详解嵌入式系统的发展特点及架构

详解嵌入式系统的发展特点及架构

随着电子产品的发展，嵌入式系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域，例如：计算机、汽车、航天飞机等等。提到嵌入式系统首先联想到单片机，是的，MCU是最基础和常用的嵌入式系统。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC（System on Chip,片上系统）或SiP（System in Package，系统级封装）在手机、机顶盒等功能复杂的产品中的应用也越来越多。

嵌入式系统发展呈现如下特点：·由8位处理向32位过渡·由单核向多核过渡·向网络化功能发展·MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进·嵌入式操作系统呈多元化趋势所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP核（Intellectual Property，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核，光靠卖IP核即可坐拥城池。嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC都拥有自己得专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。

标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）处理器。RISC体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是属于RISC处理器的范畴。不过这些处理器虽然同样是属于RISC体系，但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平台上所开发的软件无法直接为另一硬件平台所用，而必须经过重新编译。

其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）处理器体系，我们所熟知的Intel的X86处理器就属于CISC体系，CISC体系其实是非常低效率的体系，其指令集结构上背负了太多包袱，贪大求全，导致芯片结构的复杂度被极大的提升。过去被应用在嵌入式系统的X86处理器，多为旧世代的产品，比如说，工业计算机中仍可常见数年前早已退出个人计算机市场的Pentium3处理器。由于此世代的产品效能与功耗比可以说是过去X86体系的甜蜜点，加上已经被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高，但稳定性要求高的应用中，如工控设备等产品。

1、RISC家族之ARM处理器

ARM 公司于1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术智能财产（IP）核心的处理器，即我们通常所说的ARM处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场，ARM技术不止逐步渗入到我们生活的各个方面，我们甚至可以说，ARM 于人类的生活环境中，已经是不可或缺的一环。

目前市面上常见的ARM处理器架构，可分为ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在进行开发验证，市面上还未有相关产品推出。ARM也是嵌入式处理器中首先推出多核心架构的厂商。ARM 首个多核心架构为ARM11 MPCore，架构于原先的ARM11处理器核心之上。ARM11核心是发布于2002年10月份，为了进一步提升效能，其管线长度扩展到8阶，处理单元则增加为预取、译码、发送、转换/MAC1、执行/MAC2、内存存取/MAC3和写入等八个单元，体系上属于ARM V6指令集架构。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz以上—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的程度，不过显然1GHz在ARM11体系中不算是个均衡的设定，因此几乎没有厂商推出达到1GHz的ARM11架构处理器。

ARM11的逻辑核心也经过大量的改进，其中最重要的当属“静/动态组合转换的预测功能”。ARM11的执行单元包含一个64位、4种状态的地址转换缓冲，它主要用来储存最近使用过的转换地址。当采用动态转换预测机制而无法在寻址缓冲内找到正确的地址时，静态转换预测功能就会立刻接替它的位置。在实际测试中，单纯采用动态预测的准确率为88%，单纯采用静态预测机制的准确率只有77%，而ARM11的静/动态预测组合机制可实现92%的高准确率。针对高时脉速度带来功耗增加的问题，ARM11采用一项名为“IEM （Intelligent Energy Manager）”的智能电源管理技术，该技术可根据任务负荷情况动态调节处理器的电压，进而有效降低自身的功耗。这一系列改进让ARM11的功耗效能比得以继续提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取时为0.8mW）的电力，处理器的最高效能可达到660 Dhrystone MIPS，远超过上一代产品。至于ARM11 MPCore，其在架构上与ARM11同样属于V6指令体系。根据不同应用的需要，MPCore可以被配置为1-4个处理器的组合方式，根据官方资料，其最高性能约可达到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是标准的同质多核心处理器，组成MPCore的是4个基于ARM11架构的处理器核心，由于多核心设计的优点是在频率不变的情况下让处理器的性能获得明显提升，因此可望在多任务应用中拥有良好的表现，这一点很适合未来家庭消费电子的需要。例如，机顶盒在录制多个频道电视节目的同时，还可通过互联网收看数字视频点播节目、车内导航系统在提供导航功能的同时，仍然有余力可以向后座乘客播放各类视频码流等。

2、RISC家族之MIPS处理器

MIPS是美国历史悠久的RISC处理器体系，其架构的设计，也如美国人的性格一般，相当的大气且理想化。MIPS架构起源，可追溯到1980年代，斯坦福大学和伯克利大学同时开始RISC架构处理器的研究。MIPS公司成立于1984年，随后在1986年推出第一款R2000处理器，在1992年时被SGI所并购，但随着MIPS架构在桌面市场的失守，后来在1998年脱离了SGI，成为MIPS技术公司，并且在1999年重新制定公司策略，将市场目标导向嵌入式系统，并且统一旗下处理器架构，区分为32-bit以及64-bit两大家族，以技术授权成为主要营利模式。

MIPS除了在手机中应用得比例极小外，其在一般数字消费性、网络语音、个人娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错的成绩，不过近年来因为其它IP授权公司的兴起，其占有比率稍有衰退。MIPS应用最为广泛的应属家庭视听电器（包含机顶盒）、网通产品以及汽车电子方面。对于MIPS，其核心技术强调的是多执行绪处理能力（Multiple issue,国内也通常称作多发射核技术，以下以此称谓）。一般来说，多核心与多发射是两个并不是互斥的体系，可以彼此结合，然而在嵌入式领域，ARM与MIPS这两大处理器IP厂商对这两个架构的态度不同，造成这两个架构在嵌入式市场上对抗的结果。

MIPS 的多发射体系为MIPS34K系列，此为32位架构处理器，从架构上来看，其实多发射核技术只是为了尽量避免处理单元闲置浪费而为的折衷手段，就是将处理器中的闲置处理单元，分割出来虚拟为另一个核心，以提高处理单元的利用率。在技术上，为了实现硬件多重处理，多核心与多发射两者对于软件最佳化的复杂度方面同样都比单核心架构来得复杂许多。34K核心能执行现有的对称式二路SMP操作系统（OSes）与应用软件，通过操作系统的主动管理，现有的应用软件也能善用多发射处理能力。它亦能应用在多个执行线程各自有不同角色的（AMP或非对称式多重处理）环境下。此外，34K核心能设定一或两个虚拟处理组件（VPE）以及多至5个线程内容（Thread Content），提供相当高的设计弹性。MIPS的多发射在任务切换时，有多余的硬件缓存器可以记录执行状态，避免切换任务时，因为必须重新加载指令，或者是重新执行某部分的工作，造成整个执行线程的延迟。不过即便能够达到同时执行多个任务的能力，多发射处理器本质上仍然是单核心处理器，在单一执行绪

