大工13春《嵌入式原理与开发》辅导资料三
大工13春《嵌入式原理与开发》辅导资料三主 题：第一章嵌入式系统概论（第3节）
学习时间：4月15日-4月21日
内 容：
第一章嵌入式系统概论
这周我们将学习第一章中的第3节，这部分重点介绍嵌入式系统的应用领域与系统组成，下面整理出的理念框架供同学们学习。
第三节 嵌入式系统组成简介
1.3.2 典型嵌入式系统的硬件组成
典型嵌入式系统的硬件组成（1）
典型嵌入式系统的硬件组成（2）
嵌入式核心控制模块：硬件架构的核心部件，操作系统和应用程序的运行和存储。
（一）嵌入式处理器的特点
（1）对实时多任务有很强的支持能力
从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。
（2）具有功能很强的存储区保护功能
可以避免在软件模块之间、任务与任务之间出现错误的交叉作用；同时也有利于软件诊断。
（3）可扩展的处理器结构
以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
（4）嵌入式微处理器必须功耗很低
尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW或W级。
（二）嵌入式处理器的分类
(1)嵌入式微控制器MCU
嵌入式MCU的典型代表是单片机，目前主要包括：4位、8位、16位。
目前在工业、智能家电等领域广泛应用，由于适合于控制，因此称为微控制器。
主要特点：单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
单片机芯片内部通常集成：FlashROM 、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出等必要功能和外设。
(2)嵌入式DSP处理器
DSP（Digital Signal Processor ）数字信号处理器。
20世纪60年代发展起来的一门技术。结合数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数字分析等运算处理，是数字信号处理的基础工具。
数字信号处理包括：算法的研究和数字信号处理的实现两个方面的内容。
DSP芯片的特点
采用哈佛结构：采用数据总线与程序总线 分离方式。 采用流水线技术
配有专用的硬件乘法-累加器：可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。
具有特殊的DSP指令：循环寻址、位码倒置。
快速的指令周期
支持多处理器结构。
省电管理和低功耗。
DSP的应用
信号处理：数字滤波、快速傅里叶变换、频谱分析、波形产生等。
通信：调制解调、自适应均衡、数据加密和压缩、多路复用、移动通信、可视电话、路由器等。
语音和图象的处理：语音编码与合成、文本-语音转换、图象压缩与传输、鉴别、转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉。
军事：保密通信、雷达处理、导航、导弹制导、GPS、电子对抗、搜索与跟踪等。
仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、暂态分析。
还有在自动控制、医疗工程、家用电器等方面的应用。
DSP处理器的开发
DSP具有较完善的软、硬件开发工具：硬件在线仿真器、软件集成开发环境。
例如：TI公司提供的CCS开发工具功能强大，集成了代码的编辑、编译、连接和调试等功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程。
开放式的结构允许用户外扩展自身的模块，DSP的开发工作。
(3)嵌入式微处理器
嵌入式微处理器(EMPU\MPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的。
相对于CPU，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。
(4)嵌入式片上系统(System On Chip)
SOC技术是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。
其核心思想就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。
追求产品系统包容集成器件的最大化。
嵌入式片上系统(SOC)结构图
例如，将ARM RISC、MIPS RISC、DSP等微处理器核，加上一些通用的接口单元集成在一起，如信号采集、转换、存储、处理等功能模块，通用串行端口（USB），TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等。
1.3.3 嵌入式系统的软件组成
(一)嵌入式操作系统
(1)嵌入式操作系统分类—应用对象
（2）嵌入式操作系统分类—实时性
（3）嵌入式操作系统分类—实时性
实时性：与时间相关的特性
实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格地按时序执行功能。
其最大的特征就是程序的执行就有确定性。
分为两种：
硬实时（强实时）
软实时（弱实时）
硬(强)实时嵌入式操作系统
硬(强)实时系统：
在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败。
硬实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级，例如数控机床、导弹巡航系统。
一个硬实时系统通常在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片， VxWorks是典型的实时操作系统。
软(弱)实时嵌入式操作系统
软(弱)实时系统：
在实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会发生致命的错误。
软实时系统，其系统响应时间在毫秒或秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些，例如：电子菜谱的查询系统、手机等。
软实时系统则主要在软件方面通过编程实现的。比如Windows CE、uCLinux是一个多任务弱时系统。
嵌入式操作系统分类—成本
嵌入式操作系统分类--软件结构
(1)循环轮询系统：（Polling Loop）
最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦 条件成立就进行相应的处理。
(2)事件驱动系统
事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。
包括前后台、实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式
嵌入式系统技术的发展
应用程序
驱动层软件
驱动层软件--硬件抽象层
驱动层软件--板级支持包BSP
实时操作系统的提供商基本上都要提供性能稳定可靠、可移植性好、可配置性好、规范化的板级支持包。
作为嵌入式系统的开发者，只需在原来板级支持包基础上作一定改动，就可以适应性的目标硬件环境。
嵌入式操作系统的设备应用
为了有效组织和管理各种不同的设备，把I/O系统从上到下分为四层：API、设备管理、驱动逻辑和硬件抽象
(二)嵌入式系统的开发模式
嵌入式系统开发的代码生成是在PC机上完成，但由于嵌入式目标平台的不同（如ARM、PowerPC微处理器），就要求在开发机上的编译器能支持交叉编译（例如GCC） 、链接，然后将程序的代码下载到目标机上指定位置，然后还要交叉调试。
(1)嵌入式系统软件的开发模式
主要流程为：编写-交叉编译、链接-定位和下载-调试。
开发平台组成：硬件平台、操作系统、编程语言和开发工具。
开发环境和工具一般使用于开发主机（如微机）的资源，包括语言编译器、连接定位器、调试器等。
(2)交叉编译器、交叉开发
交叉编译器(Cross-compiler)：是一种运行在通用计算机上的、但是能够生成在另一种处理器上运行的目标代码的编译器。
交叉开发：在一台通用计算机上进行软件的编辑、编译，然后下载到嵌入式系统中运行调试
习题
1、典型嵌入式系统的组成与处理器的特点，简答？？
（图片里的自己打字出来）
特点：（1）对实时多任务有很强的支持能力
从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。
（2）具有功能很强的存储区保护功能
可以避免在软件模块之间、任务与任务之间出现错误的交叉作用；同时也有利于软件诊断。
（3）可扩展的处理器结构
以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
（4）嵌入式微处理器必须功耗很低
2、Dsp芯片的特点？？
采用哈佛结构：采用数据总线与程序总线 分离方式。 采用流水线技术
配有专用的硬件乘法-累加器：可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。
具有特殊的DSP指令：循环寻址、位码倒置。
快速的指令周期
支持多处理器结构。
省电管理和低功耗。
3、嵌入式操作系统按实时性分为几类，各自的特点是什么？？
分为两种：
硬实时（强实时）
软实时（弱实时）
硬(强)实时嵌入式操作系统
硬(强)实时系统：
在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败。
硬实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级，例如数控机床、导弹巡航系统。
一个硬实时系统通常在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片， VxWorks是典型的实时操作系统。
软(弱)实时嵌入式操作系统
软(弱)实时系统：
在实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会发生致命的错误。
软实时系统，其系统响应时间在毫秒或秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些，例如：电子菜谱的查询系统、手机等。
软实时系统则主要在软件方面通过编程实现的。比如Windows CE、uCLinux是一个多任务弱时系统。
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