嵌入式ADS第二周PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1 嵌入式嵌入式ADS第二周第二周 第1頁/共52頁 第2頁/共52頁 第3頁/共52頁 嵌入式嵌入式 微處理器微處理器 SDRAMSDRAM ROMROM I/OI/O A/DA/D D/AD/A 人機(jī)交互接口人機(jī)交互接口 通用接口通用接口 實(shí)時操作系統(tǒng)(實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)RTOS) 圖形用戶圖形用戶 接口接口 BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包 任務(wù)管理任務(wù)管理文件系統(tǒng)文件系統(tǒng) 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 硬件層硬件層 軟件層軟件層 中間層中間層 功能層功能層 第4頁/共52頁 第5頁/共52頁 馮馮諾依曼體系結(jié)

2、構(gòu)模型諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型 指令寄存器指令寄存器 控制器控制器 數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通 道道 輸入輸入輸出輸出 中央處理中央處理 器器 存儲器存儲器 程序程序 指令指令0 0 指令指令1 1 指令指令2 2 指令指令3 3 指令指令4 4 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 0 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 1 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 2 第6頁/共52頁 哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu) 指令寄存器指令寄存器 控制器控制器 數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通 道道 輸入輸入輸出輸出 中央處理中央處理 器器 程序存儲程序存儲 器器 指令指令0 指令指令1 指令指令2 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲 器器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 地址地址 指令指令 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 第7頁/共5

3、2頁 CISC和和RISC CISCCISC：復(fù)雜指令集（：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和尋址方式；具有大量的指令和尋址方式； 8/28/2原則：原則：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令；的指令； 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。 RISCRISC：精簡指令集（：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer

4、) 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； 確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令；確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令； 使使CPUCPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡單。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡單。 第8頁/共52頁 IFID REGALUMEM 開始 退出 IFID ALUMEMREG 微操作通道 開始 退出 單通數(shù)據(jù)通道 第9頁/共52頁 類別CISCRISC 指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少，通常少于100 執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長，如 整塊的存儲器內(nèi)容復(fù)制；或 將多個寄存器的內(nèi)容復(fù)制到 存貯器 沒有較長執(zhí)行時間的指令 編碼長度編碼長度可變，1-15字節(jié)編碼長度固定，通常為4個字節(jié) 尋址方式尋

5、址方式多樣簡單尋址 操作可以對存儲器和寄存器進(jìn)行 算術(shù)和邏輯操作 只能對寄存器對行算術(shù)和邏輯 操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu) 編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效 的目標(biāo)代碼程序 采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效 的目標(biāo)代碼程序 第10頁/共52頁 第11頁/共52頁 Soft Cores(“code”)（軟核） HDL語言描述； 靈活度高，可修改； 與工藝獨(dú)立，可根據(jù)具體的加工工藝重新綜合； IP很難保護(hù)。 Firm cores(“code+structure”)(固核 ） 邏輯綜合后的描述； 與工藝相關(guān)。 Hard cores(“physical”)(硬核） 物理綜合后的描述； 準(zhǔn)備流片； 包含工藝

6、相關(guān)的布局和時序信息； IP很容易保護(hù)。 多數(shù)的處理器和存儲器 第12頁/共52頁 三種模式 1.設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)和工具的許可證 DSP Group (Pine and Oak Cores), 3Soft, ARM。 提供包括HDL在內(nèi)的模擬模型，工具或仿真器。 使用者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造。 2.核廠商設(shè)計(jì)并制造集成電路芯片 TI, Motorola, Lucent。 VLSI, SSI, Cirrus, Adaptec。 3.核廠商賣核, 負(fù)責(zé)為客戶設(shè)計(jì)并制造芯片 LSI logic, TI, Lucent。 第13頁/共52頁 第14頁/共52頁 固化宏單元（硬核）固化宏單元（硬核） ARM920T

7、 ARM7TDMI ARM720T ARM1022E 可綜合內(nèi)核（軟核）可綜合內(nèi)核（軟核） ARM926EJ-S ARM7TDMI-S ARM1026EJ-S 測試芯片測試芯片 ARM10200E 第15頁/共52頁 流水線技術(shù)流水線技術(shù) 流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行。流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行。 提高了提高了CPUCPU的運(yùn)行效率。的運(yùn)行效率。 內(nèi)部信息流要求通暢流動。內(nèi)部信息流要求通暢流動。 譯碼取指執(zhí)行add 譯碼取指執(zhí)行sub 譯碼取指執(zhí)行cmp 時間 Add Sub Cmp 第16頁/共52頁 Fetch Decode Execute 從存儲器中讀取指令 解碼指令 寄存器讀

8、（從寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器寫（到寄存器Bank ） PCPC PC - 4 P C-2 PC - 8PC - 4 ARMThumb 第17頁/共52頁 操作操作 周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute DecodeExecute FetchDecode Fetch Fetch 第18頁/共52頁 周期周期 操作操作 123456 A

9、DD SUB LDR MOV AND ORR FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute FetchDecodeExecuteDataWriteback FetchDecodeExecute FetchDecode Fetch 第19頁/共52頁 周期周期 1 2 3 4 5 0 x8000 BL 0 x8004 X 0 x8008 XX 0 x8FEC ADD 0 x8FF0 SUB 0 x8FF4 MOV 地址地址 操作操作 FetchDecodeExecute FetchDecodeExecute FetchDecode Fetch FetchDecode