面临高负载时，其它执行绪的处理时间就有可能会被压缩，甚至被暂停。而不同执行绪在执行的过程中，诸如内存锁定、解锁以及同步等处理过程在多发射体系上也会发生，因此在极端情况下，多发射的性能是明显比不上原生多核心架构的（以两个执行绪对两个核心的比较而言）。不过多发射体系的优点在于硬件效率高，理论上功耗也能有效降低。部分IC设计公司也推出了基于MIPS架构的平行架构多核心，形成兼具多核与多发射的应用架构，相信在未来这种体系将会纳入MIPS的原生架构当中，以应付更复杂的应用。

3、RISC家族之PowerPC PowerPC 是一种RISC多发射体系结构。

二十世纪九十年代，IBM（国际商用机器公司）、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。第一代PowerPC采用0.6微米的生产工艺，晶体管的集成度达到单芯片300万个。Motorola公司将PowerPC内核设计到SOC芯片之中，形成了Power QUICC（Quad Integrated Communications Controller），Power QUICC II和Power QUICC III家族的数十种型号的嵌入式通信处理器。Motorola的基于PowerPC体系结构的嵌入式处理器芯片有MPC505、821、850、860、8240、8245、8260、8560等近几十种产品，其中MPC860是Power QUICC 系列的典型产品，MPC8260是Power QUICC II系列的典型产品，MPC8560是Power QUICC III系列的典型产品。Power QUICC 系列微处理器一般有三个功能模块组成，嵌入式PowerPC核（EMPCC），系统接口单元（SIU）以及通信处理器（CPM）模块，这三个模块内部总线都是32位。除此之外Power QUICC中还集成了一个32位的RISC内核。Power PC核主要执行高层代码，而RISC则处理实际通信的低层通信功能，两个处理器内核通过高达8K字节的内部双口RAM相互配合，共同完成MPC854强大的通行控制和处理功能。CPM以RISC控制器为核心构成，除包括一个RISC控制器外，还包括七个串行DMA（SDMA）通道、两个串行通信控制器（SCC）、一个通用串行总线通道（USB）、两个串行管理控制器（SMC）、一个I2C接口和一个串行外围电路（SPI），可以通过灵活的编程方式实现对Ethemet、USB、T1/E1,ATM等的支持以及对UART, HDLC等多种通信协议的支持。Power QUICCII 完全可以看作是Power QUICC的第二代，在灵活性、扩展能力、集成度等方面提供了更高的性能。Power QUICC 11同样由嵌入式的PowerPC核和通信处理模块CPM两部分集成而来。这种双处理器器的结构由于CPM承接了嵌入式Power PC核的外围接口任务，所以较传统结构更加省电。CPM交替支持三个快速串行通信控制器（FCC），二个多通道控制器（MCC），四个串行通信控制器（SCC），二个串行管理控制器（SMC），一个串行外围接口电路（SPI）和一个12C接口。嵌入式的Power PC核和通信处理模块（CPM）的融和，以及Power QUICCII的其他功能、性能缩短了技术人员在网络和通信产品方面的开发周期。同Power QUICCII相比，Power QUICCIII集成度更高、功能更强大、具有更好的性能提升机制。Power QUICCIII中的CPM较Power QUICCII产品200MHz的CPM

的运行速度提升了66%，达到333MHz，同时保持了与早期产品的向后兼容性。这使得客户能够最大范围的延续其现有的软件投入、简化未来的系统升级、又极大的节省开发周期。Power QUICCIII通过微代码具有的可扩展性和增加客户定制功能的特性，能够使客户针对不同应用领域开发出各具特色的产品。这种从Power QUICC II开始就有的微代码复用功能，已经成为简化和降低升级成本的主要设计考虑。PowerPC一般应用在服务器或运算能力强大的专用计算机上，以及游戏机上。

4、RISC家族之ARC架构

与其它RISC处理器技术相较起来，ARC的可调整式（Configurable）架构，为其在变化多端的芯片应用领域中争得一席之地。其可调整式架构主要着眼于不同的应用，需要有不同的功能表现，固定式的芯片架构或许可以面面俱到，但是在将其设计进入产品之后，某些部分的功能可能完全没有使用到的机会，即使没有使用，开发商仍需支付这些〝多余〞部分的成本，形成了浪费。由于制程技术的进步，芯片体积的微缩化，让半导体厂商可以利用相同尺寸的晶圆切割出更多芯片，通过标准化，则是有助于降低芯片设计流程，单一通用IP所设计出来的处理器即可应用于各种用途，不需要另辟产能来生产特定型号或功能的产品，大量生产也有助于降低单一芯片的成本，而这也是目前嵌入式处理器的共通现象。在ARC的设计概念中，是追求单一芯片成本的最小化，量体裁衣，这需要在设计阶段依靠特定EDA软件才能做到。

ARC 近期也推出了基于700系列的多媒体应用加速处理器，其中整合了ARC 700通用处理核心，以及高速SIMD处理单元，可以在低时钟下轻松进行诸如蓝光光盘的H.264编译码处理，此架构称为VideoSubsystem，基本上该应用处理器就可以担任通用运算工作，不过也可以与其它诸如ARM或MIPS体系进行连结，以满足应用程序的兼容性与影音数据流的加速。

5、RISC家族之Tensilica架构

Tensilica公司的Xtensa 处理器是一个可以自由配置、可以弹性扩张，并可以自动合成的处理器核心。Xtensa 是第一个专为嵌入式单芯片系统而设计的微处理器。为了让系统设计工程师能够弹性规划、执行单芯片系统的各种应用功能，Xtensa 在研发初期就已锁定成一个可以自由装组的架构，因此我们也将其架构定义为可调式设计。

Tensilica 公司的主力产品线为Xtensa，该产品可让系统设计工程师可以挑选所需的单元架构，再加上自创的新指令与硬件执行单元，就可以设计出比其它传统方式强大数倍的处理器核心。Xtensa 生产器可以针对每一个处理器的特殊组合，自动有效地产生出一套包括操作系统，完善周全的软件工具。Xtensa 为一32位处理器，该结构特色是有一套专门为嵌入式系统设计、精简且效能表现不错的16与24位指令集。其基本结构拥有80个RISC 指令，其中包括32位ALU，6个管理特殊功能的缓存器，32或64个普通功能32位缓存器。这些32位缓存器都设有加速运行功能的信道。Xtensa 处理器的指令相当精简，系统设计师可以以此缩减程序代码的长度，从而提高指令的密集度并降低功耗。相对于高合成的单芯片系统ASIC而言，能达到有效减低成本。Xtensa 的指令集构架包括有效的分支指令，例如：经合成的比较- 分歧循环、零开销循环和二进制处理，包括漏斗切换和字段抽段操作等。浮点运算单元与向量DSP 单元是Xtensa 结构上两个可以加选的处理单元，可以加强在特定应用的效能表现。

