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电子工程之嵌入式系统
日期:2019-08-30  人气:38
电子工程之嵌入式系统

嵌入式操控器的运用简直无处不在:移动电话、家用电器、轿车……无不有它的踪影。嵌入操控器因其体积小、可靠性高、功用强、灵活便利等许多长处,其运用已深化到工业、农业、教学、国防、科研以及平时日子等各个范畴,对各行各业的技能改造、商品更新换代、加快自动化化进程、进步生产率等方面起到了极其首要的推动效果。

从上世纪90年代开端,嵌入式技能已全部展开,变成通讯商品和花费类商品的一起开展方向,在通讯范畴、广播电视领等得到广泛运用。自己范畴嵌入式商品首要是自己商用,作为自己移动的数据处理和通讯软件得到普及。嵌入式体系技能开展的空间是无比广。

随着中国传统产业构造晋级的加快,大家对设备越来越高的运用需求已无法满意当前和将来高功用的运用与开展需求。一起,剧烈的商场竞争和技能竞争,恳求商品的开发周期越来越短,明显,嵌入式体系的软、硬件技能和开发手段,正日益受到注重,变成各范畴技能创新的首要根底。




嵌入式体系


依据IEEE(国际嘉兴干式变压器和电子工程师协会)的界说,嵌入式体系是“操控、监督或许辅佐设备、机器和车间运转的设备”。


现在国内一个遍及被认同的界说是:以运用为基地、以核算机技能为根底,软件硬件可裁剪,适应运用体系对功用、可靠性、本钱、体积、功耗严格恳求的专用核算机体系。


与通用核算机体系的不一样:嵌入式体系是不一样于多见核算机体系的一种核算机体系,它不以独立设备的物理形状呈现,嵌入式体系的部件依据主体设备及其运用的需求,嵌入在主体设备内部,发挥着运算、处理、存储及操控的效果,是“用于操控、监督或许辅佐操作机器和设备的设备”。


能够这么以为,嵌入式体系是一种专用的核算机体系,作为设备或设备的一有些。嵌入式体系通常由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作体系以及用户运用程序4个有些构成。“嵌入性”、“专用性”与“核算机体系”是嵌入式体系的三个根本要素,方针体系则是指嵌入式体系所嵌入的宿主体系。


嵌入式体系的构成

嵌入式体系通常由包括有嵌入式处理器、嵌入式操作体系、运用软件和外围设备接口的嵌入式核算机体系和履行设备(被控方针)构成。嵌入式核算机体系是全部嵌入式体系的基地,能够分为硬件层、中间层、体系软件层和运用软件层。履行设备承受嵌入式核算机体系发出的操控指令,履行所规则的操作或使命。




1.嵌入式核算机体系的硬件层

硬件层中包括嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为基地的,包括有嘉兴干式变压器电路、时钟电路和存储器电路的电路模块,其间操作体系和运用程序都固化在模块的ROM中。


1.1 嵌入式微处理器




嵌入式微处理器是嵌入式体系硬件层的基地,嵌入式微处理器将通用CPU中许多由板卡完结的使命集成到芯片内部,然后有利于体系规划趋于小型化、高功率和高可靠性。嵌入式微处理器大多作业在为特定用户群所专门规划的体系中。n嵌入式微处理器的体系构造能够选用冯·诺依曼体系构造或哈佛体系构造,指令体系能够选用精简指令体系(Reduced Instruction SetComputer,RISC)和杂乱指令集体系CISC(Complex Instruction SetComputer, CISC)。


嵌入式微处理器有各种不一样的体系,现在全国际嵌入式微处理器现已超过1000多种,体系构造有30多个系列,其间干流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86等。即便在同一体系中,也能够具有不一样的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。现在没有一种嵌入式微处理器能够主导商场,嵌入式微处理器的选择是依据详细的运用而决议的。


1.2 存储器

嵌入式体系的存储器包括Cache、主存储器和辅佐存储器,用来寄存和履行代码。




① Cache是一种坐落主存储器和嵌入式微处理器内核之间的迅速存储器阵列,寄存的是近来一段时刻微处理器运用最多的程序代码和数据。


Cache通常集成在嵌入式微处理器内,可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache,Cache的存储容量巨细依不一样处理器而定。


