arm9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程只有

1、第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介1.2 嵌入式處理器1.3 嵌入式操作系統(tǒng)第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)21.1 嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)科技領(lǐng)域和日常生活的每個(gè)角落，由于其本身的特性，使得我們很難發(fā)現(xiàn)它的存在。甚至一些從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的科技人員也只知單片機(jī)，不知道嵌入式系統(tǒng)。本節(jié)從嵌入式系統(tǒng)的定義開始，闡述嵌入式系統(tǒng)的含義、特點(diǎn)等，以使讀者加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解。 1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.1.4 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.1.5 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3什么是嵌入式系統(tǒng)（Embedd

2、ed System）？廣義地講，凡是不用于通用目的的可編程計(jì)算機(jī)設(shè)備，就可以算是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。舉例來說，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗怯糜谕ㄓ媚康牡南到y(tǒng)。而一些電話系統(tǒng)就是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機(jī)、可視電話等；另外還有一些嵌入式系統(tǒng)采用特殊的微處理器，如傳真機(jī)、打印機(jī)等。狹義上而言，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程是：從產(chǎn)品定義開始，接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，然后將軟件或操作系統(tǒng)移植到硬件上，并且進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，最

3、后經(jīng)過測試與調(diào)試后即開始銷售或使用。根據(jù)英國電機(jī)工程師協(xié)會(huì)所做的定義“嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助某個(gè)設(shè)備、機(jī)器甚至工廠運(yùn)行的設(shè)備”，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該具備以下4個(gè)特性：執(zhí)行特定的功能；以微處理器與外圍設(shè)備構(gòu)成核心；需要嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定性；全自動(dòng)操作。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4由上述可知，嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件與硬件的綜合體，整個(gè)綜合體的設(shè)計(jì)目的在于滿足某種特殊功能，并應(yīng)用于各類具體的應(yīng)用系統(tǒng)中，例如，實(shí)驗(yàn)儀器、辦公設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備甚至航天設(shè)備，等等。由于對(duì)嵌入式系統(tǒng)含義的理解因人而異，所以不同的書籍對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義也不盡相同。下面給出了一些文獻(xiàn)中對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“Computer as C

4、omponents Principles of Embedded Computing System Design”一書的作者Wayne Wolf認(rèn)為：“什么是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)？如果不嚴(yán)格地定義，它是任何一個(gè)包含可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是它本身卻不是一個(gè)通用計(jì)算機(jī)?！薄癊mbedded Microcontrollers”一書的作者Todd D. Morton認(rèn)為：“嵌入式系統(tǒng)是一種電子系統(tǒng)，它包含微處理器或者微控制器，但是我們不認(rèn)為它是計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)隱藏或者嵌入在系統(tǒng)中。”“Embedded Software Primer”一書的作者Davie E. Simon認(rèn)為：“人們使用嵌入式系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語，指的

5、是隱藏在任一產(chǎn)品中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！薄癆n Introduction to the Design of Small Scale Embedded System with example from PIC，80C51 and 68HC05/08 Microcontrollers”一書的作者Tim Wilmshurst認(rèn)為：“嵌入式系統(tǒng)是這樣一個(gè)系統(tǒng)，它的首要功能并不是計(jì)算，而是受嵌入其中的計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)系統(tǒng)。嵌入暗示了它存在于整個(gè)系統(tǒng)中，從外部觀察不到，形成了更大整體的一個(gè)完整部分?！钡?章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5可以看出，雖然各種書籍對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義稍有差異，但是基本的思想和理解是相同的。我們

6、可以從以下幾個(gè)方面來理解嵌入式系統(tǒng)的含義： 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力。正因?yàn)榕c具體應(yīng)用的緊密結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)才具有很強(qiáng)的專用性。 嵌入式系統(tǒng)將先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)，以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合，是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、學(xué)科交叉和不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。 由于嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)硬件和軟件進(jìn)行裁剪，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗的要求。因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度比較大，技術(shù)門檻較高。比較好的開發(fā)模式是：首先建立相對(duì)通用的硬件和軟件基礎(chǔ)，然后針對(duì)具體的應(yīng)用做最少量的軟硬件改動(dòng)。由上述可以看出，嵌入式系