6、CISC家族之X86

X86 处理器应用在嵌入式系统的历史相当悠久，以Intel为例，其Pentium3时代的处理器与芯片组，至今仍活跃在许多工控电脑产业中。而随着两大X86 厂商放弃RISC产品线，并积极规划移动应用产品，X86进入到消费性电子嵌入式市场就不再只是传言。当然，X86处理器普遍都还是有功耗过高，且芯片数量庞大的缺点，不适合应用在要求精简省电的嵌入式架构中，但随着发展，这一切都有了根本上的改变。尽管Pentium4是Intel相对失败之作，但Pentium3依旧是市场的最爱，就连Intel本身也舍不得放弃Pentium3的微架构，如今已经经过数次的翻新与修改，即便是最新的4核心产品，依然有Pentium3的影子存在。卖旧式架构产品，对Intel来说，其实不无小补，由于旧架构经过长久验证，不需重新设计，且在生产上的成本非常低，制程提升还可以进一步拉抬芯片产量，但不止Intel有旧架构产品，AMD其实也运用同样的手法来经营其AthlonXP处理器，但是Intel决心要让对手难以追赶，因此规划了一系列以移动产品应用为主的嵌入式处理器。Intel过去在X86产品规划上，其实几乎从未接触过移动通讯应用，即便是雷声大雨点小的UMPC产品，也都不含移动通讯功能，在这边我们指的是诸如3G、3.5G的通讯能力，而当Intel主推的WiMAX正式被纳入3G标准之一，

也让Intel重新考虑该公司的移动应用产品。在最近的技术展示中，即便是最接近手机设计的MID （Mobile Intel Device）装置，也都仅定位于移动上网工具，而非行动通讯系统。但是根据Intel的最新规划，MID 平台已经从单纯的行动上网，转而将会跨进现有的BlackBerry （黑莓）及I-Phone 的相同市场，前者拥有强大的网际网络通讯能力，而I-Phone 则是拥有强大的多媒体能力，但是Intel的MID平台基本上是一部微型X86计算机系统，在功能性可以达到相当全面的地步，且具备了ARM、MIPS等处理器架构难以满足的X86软件兼容资源，导入移动通讯只不过是在目前的硬件规划基础上，进行软件模块的增加而已。传统移动通讯产品厂商在相关软硬件投入的资本非常庞大，是否采用Intel架构还有待观察，当然，如果像Nokia与Motorola也投入此一架构，在推广上也将会如虎添翼。Intel 针对移动应用的最新处理器为Stealey，目前该产品线有两款产品，分别是600MHz的A100与800MHz的A110，理论上来说，Stealey 只不过是Centrino体系中祖父级Dothan（都是基于Pentium3的架构）处理器的超级精简兼时钟降低版，主要是得利于90纳米制程，架构技术上并无太多特点，而下一代的Silverthorne则是直接将此Stealey转以45纳米制程，并在架构上加入64位处理能力，算是真正比较有诚意的产品。但是以目前来看，Intel的移动应用平台其实表现并不出色，过高的功耗与温度仍然是应用在移动终端上的隐忧，Silverthorne是必要针对此两点进行变革，否则要应用在MID 产品上，只怕又会继UMPC之后，成为业界另一个叫好不叫座案例。

7、CISC家族之VIA

目前仍存活的X86处理器厂商，除了身为世界第一大半导体厂的Intel以外，其余两家都活的相当辛苦，尤其以台湾的VIA（威盛）为最，该公司在处理器产品线的经营上，向来遭受大厂的打压，VIA 过去所推出的一系列低功耗处理器，虽然效能偏低，但是其功耗控制能力非常优秀，远远超过Intel以及AMD这两家CPU大厂，如今世界潮流逐渐从效能取向走往绿色环保取向，VIA终于也是媳妇熬成婆，除了在一般低价PC获得满堂彩以外，在UMPC以及嵌入式系统方面，也都能提供相当优秀的解决方案。VIA 的主流产品线为C7-M处理器，该款处理器共分两个型号——普通版本及Ultra Low Voltage 版本，C7-M普通版本型号拥有1.5GHz/400MHz FSB、1.6GHz/533MHz FSB、1.867GHz/533MHz FSB及最高速度的2GHz/533MHz FSB，电压由1.004V至1.148V，最高功耗由12W至20W，在

P-State模式下电压会下调至0.844V，而功耗则只有5W。Ultra Low Voltage版本的C7-M处理器，拥有1GHz/400MHz FSB、1.2GHz/400MHz FSB及1.5GHz/400MHz FSB，ULV版本工作电压只需要0.908V至0.956V，最高功耗由5W至7W 左右。而ULV之中还会有一个Super ULV的C7-M 1GHz，型号为C7-M ULV 779，工作电压可低至0.796V，最高功耗仅有 3.5W。由于这些特点，使其在低价计算机、嵌入式应用领域中，成为不能忽视的第三势力。

8、CISC家族之AMD

AMD 是在主流市场上，唯一能与Inte抗衡的X86处理器厂商，然而在购并ATI之后，其表现只能算差强人意，以目前所规划的主流产品线而言（包含CPU与GPU），其实都是处于挨打的状态。毕竟AMD具有业界最佳的技术均衡性，既有先进的处理器技术，又是GPU技术第二领导者，兼以效能表现相当优秀的主机板芯片产品，以及自有的晶圆厂，虽不及Intel霸气，仍然占有很大市场份额。在嵌入式应用方面，其实过去AMD有向MIPS 授权其IP，开发出Alchemy产品线，算是直接向Intel过去的ARM架构Xscale直接叫阵的一款产品，然而此产品并未掳获市场眼光，在应用上一向偏弱势，后来AMD也将之摆脱，开始利用自己的X86处理器来经营嵌入式应用领域。AMD在嵌入式X86处理器方面的产品线为Geode，基本上这是一款整合度相当高的SoC产品，但是速度偏低，效能表现不佳，功能也未能比VIA的产品出色，定位相当尴尬。针对移动平台开发的X86处理核心，代号为“Botcat”，不过目前信息还不完备，因此只能从时间点推论，该处理器将有可能使用简化降频版的K8核心，但推出时间在今年，明显比对手晚了许多，若要整合K10核心，可能就要等到2009年之后。不过AMD购并ATI之后，得以将Fusion 的概念带给消费者，Fusion算是身兼AMD与ATI二者之长，具备了先进的处理器核心、高效能的绘图核心，以及I/O控制能力，从低功耗的嵌入式应用，到高功耗的效能级产品，都是Fusion的产品守备范围内，但Fusion最早要到2009年才会进入市场。