② 主存储器用来寄存体系和用户的程序及数据,是嵌入式微处理器能直接拜访的存储器。主存储器包括有ROM和RAM,能够坐落微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有NOR Flash、EPROM和PROM等,RAM类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等,容量为256KB~1GB。


③ 辅佐存储器通常指硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等,用来寄存大数据量的程序代码或信息,通常容量较大,但读取速度与主存比较要慢一些。


1。3 通用设备接口和I/O接口

嵌入式体系通常具有与外界交互所需求的通用设备接口,如GPIO、 A/D(模/数变换接口)、D/A(数/模变换接口)、RS-232接口(串行通讯接口)、Ethernet(以太网接口)、USB(通用串行总线接口)、音频接口、VGA视频输出接口、I2C(现场总线)、SPI(串行外围设备接口)和IrDA(红外线接口)等。


2.中间层

中间层也称为硬件笼统层(Hardware Abstract Layer,HAL)或板级支撑包(Board Support Package,BSP),坐落硬件层和软件层之间,将体系上层软件与底层硬件别离开来。


BSP作为上层软件与硬件渠道之间的接口,需求为操作体系供给操作和操控详细硬件的办法。不一样的操作体系具有各自的软件层次构造,BSP需求为不一样的操作体系供给特定的硬件接口办法。BSP使上层软件开发人员无需关怀底层硬件的详细情况,依据BSP层供给的接口即可进行开发。


BSP是一个介于操作体系和底层硬件之间的软件层次,包括了体系中大有些与硬件联络严密的软件模块。BSP通常包括有关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的装备等功用。


2.1 嵌入式体系硬件初始化

体系初始化进程依照自底向上、从硬件到软件的次第顺次能够分为片级初始化、板级初始化和体系级初始化3个首要环节。


① 片级初始化是一个纯硬件的初始化进程,包括设置嵌入式微处理器的基地寄存器和操控寄存器、嵌入式微处理器基地作业方式和嵌入式微处理器的有些总线方式等。


② 板级初始化是一个一起包括软硬件两有些在内的初始化进程,完结嵌入式微处理器以外的别的硬件设备的初始化,设置某些软件的数据构造和参数,为随后的体系级初始化和运用程序的运转树立硬件和软件环境。


③ 体系级初始化首要进行操作体系的初始化。BSP将对嵌入式微处理器的操控权转交给嵌入式操作体系,由操作体系完结余下的初始化操作。最终,操作体系创立运用程序环境,并将操控权交给运用程序的进口。


2.2 硬件有关的设备驱动程序

nnBSP中包括硬件有关的设备驱动程序,但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP运用,而是在体系初始化进程中由BSP将他们与操作体系中通用的设备驱动程序有关起来,并在随后的运用中由通用的设备驱动程序调用,完结对硬件设备的操作。


3.体系软件层

体系软件层通常包括有嵌入式操作体系(Embedded Operating System,EOS) 、文件体系、网络体系及通用组件模块构成。


3.1 嵌入式操作体系

EOS除具备了通常操作体系最根本的使命调度、同步机制、中止处理、文件处理等功用外,还具有如下特色:


强实时性;

支撑开放性和可伸缩性的体系构造,具有可削减性;

供给一致的设备驱动接口;

支撑TCP/IP协议及别的协议,供给TCP/UDP/IP/PPP协议支撑及一致的MAC拜访层接口,供给强壮的网络功用;

嵌入式操作体系的用户接口经过体系的调用指令向用户程序供给效劳;

嵌入式体系一旦开端运转就不需求用户过多的干涉;

嵌入式操作体系和运用软件被固化在嵌入式体系核算机的ROM中;

具有杰出的硬件适应性(可移植性)。


3。2 文件体系

嵌入式文件体系首要供给文件存储、检索和更新等功用。嵌入式文件体系通常支撑FAT32、JFFS2、YAFFS等几种规范的文件体系,一些嵌入式文件体系还支撑自界说的实时文件体系。


嵌入式文件体系以体系调用和指令办法供给文件的各种操作,如设置、修正对文件和目录的存取权限,供给树立、修正、改动和删去目录等效劳,供给创立、打开、读写、封闭和吊销文件等效劳。