7、統(tǒng)是一個(gè)外延極廣的概念，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的、具有嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)的系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)6嵌入式系統(tǒng)的組成 復(fù)位及振蕩電路處理器定時(shí)器ROMRAM串行口中斷控制并口輸入/輸出設(shè)備接口及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)專用電路圖1.1 嵌入式系統(tǒng)的硬件組成嵌入式系統(tǒng)一般有3個(gè)主要的組成部分： 硬件。圖1.1給出了嵌入式系統(tǒng)的硬件組成。其中，處理器是系統(tǒng)的運(yùn)算核心；存儲(chǔ)器（ROM、RAM）用來保存可執(zhí)行代碼，以及中間結(jié)果；輸入輸出設(shè)備完成與系統(tǒng)外部的信息交換；其他部分輔助系統(tǒng)完成功能。 應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是完成系統(tǒng)功能的主要軟件，它可以由單獨(dú)的一個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，也可以由多個(gè)并行的任務(wù)來實(shí)

8、現(xiàn)。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）。該系統(tǒng)用來管理應(yīng)用軟件，并提供一種機(jī)制，使得處理器分時(shí)地執(zhí)行各個(gè)任務(wù)并完成一定的時(shí)限要求 。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)7嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵在于結(jié)合系統(tǒng)硬件電路與其特定的軟件，以達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行性能成本的最高比。系統(tǒng)中硬件的設(shè)計(jì)包括微處理器及存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)、無線通信設(shè)計(jì)及接口電路設(shè)計(jì)，等等；而嵌入式軟件則專門負(fù)責(zé)硬件電路的驅(qū)動(dòng)、控制處理，以提升硬件產(chǎn)品的價(jià)值，是硬件產(chǎn)品不可或缺的重要部分，它常以固件（Firmware）的形式出現(xiàn)，如控制或驅(qū)動(dòng)程序等。由于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的硬件、軟件種類繁多，產(chǎn)品研發(fā)需要

9、適應(yīng)多種不同硬件與軟件的組合。為了克服多樣化，現(xiàn)在的研發(fā)方式多以平臺(tái)化設(shè)計(jì)（Platform-Based Design，PBD）為主。平臺(tái)化設(shè)計(jì)的基本思路是，以某一種基礎(chǔ)的硬件與軟件參考設(shè)計(jì)（reference design）為平臺(tái)，自行加上額外所需要的硬件與軟件，以適應(yīng)多樣化的產(chǎn)品需求，而不必每款產(chǎn)品都從頭設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式可以縮短研發(fā)進(jìn)程，加速產(chǎn)品的上市時(shí)間。這樣的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)大多會(huì)由微處理器制造公司提供，例如，Intel、三星、Motorola等廠商提供微處理器的參考設(shè)計(jì)電路，以及建議的外圍設(shè)備布局，包括內(nèi)存、基本I/O甚至包括LCD控制接口、IDE設(shè)備接口，等等，并且配合某一款操作系統(tǒng)

10、，例如，Linux、WinCE，以及相應(yīng)的軟件源代碼。將這樣的組合包以授權(quán)的方式提供給產(chǎn)品開發(fā)廠商來開發(fā)產(chǎn)品，一般這樣的組合包稱為“板級(jí)支持包”（Board Support Package，BSP）。由于嵌入式系統(tǒng)的硬件強(qiáng)調(diào)的不是執(zhí)行速度而是功能穩(wěn)定，因此硬件設(shè)計(jì)方面的技術(shù)瓶頸并不高；反而在軟件組件方面，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成及友善的用戶界面。隨著網(wǎng)絡(luò)與無線通信的發(fā)展需要，軟件組件的發(fā)展更加重要。未來的軟件開發(fā)將逐漸由現(xiàn)在的簡易窗口與低速通信，向高速通信與多樣化的用戶界面發(fā)展。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)8 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)作為專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下幾個(gè)重要特征： 嵌入式

11、系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)。 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能完成功能、可靠性和功耗的苛刻要求。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以不需要操作系統(tǒng)的支持直接運(yùn)行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，充分利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。 嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行的，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本

12、身中。 專門開發(fā)工具支持。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使在設(shè)計(jì)完成以后，用戶通常也不能對(duì)程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)9 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 MIT的David Clark首次提出的“后PC時(shí)代”（post-PC era）一詞，指出個(gè)人計(jì)算機(jī)提供的只是在這個(gè)過渡時(shí)期的解決方案，而非最佳的方式，最終發(fā)展的應(yīng)用將不會(huì)停留在桌面上的個(gè)人計(jì)算機(jī)，而是從桌面上蔓延下來，進(jìn)入用戶的日常生活中。從技術(shù)層面來講，將來的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用將向軟硬件系統(tǒng)集成、SOC設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序，以及內(nèi)容服務(wù)這幾個(gè)方面發(fā)展。 系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)除了老牌嵌入式操作系統(tǒng)廠商V

