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1、嵌入式嵌入式ADSADS第二周第二周1 1嵌入式系统软件组成：驱动层程序 实时操作系统（RTOS）操作系统的应用程序接口（API）应用程序CISC和和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式；具有大量的指令和寻址方式；8/28/2原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令；的指令；大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Redu
2、ced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令；在通道中只包含最有用的指令；确保数据通道快速执行每一条指令；确保数据通道快速执行每一条指令；使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单。硬件结构设计变得更为简单。CISC与RISC的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容复制；或将多个寄存器的内容复制到存贮器
3、没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序 知识产权核（IP核,intellectual property）识产权知识产权(IP)电路或核是设计好并经过验证的集成电路功能单元。IP复用意味着设计代价降低（时间，价格）。IP核的类别:微处理器微处理器:ARM,PowerPC;存储器存储器:RAM,memory controller;外设:PCI
4、,DMA controller;多媒体处理:MPEG/JPEG;encoder/decoder;数字信号处理器(DSP)；通信:Ethernet controller,router。IP核的种类Soft Cores(“code”)（软核）HDL语言描述；灵活度高，可修改；与工艺独立，可根据具体的加工工艺重新综合；IP很难保护。Firm cores(“code+structure”)(固核）逻辑综合后的描述；与工艺相关。Hard cores(“physical”)(硬核）物理综合后的描述；准备流片；包含工艺相关的布局和时序信息；IP很容易保护。多数的处理器和存储器IP核的商业模型三种模式1.设计
5、者提供设计和工具的许可证DSP Group(Pine and Oak Cores),3Soft,ARM。提供包括HDL在内的模拟模型，工具或仿真器。使用者负责设计制造。2.核厂商设计并制造集成电路芯片TI,Motorola,Lucent。VLSI,SSI,Cirrus,Adaptec。3.核厂商卖核,负责为客户设计并制造芯片LSI logic,TI,Lucent。IP核的市场构成74%为硬件设计厂商。26%将购买IP 核。40%hard,68%soft,32%firm。ARM的IP核固化宏单元（硬核）固化宏单元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可综合内核（软核
6、）可综合内核（软核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S测试芯片测试芯片ARM10200E流水线技术流水线技术流水线技术：几个指令可以并行执行。流水线技术：几个指令可以并行执行。提高了提高了CPUCPU的运行效率。的运行效率。内部信息流要求通畅流动。内部信息流要求通畅流动。译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp指令流水线以ARM为例为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线。允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令。FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指
7、令寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb 最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令。所有的操作都在寄存器中（单周期执行）。指令周期数(CPI)=1。操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch LDR
8、 流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5 周期周期 操作操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水线举例流水线被阻断。注意:内核运行在ARM状态。周期周期 1 2 3 4 5 0 x8000 BL 0 x8004 X0 x8008 XX0 x8FEC ADD0 x8FF0 SUB0 x8FF4 MOV地址地址 操作操作FetchDeco
9、deExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch存储器系统存储器系统RAMRAM：随机存取存储器，：随机存取存储器，SRAM SRAM：静态随机存储器，：静态随机存储器，DRAM DRAM：动态随机存储器。：动态随机存储器。SRAMSRAM比比DRAMDRAM快。快。SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多。耗电多。DRAMDRAM存储密度比存储密度比SRAMSRAM高得多。高得多。DRMDRM需要周期性刷新。需要周期性刷新。ROMROM：只读存储器。只读存储器
10、。FLASHFLASH：闪存。闪存。输入输出接口输入输出接口lI/OI/OlA/DA/D、D/AD/Al键盘键盘lLCDLCDl存储器接口存储器接口l设备接口设备接口嵌入式系统软件基础操作系统的分类嵌入式实时操作系统前台与后台多任务，任务优先级，调度非占先式与占先式、可重入型函数操作系统的分类（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序，如UNIX。（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每
11、个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。按实时性分类强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控机床）。一般实时系统，其系统响应时间在毫秒到几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（媒体播放）。弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长。1.循环轮询系统：（Polling Loop）最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理。Initialize()While(true)if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();if(condition_n)aci
12、tion_n();按软件结构分类2.事件驱动系统：（Event-Driven system）事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台、实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为（background）。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为（foreground)。后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如微波炉、电话机、玩具等。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有的事都靠中断服务来完成。前后台系统（后台循环、前台中断）
