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嵌入式考试复习资料.pdf
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1
一 1.嵌入式系统定义
―以应用 为中心,以 计算机技术 为基础, 软件硬件可裁剪 ,功能、
可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用 计算机系统。 ‖
2.嵌入式系统与 pc和单片机的区别
嵌入式系统 PC 机
嵌入式系统一般是 专用 系统,而 PC 是通用 计算平台
嵌入式系统的 资源 比 PC 少得多
嵌入式系统软件 故障带来的后果 比 PC 机大得多
嵌入式系统一般采用 实时 操作系统
嵌入式系统大都有 成本、功耗 的要求
嵌入式系统得到多种 微处理体系 的支持
嵌入式系统需要 专用的开发工具
嵌入式系统 单片机系统
目前嵌入式系统的主流是以 32 位嵌入式微处理器为核心的硬件设计和基于实时操
作系统( RTOS)的软件设计 ;
单片机系统多为 4 位、 8 位、 16 位机, 不适合运行操作系统 ,难以完成复杂的运算
及处理功能 ;
嵌入式系统强调基于 平台的设计、软硬件协同设计 ;单片机大多采用 软硬件流水设
计;
嵌入式系统设计的 核心 是软件设计 (占 70%左右的工作量) ;单片机系统软 硬件设计
所占比例基本相同。
3.实时系统的定义(软、硬)
实时系统:如果 逻辑和时序出现偏差 将会引起 严重后果 的系统
软实时系统: 系统的宗旨是使各个任务运行得 越快越好 ,并不要求限定某一任务必须在多长
时间内完成(响应时间为数十秒)
硬实时系统:各任务不仅要 执行无误 而且要做到 准时 (响应时间在 ms 或 us 级)
二 1. BSP 的概念和特点
BSP(板级支持包)是介于底层硬件和操作系统之间的软件
层,它完成 系统上电后最初的硬件和软件初始化 ,并 对底层
硬件进行封装 ,使得操作系统不再面对具体的操作。
BSP的特点:
1) 硬件相关性: 因为嵌入式系统的硬件具有应用相关性, 所以, 作为高层软件与硬件之间
的接口, BSP必须为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。
2) 操作系统相关性: 不同的操作系统具有各自的软件层次结构, 因此, 针对不同的操作系
统具有特定的接口形式。
2. SoC定义
2
SoC 就是 System on Chip , SoC 嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。
SoC 是追求产品系统最大包容的集成器件, SOC 最大的特点是成功实现了 软硬件无缝结合 ,
支持 直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块 。
3.冯 ·诺依曼体系结构 /哈佛体系结构
冯 ·诺依曼体系的特点:
数据与指令都存储在 同一存储空间 中
统一编址 ,指令和数据通过 同一总线 访问
被大多数计算机所采用
ARM7 —— 冯诺依曼体系
缺点:取指令和存取数据要从同一个存储空间存取,经由同一总线传 输,因而它们 无法
重叠执行
哈佛体系结构的特点:
程序与数据在不同存储空间;每个存储器 独立编址、独立访问
使用 程序 和数据总线(两条独立的总线) ,使数据吞吐率提高一倍
适合于 数字信号处理
大多数 DSP 都是哈佛结构
ARM9 是哈佛结构
由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线,使得各条指令可以重叠执
行,这样,也就克服了数据流传输的瓶颈,提高了运算速度。
4.CISC/RISC
CISC : 复杂指令集( Complex Instruction Set Computer )
具有大量的指令和寻址方式
8/2 原则 : 80%的程序只使用 20%的指令
大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
RISC : 精简指令集( Reduced Instruction Set Computer)
在通道中只包含最有用的指令
确保数据通道快速执行每一条指令
使 CPU 硬件结构设计变得更为简单
指令规整、对称、简单,指令小于 100 条,基本寻址方式只有 2~3 种
单周期指令 ,便于流水操作
大量的寄存器 (不少于 32 个)
类别 CISC RISC
指令系统 指令数量很多 较少,通常少于 100
执行时间 有些指令执行时间很长,如整块的存储器内
容复制;或将多个寄存器的内容复制到存贮
器
没有较长执行时间的指令
编码长度 编码长度可变, 1-15 字节 编码长度固定 ,通常为 4 个字节
3
寻址方式 寻址方式多样 简单寻址
操作 可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作 只 能 对 寄 存 器 进 行 算 术 和 逻 辑 操 作 ,
Load/Store 体系结构
编译 难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术, 生成高效的目标代码程序
5.流水线
流水线:在 CPU 中把一条指令分解成多个可单独处理的操作,使每个操作在一个 专门的硬
件站( stage)上执行 ,这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成,但
是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中, 在多个站间重叠执行, 因此可以实现指令的
并行处理。
6.高速缓存
Cache 的设计思想:把在一段时间内、一定地址范围中被频繁访问的信息集合,成批地从主
存中读到一个能高速存取的小容量存储器中存放起来 ,供程序在这段时间内随时使用,从而