13、xWORKs、QNX、Nucleus等之外，新興的主要競爭產(chǎn)品有Palm OS、Windows CE、Linux等。其中Embedded Linux操作系統(tǒng)因?yàn)槊赓M(fèi)授權(quán)的特性，已經(jīng)被很多國際型廠商采用。 集成式芯片：SOC“系統(tǒng)單芯片”（System-On -Chip，SOC）研究的領(lǐng)域包括創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)平臺(tái)建立，以及相關(guān)硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Silicon Intellectual Property，SIP）的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與集成等。 應(yīng)用軟件嵌入式軟件一般可以分為客戶端的應(yīng)用軟件和服務(wù)器端的集成軟件。服務(wù)器端的軟件較為單一，客戶端由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，開發(fā)出的軟件也是多種多樣的。 服務(wù)由于嵌入式產(chǎn)品的便

14、攜性，以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品輸入輸出的多媒體化，再加上嵌入式產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)的緊密結(jié)合，嵌入式產(chǎn)品相關(guān)的增值服務(wù)變得更加重要。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)10嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與通用計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密不可分，但是又有著自己獨(dú)立發(fā)展的道路。由于應(yīng)用目標(biāo)的不同，使得這兩種體系的發(fā)展方向有所不同。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲(chǔ)容量的無限擴(kuò)大。由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要嵌入到目標(biāo)體系中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)目標(biāo)的智能化控制，因此，它有著與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向是與目標(biāo)系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的

15、可靠性。Intel公司于1971年推出有史以來第一個(gè)4位微處理器4004，接著德州儀器與國家半導(dǎo)體公司也隨后推出各自的4位微處理器。1974年Intel公司又推出了8位微處理器芯片8080，隨后Zilog公司的Z-80、國家半導(dǎo)體公司的NSC800及Intel公司的8085等相繼問世。第一個(gè)商品化的16位嵌入式系統(tǒng)微處理器是德州儀器公司所推出的9940，因?yàn)樗墓δ苌?，而且指令集貧乏，并未引起很大的注意。大家比較熟悉的16位微處理器產(chǎn)品是Intel公司所開發(fā)的8086微處理器及Motorola公司所開發(fā)的68000微處理器。當(dāng)時(shí)IBM所推出的個(gè)人計(jì)算機(jī)即是采用8086作為數(shù)據(jù)處理及控制核心。通

16、用微處理器沿著8086/8088、80286、80386、80486、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4的線路發(fā)展，主頻從十幾MHz到現(xiàn)在的3GHz，字長也從8086的16位發(fā)展到了現(xiàn)在AMD64和Pentium D的64位。整體微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力都實(shí)現(xiàn)了海量的增長。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)11嵌入式系統(tǒng)起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，然而，由于微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性都無法滿足嵌入式應(yīng)用的要求。因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展道路，即單芯片化道路。將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。在探索單片機(jī)的發(fā)展道路時(shí)

17、，有過兩種模式，即“模式”與“創(chuàng)新模式”。“模式”本質(zhì)上是通用計(jì)算機(jī)直接單芯片化的模式，它將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本單元進(jìn)行裁剪后，集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成單片微型計(jì)算機(jī)；“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計(jì)全新的、滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創(chuàng)新模式發(fā)展起來的單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)（單片微型計(jì)算機(jī)）。MCS-51是在探索MCS-48的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全面完善的嵌入式系統(tǒng)，它定位在具有可伸縮性并且低成本的產(chǎn)品控制單元，至今仍被廣泛地使用。歷史證明，“創(chuàng)新模式”是嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的正確道路，MCS-51的體系

18、結(jié)構(gòu)也因此成為單片嵌入式系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)體系。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)12單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。SCM階段，即單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip puter）階段，主要是尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。MCU階段，即微控制器（Micro Controller Unit）階段，不斷擴(kuò)展各種外圍電路與接口電路，增強(qiáng)智能化控制能力。單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。因此，對(duì)單片機(jī)的理

19、解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。從2000年開始，以往的ASIC（專用集成電路，SOC的主要實(shí)現(xiàn)方式）設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸被IP（Intellectual Property）或SIP（Silicon Intellectual Property）所替代。SIP稱為硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)，或半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Semiconductor Intellectual Property），也就是芯片電路的制作方式或電路圖等知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)前面加上硅或半導(dǎo)體，是為了與一般所稱的知識(shí)產(chǎn)權(quán)有所區(qū)分。目前最受市場歡迎的嵌入式處理器就是由ARM公司出品的ARM系列處理器。ARM公司只提供IP授權(quán)，并不自行制造

