嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識-2課件

1、第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識嵌入式系統(tǒng)的定義和組成1嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)2嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類型3 嵌入式操作系統(tǒng)41.1嵌入式系統(tǒng)的定義和組成 嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個科技領(lǐng)域和日常生活的每個角落，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，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、特點等，以使讀者加深對嵌入式系統(tǒng)的理解。 1.1.1什么是嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）？廣義地講：凡是不用于通用目的的可編程計算機設(shè)備，就可以算是嵌入式計算機系統(tǒng)。舉例來說，個人計算機（PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因

2、為它是用于通用目的的系統(tǒng)。而一些電話系統(tǒng)就是采用個人計算機技術(shù)建立的嵌入式計算機系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機、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、打印機等。狹義上而言：嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。何立民教授：嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。理解概念1.1.1什么是嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）？嵌入式系統(tǒng)由四個部分組成：嵌入式微處理器；外圍硬件設(shè)備；嵌入式操作系統(tǒng)；用戶程序。理解概念1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與通用計算機技術(shù)的

3、發(fā)展密不可分，但是又有著自己獨立發(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。通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。由于嵌入式計算機系統(tǒng)要嵌入到目標(biāo)體系中，實現(xiàn)的是對目標(biāo)的智能化控制，因此，它有著與通用計算機系統(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、控制能力與控制的可靠性。拓展：嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展（了解）嵌入式系統(tǒng)單芯片化道路:嵌入式系統(tǒng)起源于微型計算機時代，然而，由于微型計算機的體積、價位、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)必須走獨立發(fā)展道路，

4、即單芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。在探索單片機的發(fā)展道路時，有過兩種模式，即“模式”與“創(chuàng)新模式”。“模式”本質(zhì)上是通用計算機直接單芯片化的模式，它將通用計算機系統(tǒng)中的基本單元進(jìn)行裁剪后，集成在一個芯片上，構(gòu)成單片微型計算機；“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計全新的、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)（單片微型計算機）。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

5、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)獨立發(fā)展的正確道路，MCS-51的體系結(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。拓展了解拓展：嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展（了解）單片機的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。SCM階段，即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）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與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。MCU階段，即微控制器（Micro Controller Unit）階段，不斷擴展各種外圍電路與接口電路，增強智能化控制能力。單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，

6、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，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。拓展了解拓展：嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展（了解）從2000年開始，以往的ASIC（專用集成電路，SOC的主要實現(xiàn)方式）設(shè)計已經(jīng)逐漸被IP（Intellectual Property）或SIP（Silicon Intellectual Property）所替代。SIP稱為硅知識產(chǎn)權(quán)，或半導(dǎo)體知識產(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產(chǎn)權(quán)，在知識

7、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、高運算性能，以及高度集成性等特性，使得許多芯片設(shè)計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算核心。ARM公司也因此成為全球最大的IP供應(yīng)商。拓展了解1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下4個階段。（1）無操作系統(tǒng)階段了解（2）簡單操作系統(tǒng)階段1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1

8、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史了解（3）實時操作系統(tǒng)階段1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史了解（4）面向Internet階段1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史了解面對嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用在飛速發(fā)展。（1）新的微處理器層出不窮，進(jìn)一步精簡了系統(tǒng)內(nèi)核，優(yōu)化關(guān)鍵算法，降低功耗和軟硬件成本。提供更加友好的多媒體人機交互界面。（2）Linux、Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系統(tǒng)迅速發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加便于移植，具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點，能夠在短時間內(nèi)支持更多的微處理器

9、。計算機的新技術(shù)、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式軟件平臺得到進(jìn)一步完善。（3）嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項系統(tǒng)工程，開發(fā)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。1.1.2 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢了解3IP核（Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核）SOC（System On Chip，片上系統(tǒng)）是90年代中期出現(xiàn)的一個概念，并成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計的發(fā)展方向。明確兩個概念：SOC是指在單芯片上集成數(shù)字信號處理器、微控制器、存儲器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊，可以直接實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理等功能。

