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2011 年秋季 嵌入式系统
课程复习提纲 整理人: 工大 A02-6068 寝 FuriO .CChapter 11、嵌入式系统的定义,嵌入式系统的体系结构,嵌入式系统的组成,嵌入式系 统的特点。
定义:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可以剪裁,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用
计算机系统。
简而言之,就是含有处理器的专用软硬件系统,具有自主信息处理能力。
体系结构:硬件层-gt中间层-gt操作系统层-gt应用层硬件层:嵌入式处理器、储存器系统、中断控制器、定时/计时器、DMAC、UART、USB 控制器、LCD 控制器中间层:板级支持包操作系统层:嵌入式操作系统(文件子系统、图形子系统、网络子系统、其他应用模块)应用层:用户应用程序组成:嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统、用户应用软件系统四部分组成。
特点:嵌入专用、综合性强、设计高效、程序固化、需要独立开发系统、生命周期长、可靠性高、 成本低、资源受限、功耗低。
2、嵌入式处理器的结构:哈佛结构 Vs 冯诺依曼结构。
哈佛结构:将程序指令和数据分开储存结构;存储器地址独立编址、独立访问;四总线制提高吞吐率(程序、数据分别有相对独立的数据和地址总线);取值与执行能力并行。
冯诺依曼结构:指令存储器与数据存储器一体化设计;指令地址和数据地址统一编制;高速运算时,存储传输通道有瓶颈。
3、信息存储中的大端模式,小端模式。
ARM 处理器支持哪种模式?大端储存:低地址储存字数据的高字节。
小端储存:低地址储存字数据的低字节。
arm 处理器支持这两种储存模式。
4、嵌入式处理器的分类及性能特点。
分类:嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式 DSP 处理器、嵌入式片上系统 ~微处理器:嵌入式处理器保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
~微控制器(单片机):和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称微控制器。
~DSP 处理器: DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。
在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上 DSP 获得了大规模的应用。
其运算速度比 MPU 快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
~片上系统:SOC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的
代码模块。
而且 SOC 具有极高的综合性,在一个硅片内部运用 VHDL 等硬件描述语言,实现一个复杂的系统。
用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标 准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。
由于绝大部分系统构件都是在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高 了系统的可靠性,提高了设计生产效率。
5、常见的嵌入式操作系统。
哪种应用最广泛?常见嵌入式操作系统:嵌入式 LinuxWindowsCEVxWorks目前应用最广泛的是 Linux6、嵌入式系统性能评价有何特点。
流行的测试基准有哪些。
性能评价特点:评价没有统一规范,不同目的、不同人员、采取不同的度量项目和测试方法,对测试结果会有不同的解释。
流行的测试基准:MIPS 测试基准、Dhrystone 测试基准,EEMBC 测试向量Chapter 21、嵌入式系统设计方法,嵌入式系统设计特点。
嵌入式系统设计方法: 基于 EDAPCB和 ICE 的设计方法 基于 EDAPLD和 EOS 的设计方法 基于 IP 核的系统级
设计方法 嵌入式
系统设计特点(与通用系统设计相比): 嵌入式系统通常是面向特定应用的系统 软/硬件协同并行开发 需要交叉开发环境 可利用的系统资源相对较少 实时嵌入式操作系统的多样性 程序需要固化到硬件系统中 嵌入式软件开发难度较大2、嵌入式硬件设计需要考虑哪些方面,处理器选择时需要考虑哪些方面。
嵌入式硬件设计:体系结构设计、硬件选择、硬件布局 处理器选择:应用领域与用户需求,性能,工具链,开发难度,I/O 接口, 处理器储存系统选择(MMU,容量,SDRAM),市场因素(价格、是否易 购买,技术支持与售后)3、什么是交叉编译,为什么需要交叉编译。