20、處理器。由于它的ARM RISC結(jié)構(gòu)微處理器有著低消耗功率、高運(yùn)算性能，以及高度集成性等特性，使得許多芯片設(shè)計(jì)公司與芯片制造公司競相向ARM公司購買ARM處理器的核心，作為自己公司微處理器芯片中的運(yùn)算核心。ARM公司也因此成為全球最大的IP供應(yīng)商。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)13嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起源于微型機(jī)時(shí)代，但很快就進(jìn)入到獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。在單片機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)以器件的形式迅速進(jìn)入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計(jì)算機(jī)專業(yè)人員并沒有真正進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習(xí)慣的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模

21、式最重要的特點(diǎn)是：軟、硬件的底層性和隨意性；目標(biāo)系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性，以及缺少計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)。雖然在單片機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)專業(yè)淡出了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但隨著后PC時(shí)代的到來，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的高速發(fā)展；同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計(jì)算機(jī)專業(yè)人員介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊天地。計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的介入，形成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式帶有明顯的計(jì)算機(jī)的工程應(yīng)用特點(diǎn)，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層應(yīng)用。由于嵌入式系統(tǒng)最大、最廣、最底層的應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造，因此，以通曉該專業(yè)的電子技術(shù)隊(duì)伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開銷；以8位機(jī)為主，帶有

22、濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)色彩的電子系統(tǒng)應(yīng)用模式會(huì)長期存在下去。另外，計(jì)算機(jī)專業(yè)人員會(huì)越來越多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但限于專業(yè)知識(shí)的差異，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、電子商務(wù)等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機(jī)械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會(huì)長期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補(bǔ)充。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式應(yīng)該從計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)模式中，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)模式應(yīng)該從電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計(jì)方法和目標(biāo)系統(tǒng)的基本要求等。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)141.2 嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心部件

23、是嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2000年全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中8051體系的占了多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近百種。現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，而且越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。1.2.1 嵌入式處理器的分類1.2.2 ARM微處理器1.2.3 Nios微處理器1.2.4 DSP1.2.5 嵌入式微處理器的選型原則第1章 嵌入

24、式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)15嵌入式處理器的分類 微處理器可以分成幾種不同的等級(jí)，一般用字符寬度來區(qū)分：8位微處理器大部分都是用在低端應(yīng)用上，也包括了外圍設(shè)備或是內(nèi)存的控制器；16位微處理器通常用在比較精密的應(yīng)用上，需要比較長的字符寬度來處理；32位微處理器，大部分是RISC的微處理器，則提供高性能的運(yùn)算能力，以滿足需要大量運(yùn)算的應(yīng)用。但是從應(yīng)用的角度來劃分，嵌入式處理器包含了下面幾種類型。1嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留與嵌入式應(yīng)用有關(guān)的功能，這樣可以大

25、大減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。嵌入式微處理器又可分為CISC和RISC兩類。大家熟悉的大多數(shù)臺(tái)式PC都是使用CISC微處理器，如Intel的x86。RISC結(jié)構(gòu)體系有兩大主流：Silicon Graphics公司（硅谷圖形公司）的MIPS技術(shù)；ARM公司的Advanced RISC Machines技術(shù)。此外，Hitachi（日立公司）也有自己

26、的一套R(shí)ISC技術(shù)SuperH。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)16RISC和CISC是目前設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，為達(dá)到高效的目的，采用的方法不同。它們的差異主要有以下幾點(diǎn)。（1）指令系統(tǒng)：RISC設(shè)計(jì)者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡單高效的特色。對(duì)不常用的功能，常通過組合指令來實(shí)現(xiàn)。而CISC計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。（2）存儲(chǔ)器操作：RISC對(duì)存儲(chǔ)器操作有限制，使控制簡單化；而CISC機(jī)器的存儲(chǔ)器操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC匯編語言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì)；而CISC匯編語言程序編程相對(duì)

27、簡單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計(jì)相對(duì)容易，效率較高。（4）中斷：RISC機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CISC機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷的。（5）CPU：由于RISC CPU包含較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISC CPU包含豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。（6）設(shè)計(jì)周期：RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長。（7）易用性：RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。（8）應(yīng)用范圍：RISC機(jī)器更適合于嵌入式應(yīng)用

28、；而CISC機(jī)器則更適合于通用計(jì)算機(jī)。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)172、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit, MCU）嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線邏輯、定時(shí)器等各種必要的功能模塊。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從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統(tǒng)應(yīng)用的主流。由于微控制器的片上資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都