10、IP核是指具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個集成電路設(shè)計中重復(fù)使用的功能模塊，是實現(xiàn)系統(tǒng)芯片（SOC）的基本構(gòu)件。 理解掌握IP核IP核分為用硬件描述語言（hardware Description Language，HDL）文本形式提交給用戶，經(jīng)過RTL級設(shè)計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息的軟核（Soft IP Core）；完成軟核所有的設(shè)計外，還完成了門級電路綜合和時序仿真等設(shè)計環(huán)節(jié)，一般以門級電路網(wǎng)表的形式提供給用戶的固核（Firm IP Core）；基于物理描述，并經(jīng)過工藝驗證，具有可保證的性能，提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件的硬核（Har

11、d IP Core）。IP軟核以源代碼的形式提供的，IP知識產(chǎn)權(quán)不易保護(hù)。IP硬核易于實現(xiàn)IP保護(hù)，缺點是靈活性和可移植性差。理解掌握IP核目前全球IP核市場處于快速成長的階段，EDA聯(lián)盟、RAPID聯(lián)盟、VCX聯(lián)盟與VSIA聯(lián)盟等都在積極推動IP核的開發(fā)、應(yīng)用及推廣。其中，EDA聯(lián)盟主要是以如何提供更好的EDA軟件工具為主，VSIA聯(lián)盟主要針對IP核的定義、開發(fā)、授權(quán)及測試等建立一個公開的共性規(guī)范。ARM、Rambus和MIPS在十大IP供應(yīng)商排行中居前3位。理解掌握1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由包含有嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和外圍設(shè)備接口的嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行

12、裝置（被控對象）組成。嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，可以分為硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層。執(zhí)行裝置接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。理解掌握1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的組成1嵌入式計算機系統(tǒng)的硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件層通常是一個以嵌入式處理器為中心的，包含有電源電路、時鐘電路和存儲器電路的電路模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都固化在模塊的ROM中。（1）嵌入式微處理器理解掌握（1）嵌入式微處理器嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)或哈

13、佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復(fù)雜指令集系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer, CISC）。嵌入式微處理器有的體系，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一體系中，也可以具有不同的時鐘頻率、數(shù)據(jù)總線寬度、接口和外設(shè)。目前沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。理解掌握（2）存儲器嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存儲

14、器和輔助存儲器，用來存放和執(zhí)行代碼。Cache（高速緩存）是一種位于主存儲器和嵌入式微處理器內(nèi)核之間的快速存儲器陣列，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。Cache一般集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存儲容量大小依不同處理器而定。主存儲器存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)，是嵌入式微處理器能直接訪問的存儲器。主存儲器包含有ROM和RAM，可以位于微處理器的內(nèi)部或外部。常用的ROM類存儲器有NOR Flash、EPROM和PROM等，RAM類存儲器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量為256KB1GB。輔助存儲器通常指硬盤、

15、NAND Flash、CF卡（Compact Flash ）、MMC（Multi Media Card ）和SD卡（ Secure Digital Memory Card ）等，用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，一般容量較大，但讀取速度與主存相比要慢一些。理解掌握（3）通用設(shè)備接口和I/O接口嵌入式系統(tǒng)通常具有與外界交互所需要的通用設(shè)備接口。如GPIO；A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換接口）；D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換接口）；S-232接口（串行通信接口）；Ethernet（以太網(wǎng)接口）；USB（通用串行總線接口）；音頻接口；VGA視頻輸出接口；I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）；IrDA（紅外線接口）。

16、理解2中間層中間層也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或板級支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件層和軟件層之間，將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來。理解（1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化系統(tǒng)初始化過程按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次可以分為片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化3個主要環(huán)節(jié)。片級初始化。了解（1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化板級初始化了解（1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化系統(tǒng)級初始化了解（2）硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將他們與

17、操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。了解3系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層通常包含：實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-time Operation System，RTOS） ，RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。了解（1）嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）EOS負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的軟件、硬件的資源分配、任務(wù)調(diào)度，控制協(xié)調(diào)。 EOS除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件處理等