交叉编译:简单的说,就是在一个平台上生成另一平台所运行的
代码。
由于 嵌入式系统的可用资源有限,嵌入式开发和调试工作通常要通过高性能的 宿主机完成。
4、解释 jtag。
JTAG:JTAGJoint Test Action Group联合测试行动小组是一种国际标准测 ,主要用于芯片内部测试。
现在多数的高级器件 试协议(IEEE 1149.1 兼容) 如 都支持 JTAG 协议, DSP、FPGA 器件等。
标准的 JTAG 接口是 4 线:TMS、 TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
5、嵌入式系统软件调试方法有哪几种。
嵌入式系统软件调试方法: 1插桩调试法(stub 在目标操作系统和调试器内分别加入某些功能模块,二 者互通信息来进行调试) 2直接调试法 3ROM 仿真调试法运行在目标机的 Flash 或 ROM 的一段程序负责监控目 标机上被调试程序的运行情况通过和宿主机的配合,完成嵌入式系统的调 试 4模拟器法是一组应用程序运行于一个 OS 之上(Linux 或 windows)提供 对目标板功能的模拟Chapter 31、ARM 处理器特点。
gt功耗低、成本低、性能高 gt支持 Thumb16 位/ARM32 位双指令集 gt指令长度固定32 位/16 位 gt大量使用寄存器,指令执行速度更快 gt寻址方式灵活简单,执行效率高2、ARM 处理器的各系列情况。
gt通用系列 ARM7 系列 极低的功耗(0.28mW/MHz),适合对功耗要求较高的应用 具有嵌入式 ICE-RT 逻辑,调试开发方便 能够提供 0.9MIPS/MHz 的三级流水线结构 支持的操作系统:uC/OS-II、uCLinux 等 性能最高可达 130MIPS ARM7TMDI 是目前使用最广泛的 32 位嵌入式处理器,属低 端 ARM 处理器核 ARM9 系列 5 级整数流水线,指令执行效率更高 提供 1.1MIPS/MHz 的加速能力 全性能的 MMU,支持 Windows CE、Embedded Linux 等 支持数据 Cache 和指令 Cache 性能最高可达 300MIPSARM9E 系列 支持 DSP 指令集(MAC) 5 级整数流水线,指令执行效率更高 支持
VFP9 浮点处理协处理器 全性能的 MMU,支持 Windows CE、Embedded Linux 等 支持数据 Cache 和指令 Cache 性能最高可达 300MIPSARM10E 系列 支持 DSP 指令集(MAC) 6 级整数流水线,指令执行效率更高 支持
VFP10 浮点处理协处理器 全性能的 MMU,支持 Windows CE、Embedded Linux 支持数据 Cache 和指令 Cache 性能最高可达 400MIPSARM11 系列 高性能 8 级流水 增强的 ARMv6 体系结构 与同等的 ARM10 相比较,在同样的时钟频率下,性能提高 了近 50% 时钟频率达到 500750MHz 低功耗 ARM11 系列微处理器采用了两种先进的节能方式,使其功耗 极低 0.6mW/MHz 0.13m 1.2VCortex 系列 ARM Cortex-A Series——高性能应用 Applications processors for complex OS and user applications 支持 ARM、Thumb 和 Thumb-2 指令集 带 MMU,运行 Linux、Windows CE 等操作系统 TI OMAP35xx,ST(意法半导体) ARM Cortex-R Series——实时性应用 Embedded processors for real-time systems 支持 ARM、Thumb 和 Thumb-2 指令集 ARM Cortex-M Series——低成本应用 Embedded processors optimized for cost sensitive applications Supports the Thumb-2 instruction set only 不 带 MMU,不加载或者加载简 单嵌入式操作系统不 带 MMU,运行 Vxworks 等实时操作系统 gt安全系列 SecurCore 系列 SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计 具有 ARM 体系结构的低功耗、高性能的特点 提供了完善的 32 位 RISC 技术的安全解决
方案 SecurCore 系列微处理器在系统安全方面的特点 带有灵活的保护单元,以确保操作系统和应用数据的安全 采用软处理器内核技术(处理器布局随机化),防止外部对 其进行扫描探测 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器3、ARM 处理器的工作模式及模式转换,ARM 处理器的工作状态及状态转换。
