1、教 案课程题目 DSP 及 ARM 技术专题题目 ARM 技术第一讲 嵌入式系统概述授课教员 王金洪授课单位 研究六室 1第一讲 嵌入式系统概述一、教学目的、要求使学员从总体上掌握嵌入式系统的概念和嵌入式处理器的分类；重点掌握嵌入式操作系统的基本概念、使用实时操作系统的必要性以及实时操作系统的优缺点；了解常见的嵌入式操作系统的特点，为学习后续课程打好基础。二、教学重点、难点重点：嵌入式系统的概念，嵌入式处理器的分类，嵌入式操作系统。难点：嵌入式操作系统。三、课堂讲授设计采用 PowerPoint 课件讲授。四、讲授内容（本课程的预备课程是微机原理及应用、 计算机体系结构。具备操作系统、 数据结
2、构知识就更好了。 ）（本课程是讲述“嵌入式 计算机系统” 的，在后面 简称“嵌入式系统 ”。）（一）嵌入式系统经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。如：MP3 、数码相机与打印机就有很大的不同；汽车中更具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净和更容易驾驶。这样，定 义嵌入式系统的概念却不容易了。备注21、嵌入式系统的概念目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种是全面。下面给出两种比较合理的定义：（1）嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 件硬件可裁剪，适应应用系统对
3、功能、可靠性、成本、体积及功耗 严格要求的专用计算机系统。（2）嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“ 嵌入式”反映了这 些系统通常是更大系 统中的一个完整的部分，成为 嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。（以汽车控制系统说明上面两个概念。 ）（说明：在民用和军用的自动化、信息化、智能化系统中，嵌入式系统无处不在。 ）2、嵌入式系统的未来1990 年之前，嵌入式系统通常是很简单，而且具有很长产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革：（1）全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。（2）互联，现在是一个需求而不是辅助性的，
4、包括有线和无线的互通。（3）基于电子的产品更复杂化。（4）互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。（5）微处理器的处理能力按莫尔定律预计的速度增加。该定律 认为集成电路的晶体管个数每 18 个月翻番。（6）嵌入式软件继续增加新的应用，并产生更加灵巧的产品种类。（既然是嵌入式计算机系统，大家已经对计算机非常熟悉了，一台计算机的核心是处理器，下面介绍嵌入式处理器。 ）（二）嵌入式处理器31、嵌入式处理器简介普通个人计算机（PC）中的处理器是通用目的的处理器，其设计非常丰富，因为这些处理器提供全部的特性和广泛的功能，故可以用于各种应用中。使用这些通用处理器的系统有大量的应用编程资源。例如，现代
5、处理器具有内置的内存管理单元（MMU），提供内存保护和多任务能力的虚拟内存和通用目的的操作系统。这些通用的处理器具有先进的高速缓存逻辑，许多还具有执行快速浮点运算的内置数字协处理器。它们提供接口，支持各种各样的外部设备，而且能源消耗大，产生的热量多，尺寸也大。其复 杂性意味着这些处理器的制造成本昂贵。早期的嵌入式系统通常用通用目的的处理器建造。由于嵌入式系统的应用广泛，再加上大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不再用通用目的的处理器。主要从 4 个方面来考虑，即性能、尺寸、能耗、价格。（1）注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于 PDA-个人数字助理
6、等不注重计算的设备。（2）更关注嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备。（3）注重嵌入式处理器的尺寸、能耗、价格和性能4 个需求。应 用于蜂窝电话（如手机）等设备。（根据嵌入式处理器的应用，可以进行以下分类）2、嵌入式处理器的分类（1）嵌入式微处理器（Embedded MicroProcessor Unit，EMPU）由于嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，在 应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本是一样的，但一般在工作温度、
7、抗电磁干扰及可靠性等方面都做了各种增强。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及4可靠性高的优点，但是在电路板上必须包含ROM、RAM、总线接口及各种外设等器件。目前主要有：Power Pc、68000、MIPS 和 ARM 系列等。（2）嵌入式微控制器（MicroControl Unit，MCU）嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时 器/ 计数器、WatchDog 、I/O、串行口、脉冲调制输出、A/D、D/A、Flash RAM 和 EEPROM
8、 等各种必要功能和外设。为 适应不同的应用需要，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品的处理机内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减小功耗和成本。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体 积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。目前主要有：8051 系列、AVR 和数目众多的ARM 芯片等。（3）嵌入式 DSP 处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）DSP
9、 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计 ，使其适合于执行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT （快速傅立叶 变换）及谱分析等方面，DSP 算法正在大量 进入嵌入式 领域，DSP 应 用正在从在通用单片机中以普通指令 实现 DSP功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。目前主要有：TMS320 系列和 DSP56000 系列。（4）嵌入式片上系统（System on Chip， SoC）随着 EDA（电子设计自动化）的推广和 VLSI（超大规模集成电路）设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临， 这就是 SoC。各种
10、通用处理器内核将作5为 SoC 设计公司的标准库，和 许多其它嵌入式系 统外设一样，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用 标准的 VHDL 等 语言描述，存储在器件库中。用户只需要定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 （但价格高、数量要大。 ）SoC 可以分为通用和专用两类。（后面的课程将以 ARM 系列嵌入式微处理器和嵌入式 DSP 微处理器为重点，讲授嵌入式系 统具体应用和实现。嵌入式微控制器比较简单，作为
11、自学内容。对嵌入式片上系统作简单介绍。 ）（一个系统有了控制中心，还要有调度系统的机制才能使系统正常运转。下面回顾操作系统用途，介绍嵌入式操作系统。 ）（三）嵌入式操作系统1、嵌入式操作系统简介在计算机技术发展的初期，计算机系统中没有“操作系统”这个概念。为了给用户提供一个与计 算机的接口，同时提高 计算机的资源利用率，便出现了计算机监控程序，使用户能通过监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，监控程序又进一步发展形成了操作系统。 发展到现在，广泛使用的有三种操作系统：第一，多道批量处理操作系统：一般用于计算中心较大的计算机系统中。由于其硬件设备比较全、价格较高，所以此类系统十分注意 CP