18、功能外，還具有如下特點：理解（2）文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不完全相同。功能文件存儲、檢索和更新等功能一般不提供保護(hù)和加密等安全機制嵌入式文件系統(tǒng)通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等幾種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)理解（3）圖形用戶接口（GUI）GUI使用戶可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地操作計算機或者嵌入式系統(tǒng)。理解4應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件層用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能，由所開發(fā)的應(yīng)用程序組成，面向被控對象和用戶。為方便用戶操作，通常需要提供一個友好的人機界面。理解1.1.4 實時系統(tǒng)RTOS（Real-time operating system ）RTOS與通用計算機系統(tǒng)不

19、同，要求系統(tǒng)中的任務(wù)不但執(zhí)行結(jié)果要正確，而且必須在一定的時間約束（Deadline）內(nèi)完成。在RTOS中，一個邏輯上正確的計算結(jié)果，若其產(chǎn)生的時間晚于某個規(guī)定的時間，那么也認(rèn)為系統(tǒng)的行為是不正確的。理解1RTOS定義定義RTOS是指能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠處理和存儲控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。結(jié)果正確性判定RTOS的正確性不僅依賴于系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。理解2RTOS特點（1）約束性RTOS任務(wù)的約束包括時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。RTOS的任務(wù)具有時間約束性。時間約束性可分為“硬實時”

20、和“軟實時”。硬實時是指在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中應(yīng)用的系統(tǒng)，時間要求必須能夠得到完全滿足，否則將造成不可預(yù)計的結(jié)果。軟實時通常是指在監(jiān)控系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)等某些應(yīng)用中，有時間約束要求，但偶爾違反不會造成嚴(yán)重影響。理解（2）可預(yù)測性可預(yù)測性是指RTOS完成實時任務(wù)所需要的執(zhí)行時間應(yīng)是可知的。（3）可靠性大多數(shù)RTOS要求有較高的可靠性，要求系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失。可靠性是RTOS的重要性能指標(biāo)。 （4）交互性外部環(huán)境是RTOS不可缺少的一個組成部分，外部環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者相互作用構(gòu)成完整的實時系統(tǒng)。嵌入式計算機系統(tǒng)一般作為控制系統(tǒng)，必須在規(guī)定的時間內(nèi)對被控

21、子系統(tǒng)請求做出反應(yīng)。被控子系統(tǒng)也必須能夠正常工作或準(zhǔn)備對任何異常行為采取動作。3RTOS調(diào)度給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程就是調(diào)度。而RTOS中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個任務(wù)滿足它們的時間約束，及時對外部請求做出響應(yīng)。實時調(diào)度技術(shù)常用的有以下兩種。理解掌握（1）搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度搶占式調(diào)度通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度。每個任務(wù)都有優(yōu)先級，任何時候具有最高優(yōu)先級且已啟動的任務(wù)先執(zhí)行。搶占式調(diào)度實時性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可優(yōu)先保證高優(yōu)先級任務(wù)的時間約束；其缺點是上下文切換多。非搶占式調(diào)度是指不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用微處理器就必須執(zhí)行完

22、畢或自愿放棄。優(yōu)點是上下文切換少；缺點是微處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。理解掌握（2）靜態(tài)表驅(qū)動策略和優(yōu)先級驅(qū)動策略靜態(tài)表驅(qū)動策略優(yōu)先級驅(qū)動策略了解4RTOS分類RTOS主要分為強實時（Hard Real-Time）系統(tǒng)和弱實時（Soft Real-Time）系統(tǒng)兩類。強實時系統(tǒng)應(yīng)用在航空航天、軍事、核工業(yè)等領(lǐng)域中，弱實時系統(tǒng)如視頻點播系統(tǒng)、信息采集與檢索系統(tǒng)等。5實時任務(wù)分類實時任務(wù)的分類方法有多種，根據(jù)任務(wù)的周期劃分，可以分為周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)和非周期任務(wù)3類。根據(jù)是否允許任務(wù)超時，以及超時后對系統(tǒng)造成的影響，任務(wù)又分為強實時任務(wù)、準(zhǔn)實時任務(wù)、弱實時任務(wù)和弱一強實時任務(wù)4類。了解6