gtARM 微处理器支持 7 种工作模式:User 用户、System 系统、IRQ 外部中 断、FIQ 快速中断、Supervisor 管理、Abort 中止、Undefined 未定义(详 见附录) gtARM 处理器工作模式的转换: ; 1、通过软件改变(系统调用) 2、通过外部中断或异常处理改变(外部中断-IRQ、FIQ,异常处理-来自 CPU 内部) gtARM 微处理器有两种工作状态:ARM 状态、Thumb 状态(详见附录) gtARM 微处理器工作状态转换:在程序执行过程中,可以随时两种工作状 态间切换。
4、ARM 处理器的异常类型及异常响应和返回过程。
gt异常类型: 异常类型 具体含义 复位 当处理器的复位电平有效时,产生复位异常,
程序跳转到 复位异常处理程序处执行 未定义指令 当 ARM 处理器或协处理器遇到不能处理的指令时,产生 未定义指令异常。
可使用该异常机制进行
软件仿真 软件中断 该异常由执行 SWI 指令产生,可用于用户模式下的程序调 用特权操作指令。
可使用该异常机制实现系统功能调用 指令预取中止 若处理器预取指令的地址不存在,或该地址不允许当前指 令访问,存储器会向处理器发出中止信号,但当预取的指 令被执行时,才会产生指令预取中止异常 数据中止 若处理器数据访问的地址不存在,或该地址不允许当前指 令访问时,产生数据中止异常 IRQ(外部中断 当处理器的外部中断请求引脚有效,且 CPSR 中的 I 位为 请求) 0 时,产生 IRQ 异常。
系统的外设可通过该异常请求中断 服务 FIQ(快速中断 当处理器的快速中断请求引脚有效,且 CPSR 中的 F 位为 请求) 0 时,产生 FIQ 异常 gt异常响应:当出现异常后,ARM 处理器会执行以下操作 1 将 CPSR 复制到相应的 SPSR 中 2 对 CPSR 进行设置 根据异常类型,强制设置 CPSR 的
工作模式位 设置中断禁止位,以禁止中断发生 如果处理器处于 Thumb 状态,则切换到 ARM 状态 3 将下一条指令的地址存入相应链接寄存器 LR LR 中保存的是下一条指令的地址(当前执行指令地址+4 或+8,与异常类型有关) 4 强制 PC 从相关的异常向量地址取下一条指令执行,从而跳转到 相应的异常处理程序处gt异常返回:异常响应处理完毕,处理器将从异常返回:1、将 SPSR 复制回CPSR;2、将链寄存器 LR 的值减去相应的偏移量后送到 PC 中。
另外,复位异常处理程序不需要返回。
5、ARM 处理器的寄存器组织的用途。
gtARM 处理器的寄存器:37 个 32 位寄存器31 个通用寄存器6 个状态寄存 器这些寄存器不能被同时访问取决于处理器的工作状态、 (详见 工作模式。
附录)6、ARM 处理器的寻址方式。
gtARM 寻址方式: 1-立即寻址 操作数本身就在指令中给出,只要取出指令也就取到了操作数; 2 -寄存器寻址 利用寄存器中的数值作为操作数 这种寻址方式是各类微处理器经常采用的一种 方式,也是一种执行效率较高的寻址方式; 3 -寄存器间接寻址 以寄存器中的值作为操作数的地址,而操作数本身存放在存储器 4 -基址寻址 将寄存器(该寄存器一般称作基址寄存器)的内容与指令中给出的地址 偏移量相加 5 -相对寻址 以程序计数器 PC 的当前值为基地址,指令中的地址标号作为偏移量 6 -多寄存器寻址 一条指令可以完成多个寄存器值的传送,最多传送 16 个通用寄存器的 值 7 -堆栈寻址7、ARM 处理器的基本指令(
课件中举例的)。
gt基本指令集: 1-跳转指令 2-数据处理指令(数据传送指令、算术逻辑运算指令和比较指令) 3-乘法指令与乘加指令 4-程序状态寄存器访问指令 5-加载/存储指令 6-数据交换指令 7-移位指令 8-协处理器指令 9-异常产生指令Chapter 51、硬件电路设计原理(几个步骤)。
gt原理图SCH-
网络表
NET-印制板PCB2、集成电路功耗产生的原因,功耗的种类,低功耗设计有哪些技术。
gt集成电路的功耗包括静态功耗和 动态功耗 两部分 静态功耗——电路状态没有翻转时产生的功耗 静态功耗:Ps VI 动态功耗——电路状态发生翻转时产生的功耗 动态功耗:PdV2fC V 为工作电压,f 为时钟频率,C 为负载电容 目前大多数电路采用 CMOS 工艺,静态功耗很小,可以忽略,起主要作用 的是动态功耗,因此降低功耗主要从降低动态功耗入手 gt低功耗设计技术:低功耗器件、低功耗电路形式、单电源低电压供电、电 源管理单元设计、降低或动态改变处理器的时钟频率、降低持续工作电流、 编译低功耗优化设计、硬件软化与软件硬化、减少处理器工作时间、采用快 速算法、通信中尽量传输
通信速率、数据采集系统中降低采集速率、显示器 静态/动态显示3、嵌入式系统的中的存储器类型,解释虚拟存储器。