13、ISRISR后台后台 前台前台ISR时间时间代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打断。在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完以后要立即开中断（在任务切换时，地址、指令、数据等寄存器堆栈保护）。代码的临界区多任务（任务、进程和线程）CPUCPU寄存器寄存器任务任务控制控制块块1 1任务任务控制控制块块2 2任务任务控制控制块块n n休眠、就绪、运行、挂起、被中断休眠、就绪、运行、挂起、被中断任务任务1 1任务任务2 2任务任务n nCPUCPU寄存器寄存器一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行程序。每个任务都是整个应用的某一部分，每
14、个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。多任务运行的实现实际上是靠CPU（中央处理单元）在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实际应用中，多任务的最大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化，如综合实验（时钟、位图、USB、KEY）。任务的状态系统内核（Kernel)与调度（Scheduler)多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核（Kernel)：提供的基本服务是任务切换。内核本身也增加了应用程序的额外负
15、荷，代码空间增加ROM用量，内核本身数据结构增加了RAM的用量。内核本身对CPU的占用时间一般在2到5个百分点之间。调度（Scheduler）：是内核的主要职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法则，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。非占先式与占先式非占先式（non-preemptive）调度法也称作合作型多任务（cooperative multitasking），各个任务彼此合作共享一个CPU。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到
16、原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。非占先式内核的一个特点是几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有CPU，而不必担心被别的任务抢占。非占先式内核的最大缺陷在于其响应高优先级的任务慢，任务已经进入就绪态，但还不能运行，也许要等很长时间，直到当前运行着的任务释放CPU。内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到CPU的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放CPU。非占先式(Non-Preemptive)低优先级任务低优先级任务ISR高优先级任务高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）（
17、7）中断服务程序使中断服务程序使高优先级任务就绪高优先级任务就绪低优先级任务释放低优先级任务释放CPU使用权使用权TIME当系统响应时间很重要时，要使用占先式（preemptive）内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。使用占先式内核时，应用程序不应直接使用不可重入型函数。如果调入可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。占先式（占先式（preemptive）占先式(Pr
18、eemptive)低优先级任务低优先级任务ISR高优先级任务高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）中断服务程序使中断服务程序使高优先级任务就绪高优先级任务就绪高优先级任务得到高优先级任务得到CPU使用权使用权TIME可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPUCPU寄存器中或堆栈中。寄存
19、器中或堆栈中。一个不可重入型函数的例子一个不可重入型函数的例子int Temp;int Temp;Void swap(int*x,int*y)Void swap(int*x,int*y)Temp=*x;Temp=*x;*X=*Y;*X=*Y;*y=Temp;*y=Temp;可重入型函数可重入型函数一个可重入型函数的例子一个可重入型函数的例子Void swap(int*x,int*y)int Temp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;任务优先级静态优先级 应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。动态优先
20、级 应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。实时内核应当避免出现优先级反转问题。优先级反转 实时系统实时系统的定义：能够对外部事件做出及时响应的系统。响应时间要有保证。对外部事件的响应包括：事件发生时要识别出来 在给定时间约束内必须输出结果实时操作系统必须有以下特征：多任务有线程优先级 多种中断级别 硬实时系统：系统对系统响应时间有严格的要求如果系统响应时间不能满足就会引起系统崩溃或致命的错误。软实时系统：统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃。几种主流的嵌入式操作系统：C/OS-II：免费、面向中小型嵌入式系统应用。V
21、xworks：美国WindRiver公司于1983年开发，具有可靠、实时、可裁减特性。WinCE：它是微软针对个人电脑以外的电脑产品所研发的嵌入式操作系统，而CE则为Customer Embedded的缩写。CLinux：uclinux是一个源码开放的操作系统，面向没有MMU的硬件平台。PalmOS：Com公司产品，在PDA市场占据很大份额，具有开放的操作系统应用程序接口(API)，可让用户灵活方便地定制操作系统。五、嵌入式系统的开发方法嵌入式系统设计开发不同于桌面系统,它非常受制于功能和具体的应用环境。所以嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求。嵌入式系统的设计要求:并发处理,及时响应接口方便,
22、操作容易稳定可靠,维护简便功耗管理,降低成本功能实用,便于升级嵌入式系统开发的最大特点：需要软硬件综合开发。其原因在于：一方面，任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体；另一方面，一旦嵌入式产品研发完成，软件就固化在硬件环境中，嵌入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的，是专用的。嵌入式系统的这一特点决定了嵌入式应用开发方法不同于传统的软件工程方法。嵌入式系统设计过程：嵌入式系统软件的开发模式嵌入式系统软件的开发模式交叉开发交叉开发交叉开发：在一台通用计算机上进行软件的编辑、编译，然后下载到嵌入式设备中运行调试的开发方式。思考题：什么是硬实时操作系统，什么是软实时操作系统？简述嵌入式软件的开发模式。