嵌入式系统课后答案马维华

第1章嵌入式系统概述 1,什么是嵌入式系统嵌入式系统的特点是什么 嵌入式系统概念: (1) IEEE对嵌入式系统的定义:用于控制,监视或者辅助操作机器和设备的装置. (2)一般定义:以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能,可靠性,成本,体积,功耗有严格要求的专用计算机系统. 嵌入式系统的特点: (1) 专用的计算机系统 (2) 必须满足环境要求 (3) 必须能满足对象系统的控制要求 (4) 是集成计算机技术与各行业应用的集成系统 (5) 具有较长的生命周期 (6) 软件固化在非易失性存储器中 (7) 必须能满足实时性要求 (8) 需要专用开发环境和开发工具 2,简单分析几种嵌入式操作系统的主要特点,包括嵌入式Linux,Windows CE,uCOS II 及VxWorks. (1)嵌入式Linux:有多个主流版本,根据应用需求,性能略有差别.μCLinux是Linux小型化后,适合于没有MMU的微处理器芯片而裁剪成的操作系统,μCLinux保持了传统Linux操作系统的主要特性,包括稳定,强大的网络和文件系统的支持,μCLinux裁剪了大量的Linux内核以缩小尺寸,适合像512KB RAM,1MB Flash这样小容量,低成本的嵌入式系统.RT_Linux即能兼容通常的Linux,又能保证强实时性. (2)Windows CE:开发平台主要为WinCE Platform Builder,有时也用EVC环境开发一些较上层的应用.WinCE开发难度远低于嵌入式Linux,实时性略低,常用于手机,PDA等手持设备中. (3)uCOS II:结构小巧,抢先式的实时嵌入式操作系统,具有执行效率高,占用空间小,可移植性强,实时性能好和可扩展性能等优点.主要用于小型嵌入式系统. (4) VxWorks: 集成开发环境为Tornado,Vxworks因出现稍早,实时性很强,并且内核可极微(最小8K),可靠性较高等.通常应用在通信设备等实时性要求较高的系统中. 第2章嵌入式处理器体系结构 1,具体说明ARM7TDMI的含义,其中的T,D,M,I分别代表什么 ARM7TDMI是ARM7处理器系列成员之一,采用V4T版本指令.T表示Thumb,该内核可从16位指令集切换到32位ARM指令集;D表示Debug,该内核中放置了用于调试的结构,支持片内Debug调试;M表示Multiplier,支持位乘法;I表示Embedded ICE ,内含嵌入式ICE宏单元,支持片上断点和观察点. 2,ARMV4及以上版本的CPSR的哪一位反映了处理器的状态若CPSR=0x000000090,分析系统状态.CPSR=0x000000090表示当前处理器工作于ARM状态,系统处于用户模式下. CPSR的BIT5(T)反映当前处理器工作于ARM状态或Thumb状态. 3,ARM有哪几个异常类型,为什么FIQ的服务程序地址要位于0x1C 在复位后,ARM处理器处于何种模式,何种状态 ARM的7种异常类型:复位RESET异常,未定义的指令UND异常,软件中断SWI异常,指令预取中止PABT异常,数据访问中止DABT异常,外部中断请求IRQ异常,快速中断请求FIQ 异常.在有快速中断发生时,CPU从0x1C处取出指令执行.ARM复位后处于管理模式,工作于ARM状态. 4,为什么要使用Thumb模式,与ARM代码相比较,Thumb代码的两大优势是什么

详解嵌入式系统的发展特点及架构

详解嵌入式系统的发展特点及架构 随着电子产品的发展，嵌入式系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域，例如：计算机、汽车、航天飞机等等。提到嵌入式系统首先联想到单片机，是的，MCU是最基础和常用的嵌入式系统。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC（System on Chip,片上系统）或SiP（System in Package，系统级封装）在手机、机顶盒等功能复杂的产品中的应用也越来越多。 嵌入式系统发展呈现如下特点：·由8位处理向32位过渡·由单核向多核过渡·向网络化功能发展·MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进·嵌入式操作系统呈多元化趋势所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP核（Intellectual Property，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核，光靠卖IP核即可坐拥城池。嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC都拥有自己得专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。 标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）处理器。RISC体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是属于RISC处理器的范畴。不过这些处理器虽然同样是属于RISC体系，但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平台上所开发的软件无法直接为另一硬件平台所用，而必须经过重新编译。 其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）处理器体系，我们所熟知的Intel的X86处理器就属于CISC体系，CISC体系其实是非常低效率的体系，其指令集结构上背负了太多包袱，贪大求全，导致芯片结构的复杂度被极大的提升。过去被应用在嵌入式系统的X86处理器，多为旧世代的产品，比如说，工业计算机中仍可常见数年前早已退出个人计算机市场的Pentium3处理器。由于此世代的产品效能与功耗比可以说是过去X86体系的甜蜜点，加上已经被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高，但稳定性要求高的应用中，如工控设备等产品。 1、RISC家族之ARM处理器 ARM 公司于1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术智能财产（IP）核心的处理器，即我们通常所说的ARM处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场，ARM技术不止逐步渗入到我们生活的各个方面，我们甚至可以说，ARM 于人类的生活环境中，已经是不可或缺的一环。 目前市面上常见的ARM处理器架构，可分为ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在进行开发验证，市面上还未有相关产品推出。ARM也是嵌入式处理器中首先推出多核心架构的厂商。ARM 首个多核心架构为ARM11 MPCore，架构于原先的ARM11处理器核心之上。ARM11核心是发布于2002年10月份，为了进一步提升效能，其管线长度扩展到8阶，处理单元则增加为预取、译码、发送、转换/MAC1、执行/MAC2、内存存取/MAC3和写入等八个单元，体系上属于ARM V6指令集架构。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz以上—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的程度，不过显然1GHz在ARM11体系中不算是个均衡的设定，因此几乎没有厂商推出达到1GHz的ARM11架构处理器。 ARM11的逻辑核心也经过大量的改进，其中最重要的当属“静/动态组合转换的预测功能”。ARM11的执行单元包含一个64位、4种状态的地址转换缓冲，它主要用来储存最近使用过的转换地址。当采用动态转换预测机制而无法在寻址缓冲内找到正确的地址时，静态转换预测功能就会立刻接替它的位置。在实际测试中，单纯采用动态预测的准确率为88%，单纯采用静态预测机制的准确率只有77%，而ARM11的静/动态预测组合机制可实现92%的高准确率。针对高时脉速度带来功耗增加的问题，ARM11采用一项名为“IEM （Intelligent Energy Manager）”的智能电源管理技术，该技术可根据任务负荷情况动态调节处理器的电压，进而有效降低自身的功耗。这一系列改进让ARM11的功耗效能比得以继续提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取时为0.8mW）的电力，处理器的最高效能可达到660 Dhrystone MIPS，远超过上一代产品。至于ARM11 MPCore，其在架构上与ARM11同样属于V6指令体系。根据不同应用的需要，MPCore可以被配置为1-4个处理器的组合方式，根据官方资料，其最高性能约可达到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是标准的同质多核心处理器，组成MPCore的是4个基于ARM11架构的处理器核心，由于多核心设计的优点是在频率不变的情况下让处理器的性能获得明显提升，因此可望在多任务应用中拥有良好的表现，这一点很适合未来家庭消费电子的需要。例如，机顶盒在录制多个频道电视节目的同时，还可通过互联网收看数字视频点播节目、车内导航系统在提供导航功能的同时，仍然有余力可以向后座乘客播放各类视频码流等。 2、RISC家族之MIPS处理器 MIPS是美国历史悠久的RISC处理器体系，其架构的设计，也如美国人的性格一般，相当的大气且理想化。MIPS架构起源，可追溯到1980年代，斯坦福大学和伯克利大学同时开始RISC架构处理器的研究。MIPS公司成立于1984年，随后在1986年推出第一款R2000处理器，在1992年时被SGI所并购，但随着MIPS架构在桌面市场的失守，后来在1998年脱离了SGI，成为MIPS技术公司，并且在1999年重新制定公司策略，将市场目标导向嵌入式系统，并且统一旗下处理器架构，区分为32-bit以及64-bit两大家族，以技术授权成为主要营利模式。 MIPS除了在手机中应用得比例极小外，其在一般数字消费性、网络语音、个人娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错的成绩，不过近年来因为其它IP授权公司的兴起，其占有比率稍有衰退。MIPS应用最为广泛的应属家庭视听电器（包含机顶盒）、网通产品以及汽车电子方面。对于MIPS，其核心技术强调的是多执行绪处理能力（Multiple issue,国内也通常称作多发射核技术，以下以此称谓）。一般来说，多核心与多发射是两个并不是互斥的体系，可以彼此结合，然而在嵌入式领域，ARM与MIPS这两大处理器IP厂商对这两个架构的态度不同，造成这两个架构在嵌入式市场上对抗的结果。 MIPS 的多发射体系为MIPS34K系列，此为32位架构处理器，从架构上来看，其实多发射核技术只是为了尽量避免处理单元闲置浪费而为的折衷手段，就是将处理器中的闲置处理单元，分割出来虚拟为另一个核心，以提高处理单元的利用率。在技术上，为了实现硬件多重处理，多核心与多发射两者对于软件最佳化的复杂度方面同样都比单核心架构来得复杂许多。34K核心能执行现有的对称式二路SMP操作系统（OSes）与应用软件，通过操作系统的主动管理，现有的应用软件也能善用多发射处理能力。它亦能应用在多个执行线程各自有不同角色的（AMP或非对称式多重处理）环境下。此外，34K核心能设定一或两个虚拟处理组件（VPE）以及多至5个线程内容（Thread Content），提供相当高的设计弹性。MIPS的多发射在任务切换时，有多余的硬件缓存器可以记录执行状态，避免切换任务时，因为必须重新加载指令，或者是重新执行某部分的工作，造成整个执行线程的延迟。不过即便能够达到同时执行多个任务的能力，多发射处理器本质上仍然是单核心处理器，在单一执行绪

