用、可靠、高效是基本要求?！∏度胧较到y(tǒng)高級編程語言Ada語言是20世紀70年代美國國防部開發(fā)并投入使用的功能強大的通用系統(tǒng)開發(fā)語言，最初為Ada83。它支持模塊化、獨立編譯、協(xié)處理等功能。其可靠性、可維護性、可讀性都是相當好的。后來，為了更好地支持OOP（ObjectOriented Programming），對其進行了改進，形成了目前廣泛使用的Ada95。使用Ada語言可以大大改善系統(tǒng)的清晰性、可靠性、可維護性等性能指標[2,3]。它是美國國防部指定的唯一一種可用于軍用系統(tǒng)開發(fā)的語言。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)設計了大量高性能、廉價、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，適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等?！　RM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個基本工作模式:User:非特權(quán)模式，大部分任務執(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備正常程序執(zhí)行的模式FIQ:當一個高優(yōu)先級(fast)中斷產(chǎn)生時將會進入這種模式高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理IRQ:當一個低優(yōu)先級(normal)中斷產(chǎn)生時將會進入這種模式通常的中斷處理Supervisor:當復位或軟中斷指令執(zhí)行時將會進入這種模式供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式程序計數(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 程序計數(shù)器構(gòu)造n 條件位：n N = 1結(jié)果為負,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