【嵌入式开发】嵌入式概念 Embedded

志扬工作室

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· 2021-07-17

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嵌入式系统：

嵌入式系统的发展：

第一阶段：

以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。

第二阶段：

以嵌入式中央处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。

第三阶段：

以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。

第四阶段：

以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。

嵌入式系统的组成：

-嵌入式系统硬件组成：

1嵌入式处理器包括：嵌入式微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）。

2外围电路包括：各式存储器（RAM、ROM、FLASH），时钟电路，各种I/O接口电路，调试接口（JTAG、BDM等）。

3外部设备包括：存储卡（CF、SD卡）、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。

-嵌入式系统软件组成：

嵌入式系统设计步骤：

嵌入式存储器

嵌入式存储器的主要类型：

触发器（Flip-Flops and Latches）、寄存器（Register Files）、静态随机访问存储器（SRAM）、动态随机访问存储器（DRAM）、闪速存储器（FLASH）、磁盘（Magnetic Disk）等

嵌入式处理器

嵌入式处理器的基本概念：

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。

如MCS-51、PIC、AVR、ARM、DSP等

-ARM

-PowerPC

-MIPS

-Xscale

-DSP

-X86

嵌入式处理器的主要类型：

-嵌入式微处理器 EMPU

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU

嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等

流行的嵌入式微处理器:

􀂄ARM/Strong (ARM公司)

􀂄PowerPC 、68000 (MOTOROLA公司)

􀂄MIPS(MIPS公司)

-嵌入式微控制器 MCU

以某一种微处理器内核为核心，内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、PWM、A/D、D/A、Flash、EEPROM等必要功能和外设。嵌入式微控制器又称单片机，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、数目众多ARM芯片等。

ARM7和ARM9的区别（3、5流水线）

流行的嵌入式微控制器：

􀂄通用系列:MCS-51,MCS-96/196/296

􀂄半通用系列:支持I2C,CAN BUS及众多专用MCU和兼容系列

-数字信号微处理器 DSP

在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正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。有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列。TMS320包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列、性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、56100、56200、56300等几个不同系列。

数字信号处理器（DSP）（4流水线）

应用领域：

-数字滤波

-频谱分析 FFT

流行的嵌入式DSP：

-TMS320C2000系列（TI）

-MCS-296（Intel）

-嵌入式片上系统SOC

在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System OnChip(SOC)。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。

流行的SOC：

-Smart XA （Philips）

-可编程片上系统（SOPC—Nios2）

用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。

嵌入式处理器的选择因素：

性能、尺寸、能耗、价格

▉ 经济性（成本）

▉ 微型化（封装、功耗）

▉ 智能化（功能、速度）

嵌入式操作系统

操作系统的主要类型：

嵌入式操作系统的分类：

按表现形式分（硬件范畴）：

◆ 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）

◆ 模块级嵌入（系统中的某个核心模块）

◆ 系统级嵌入

按实时性要求分（软件范畴）：

◆ 非实时系统（PDA）

◆ 软实时系统（消费类产品）

◆ 硬实时系统（工业和军工系统）

嵌入式操作系统具有操作系统的最基本的功能：

􀂄进程调度（没有虚拟内存的管理）

􀂄内存管理、设备管理、文件管理􀂄中断管理

􀂄系统功能接口(API调用，如网络功能) 、设备驱动

实时操作系统类型：

-一般实时操作系统

-嵌入式实时操作系统RTOS

嵌入式实时操作系统概念：

实时操作系统RTOS：

-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、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

RTIOS下，可以分别编写各个任务，不必同时将所有任务运行的各种可能记在心中，减少工作量，减少出错，保证高可靠性

-实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，任务之间的切换以优先级为根据

-只有优先服务方式的RTOS才是真正的实时操作系统

-时间分片方式和协作方式的RTOS并不是真正的“实时”

代码的临界区

也称为临界区，指处理时不可分割的代码，运行这些代码不允许被打断。为保证临界区代码的执行，进入临界区之前要关中断，执行完成后要立即开中断

资源

程序运行时可使用的软、硬件环境。可以是IO设备、也可以是一个变量、一个结构、一个数组

共享资源

可以被一个以上任务使用的资源。为防止数据被破坏，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

任务

也称为线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于该程序本身。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，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

任务切换

当多任务内核决定运行另外的任务时，保存正在运行任务的当前状态(CPU寄存器中的全部内容)，保存在任务的当前状态保存区(任务自己的栈)，入栈工作完成后，把下一任务的当前状态从任务的栈中重新装入CPU寄存器，开始下一任务的执行。任务切换增加了应用程序的额外负荷。CPU寄存器越多，额外负荷越重。任务切换所需时间取决于CPU有多少寄存器要入栈

内核

内核负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间，负责任务间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如2％～5％的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等

调度

是内核的主要职责之一。决定该轮到哪个任务运行了。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的内核，是非占先式的还是占先式的内核

任务优先级

任务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

中断

中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分(或全部)上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序(中断服务子程序ISR)。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：

1.在前后台系统中，程序回到后台程序

2.对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务

3.对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行

时钟节拍

-时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动

-中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间

-时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据

-时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大