《ARM嵌入式系统结构与编程》习题答案

1章绪论 1.国内嵌入式系统行业对“嵌入式系统”的定义是什么？如何理解？答：见教材1.1节。 2.嵌入式系统是从何时产生的，简述其发展历程。答：见教材1.1节。 3.当前最常见的源码开放的嵌入式操作系统有哪些，请举出两例，并分析其特点。 答：见教材1.2.1节的嵌入式Linux和嵌入式实时操作内核UC /OS-I 。 4.举例说明嵌入式设备在工控设备中的应用。答：见教材1.3节的“工业控制领域”。 5.未来嵌入式技术的发展趋势有哪些？答：见教材1.4节的嵌入式技术的发展趋势。 2章ARM技术与ARM体系结构 1．简述ARM处理器内核调试结构原理。答：对教材1.2节的图2-1进行描述。 2.分析ARM7TDMI-S各字母所代表的含义。答：参考教材 2.1．2 ARM核版本命名规则说明。3．ARM处理器的工作模式有哪几种，其中哪些为特权模式，哪些为异常模式，并指出处理器在什么情况下进入相应的模式。 ARM处理器共有7种工作模式： 用户模式：非特权模式，也就是正常程序执行的模式，大部分任务在这种模式下执行。在用户模式下，如果没异常发生，不允许应用程序自行改变处理器的工作模式，如果有异常发生，处理器会自动切换工作模式FIQ模式：也称为快速中断模式，支持高速数据传输和通道处理，当一个高优(fast)中断产生时将会进入这种模式。 IRQ模式：也称为普通中断模式，:当一个低优先级中断产生时将会进入这种模式。在这模式下按中断的处理器方式又分为向量中断和非向量中断两种。通常的中断处理都在IRQ 模式下进行。 SVC模式：称之为管理模式，它是一种操作系统保护模式。当复位或软中断指令执行时处理器将进入这种模式。 中止模式：当存取异常时将会进入这种模式，用来处理存储器故障、实现虚拟存储或存储保护。 未定义指令异常模式：当执行未定义指令时会进入这种模式，主要是用来处理未定义的指令陷阱，支持硬件协处理器的软件仿真，因为未定义指令多发生在对协处理器的操作上。 系统模式：使用和User模式相同寄存器组的特权模式，用来运行特权级的操作系统任务。 在这7种工作模式中，除了用户模式以外，其他6种处理器模式可以称为特权模式，在这些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换。在这6种特权模式中，除了系统模式外的其他5种特权模式又称为异常模式 4．分析程序状态寄存器（PSR）各位的功能描述，并说明C、Z、N、V在什么情况下进行置位和清零。PSR的具体格式为 V—溢出标志位 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制补码表示的带符号数时，V＝1表示符号位溢出，其他的指令通常不影响V位。 例如：两个正数（最高位为0）相加，运算结果为一个负数（最高位为1），则符号位溢出，相应V=1。

嵌入式系统原理及接口技术复习题

一、简答题 1.什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？ 答：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能， 可靠性，成本，体积，功耗严格要求的专用计算机系统 特点：与应用密切相关，实时性，复杂的算法，制造成本，功耗，开发和调试，可 靠性，体积 2.简要说明嵌入式系统的硬件组成和软件组成。 答:硬件组成：微处理器，存储器，输入设备和输出设备。 软件组成：操作系统，文件系统，图形用户接口，网络系统，通用组建模块。 3.S3C2410A的AHB总线上连接了那些控制器？APB总线上连接了那些部件？ AHB：LCD控制器，LCD DMA，总线控制器，USB主控制器，中断控制器，ExtMaster，电源管理，Nandflash控制器，储存器控制器。 APB：通用异步收发器，内部集成电路总线（IIC），USB设备控制器，集成电路内部 声音总线（IIS），MMC/SD/SDIO主控制器，通用I/O端口（GPIO），看门狗定时器（WDT），定时时钟（RTC），总线控制器，A/D转换器，串行外设接口，定时器/脉宽调制。 4.ARM体系结构支持几种类型的异常，并说明其异常处理模式和优先级状态？ 答，支持7种类型的异常 异常处理过程：（进入异常）PC→LR，CPRS→SPSR，设置CPSR的运行模式位，跳转 到相应的异常处理程序，（异常返回）LR→PC，SPSR→CPSR，若在进入异常处理时 设置中断禁止位，要在此清楚，复位异常处理程序不需要返回。 Reset＞数据中指＞快速中断请求（ＦＩＱ）＞中断请求（IRQ）＞指令预取中止＞ 未定义指令和软件中止。 5.存储器生长堆栈可分为哪几种？各有什么特点？ 4种，满递增堆栈，满递减堆栈，空递增堆栈，空递减堆栈。 6.简述存储器系统层次结构及特点。 答：层次结构：包括Ｃａｃｈｅ，主存储器和辅助存储器 特点： 7.简述I2S总线接口的启动与停止过程。 通过I2S控制寄存器IISCON控制，当控制寄存器IISCON的地址为0=I2S禁止（停止）； 当控制寄存器IISCON的地址为1=I2S允许（开始）。 8.简述ARM系统中的中断处理过程。 中断处理过程包括：中断请求、中断排队或中断判优、中断响应、中断处理和中断返回 9.ARM微处理器支持哪几种运行模式？各运行模式有什么特点？ User：用户模式。绝大部分的任务执行都在这种操作模式下，此为正常的程序执行 模式。 FIQ：快速中断模式。支持数据传送或通道处理。 IRQ：普通中断模式。用于一半中断处理。 Supervisor：管理模式。一种操作系统受保护的方式。 Abort：中止模式。在访问数据中止后或指令预取中止后进入中止方式。 System：系统模式。是操作系统一种特权级的用户方式。 Undef：未定义模式。当执行未定义指令时会进入这种操作模式。