23、RTOS操作系統(tǒng)和內(nèi)核RTOS從單用途專用系統(tǒng)向多用途通用操作系統(tǒng)（如實時Linux等）發(fā)展。RTOS從只支持強實時及其應(yīng)用發(fā)展到既支持強實時也支持弱實時及其應(yīng)用方面，如開放實時系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）多媒體應(yīng)用、復(fù)雜分布式實時系統(tǒng)等。了解1.2 嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)1.2.1 馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1馮諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)其程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。程序計數(shù)器（PC）是CPU內(nèi)部指示指令和數(shù)據(jù)的存儲位置的寄存器。即使單條指令也要耗費幾個甚至幾十個周

24、期，在高速運算時，在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。目前使用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器品種有很多，例如Intel公司的8086系列及其他CPU，ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器等。理解掌握2哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。系統(tǒng)中具有程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個機器周期內(nèi)同時獲取指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），從而提高執(zhí)行速度，提高數(shù)據(jù)的吞吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩

25、個分開的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊，具有較高的執(zhí)行效率。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器品種有很多，除DSP處理器外，還有摩托羅拉公司的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。理解掌握1.2.2 精簡指令集計算機早期的計算機采用復(fù)雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）體系。例如Intel公司的X86系列CPU，從8086到Pentium系列，采用的都是典型的CISC體系結(jié)構(gòu)。精簡指令集計算機精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set

26、 Computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代提出來的。目前IBM、DEC、Intel和Motorola等公司都在研究和發(fā)展RISC技術(shù)，RISC已經(jīng)成為當(dāng)前計算機發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。RISC是在CISC的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來的，RISC的著眼點不是簡單地放在簡化指令系統(tǒng)上，而是通過簡化指令系統(tǒng)使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高運算效率。精簡指令集特點精簡指令集特點優(yōu)先選取使用頻率最高的、很有用但不復(fù)雜的指令，避免使用復(fù)雜指令；固定指令長度，減少指令格式和尋址方式種類；指令之間各字段的劃分比較一致，各字段的功能也比較規(guī)整；采用Load/Store指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄

27、存器之間進(jìn)行；增加CPU中通用寄存器數(shù)量，算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)都在通用寄存器中存??；大部分指令控制在一個或小于一個機器周期內(nèi)完成；1.2.3 流水線技術(shù)1流水線的基本概念流水線技術(shù)應(yīng)用于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個方面，流水線技術(shù)的基本思想是將一個重復(fù)的時序分解成若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。在流水線技術(shù)中，流水線要求可分成若干相互聯(lián)系的子過程，實現(xiàn)子過程的功能所需時間盡可能相等。形成流水處理，需要一段準(zhǔn)備時間。指令流發(fā)生不能順序執(zhí)行時，會使流水線過程中斷，再形成流水線過程則需要時間。理解掌握1.2.3 流水線技術(shù)指令流水線就是將一條指令分解成一連串執(zhí)

28、行的子過程。例如把指令的執(zhí)行過程細(xì)分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行4個子過程。在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行子過程變?yōu)槿舾蓷l指令的子過程在CPU中重疊執(zhí)行。如果能做到每條指令均分解為m個子過程，且每個子過程的執(zhí)行時間都一樣，則利用此條流水線可將一條指令的執(zhí)行時間T由原來的T縮短為T/m。指令流水線處理的時空圖如圖1.2.1所示，其中的1、2、3、4、5表示要處理的5條指令。從圖可見采用流水方式可同時執(zhí)行多條指令。理解掌握1.2.3 流水線技術(shù)圖1.2.1 指令流水線處理的時空圖理解掌握2.流水線處理機的主要指標(biāo)（1）吞吐率在單位時間內(nèi)，流水線處理機流出的結(jié)果數(shù)稱為吞吐率。對指令而言就是單位