4.运用软件层

运用软件层用来完结对被控方针的操控功用,由所开发的运用程序构成,面向被控方针和用户。


嵌入式实时操作体系


RTOS与通用核算机体系不一样,恳求体系中的使命不光履行成果要准确,而且有必要在必定的时刻束缚(Deadline)内完结。在RTOS中,一个逻辑上准确的核算成果,若其发作的时刻晚于某个规则的时刻,那么也以为体系的做法是不准确的。




1.实时体系RTOS的界说

RTOS是指能够在指定或许断定的时刻内完结体系功用和对外部或内部、同步或异步时刻做出呼应的体系,体系能够处理和存储操控体系所需求的许多数据。RTOS的准确性不仅依赖于体系核算的逻辑成果,还依赖于发作这个成果的时刻。


2.RTOS的特色


2.1 束缚性

RTOS使命的束缚包括时刻束缚、资本束缚、履行次序束缚和功用束缚。


RTOS的使命具有时刻束缚性。时刻束缚性可分为“硬实时”和“软实时”。


资本束缚是指多个实时使命同享有限的资本时,有必要依照必定的资本拜访操控协议进行同步,以防止死锁和高优先级使命被低优先级使命堵塞的时刻(即优先级倒置时刻)不行猜测。


功用束缚是指有必要满意如可靠性、可用性、可猜测性、效劳质量(Quality of Service,QoS)等功用指标。


2.2 可猜测性

可猜测性是指RTOS完结实时使命所需求的履行时刻应是可知的。


2.3 可靠性

大多数RTOS恳求有较高的可靠性,恳求体系在最坏情况下都能正常作业或防止丢失。可靠性是RTOS的首要功用指标。


n(4)交互性n外部环境是RTOS不行短少的一个构成有些,外部环境往往是被控子体系,两者彼此效果构成完好的实时体系。


3.RTOS调度

给定一组实时使命和体系资本,断定每个使命何时何地履行的全部进程就是调度。而RTOS中调度的意图则是要尽也许地保证每个使命满意它们的时刻束缚,及时对外部恳求做出呼应。


4.RTOS分类

RTOS首要分为强实时(Hard Real-Time)体系和弱实时(Soft Real-Time)体系两类。强实时体系运用在航空航天、军事、核工业等范畴中,弱实时体系如视频点播体系、信息采集与检索体系等。


嵌入式微处理器体系构造


1.冯·诺依曼体系构造与哈佛构造


1。1 冯·诺依曼(Von Neumann)构造

冯·诺依曼构造的核算机由CPU和存储器构成,其程序和数据共用一个存储空间,程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不一样物理方位;选用单一的地址及数据总线,程序指令和数据的宽度一样。程序计数器(PC)是CPU内部指示指令和数据的存储方位的寄存器。


CPU通进程序计数器供给的地址信息,对存储器进行寻址,找到所需求的指令或数据,然后对指令进行译码,最终履行指令规则的操作。处理器履行指令时,先从储存器中取出指令解码,再取操作数履行运算,即便单条指令也要消耗几个乃至几十个周期,在高速运算时,在传输通道上会呈现瓶颈效应。


运用冯.诺依曼构造的CPU和微操控器有Intel公司的8086系列及别的CPU,ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等。


1.2 哈佛(Harvard)构造

哈佛构造的首要特色是将程序和数据存储在不一样的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个彼此独立的存储器,每个存储器独立编址、独立拜访。体系中具有程序的数据总线与地址总线,数据的数据总线与地址总线。


这种别离的程序总线和数据总线可答应在一个机器周期内一起获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器),然后进步履行速度,进步数据的吞吐率。又因为程序和数据存储器在两个分隔的物理空间中,因而取指和履行能完全堆叠,具有较高的履行功率。


现在运用哈佛构造的CPU和微操控器种类有许多,有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。


2 。 精简指令集核算机

前期的核算机选用杂乱指令集核算机(Complex Instruction Set Computer,CISC)体系。在CISC中,为了支撑方针程序的优化,支撑高档语言和编译程序,添加了许多杂乱的指令,操控逻辑极不规整,给VLSI工艺形成很大艰难。


精简指令集核算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC)体系构造是在CISC的根底上发作并开展起来的,RISC的着眼点不是简略地放在简化指令体系上,而是经过简化指令体系使核算机的构造愈加简略合理,然后进步运算功率。