10、ExecuteLinkretAdjust FetchDecode Fetch 第20頁/共52頁 存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng) RAMRAM：隨機(jī)存取存儲器，：隨機(jī)存取存儲器， SRAMSRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器，：靜態(tài)隨機(jī)存儲器， DRAMDRAM：動態(tài)隨機(jī)存儲器。：動態(tài)隨機(jī)存儲器。 SRAMSRAM比比DRAMDRAM快?？?。 SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗電多。耗電多。 DRAMDRAM存儲密度比存儲密度比SRAMSRAM高得多。高得多。 DRMDRM需要周期性刷新。需要周期性刷新。 ROMROM：只讀存儲器。：只讀存儲器。 FLASHFLASH：閃存。：閃存。 第21頁/共52頁 輸入輸

11、出接口輸入輸出接口 lI/OI/O lA/DA/D、D/AD/A l鍵盤鍵盤 lLCDLCD l存儲器接口存儲器接口 l設(shè)備接口設(shè)備接口 第22頁/共52頁 第23頁/共52頁 UNIX。 （3）實(shí)時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多 個程序運(yùn)行，每個程序有不同 的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的 任務(wù)才能占有CPU的控制權(quán)。 第24頁/共52頁 約為數(shù)十秒或更長。 第25頁/共52頁 第26頁/共52頁 第27頁/共52頁 ISR ISR 后臺后臺 前臺前臺 ISR 時間時間 第28頁/共52頁 第29頁/共52頁 CPUCPU寄存器寄存器 任務(wù)任務(wù) 控制控制 塊塊1 1 任務(wù)任務(wù) 控制控制 塊塊2 2 任務(wù)任務(wù)

12、 控制控制 塊塊n n 休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷 任務(wù)任務(wù) 1 1 任務(wù)任務(wù) 2 2 任務(wù)任務(wù) n n CPUCPU 寄存器寄存器 第30頁/共52頁 CPU只有一個，輪番服務(wù) 于一系列任務(wù)中的某一個。多 任務(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最 大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊 化。 在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)的 最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員可以將 很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位?，?綜合實(shí)驗(yàn)（時鐘、位圖、USB、 KEY）。 第31頁/共52頁 R RU UN NN NI IN NG GR RE EA AD DY Y O OS ST Ta as sk kC Cr re ea at te e(

13、 () ) O OS ST Ta as sk kC Cr re ea at te eE Ex xt t( () ) T Ta as sk k i is s P Pr re ee em mp pt te ed d O OS SM MB Bo ox xP Pe en nd d( () ) O OS SQ QP Pe en nd d( () ) O OS SS Se em mP Pe en nd d( () ) O OS ST Ta as sk kS Su us sp pe en nd d( () ) O OS ST Ti im me eD Dl ly y( () ) O OS ST Ti im m

14、e eD Dl ly yH HM MS SM M( () ) O OS SM MB Bo ox xP Po os st t( () ) O OS SQ QP Po os st t( () ) O OS SQ QP Po os st tF Fr ro on nt t( () ) O OS SS Se em mP Po os st t( () ) O OS ST Ta as sk kR Re es su um me e( () ) O OS ST Ti im me eD Dl ly yR Re es su um me e( () ) O OS ST Ti im me eT Ti ic ck k(

15、() ) O OS ST Ta as sk kD De el l( () ) D DO OR RM MA AN NT T W WA AI IT TI IN NG G O OS SS St ta ar rt t( () ) O OS SI In nt tE Ex xi it t( () ) O OS S_ _T TA AS SK K_ _S SW W( () ) O OS ST Ta as sk kD De el l( () ) O OS ST Ta as sk kD De el l( () ) I In nt te er rr ru up pt t O OS SI In nt tE Ex xi

16、 it t( () ) I IS SR R 第32頁/共52頁 第33頁/共52頁 第34頁/共52頁 非占先式(Non- Preemptive) 低優(yōu)先級任務(wù)低優(yōu)先級任務(wù) ISR 高優(yōu)先級任務(wù)高優(yōu)先級任務(wù) （1）（2） （3） （4） （5） （6） （7） 中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使 高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)就緒 低優(yōu)先級任務(wù)釋放低優(yōu)先級任務(wù)釋放 CPU使用權(quán)使用權(quán) TIME 第35頁/共52頁 占先式（占先式（preemptive） 第36頁/共52頁 占先式(Preemptive) 低優(yōu)先級任務(wù)低優(yōu)先級任務(wù) ISR 高優(yōu)先級任務(wù)高優(yōu)先級任務(wù) （1）（2） （3） （4） （5）

17、（6） 中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使 高優(yōu)先級任務(wù)就緒高優(yōu)先級任務(wù)就緒 高優(yōu)先級任務(wù)得到高優(yōu)先級任務(wù)得到 CPU使用權(quán)使用權(quán) TIME 第37頁/共52頁 可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？煽梢员灰粋€以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？?重入型函數(shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運(yùn)行，而重入型函數(shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運(yùn)行，而 相應(yīng)數(shù)據(jù)不會丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保相應(yīng)數(shù)據(jù)不會丟失。可重入型函數(shù)或者只使用局部變量，即變量保 存在存在CPUCPU寄存器中或堆棧中。寄存器中或堆棧中。 一個不可重入型函數(shù)的例子一個不可重入型函數(shù)的例子

18、 int Temp;int Temp; Void swap (int Void swap (int * *x,intx,int* *y)y) Temp=Temp=* *x;x; * *X=X=* *Y;Y; * *y=Temp;y=Temp; 可重入型函數(shù)可重入型函數(shù) 第38頁/共52頁 一個可重入型函數(shù)的例子一個可重入型函數(shù)的例子 Void swap (int *x,int*y) int Temp; Temp=*x; *X=*Y; *y=Temp; 第39頁/共52頁 第40頁/共52頁 Task 1 (H) Task 2 (M) Task 3 (L) Priority Inversion Task 3 Get Semaphore Task 1 Preempts Task 3 Task 1 Tries to get Semaphore Task 2 Preempts Task 3 Task 3 Resumes Task 3 Releases the Semaphore ( (1 1)