《ARM嵌入式系统结构与编程》第二章课后答案

第2章ARM技术与ARM体系结构 1.简述ARM处理器内核调试结构原理 答：ARM处理器一般都带有嵌入式追踪宏单元ETM（Embedded Trace Macro），它是ARM 公司自己推出的调试工具。ARM处理器都支持基于JTAG（Joint Test Action Group 联合测试行动小组）的调试方法。它利用芯片内部的Embedded ICE来控制ARM内核操作，可完成单步调试和断点调试等操作。当CPU处理单步执行完毕或到达断点处时，就可以在宿主机端查看处理器现场数据，但是它不能在CPU运行过程中对实时数据进行仿真。 ETM解决了上述问题，能够在CPU运行过程中实时扫描处理器的现场信息，并数据送往TAP（Test Access Port）控制器。上图中分为三条扫描链（图中的粗实线），分别用来监视ARM核，ETM，嵌入式ICE的状态。 1.分析ARM7TDMI-S各字母所代表的含义。 答：ARM7 T D M I – S 中 ARM是Advanced RISC Machines的缩写 7是系列号； T：支持高密度16位的Thumb指令集； D：支持JTAG片上调试； M：支持用于长乘法操作（64位结果）ARM指令，包含快速乘法器；； I：带有嵌入式追踪宏单元ETM，用来设置断点和观察点的调试硬件； S：可综合版本，意味着处理器内核是以源代码形式提供的。这种源代码形式又可以编译成一种易于EDA工具使用的形式。 2.ARM处理器的工作模式有哪几种，其中哪些为特权模式，哪些为异常模式，并指出处 理器在什么情况下进入相应的模式。 答：ARM技术的设计者将ARM处理器在应用中可能产生的状态进行了分类，并针对同一类型的异常状态设定了一个固定的入口点，当异常产生时，程序会自动跳转到对应异常入口处进行异常服务。 ?1．用户模式：非特权模式，也就是正常程序执行的模式，大部分任务在这种模式下 执行。在用户模式下，如果没异常发生，不允许应用程序自行改变处理器的工作模式，如果有异常发生，处理器不会自动切换工作模式 ?2．FIQ模式：也称为快速中断模式，支持高速数据传输和通道处理，当一个高优先

嵌入式系统的定义及特点是什么

嵌入式系统的定义及特点是什么？嵌入式系统有哪些组成部分？ 嵌入式系统可以称为是后PC时代和后网络时代的新秀，那什么是嵌入式系统呢？ 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分，用于实现对其他设备的控制，监视或管理等功能。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统进行合理的裁减利用。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。 从上面的定义上，可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1.系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 ２．专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。 ３．系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ４．高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 ５．嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ６．嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套