29、是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以最大限度地與應(yīng)用需求相匹配，從而減小功耗和成本。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541。值得注意的是，近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器也稱為Microcontroller，Motorola公司把以Power PC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC

30、555列入單片機(jī)行列，TI公司也將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU來推廣應(yīng)用。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)183嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor, EDSP）DSP對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。推動(dòng)嵌入式DSP發(fā)展的一個(gè)重要因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化。例如，各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品、生物信息識(shí)別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時(shí)語音壓縮解壓系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示，等等。這類智能化算法一般運(yùn)算量都比較

31、大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP的長處所在。嵌入式DSP有兩個(gè)發(fā)展來源，一是DSP經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或片上系統(tǒng)（SOC）中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296。嵌入式DSP比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，用于移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP5600

32、0，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。DSP的設(shè)計(jì)者們把重點(diǎn)放在了處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流上。如果嵌入式應(yīng)用中強(qiáng)調(diào)對(duì)連續(xù)的數(shù)據(jù)流的處理及高精度復(fù)雜運(yùn)算，則應(yīng)該選用DSP器件。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)194嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip）隨著VLSI設(shè)計(jì)的普及和半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是SOC（System on-Chip）。各種通用處理器內(nèi)核和其他外圍設(shè)備都將成為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫中的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等硬件描述語言描述。用戶只需定義出整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作芯片

33、樣品。這樣，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分都可以集成到一塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)的電路板將變得很簡潔，這將有利于減小體積和功耗，提高系統(tǒng)的可靠性。SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon 和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于Internet安全方面。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)20ARM微處理器

34、ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即通常所說的ARM微處理器，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。1ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制

35、器提出了挑戰(zhàn)。 無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。 消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。 成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)212ARM微處理器的特點(diǎn)，采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器具有如下特

36、點(diǎn)： 體積小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，兼容8位/16位器件； 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高； 指令長度固定 3ARM微處理器系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的StrongARM Intel的Xscale其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。如ARM7系列適用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話等應(yīng)用；ARM9、ARM9

37、E和ARM10E系列則更適合無線設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)224ARM微處理器的應(yīng)用選型從應(yīng)用的角度出發(fā)，在選擇ARM微處理器時(shí)所應(yīng)考慮的主要問題有以下幾個(gè)方面。 ARM微處理器內(nèi)核的選擇。從前面所介紹的內(nèi)容可知，ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如果用戶希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片，如ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、St

38、rong-ARM都帶有MMU功能。 系統(tǒng)的工作頻率。系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘為20MHz133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為100MHz 233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。 芯片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量。大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量都不大，需要用戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)外擴(kuò)存儲(chǔ)器，但也有部分芯片具有相對(duì)較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間。 片內(nèi)外圍電路的選擇。除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不

39、同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內(nèi)外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)23Nios微處理器Nios是Altera公司特有的基于通用FPGA構(gòu)架的軟CPU內(nèi)核。在可編程邏輯器件中，用戶使用CPU，絕大多數(shù)并不是為了追求性能，而是為了PLD特有的靈活性和可定制性，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的集成度，這些正是Nios系統(tǒng)天生具備的。Nios是Altera公司開發(fā)的嵌入式CPU軟內(nèi)核，幾乎可以在Altera所有的FPGA產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)。器 件設(shè)計(jì)軟件說 明Stratix IIQuartus

40、II最高性能，最高密度，特性豐富的平臺(tái)，豐富的存儲(chǔ)器資源Stratix高性能，高密度，性能豐富的平臺(tái)，豐富的存儲(chǔ)器資源Stratix GX高性能，帶有高速穿行收發(fā)器的結(jié)構(gòu)Cyclone 低成本，ASIC的替代品適合價(jià)格敏感的應(yīng)用APEX II高密度，高性能平臺(tái)，帶有高速差分I/O標(biāo)準(zhǔn)的支持Mercury高性能，高帶寬，中密度平臺(tái)，包含有時(shí)鐘恢復(fù)（CDR）電路Excalibur高性能，硬核處理器方案APEX 20K高性能，中高密度平臺(tái)FLEX 10K低成本，中低密度平臺(tái)ACEX 1K低成本，中低密度平臺(tái)HardCopy高密度，大批量，ASIC的替代品第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)24由于Nios處理