12、U 及其它设备的充分利用，追求高的吞吐量，不具备实时性。第二，分 时 操作系统：主要目的是让多个计算机用户能共享系统资源，能及时地响应和服务于联机用户，只具有很弱的实时功能，但与真正的实时操作系统仍然有明显的区别。第三，实时操作系统：用于嵌入式系统。 实时操作系统的要求：6（1）异步的时间响应。实时系统为了能在系统要求的时间内响应异步的外部事件，要求有异步 I/O 和中断处理能力。 I/O 响应时间常受内存访问、盘访问 和处理机总线速度所限制。（2）切换时间和中断延时时间确定。（3）优先级中断和调度。必须允许用户定义中断优先级和被调度的任务优先级，并指定如何服务中断。（4）抢占式调度。为保证响
13、应周期，实时操作系统必须允许高优先级任务一旦准备好运行，马上抢占低优先级任务的执行。（5）内存锁定。必须具备将程序或部分程序锁定在内存的能力，锁定在内存的程序减少了为获取该程序而访问盘的时间，从而保证了快速响应时间。（6）连续文件。应提供存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时查找时间最少。通常要求把数据存储在连续文件上。（7）同步。提供同步和协调共享数据使用和时间执行的手段。 实时操作系统的应用特点：总的来说，实时操作系统是事件驱动（Event Driven）的，它能 对来自外界的作用和信号在限定的时间内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用
14、，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。 实时操作系统的分类：（1）一般实时操作系统：应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、 调试及运用一致的环境。（2）嵌入式实时操作系统：应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小、可固化、使用实时性强（在毫秒或微秒数量级上）。7（要学习好嵌入式操作系统必须首先把下面的一些概念搞清楚。对于初学者，这是一个难点）2、嵌入式操作系统的引入（1）前后台系统对基于芯片开发来说，应用程序一般是一个无限的
15、循环，可称 为前后台系统或超循环系统。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。中断服 务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台也可以叫做任务级，前台也可以叫做中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来完成的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息时才能得到进一步处理，所以这种系统在处理的及时性上比实际要差。这个指标称作任务级响应时间。最坏的情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。因为循环的执行时间不是一个常数，程序经过某一特定部分的准确时间也不能确定。进而，如果程序修改了， 则循环 的时序也会受到影响。基于微处理器的产品，一般
16、比较简单，采用前后台系统设计，不需要操作系统。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。（2）实时操作系统实时操作系统（RTOS ）是一段在嵌入式系 统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS 之上的各个任 务 ，RTOS 根据各个任务 的要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。在 RTOS 支持的系 统中，每个任务均有一个优先级，RTOS 根据各个任 务的优先级， 动态地切 换各个任务，保证对实时性的要求。工程师在编写程序时，可以分别编写各个任务，不别同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减小了程序编写
17、的工作量，而且减小了出错的可能性，保8证最终程序具有高可靠性。实时多任务操作系统以分时方式运行多个任务，看上去好像是多个任务“同时”运行。任务之间的切换应答以优先级为根据，只有优先服务方式的 RTOS 才是真正的 实时操作系统，时间分片方式和写作方式的 RTOS 并不是真正的“实时”。3、嵌入式操作系统的基本概念（1）代码的临界区代码的临界区也称临界区，指处理时不可分割的代码，运行 这些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行， 则不允许任何中断打入（这也不是绝对的，如果中断不调用任何包含临界区的代码，也不访问任何临界区使用的共享资源，则这个中断可能可以执行）。为确保临界区代码的执行，在进行临
18、界区之前要关中断，而临界区代码执行完成以后要立即开中断。（2）资源、共享资源程序运行时可以使用的软、硬件环境称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘和显示器。资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占 该资源，这叫互斥。（3）任务、任务的优先级一个任务也称作一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为 CPU 完全属于该程序自己。 实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某个部分，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。任务
19、的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态。（4）内核、调度、任 务切换多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每一个任务分配 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。之所以使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内9核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们，可以通过改变任务来实现不同的功能。内核本身也增加了应用程序的额外负荷。代码空间增加了 ROM 的用量，内核本身的数据结构增加了RAM 的用量，但更重要的是，每个任 务要有自己的栈空间， 这一 块占内存是相当厉害的。内
20、核本身对 CPU的占用时间一般在 2%5%之间。 （由于 CPU 的速度和存储器的容量不断增加，价格不断下降，上述的问题已是次要问题。 ）通过提供必不可少的系统服务，诸如信号量管理、消息队列及延时等，实时内核使得 CPU 的利用更为有效。一旦用实时内核做过系统设计，将绝不再想返回到前后台系统。调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行。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而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。然而究竟何时让高优先级任务掌握 CPU 的使用 权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型
21、的内核，是非占先式的还是占先式的内核。当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态，即 CPU 寄存器中的全部内容（此时执行的代码可能就是临界区）。这些内容保存在任务的当前状态保存区，也就是任务自己的栈区之中。入栈工作完成后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入 CPU 的寄存器，并开始下一个任务的运行，这个过程称为任务切换，它增加了应用程序的额外负荷。CPU 的内部寄存器越多，额外负荷就越重。（5）非占先式内核、占先式内核非占先式内核要求每个任务自我放弃 CPU 的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个 CPU。异步事件 还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后，控制权还是回