选用Load/Store指令拜访存储器,别的指令的操作都在寄存器之间进行;添加CPU中通用寄存器数量,算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取;大有些指令操控在一个或小于一个机器周期内完结;以硬布线操控逻辑为主,不用或少用微码操控;选用高档语言编程,注重编译优化作业,以削减程序履行时刻。


3 . 流水线技能

流水线技能运用于核算机体系构造的各个方面, 是将一个重复的时序分解成若干个子进程,而每一个子进程都可有效地在其专用功用段上与别的子进程一起履行。完结子进程的功用所需时刻尽也许相等。形成流水处理,需求一段准备时刻。指令流发作不能次序履行时,会使流水线进程中止,再形成流水线进程则需求时刻。


4 . 信息存储的字节次序


4.1 大端和小端存储法

关于一个多字节类型的数据,在存储器中有两种寄存办法。n低字节数据寄存在内存低地址处,高字节数据寄存在内存高地址处,称为小端字节次序存储法;


高字节数据寄存在内存低地址处,低字节数据寄存在内存高地址处,称为大端字节次序存储法。


4.2 可移植性疑问

当在不一样存储次序的微处理器间进行程序移植时,要特别注意存储方式的影响。把从软件得到的二进制数据写成通常的数据格局往往会涉及到存储次序的疑问。


4.3 通讯中的存储次序疑问

在网络通讯中,Internet协议(即IP协议)界说了规范的网络字节次序。该字节次序被用于一切规划运用在IP协议上的数据包、高档协议和文件格局上。n许多网络设备也存在存储次序疑问:即字节中的位选用大端法(最首要的位优先)或小端法(最不首要的位优先)发送。这取决于OSI模型最底层的数据链路层。


4.4 数据格局的存储次序


嵌入式处理器的类型


1 . 嵌入式微操控器(MCU)

又称为单片机,芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、守时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出(PWM)、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功用和外设。


嵌入式微操控器具有单片化、体积小、功耗和本钱低,可靠性高级特色,约占嵌入式体系商场份额的70%。




2 . 嵌入式微处理器(MPU)

由通用核算机中的CPU开展而来,嵌入式微处理器只保留和嵌入式运用严密有关的功用硬件,去掉别的的冗余功用有些,以最低的功耗和资本完结嵌入式运用的特别恳求。




3 . 嵌入式DSP

嵌入式DSP是专门用于信号处理方面的处理器,其在体系构造和指令算法方面进行了特别规划,具有很高的编译功率和指令履行速度。




4 . 嵌入式片上体系SoC

SoC,System onchip,或许 System on a chip。根本界说是:以知识产权核为规划根底,在单个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等部件,构成一个有些完好的核算机体系,能够完结特定的运用功用。


现在,大多数32位的嵌入式处理器芯片都是SoC。嵌入式SoC是寻求商品体系最大包容的集成器材。绝大多数体系构件都在一个体系芯片内部。


5 . 多核处理器

将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部,可节省许多的晶体管和封装本钱,一起还能明显进步处理器的功用。完结两个或多个内核和谐作业.



嵌入式体系的开展史


1 . 以单芯片为基地的操控器办法的体系。通常没有操作体系的支撑,经过汇编语言直接操控。


二十世纪七十年代1971年11月,国际上第一片微处理器Intel4004,嵌入式运用开展最首要的里程碑。


2 。 以嵌入式CPU为根底,以简略操作体系为基地的嵌入式体系。

有简略操作体系的支撑,但通用性较弱。


二十世纪八十年代,呈现了单片机–Intel进一步完善了8048,在它的根底上研制成功了8051单片机–这以后开展的DSP 商品更快地提升了嵌入式体系的技能水平。


1981年,第1个商业嵌入式实时内核(VTRX32),随后,呈现了一些嵌入式操作体系。


3 . 以嵌入式操作体系为象征的嵌入式体系。

兼容性佳。


二十世纪九十年代至今。硬件方面,尤其是芯片方面的开展表现出三个特色:


软件方面, 嵌入式操作体系呈现了进一步的分解,诞生了一些嵌入式操作体系宗族。


跨渠道的软件开发技能从通用核算机上延展到嵌入式设备上


4 . 以Internet为象征的嵌入式体系。

与Internet相结合。

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