41、器及其外設(shè)都是用HDL語言編寫的，在FPGA內(nèi)部利用通用的邏輯資源實(shí)現(xiàn)，所以在Altera的FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)具有極大的靈活性。憑借不錯(cuò)的性能和非常靈活的配置，Nios已經(jīng)被許多客戶接受。Nios常常被應(yīng)用在一些集成度較高，對(duì)成本敏感，以及功耗要求不高的場合，如遠(yuǎn)程讀表器和醫(yī)療診斷設(shè)備。Altera公司在Nios的基礎(chǔ)上推出了其第二代嵌入式處理器軟核Nios II。與前一代相比，用戶的配置和使用更加靈活，同時(shí)在占用邏輯資源和性能上都有明顯的改善。Nios II處理器是一個(gè)通用的32位RISC處理器內(nèi)核。其主要特點(diǎn)如下。 完全的32位指令集、數(shù)據(jù)通道和地址空間； 可配置的指令和數(shù)據(jù)Cac

42、he； 32個(gè)通用寄存器； 32個(gè)有優(yōu)先級(jí)的外部中斷源； 單指令的3232乘除法，產(chǎn)生32位結(jié)果； 多種片上外設(shè)，并能夠與片外存儲(chǔ)器和外設(shè)接口； 具有硬件協(xié)助的調(diào)試模塊，可以在IDE中控制處理器完成各種調(diào)試工作，如開始、停止、單步和跟蹤，等等； 在不同的Nios II系統(tǒng)中，指令集結(jié)構(gòu)（ISA）完全兼容； 性能達(dá)到150DMIPS以上Nios II處理器內(nèi)核有三種類型，用來滿足不同設(shè)計(jì)的要求，分別是快速型、經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)型?？焖傩蚇ios II內(nèi)核（Nios II/f）具有最高的性能，經(jīng)濟(jì)型Nios II內(nèi)核（Nios II/e）具有最低的資源占用，而標(biāo)準(zhǔn)型Nios II內(nèi)核（Nios II/s

43、）在性能和面積之問做了一個(gè)平衡。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)25Nios處理器系統(tǒng)包括一個(gè)可配置的CPU軟內(nèi)核、FPGA片內(nèi)的存儲(chǔ)器和外設(shè)、片外的存儲(chǔ)器和外設(shè)接口等。一個(gè)典型的Nios II處理器系統(tǒng)如圖所示。在圖中，整個(gè)Nios II處理器系統(tǒng)包括Nios II處理器內(nèi)核（包括調(diào)試模塊）、Avalon交換總線、片內(nèi)用戶邏輯和片上外設(shè)。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)26系統(tǒng)中的外設(shè)，如SDRAM控制器、片內(nèi)ROM、三態(tài)門、UART、定時(shí)器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路、通用I/O、以太網(wǎng)接口和Compact Flash接口等都是使用FPGA內(nèi)部的邏輯單元和RAM資源實(shí)現(xiàn)的。Nios II是一個(gè)可靈活配置的

44、軟內(nèi)核處理器。所謂可靈活配置是指，Altera提供的處理器不是一個(gè)固定的微控制器，用戶可以根據(jù)性能或成本的要求，靈活地增加或裁減一些系統(tǒng)特性和外設(shè)。為了滿足應(yīng)用的要求，用戶甚至可以在系統(tǒng)中放置多個(gè)Nios II處理器內(nèi)核。由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，不同用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能差別很大。要求用戶根據(jù)自己的系統(tǒng)需求，選擇合適的FPGA規(guī)模。在這些系統(tǒng)中，如果用戶邏輯需要和Nios II處理器系統(tǒng)間相互通信，用戶邏輯可以直接掛在片內(nèi)的Avalon交換總線上，而且訪問時(shí)序可以由用戶自己定義。所謂軟內(nèi)核，是指Nios II是以一種“軟”（加密網(wǎng)表）的設(shè)計(jì)形式交給客戶使用的，它可以在幾乎任何Altera的FPGA內(nèi)部

45、實(shí)現(xiàn)。用戶根據(jù)應(yīng)用的需要定制Nios II處理器的數(shù)量和類型，也可以自己定義需要的外設(shè)種類和數(shù)量，還可以自由分配外設(shè)的地址空問。用戶甚至可以自己定制Nios II的指令，使得一些復(fù)雜的操作在用戶指令中實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高某些特殊操作的性能。在Nios II系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可以認(rèn)為硬件細(xì)節(jié)對(duì)軟件開發(fā)人員是透明的。Nios II的軟件開發(fā)環(huán)境被稱為Nios 集成開發(fā)環(huán)境（Nios IDE）。Nios II IDE是基于Eclipse IDE和GNU C/C+編譯器的，軟件開發(fā)人員可以很容易地掌握此開發(fā)環(huán)境的操作，并利用它對(duì)Nios 系統(tǒng)的軟件進(jìn)行編譯、仿真和調(diào)試。Nios II IDE同時(shí)提供了F

