嵌入式系统设计与实例开发

1嵌入式系统设计与实例开发——ARM与C/OS-Ⅱ基本概念及设计方法2冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RISC影响CPU性能的因素存储器系统I/O接口一、嵌入式系统硬件基础3典型嵌入式系统基本组成－硬件MPU微处理器电源模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设41.1冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据251.2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据61.3CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)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使CPU硬件结构设计变得更为简单71.4影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存流水线技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率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AddSubCmp8超标量执行超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构执行1预取指令CACHE译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流水线1流水线2数据9高速缓存（CACHE）1、为什么采用高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址10总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备高速设备低速总线111.5存储器系统RAM：随机存取存储器，SRAM：静态随机存储器，DRAM：动态随机存储器1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗电多3）DRAM存储密度比SRAM高得多4）DRM需要周期性刷新ROM：只读存储器FLASH：闪存12SRAM和DRAM1）SRAM2）DRAMCSR/WAddrDataCSR/WCASDataRASAddr13输入输出接口I/OA/D、D/A键盘LCD存储器接口设备接口14例如USBUSB：UniversalSerialBus，通用串行总线大家生活中常见的与USB有关的东西有：U盘、移动硬盘、无驱型的MP3（U盘）USB接口的键盘、Mouse、打印机、数码相机……即插即用，热插拨，系统不需重启便可工作，且易于扩展（127个）USB2.0以低成本实现高达480Mb/s的传输率（USB1.1的全速设备可达12Mb/s）接口标准统一、端口供电15一个典型的USB通讯系统HOST系统HUBDEVICEDDEVICE应用软件+驱动程序Ms.Win+接口芯片HUBU盘其他数据采集器驱动代码+嵌入式处理器+HOST芯片HUBU盘其他数据采集器通用系统模型PC机中的情况嵌入式系统应用16二、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173.1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的时间分按顺序分成若干片，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。18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－几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的查询）。弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长（工程机械）。191）循环轮询系统：（PollingLoop）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)acition_n();}按软件结构分类202）事件驱动系统：（Event-Drivensystem）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。21前后台系统（后台循环、前台中断）ISRISR后台前台ISR时间22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入。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23多任务（任务、进程和线程）CPU寄存器任务控制块1任务控制块2任务控制块n休眠、就绪、运行、挂起、被中断任务1任务2任务n……CPU寄存器24一个任务，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－综合实验（时钟、位图、USB、KEY）。25任务的状态RUNNINGREADYOSTaskCreate()OSTaskCreateExt()TaskisPreemptedOSMBoxPend()OSQPend()OSSemPend()OSTaskSuspend()OSTimeDly()OSTimeDlyHMSM()OSMBoxPost()OSQPost()OSQPostFront()OSSemPost()OSTaskResume()OSTimeDlyResume()OSTimeTick()OSTaskDel()DORMANTWAITINGOSStart()OSIntExit()OS_TASK_SW()OSTaskDel()OSTaskDel()InterruptOSIntExit()ISR26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荷，代码空间增加ROM用量，内核本身的数据结构增加了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指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。27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。28优先级反转Task1(H)Task2(M)Task3(L)PriorityInversionTask3GetSemaphoreTask1PreemptsTask3Task1TriestogetSemaphoreTask2PreemptsTask3Task3ResumesTask3ReleasestheSemaphore(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)29信号量(Semaphore)信号量是60年代中期EdgserDijkstra发明的。信号量实际上是一种约定机制，在多任务内核中普遍使用.信号量用于：控制共享资源的使用权(满足互斥条件)标志某事件的发生使两个任务的行为同步信号与信号量在英文中都叫做Semaphore，并不加以区分，而说它有两种类型，二进制型(binary)和计数器型(counting)30死锁(或抱死)Deadlock死锁也称作抱死，指两个任务无限期地互相等待对方控制着的资源。设任务T1正独享资源R1，任务T2在独享资源T2，而此时T1又要独享R2，T2也要独享R1，于是哪个任务都没法继续执行了，发生了死锁。最简单的防止发生死锁的方法是让每个任务都：先得到全部需要的资源再做下一步的工作用同样的顺序去申请多个资源释放资源时使用相反的顺序31本节提要1324嵌入式系统硬件基础嵌入式BSP的基本概念嵌入式系统软件基础嵌入式系统设计方法5一个嵌入式设计方法实例32嵌入式系统的软/硬件框架机械装置嵌入式微处理器SDRAMROMI/OA/DD/A人机交互接口通用接口实时操作系统(RTOS)图形用户接口BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包任务管理文件系统应用程序嵌入式计算机系统传感器1传感器2传感器N......驱动器1驱动器2驱动器N......硬件层软件层中间层功能层被控对象33基于知识平台的开发方法34嵌入式系统设计步骤系统需求分析：确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。硬件/软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。应该说，嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。35嵌入式开发工具与开发环境36开始新工程编辑源代码交叉编译连接仿真调试程序下载台式/笔记本式PC机并口JTAG仿真器网络接口JTAG接口USB接口串口0ARM300开发板串口USB接口以太网口ARMSDTDebugArmDvkARM7处理器执行监测结果超级终端ARM300开发板实验流程结束嵌入式软件开发流程37开发平台简介网口JTAGUSB串口0扩展板接口ARM微处理器S3C44B0X扩展口2网卡JTAG仿真器ARM300开发板集成开发环境运行平台38几种常用的开发方法指令集模拟器一种利用PC机端的仿真开发软件模拟调试的方法。驻留监控软件驻留监控程序运行在目标板上，PC机端调试软件可通过并口、串口、网口与之交互，以完成程序执行、存储器及寄存器读写、断点设置等任务JTAG仿真器通过ARM芯片的JTAG边界扫描口与ARM核进行通信，不占用目标板的资源，是目前使用最广泛的调试手段在线仿真器使用仿真头代替目标板上的CPU，可以