gt在嵌入式系统中所用到的存储器主要有:触发器(Flip-Flops and Latches)、 寄存器(Register Files) 静态随机访问存储器(SRAM) 动态随机访问存 、 、 储器(DRAM) 闪速存储器(FLASH) 磁盘(Magnetic Disk)等. 这些 、 、 存储器的速度,为触发器最快,寄存器次之,SRAM 再次,DRAM 较慢, 然后是 FLASH,磁盘最慢价格正好反之,磁盘的每兆字节价格最便宜,触 发器最贵 gt虚拟存储器: 虚拟存储器(Virtual Memory)技术是一种通过硬件和软件的 综合来扩大用户可用存储空间的技术虚拟存储器主要是为了满足应用程序 对高速大容量主存的需求 虚拟存储器实现的重定位是由一个地址映象表机 构完成 虚拟存储器还提供存储共享和保护机制 嵌入式系统的 VR 通常由 MMU 硬件实现。
4、RS232C 概述,其机械特性和电气特性,如何实现双机互联。
gtRS232C 定义了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的接口特性 是接口电路与外设连接的通信标准。
gt机械特性:接口、电缆,e.x.DB25、RJ45 gt电气特性:非归零、双极性编码、负逻辑电平(逻辑‘1’ -5~-15V) gt双机互联:1,无硬件握手; 2,有硬件握手: TXD TXD RXD RXD 计 计 GND GND 算 算 机 DTR DTR 机 A B DSR DSR DTE DTE 硬件握手工作过程详见附录5、USB 规范、USB 构成,USB 体系结构。
gtUSB(Universe Serial Bus)规范: USB1.1 规范(1998 年,1.5Mbps、12Mbps) USB2.0 规范(2000 年,1.5Mbps、12Mbps、480Mbps) USB3.0 规范(2008 年 11 月 17 日,1.5Mbps、12Mbps、480Mbps、 5.0Gbps) (详见附录) gtUSB 构成:一个 USB 系统定义为三个部分,主机、设备、互联。
6、了解 PCI 总线概述及特性。
gtPCI 总线概述:是一种同步的独立于处理器之外的 32/64 位系统总线。
gtPCI 总线特性: 高带宽、高速度 与处理器无关,具有自动配置能力 同步时序协议 集中式仲裁策略 典型的多总线体系结构 采用主从结构的系统总线 支持无限的突发式(Burst)传送 可以传送单个数据,也可以是成组数据Chapter 71、嵌入式 Linux 的特点,典型嵌入式 Linux。
gt嵌入式 Linux 的特点: 继承了 Linux 的优点
开源开放 有较为成熟的技术社区 体积小 无许可证费用 工具链越来越完整和丰富 可以进行定制化的改造 实时性得到了提高 对嵌入式的硬件有较好的支持 gt典型嵌入式 Linux: 嵌入式 Linux 有多个不同的版本 源于 linux 应用于不同的领域 有各自的特点 典型的嵌入式 Linux 出现很多嵌入式
linux: Embedix,ETLinux,LEM,RTLinux LinuxRouterProject,LOAF,uCLinux,muLinux,ThinLinux, FirePlug 和 PizzaBoxLinux 平台化嵌入式 linux Android MoblinMaemo→MeeGO2、嵌入式 Linux 的进程状态转换,嵌入式 Linux 的进程创建和删除方法,进程 调度。
3、嵌入式 Linux 系统调用含义,嵌入式 Linux 的中断处理过程。
4、嵌入式 Linux 的信号机制,进程互斥方法。
5、嵌入式 Linux 内存管理机制,虚拟文件系统。
附录 ARM 微处理器支持 7 种工作模式 User-用户模式(usr) ARM 处理器正常的程序执行状态 System-系统模式(sys) 运行具有特权的操作系统任务 IRQ-外部中断模式(irq) 用于通用的中断处理 FIQ-快速中断模式(fiq) 用于高速数据传输或通道处理 Supervisor-管理模式(svc) 操作系统使用的保护模式 复位、软中断调用(SWI) Abort-中止模式abt 当数据或指令预取中止时进入该模式 可用于虚拟存储及存储保护 Undefined-未定义指令模式(und) 当未定义的指令执行时进入该模式 可用于支持硬件协处理器的软件仿真 特权模式 除用户模式以外,其余 6 种模式称之为特权模式(Privileged Modes) 当处理器运行在用户模式下时,某些被保护的系统资源是不能被访问的 异常模式 除去用户模式和系统模式以外的 5 种又称为异常模式(Exception Modes)
常用于处理中断或异常,以及需要访问受保护的系统资源等情况 ARM 微处理器的工作状态一般有两种 第一种为 ARM 状态 处理器执行 32 位的 ARM 指令 ARM 指令要求字对齐 第二种为 Thumb 状态 处理器执行 16 位的 T.