浅析C语言嵌入式系统编程软件设计架构

浅析C语言嵌入式系统编程软件设计架构 发表时间：2018-09-04T11:58:13.513Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第10期作者：田壮[导读] 一个方向是自顶向下，从抽象到具体，从最顶层的程序或者逻辑整体描述规范出发向下到具体的操作模块。 美的洗涤电器制造有限公司 528311 摘要：C语言是嵌入式软件开发使用最多的语言，主要是由于C语言兼具高低级语言的特性，简洁高效、灵活方便，支持对硬件的直接操作，但其灵活性也往往会带来复杂的代码管理和维护问题。基于此，本文就从C语言嵌入式系统编程软件设计展开分析。 关键词：C语言；嵌入式系统；编程软件设计 1、系统设计思路 1.1自顶向下与自底向上 一个方向是自顶向下，从抽象到具体，从最顶层的程序或者逻辑整体描述规范出发向下到具体的操作模块，这是目前嵌入式系统应用层开发常用的方法。在嵌入式系统设计过程中，可以将两种方法结合使用，针对硬件的操作采用自底向上，尽可能抽象出所有的元操作，应对不同上层应用的重用要求；在逻辑应用上，则采用自顶向下，对应用逻辑表达进行抽象规范，尽量使得模块划分便于开发实现、重用和维护。 1.2最优模块化 ①紧凑性，封装良好的模块决不互相暴露内部信息，也不去调用其他模块的操作实现，而是通过函数接口来相互通信； ②正交性，任何模块的功能点应当是唯一的、无歧义的，在系统中以确定无疑的方式存在。在纯正交的模块设计中，每一个操作行动只限于该项功能，系统的每一属性只有一条途径改变，不影响其他功能，这有助于将复杂的设计紧凑化。 2、嵌入式系统开发的分层架构 2.1分层原则 ①层次划分兼顾功能颗粒度和重用可能性，每层解决不同的问题，下层要能够为上层应用提供支撑，比如环境温度监测功能，可以从概念上划分为数据采集层、处理层、显示层等，层层递进实现； ②层与层之间的相关性尽量小，确保某一层的软件设计出现问题，只会影响到该层次的上下结构，不会影响到软件系统的整体； ③每层内部按照任务分解、功能优化、重用程度进行模块划分，尽量实现软件功能的高内聚、低耦合。理论上，功能分解得越简单，实现起来越容易，重复使用频次就会越高，但目标过度细化会使设计管理、功能调度的复杂度迅速上升，所以一般划分到概念上能够独立完成一项功能、与其他功能相关性合适的程度。 2.2分层设计方法 首先，采取自顶向下的方法对嵌入式系统应用需求进行梳理，抽象出不同的逻辑功能要求，明确概念层次，再转化成软件层次。 其次，采取自底向上的方法对涉及到的硬件功能进行抽象，应尽可能细化出应用开发需要的硬件操作原语。对于嵌入式系统而言，大量的开发工作是通过软件驱动底层硬件实现相应的专用功能，对硬件功能的封装既有利于降低当前系统开发的复杂度，又便于实现硬件的无关性，提高程序代码的复用性。 再次，采用自顶向下和自底向上相结合的方法，逐层检验相邻层次间的信息交互和调用关系，确保每一个上层的调用都能得到满足。 最后，对每一层的功能进行合并整合，优化功能模块设计，努力实现最优模块化。在实际系统开发中，最优模块化的过程也是对现有程序代码重用的优化选择过程。 2.3分层技术的应用 常见的功能模块划分是围绕中心处理器/控制器来设计系统逻辑架构，采用面向过程的设计思路，区分为输入/输出、应用调度、设备驱动、网络通信等功能模块。这样的划分方式能够充分利用系统的处理能力，进行精细化的存储空间管理，但也带来应用逻辑交叉重复、与硬件依赖关系强等缺点，很难进行功能拓展，代码重用性也较差。 ①应用管理层。主要实现界面交互、业务逻辑调度等功能。 ②算法协议层。主要实现模型算法、协议解析、文件管理、数据库管理等功能，如位置转换计算、罗盘指针方位计算等。 ③功能拓展层。主要实现器件的无关性，提供各种器件的通用性处理、接口访问等功能，如LCD的线、圆、矩形处理，传感器数据转换等功能。 ④硬件驱动层。主要实现硬件的无关性，提供硬件的操作原语功能，如LCD的定位、写点、写字节、传感器数据采集等功能。上述分层设计方案，将同类或相似技术实现的功能进行聚合，减少业务应用、模型算法和硬件操作之间的耦合性，避免功能在分析设计中的交叉混淆，整个应用程序的结构变得更加清晰和灵活，使得一个成熟的模型算法能够支持多个应用逻辑，一个成熟的软件功能模块能够适应不同的硬件环境，提高了软件功能模块的开发效率和可重用性。 3、基于C语言的系统软件设计 3.1代码管理 ①文件目录管理。按照分层原则组织文件目录，主程序文件、全局变量头文件放在根目录，其他文件按照应用管理层、算法协议层、功能拓展层、硬件驱动层分别存放在AppFunc、ModelFunc、HardExt、HardOpt文件夹，所有文件命名遵循统一的规范。如果有第三方的通用函数库，可以建立ComFunc文件夹来存放。这样在开发过程中，可以充分利用分层模型的优势，各层功能的开发人员可以在不同的文件夹内进行并行工作，实现工程化管理。 ②功能模块管理。为了实现模块化设计的高内聚性，应少用或不用全局变量，尽量通过函数参数来传递数据。同一类的业务应用功能、同一硬件的操作功能尽量放在同一文件内实现。上层功能模块的开发可以调用下层功能模块，下层功能模块尽量避免交叉调用或越级调用。

嵌入式系统原理与应用复习知识点总结

第一章 1、嵌入式系统的应用范围：军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业 控制。 2、嵌入式系统定义：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 与硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统。（嵌入式的三要素：嵌入型、专用性与计算机系统）。 3、嵌入式系统的特点：1)专用性强；2）实时约束；3）RTOS；4）高可靠性；5） 低功耗；6）专用的开发工具和开发环境；7）系统精简； 4、嵌入式系统的组成： （1）处理器：MCU、MPU、DSP、SOC； （2）外围接口及设备：存储器、通信接口、I/O 接口、输入输出设备、电源等；（3）嵌入式操作系统：windows CE、UCLinux、Vxworks、UC/OS; （4）应用软件：Bootloader 5、嵌入式系统的硬件：嵌入式微处理器（MCU、MPU、DSP、SOC），外围电路， 外部设备； 嵌入式系统的软件：无操作系统（NOSES），小型操作系统软件（SOSE）S，大型 操作系统软件（LOSES）注：ARM 处理器三大部件：ALU、控制器、寄存器。 6、嵌入式处理器特点：（1）实时多任务；（2）结构可扩展；（3）很强的存储区 保护功能；（4）低功耗； 7、DSP处理器两种工作方式：（1）经过单片机的DSP可单独构成处理器；（2） 作为协处理器，具有单片机功能和数字处理功能； 第二章 1、IP核分类：软核、固核、硬核； 2、ARM 处理器系列：（1）ARM7系列（三级流水，thumb 指令集，ARM7TDMI）; (2)ARM9系列（DSP处理能力，ARM920T）（3）ARM/OE（增强DSP）（4）SecurCone 系列（提供解密安全方案）；（5）StrongARM系列（Zntle 产权）；（6）XScale系列（Intel 产权）；（7）Cortex 系列（A：性能密集型；R：要求实时性；M：要求低 成本） 3、ARM 系列的变量后缀：（1）T：thumb 指令集；（2）D：JTAG调试器；（3）快

嵌入式系统架构的发展趋势及比较分析

嵌入式系统架构的发展趋势及比较分析 嵌入式系统已经广泛地应用到当今各个领域，与我们的生活息息相关，小 到掌上的数字产品，大到汽车、航天飞机。 提到嵌入式系统我们很快会联想到单片机，不错，MCU 是最基础和常用的 嵌入式系统，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS 等其他嵌入式系统应用 越来越广泛。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC(System on Chip，片上系统)或SiP(System in Package，系统级封装)在手机、机顶盒等功能复杂的产品上的应用也越来越多。 总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点： -由8 位处理向32 位过渡 -由单核向多核过渡 -向网络化功能发展 -MCU、FPGA、ARM、DSP 等齐头并进 -嵌入式操作系统呈多元化趋势 所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP 核(Intellectual Property，知识产权)，生产处理器的厂家很多，但拥有IP 核的屈指可数。有自己的IP 核，光靠卖IP 核即可坐拥城池。 嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU(微控制器)产品上， 像瑞萨(Renesas)、飞思卡尔(Freescale)、NEC 都拥有自己得专有IP 核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。本文讨论仅讨论标准架构的嵌入式系统。 标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)处理器。RISC 体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica 等等，都是属于RISC 处理

嵌入式系统的定义及特点

嵌入式系统的定义及特点 定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。 特点：（1）嵌入式系统是面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。 （2）嵌入式系统涉及先进的计算机技术、半导体技术、电子技术、通信和软件等各个行业。是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 （3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。 （4）嵌入式系统的生命周期相当长。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。 （5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，必须借助于一套专门的开发工具和环境。 （6）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。 3．与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？答：与通用计算机相比，嵌入式系统有以下特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的；（2）嵌入式系统的硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、去除冗余；（3）有实时操作系统的支持；（4）嵌入式系统具有较长的生命周期；（5）嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中；（6）具有专门的开发工具支持。 操作系统在嵌入式系统中所起的作用 EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式系统是以应用为中心，整合了计算机软件、硬件技术，通信技术和微电子技术， 嵌入式操作系统（嵌入式linux学习）的功能 嵌入式操作系统除具备了一般操作系统（嵌入式linux系统）最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下两个方面的功能： 1.构成一个易于编程的虚拟机平台 嵌入式操作系统构成一个虚拟机平台，EOS把底层的硬件细节封装起来，为运行在它上面的软件(如中间件软件和各种应用软件)提供了一个抽象的编程接口。软件开发在这个编程接口的上进行，而不直接与机器硬件层打交道。EOS所提供的编程接口实际上就是操作系统对外提供的系统调用函数。

