通信原理大綜合課件高頻全

典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件MPU微處理器電源模塊時鐘復(fù)位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設(shè)1.6嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)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)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡單

在CISC架構(gòu)的CPU上:一條指令：MULADDRA,ADDRB將ADDRA,ADDRB中的數(shù)據(jù)讀入寄存器，相乘和將結(jié)果寫回內(nèi)存的操作全部依賴于CPU中設(shè)計(jì)的邏輯來實(shí)現(xiàn)。如果要在RISC架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，MOVA,ADDRA;MOVB,ADDRB;MULA,B;STRADDRA,A。這種架構(gòu)可以降低CPU的復(fù)雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產(chǎn)出功能更強(qiáng)大的CPU，但對于編譯器的設(shè)計(jì)有更高的要求。影響CPU性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運(yùn)行效率內(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AddSubCmp超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)

執(zhí)行1預(yù)取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預(yù)取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)高速緩存（CACHE）1、為什么采用高速緩存微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。2、高速緩存的工作原理高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲器高速設(shè)備高速設(shè)備低速總線嵌入式系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)1.5存儲器系統(tǒng)RAM：隨機(jī)存取存儲器，SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器，DRAM：動態(tài)隨機(jī)存儲器

1）SRAM比DRAM快

2）SRAM比DRAM耗電多

3）DRAM存儲密度比SRAM高得多

4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲器FLASH：閃存（NOR,NAND)SRAM和DRAM1）SRAM2）DRAMCSR/WAddrDataCSR/WCASDataRASAddr輸入輸出接口I/OA/D、D/A鍵盤LCD存儲器接口設(shè)備接口例如USBUSB：UniversalSerialBus，通用串行總線大家生活中常見的與USB有關(guān)的東西有：U盤、移動硬盤、無驅(qū)型的MP3（U盤）USB接口的鍵盤、Mouse、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)……即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展（127個）USB2.0以低成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Mb/s的傳輸率（USB1.1的全速設(shè)備可達(dá)12Mb/s）接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電操作系統(tǒng)的分類（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨(dú)占CPU的運(yùn)行時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運(yùn)行。如DOS操作系統(tǒng)。（2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運(yùn)行，把CPU的時間分按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如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)。1.7嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)按實(shí)時性分類強(qiáng)實(shí)時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機(jī)床）；一般實(shí)時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒－幾秒的數(shù)量級上，其實(shí)時性的要求比強(qiáng)實(shí)時系統(tǒng)要差一些（電子菜譜的查詢）。弱實(shí)時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長（工程機(jī)械）。1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（PollingLoop）最簡單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理。Initialize()While(true){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……if(condition_n)acition_n();}按軟件結(jié)構(gòu)分類2）事件驅(qū)動系統(tǒng)：（Event-Drivensystem）事件驅(qū)動系統(tǒng)是能對外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺、實(shí)時多任務(wù)、多處理器等，是嵌入式實(shí)時系統(tǒng)的主要形式。應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為（background）。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為（foreground)。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫中斷級。例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如微波爐、電話機(jī)、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務(wù)來完成。前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）ISRISR后臺前臺ISR時間代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務(wù)切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護(hù)）。代碼的臨界區(qū)任務(wù)是一個具有獨(dú)立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運(yùn)行活動，是實(shí)時內(nèi)核的調(diào)度單位，具有動態(tài)性，并行性，異步獨(dú)立性。并行性：系統(tǒng)中存在多個任務(wù)，宏觀上是同時運(yùn)行的。動態(tài)性：狀態(tài)不斷變化，就緒態(tài)，運(yùn)行態(tài)，等待等。異步獨(dú)立性：每個任務(wù)各自按各自獨(dú)立的不可預(yù)知的速度運(yùn)行，走走停停。任務(wù)多任務(wù)（任務(wù)、進(jìn)程和線程）CPU寄存器任務(wù)控制塊1任務(wù)控制塊2任務(wù)控制塊n休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)n……CPU寄存器一個任務(wù)，也稱作一個進(jìn)程，是一個簡單的運(yùn)行程序。每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間。多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。

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C合實(shí)驗(yàn)（時鐘、位圖、USB、KEY）。系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（Scheduler)多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點(diǎn)之間。調(diào)度（Scheduler）是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法指，CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。非占先式與占先式非占先式（non-preemptive）非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)（cooperativemultitasking），各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到改任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。非占先式內(nèi)核的一個特點(diǎn)是幾乎不需要使用信號量保護(hù)共享數(shù)據(jù)。運(yùn)行著的任務(wù)占有CPU，而不必?fù)?dān)心被別的任務(wù)搶占。非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級的任務(wù)慢，任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)，但還不能運(yùn)行，也許要等很時間，直到當(dāng)前運(yùn)行著的任務(wù)釋放CPU。內(nèi)核的任務(wù)級響應(yīng)時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務(wù)才能拿到CPU的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時候釋放CPU。非占先式(Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級任務(wù)就緒低優(yōu)先級任務(wù)釋放CPU使用權(quán)TIME當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，要使用占先式（preemptive）內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運(yùn)行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。使用占先式內(nèi)核時，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務(wù)CPU的使用權(quán)被高優(yōu)先級任務(wù)剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。占先式（preemptive）占先式(Preemptive)低優(yōu)先級任務(wù)ISR高優(yōu)先級任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）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)得到CPU使用權(quán)TIME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?？芍厝胄秃瘮?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。可重入型函數(shù)或者只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中。一個不可重入型函數(shù)的例子intTemp;Voidswap(int*x,int*y){Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}可重入型函數(shù)一個可重入型函數(shù)的例子Voidswap(int*x,int*y){intTemp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}任務(wù)優(yōu)先級靜態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的動態(tài)優(yōu)先級應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。實(shí)時內(nèi)核應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)優(yōu)先級繼承，優(yōu)先級封頂。信號量(Semaphore)信號量是60年代中期EdgserDijkstra發(fā)明的。信號量實(shí)際上是一種約定機(jī)制，在多任務(wù)內(nèi)核中普遍使用.信號量用于：控制共享資源的使用權(quán)(滿足互斥條件)標(biāo)志某事件的發(fā)生使兩個任務(wù)的行為同步信號與信號量并不加以區(qū)分，而說它有兩種類型，二進(jìn)制型(binary)和計(jì)數(shù)器型(counting)死鎖(或抱死)Deadlock

死鎖也稱作抱死，指兩個任務(wù)無限期地互相等待對方控制著的資源。設(shè)任務(wù)T1正獨(dú)享資源R1，任務(wù)T2在獨(dú)享資源R2，而此時T1又要獨(dú)享R2，T2也要獨(dú)享R1，于是哪個任務(wù)都沒法繼續(xù)執(zhí)行