46、lash Programmer的功能，在軟件調(diào)試完成以后，可以通過Flash Programmer把應(yīng)用程序燒到Flash ROM中，使得Nios系統(tǒng)在上電配置完成以后，自動(dòng)從Flash中開始運(yùn)行程序。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)27DSP DSP（Digital Signal Processing）也就是常說的數(shù)字信號(hào)處理，它利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。DSP就是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有

47、如下主要特點(diǎn)。 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)； 片內(nèi)具有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問； 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； 快速的中斷處理和硬件I/O支持； 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 在近20年里，DSP在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，DSP的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。它的主要應(yīng)用有：信號(hào)處理、通信、語音、圖形/圖像、軍事、儀器儀表、自動(dòng)控制、醫(yī)療、家用電器。第

48、1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)28目前世界上生產(chǎn)DSP的公司主要有TI（德州儀器）公司，AD（美國模擬器件）公司，Technologics（朗訊技術(shù)）公司和Motorola（摩托羅拉）公司四大公司，而TI公司則是世界上最大的DSP供應(yīng)商。著名的TMS320系列產(chǎn)品就是該公司的DSP產(chǎn)品。DSP的基本結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了流水線操作、專業(yè)的硬件乘法器、特殊的DSP指令和快速的指令周期，使得它非常適合于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用。在目前，現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字通信、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的普及，數(shù)字音響的商業(yè)化，DSP的市場前景越來越好。以移動(dòng)電話設(shè)備來說，通信流程大概是當(dāng)手機(jī)通過天線收到射頻信號(hào)后，將過濾

49、后的高頻信號(hào)送到混頻器降為中頻信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)器變?yōu)榈皖l或基頻信號(hào)后，送至數(shù)字信號(hào)處理器處理，經(jīng)過處理的信號(hào)再予以調(diào)節(jié)及解碼，便可以通過揚(yáng)聲器送出，成為語音或是直接轉(zhuǎn)換成各類數(shù)據(jù)。發(fā)話時(shí)，信號(hào)則通過相反的程序處理與送出，所以手機(jī)包含了射頻系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理器再加上一般微處理器系統(tǒng)，成為一個(gè)高度集成的嵌入式系統(tǒng)。從現(xiàn)代通信等技術(shù)對(duì)DSP的要求來看，DSP芯片有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： 向更低功耗方向發(fā)展； 向更高的性能方向發(fā)展； 向定制DSP芯片方向發(fā)展； 向集成化方向發(fā)展； 提供更加完善的開發(fā)環(huán)境。第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)29嵌入式微處理器的選型原則 調(diào)查市場上已有的CPU供應(yīng)商。 CPU的處理速

50、度。 技術(shù)指標(biāo)。 處理器的低功耗。 處理器的軟件支持工具。 處理器是否內(nèi)置調(diào)試工具。 處理器供應(yīng)商是否提供評(píng)估板。選擇一個(gè)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行所需要的微處理器，在很多時(shí)候運(yùn)算速度并不是最重要的考慮內(nèi)容，有時(shí)候也必須考慮微處理器制造廠商對(duì)于該微處理器的支持態(tài)度，有些嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一用就是幾十年，如果過了五六年之后需要維修，卻已經(jīng)找不到該種微處理器的話，勢必全部產(chǎn)品都要淘汰，所以許多專門生產(chǎn)嵌入式系統(tǒng)微處理器的廠商，都會(huì)為嵌入式系統(tǒng)的微處理器留下足夠的庫存或是生產(chǎn)線，即使過好幾年之后還可以找到相同型號(hào)的微處理器或者完全兼容的替代品。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)301.3 嵌入式操作系統(tǒng)提到桌面型計(jì)算機(jī)的

51、操作系統(tǒng)，全世界超過九成的PC使用的是微軟（Microsoft）公司的Windows操作系統(tǒng)，其他也有一些頗具知名度的操作系統(tǒng)，如蘋果（Apple）公司的MacOS，工作站級(jí)計(jì)算機(jī)常用的Sun公司的Solaris，還有Linux或是FreeBSD等免費(fèi)的操作系統(tǒng)。但是提到嵌入式系統(tǒng)中所使用的操作系統(tǒng)，一般用戶就很少了解了。由于大型嵌入式系統(tǒng)需要完成復(fù)雜的功能，所以需要操作系統(tǒng)來完成各任務(wù)之間的調(diào)度。由于桌面型操作系統(tǒng)的體積，以及實(shí)時(shí)性等特性不能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，從而促進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 1.3.1 操作系統(tǒng)的概念和分類1.3.2 Linux1.3.3 C/OS1.3.4 Window

