【文章內(nèi)容簡介】 算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析等各種儀器上 DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。 ? DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。 ? DSP的理論算法在 70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的 DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過 MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚 DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。 DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計算機(jī)方面。 50 嵌入式 DSP處理器 ? 有代表性的產(chǎn)品是 Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的 DSP56000系列。 ? TMS320系列處理器包括用于控制的 C2022系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的 C6000和 C8000系列。 ? Motorola公司的 DSP56000已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000， DSP56100, DSP56200和 DSP56300等幾個不同系列的處理器。 ? PHILIPS公司今年來也推出了基于可重置嵌入式 DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的 DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙 Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘 /累加器單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類電子產(chǎn)品。 51 ? SoC就是 System on Chip， SoC是一種基于 IP（ Intellectual Property）核嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。 ? 它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上， ARM RISC、 MIPS RISC、 DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，例如通用串行端口（ USB）、 TCP/IP通信單元、 GPRS通信接口、 GSM通信接口、 IEEE139藍(lán)牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨(dú)立的處理芯片。 ? SOC可以分為通用和專用兩類。 ? 通用系列包括 Infineon(Siemens)的 TriCore， Motorola的 MCore，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的 Neuron芯片等。 ? 專用 SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA 嵌入式片上系統(tǒng) (SoC) 52 SOC體系結(jié)構(gòu) ASIC Core Memory Embedded Processor Core Analog Functions Communication Sensor Interface 53 知識產(chǎn)權(quán) 54 主要內(nèi)容 1 3 2 4 嵌入式系統(tǒng)簡介 嵌入式處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用 5 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程 55 操作系統(tǒng)的發(fā)展 ? 計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，在發(fā)展初期并沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機(jī)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源越來越豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)。到目前為止，主流的操作系統(tǒng)有三種：多道批處理、分時和實(shí)時操作系統(tǒng)。 56 嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 操作系統(tǒng)分類 ? 微內(nèi)核（ microkernel） ? 單晶內(nèi)核（ monolithic kernel） ? 混合內(nèi)核（ hybrid kernel） 57 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn) IEEE 的實(shí)時 UNIX分委會認(rèn)為實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn) : ?異步的事件響應(yīng) ?切換時間和中斷延遲時間確定 ?優(yōu)先級中斷和調(diào)度 ?搶占式調(diào)度 ?內(nèi)存鎖定 ?連續(xù)文件 ?同步 58 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 總的來說實(shí)時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是 實(shí)時性 、 可靠性 和 靈活性 , 與實(shí)時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用 , 由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作 ,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時操作系統(tǒng)可以分為兩種： 一般實(shí)時操作系統(tǒng) 和 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) 。 59 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 一般實(shí)時操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時查詢系統(tǒng)等實(shí)時性較弱的實(shí)時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時性要求高的實(shí)時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小 (一般在幾 K～幾十 K 內(nèi) )、可固化使用實(shí)時性強(qiáng) (在毫秒或微秒數(shù)量級上 )的特點(diǎn) 。 60 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 對基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個無限的循環(huán)，可稱為前后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成。 —— 前后臺系統(tǒng) 61 ? 基本概念 中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為 ，前臺也叫中斷級。時間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。 循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成 后臺行為 ，后臺也可以叫做任務(wù)級。這種系統(tǒng)在處理的及時性上比實(shí)際可以做到的要差。 ISR ISR ISR ISR 后臺 前臺 中斷服務(wù)程序 時 間 —— 前后臺系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) 62 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 操作系統(tǒng)是計算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。 —— 操作系統(tǒng) 硬件 硬件驅(qū)動 操作系統(tǒng) 用戶程序 63 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 實(shí)時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于 RTOS之上的各個任務(wù)， RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進(jìn)行資源 (包括存儲器、外設(shè)等 )管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在 RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級， RTOS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實(shí)時性的要求。 —— 實(shí)時操作系統(tǒng)（ RTOS） 64 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個中斷可能可以執(zhí)行）。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。 —— 代碼的臨界區(qū) 65 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 程序運(yùn)行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。 —— 資源 66 任務(wù) A 共享資源 任務(wù) B 任務(wù) C 信號量 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 可以被一個以上任務(wù)使用的資源叫做 共享資源 。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個任務(wù)在與共享資源打交道時，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。 —— 共享資源 訪問共享資源之前申請信號量 其它任務(wù)訪問受阻 而不能使用共享資源 得到允許后，才能使用共享資源 67 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認(rèn)為 CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計過程，包括如何把問題分割成多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套 CPU寄存器和自己的?？臻g。 —— 任務(wù) 68 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即 CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入 CPU的寄予存器，并開始下一個任務(wù)的運(yùn)行。這個過程就稱為任務(wù)切換。這個過程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時間取決于 CPU有多少寄存器要入棧。 —— 任務(wù)切換 69 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配 CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是因?yàn)閷?shí)時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實(shí)時內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如 2％～ 5％的 CPU運(yùn)行時間、 RAM和 ROM等。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、消息隊列、延時等。 —— 內(nèi)核 70 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。 調(diào)度就是決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。 多數(shù)實(shí)時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法指 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握 CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。 —— 調(diào)度 71 嵌入式