嵌入式系统架构发展趋势及比较分析

嵌入式系统架构发展趋势及比较分析 范虎 嵌入式系统已经广泛地应用到当今各个领域，与我们的生活息息相关，小到掌上的数字产品，大到汽车、航天飞机。提到嵌入式系统我们很快会联想到单片机，不错，MCU是最基础和常用的嵌入式系统，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS 等其他嵌入式系统应用也越来越广泛。 总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点：·由8位处理向32位过渡·由单核向多核过渡·向网络化功能发展·MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进·嵌入式操作系统呈多元化趋势，所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP 核（IntellectualProperty，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP 核的屈指可数。嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC等都拥有自己的专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。 标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC （ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）处理器。RISC体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是属于RISC 处理器的范畴。不过这些处理器虽然同样是属于RISC体系，但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平台上所开发的软件无法直接为另一硬件平台所用，而必须经过重新编译。 其次是CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）处理器体系，我们所熟知的Intel的X86处理器就属于CISC体系，CISC体系其实是比较低效率的体系，但由于其已经被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高，但稳定性要求高的应用中，如工控设备等产品。 下面将简单介绍一下几种比较常见的RISC和CISC嵌入式系统架构。 1、RISC家族之ARM处理器 ARM公司于1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术（IP）核心的处理器，即我们通常所说的ARM处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场。 目前市面上常见的ARM处理器架构，可分为ARM7、ARM9，ARM11以及Cortex 系列。ARM也是嵌入式处理器中首先推出多核心架构的厂商。ARM首个多核心架构为ARM11MPCore，架构于原先的ARM11处理器核心之上。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz以上—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的程度。

嵌入式操作系统的种类与特点

1.3.1 嵌入式操作系统的种类、特点与发展 1．嵌入式操作系统的种类 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类： 非实时操作系统：面向消费电子产品等领域，这类产品包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒、电子书等。 实时操作系统RTOS（Real-Time Embedded Operating System）：面向控制、通信等领域，如windriver公司的vxworks、isi的psos、qnx系统软件公司的qnx等。 （1）非实时操作系统 早期的嵌入式系统中没有操作系统的概念，程序员编写嵌入式程序通常直接面对裸机及裸设备。在这种情况下，通常把嵌入式程序分成两部分，即前台程序和后台程序。前台程序通过中断来处理事件，其结构一般为无限循环；后台程序则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度，是一个系统管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。一般情况下，后台程序也叫任务级程序，前台程序也叫事件处理级程序。在程序运行时，后台程序检查每个任务是否具备运行条件，通过一定的调度算法来完成相应的操作。对于实时性要求特别严格的操作通常由中断来完成，仅在中断服务程序中标记事件的发生，不再做任何工作就退出中断，经过后台程序的调度，转由前台程序完成事件的处理，这样就不会造成在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其它中断。 实际上，前后台系统的实时性比预计的要差。这是因为前后台系统认为所有的任务具有相同的优先级别，即是平等的，而且任务的执行又是通过FIFO队列排队，因而对那些实时性要求高的任务不可能立刻得到处理。另外，由于前台程序是一个无限循环的结构，一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃，使得整个任务队列中的其它任务得不到机会被处理，从而造成整个系统的崩溃。由于这类系统结构简单，几乎不需要RAM/ROM的额外开销，因而在简单的嵌入式应用被广泛使用。 （2）实时操作系统 所谓实时性，就是在确定的时间范围内响应某个事件的特性。而实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机（裸机）是没有用的。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 操作系统的实时性在某些领域是至关重要的，比如工业控制、航空航天等领域。想像飞机正在空中飞行，如果嵌入式系统不能及时响应飞行员的控制指令，那么极有可能导致空难事故。有些嵌入式系统应用并不需要绝对的实时性，比如PDA播放音乐，个别音频数据丢失并不影响效果。这可以使用软实时的概念来衡量。

嵌入式系统架构的发展趋势及比较分析

主要是处理器不一样，一般嵌入式系统用的是arm架构的处理器，属于专用处理器。一般的PC机用的是X86架构的处理器（intel、amd）属于通用处理器。 你可以把arm嵌入式系统看成是一个专用的pc。它比通用pc机所消耗的硬件资源要少。由于在一些特定的场合需要实现一些智能的操纵，使用通用pc机不合算（成本），使用嵌入式系统可以基本满足需要。显然，嵌入式系统的操作系统和硬件资源相对于pc机来说是进过精简的。 应用场合、系统结构、知识背景等等：百度百科上说的就很详细（直接百度百科“嵌入式系统”），这里不在累赘了。以看pc机的眼光看嵌入式系统就很简单了。 嵌入式系统架构的发展趋势及比较分析 嵌入式系统已经广泛地应用到当今各个领域，与我们的生活息息相关，小到掌上的数字产品，大到汽车、航天飞机。 提到嵌入式系统我们很快会联想到单片机，不错，MCU是最基础和常用的嵌入式系统，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS等其他嵌入式系统应用越来越广泛。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC(System on Chip,片上系统)或SiP(System in PAC kage，系统级封装)在手机、机顶盒等功能复杂的产品上的应用也越来越多。 总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点： ·由8位处理向32位过渡 ·由单核向多核过渡 ·向网络化功能发展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进 ·嵌入式操作系统呈多元化趋势 所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP核（Intellectual Property，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核，光靠卖IP 核即可坐拥城池。 嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC都拥有自己得专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。本文讨论仅讨论标准架构的嵌入式系统。 标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）处理器。RISC体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是属于RISC处理器的范畴。不过

嵌入式系统的定义及特点

嵌入式系统的定义及特点

嵌入式系统的定义及特点 定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。 特点：（1）嵌入式系统是面向特定应用的。嵌入式系统中的CPU是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。 （2）嵌入式系统涉及先进的计算机技术、半导体技术、电子技术、通信和软件等各个行业。是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 （3）嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。 （4）嵌入式系统的生命周期相当长。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。 （5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，必须借助于一套专门

的开发工具和环境。 （6）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。 3．与通用计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？答：与通用计算机相比，嵌入式系统有以下特点：（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的；（2）嵌入式系统的硬件和软件必须高效率地设计，做到量体裁衣、去除冗余；（3）有实时操作系统的支持；（4）嵌入式系统具有较长的生命周期；（5）嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中；（6）具有专门的开发工具支持。 操作系统在嵌入式系统中所起的作用 EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。