29、時間里執(zhí)行的指令數(shù)。如果流水線的子過程所用時間不一樣長，則吞吐率P應(yīng)為最長子過程的倒數(shù)，即：P=1/maxt1,t2,.,tm（2）建立時間流水線開始工作，須經(jīng)過一定時間才能達(dá)到最大吞吐率，這就是建立時間。若m個子過程所用時間一樣，均為t0，則建立時間:T0mt0。1.2.4 信息存儲的字節(jié)順序1大端和小端存儲法大多數(shù)計算機使用8位（bit）的數(shù)據(jù)塊做為最小的可尋址的存儲器單位，稱為一個字節(jié)。存儲器的每一個字節(jié)都用一個唯一的地址（address）來標(biāo)識。所有可能地址的集合稱為存儲器空間。對于軟件而言，它將存儲器看作一個大的字節(jié)數(shù)組，稱為虛擬存儲器。在實際應(yīng)用中，虛擬存儲器可以劃分成的不同單元，

30、用來存放程序、指令和數(shù)據(jù)等信息。理解掌握1大端和小端存儲法字長在微處理器中，使用一個字長（word）表明整數(shù)和指令數(shù)據(jù)的大小。字長決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。對于一個字長為n位的微處理器，它的虛擬地址范圍為02n1。例如一個32位的微處理器，可訪問的虛擬地址空間為232，即4GB。多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)存放方法一種是低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處，稱為小端字節(jié)順序存儲法；另一種是高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處，稱為大端字節(jié)順序存儲法。理解掌握1大端和小端存儲法例如，假設(shè)一個32位字長的微處理器上定義一個int類型的常量a，其內(nèi)存地址

31、位于0 x6000處，其值用十六進(jìn)制表示為0 x23456789。理解掌握1大端和小端存儲法地址0 x60000 x60010 x60020 x6003數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）0 x890 x670 x450 x23數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）01100111010001010010001100000001（a）小端存儲法地址0 x60000 x60010 x60020 x6003數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）0 x230 x450 x670 x89數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）01100111010001010010001100000001（b）大端存儲法圖1.2.2 大端和小端存儲法示例1大端和小端存儲法采用大端存儲法還是小端存儲法，各處理

32、器廠商的立場和習(xí)慣不同，并不存在技術(shù)原因。Intel公司X86系列的微處理器都采用小端存儲法，而IBM、Motorola和Sun Microsystems公司的大多數(shù)微處理器采用大端存儲法。此外，還有一些微處理器，如ARM、MIPS和Motorola的PowerPC等，可以通過芯片上電啟動時確定的字節(jié)存儲順序規(guī)則，來選擇存儲模式。2可移植性問題了解3通信中的存儲順序問題了解4數(shù)據(jù)格式的存儲順序了解1.3 嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類型應(yīng)用在嵌入式計算機系統(tǒng)中的微處理器稱為嵌入式微處理器。從1971年Intel公司推出第一塊微處理器芯片4004到今天，嵌入式微處理器已有30多年的發(fā)展歷史。嵌入式計算

33、機硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲器和輸入輸出部分組成，其中嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心。嵌入式微處理器的字長寬度可分為4位、8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的稱為嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller ）， 32位及以上的稱為嵌入式微處理器。微處理器內(nèi)部僅包含單純的中央處理器單元稱為一般用途型微處理器。將CPU、 ROM、 RAM及I/O等部件集成到同一個芯片上，稱為單芯片微控制器（Single Chip Microcontroller）。根據(jù)用途，可以分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、雙核或多核處理

34、器等類型。了解1.3.1 嵌入式微控制器嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又稱為單片機，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。嵌入式微控制器具有單片化、體積小、功耗和成本低，可靠性高等特點，約占嵌入式系統(tǒng)市場份額的70。嵌入式微控制器品種和數(shù)量很多，典型產(chǎn)品有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、68K系列，TI公司的MSP430系列和Motorola公司的68H12系列，以及MCU8

35、XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-BUS、 LCD及眾多專用嵌入式微控制器和兼容系列。了解1.3.2 嵌入式微處理器嵌入式微處理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用計算機中的CPU發(fā)展而來，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一個芯片上。32位微處理器采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達(dá)到了2324GB。目前主流的32位嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、powerPC系列等。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有千種以上。了解1ARM系列ARM（Advanced RISC Machine）公司的ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。ARM體系結(jié)構(gòu)目前發(fā)展并定義了7種不同的版本。從版本1到版本7，ARM體系的指令集功能不斷擴大。A