52、s CE第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)31操作系統(tǒng)的概念和分類操作系統(tǒng)（OS，Operating System）的基本思想是隱藏底層不同硬件的差異，向在其上運(yùn)行的應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用接口。應(yīng)用程序通過這一接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的使用和控制，不必考慮不同硬件操作方式的差異。操作系統(tǒng)示意圖如下所示。很多產(chǎn)品廠商選擇購買操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序，形成產(chǎn)品。事實(shí)上，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)是將所有程序，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的程序代碼全部燒寫進(jìn)ROM里執(zhí)行，所以操作系統(tǒng)在這里的角色更像是一套函數(shù)庫（Library）。操作系統(tǒng)主要完成三項(xiàng)任務(wù)：內(nèi)存管理、多任務(wù)管理和外圍設(shè)備管理。應(yīng)用程序操作系統(tǒng)

53、系統(tǒng)界面驅(qū)動(dòng)程序硬件硬件硬件硬件第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)32嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System）負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過加載/卸載某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。EOS是相對(duì)于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點(diǎn)。 強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性：嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的干預(yù)，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性； 較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性：EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備的控制當(dāng)中； 可伸縮性：開放、可伸縮性

54、的體系結(jié)構(gòu)； 外設(shè)接口的統(tǒng)一性：提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)核心通常要求體積要很小，因?yàn)橛布OM的容量有限，除了應(yīng)用程序之外，不希望操作系統(tǒng)占用太大的存儲(chǔ)空間。事實(shí)上，嵌入式操作系統(tǒng)可以很小，只提供基本的管理功能和調(diào)度功能，縮小到10KB到20KB以內(nèi)的嵌入式操作系統(tǒng)比比皆是，相信用慣微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，可能會(huì)覺得不可思議。 不同的應(yīng)用場合會(huì)產(chǎn)生不同特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)，但都會(huì)有一個(gè)核心（Kernel）和一些系統(tǒng)服務(wù)（System Service）。操作系統(tǒng)必須提供一些系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)用程序調(diào)用，包括文件系統(tǒng)、內(nèi)存分配、I/O存取服務(wù)、中斷服務(wù)、任務(wù)（Task）服務(wù)、時(shí)

55、間（Timer）服務(wù)等，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Driver）則是要建立在I/O存取和中斷服務(wù)上的。有些嵌入式操作系統(tǒng)也會(huì)提供多種通信協(xié)議，以及用戶接口函數(shù)庫等。 第1章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)33 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS），是指操作系統(tǒng)本身要能在一個(gè)固定時(shí)限內(nèi)對(duì)程序調(diào)用（或外部事件）做出正確的反應(yīng)，亦即對(duì)時(shí)序與穩(wěn)定性的要求十分嚴(yán)格。目前國際較為知名的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有WindRiver的“VxWorks”、QNX的“NeutrinoRTOS”、Accelerated Technology的“Nucleus Plus”、Radisys的“OS/

56、9”、Mentor Graphic的“VRTX”、LynuxWorks的“LynuxOS”，以及Embedded Linux廠商所提供的Embedded Linux版本，如TimeSys的“TimeSys Linux/Real Time”、FSMLabs的“RTLinux”、Lynux Works的“BlueCat RT”等。其產(chǎn)品主要應(yīng)用于航天、國防、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的設(shè)備需要高度精確的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行不會(huì)發(fā)生難以彌補(bǔ)的意外。目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也開始向信息家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域擴(kuò)展。例如WindRiver的“VxWorks”原本從航天、國防領(lǐng)域起家，如今也應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)電話、視頻轉(zhuǎn)換器等消費(fèi)類電子產(chǎn)品上。 通用型操作系統(tǒng)：執(zhí)行性能與反應(yīng)速度比起實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，相對(duì)沒有那么嚴(yán)格。目前較知名的有Microsoft的“Windows CE”、Palm source的“Palm OS”、Symbian的“Symbian OS”以及Embedded Linux廠商所提供的各式Embedded Linux版本，如Metrowerks的“Embedix”、TimeSys的“TimeSys Linux/GPL”、LynuxWorks的“BlueCat Linux”、PalmPalm的“Tynux”等，其產(chǎn)品主要應(yīng)用