减少或不再去访问速度较慢的主存,以加快程序的运行速度。
7.IP 核
知识产权 (IP) 电路或核是设计好并经过验证的集成电路功能单元。
Soft Cores(“code”)(软核) HDL 语言描述;灵活度高,可修改;与工艺独立,可根据具体
的加工工艺重新综合; IP 很难保护。
Firm cores( “code+structure”)(固核) 逻辑综合后的描述;与工艺相关。
Hard cores(“physical”)(硬核) 物理综合后的描述;准备流片;包含工艺相关的布局和时序
信息; IP 很容易保护,但灵活性和可移植性差。多数的处理器和存储器
IP 核的商业模型 (三种模式 )
1)设计者提供设计和工具的许可证
DSP Group (Pine and Oak Cores), 3Soft, ARM 。 提供包括 HDL 在内的模拟模型, 工具或仿真
器。使用者负责设计制造。
2)核厂商设计并制造集成电路芯片: TI, Motorola, Lucent 。VLSI, SSI, Cirrus, Adaptec 。
3)核厂商卖核 , 负责为客户设计并制造芯片: LSI logic, TI, Lucent 。
8.嵌入式操作系统的分类和特点
从应用领域来分
面向信息家电的嵌入式操作系统
面向智能手机的嵌入式操作系统, 如 SymbianOS 、MS Mobile OS 、PalmOS、Embedded
Linux 等
面向汽车电子的嵌入式操作系统
面向工业控制的嵌入式操作系统
从实时性的角度来分
实时嵌入式操作系统: 具有强实时特点, 如 VxWorks 、QNX 、Nuclear 、OSE、DeltaOS 、
各种 ITRON OS 等。
非实时嵌入式操作系统:一般只具有弱实时特点,如 WinCE 、版本众多的嵌入式
Linux 、PalmOS 等。
4
从嵌入式系统的商业模式来分类
商用型:功能稳定、可靠,有完善的技术支持和售后服务,开发费用 +版税。
开源型:开放源码,只收服务费,没有版税。 如 Embedded linux , RTEMS ,eCOS。
嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统,它具有一般操作系统的功能,
同时具有嵌入式软件的特点,主要有: 可固化存储;可配置、可剪裁;独立的板级支持包,
可修改;不同的 CPU 有不同的版本;应用的开发需要有集成的交叉开发工具
9.可重入函数
可以 被一个以上的任务调用 ,而不必担心数据的破坏。 可重入型函数 任何时候都可以被中断 ,
一段时间以后又可以运行, 而相应数据不会丢失。 可重入型函数 只使用局部变量 ,即变量保
存在 CPU 寄存器或堆栈中。
三 1.交叉开发环境
交叉开发环境由宿主机和目标机组成,宿主机与目标机之间在 物理连接的基础上建
立起逻辑连接。
交叉开发 环境 是指用于嵌入式软件开发的 所有工具软件的集合 ,一般包括:
1)文本编辑器 2)交叉编译器 3)交叉调试器 4)仿真器 5)下载器等
2.嵌入式系统的调试方法
1) 模拟调试( Simulator )
调试工具和待调试的嵌入式软件都在主机上运行, 由主机提供一个模拟的目标运行环境, 可
以进行语法和逻辑上的调试。
优点:简单方便,不需要目标板,成本低
缺点:功能非常有限,无法实时调试
大多数调试工具都提供 Simulator 功能
2) 软件调试( Debugger )
主机和目标板通过某种接口 (通常是串口) 连接, 主机上提供调试界面, 待调试软件下载到
目标板上运行。
这种方式的先决条件是要在 Host 和 Target 之间建立起通信联系(目标板上称为监控程序
Monitor 或 Angel )
优点:纯软件,价格较低,简单,软件调试能力较强
缺点:需要事先烧制 Monitor( 往往需多次试验才能成功 ) 且目标板工作正常,功能有限,特
别是硬件调试能力较差。
3)BDM/JTAG调试( BDM/JTAG Debugger)
要求有一个硬件调试体。 该硬件调试体与目标板通过 BDM、JTAG等调试接口相连, 与主机通
过串口、 并口、 网口或 USB口相连。 待调试软件通过 BDM/JTAG调试器下载到目标板上运行。
优点:方便、简单,无须制作 Monitor ,软硬件均可调试
缺点:需要目标板,且目标板工作基本正常(至少 MCU工作正常),仅适用于有调试接口的
一个不可重入型函数的例子
int Temp;
Void swap (int *x,int*y)
{
Temp=*x;
*X=*Y;
*y=T emp;
}
一个可重入型函数的例子
Void swap (int *x,int*y)
{
int Temp;
Temp=*x;
*X=*Y;
*y=Temp;
}
5
芯片
4) 全仿真调试( Emulator )
用仿真器完全取代目标板上的 MCU,因而目标系统对开发者来说完全是透明的、可控的。仿
真器与目标板通过仿真头连接, 与主机有串口、 并口、 网口或 USB口等连接方式。 由于仿真
器自成体系,调试时既可以连接目标板,也可以不连接目标板( Stand alone )。
优点:功能非常强大,软硬件均可做到完全实时在线调试 缺点:价格昂贵。
3.链接文件的作用
.ld 文件 :描述代码链接定位的有关信息,包括代码段,数据段,地址段等,链接器必须使用
该文件对整个系统的代码做正确的定位
.map 文件 :防止软件调试过程中访问非法存储区时产生异常中断; .CS 文件 :通过一组命令序
列来让集成环境自动完成一些特定的功能
四 1.ARM ? ARM 微处理器的特点
ARM(Advanced RISC Machines )是英国知识产权核( IP )设计公司,既可以认为是一个公
司的名字,也可以认为是对一类微处理器的统称,还可以认为是一种技术的名字。
ARM 处理器共有 37 个寄存器,被分为若干个组,这些寄存器包括:
31 个通用寄存器,包括程序计数器( PC 指针),均为 32 位的寄存器;
6 个状态寄存器,用于标识 CPU 的工作状态及程序的运行状态,均为 32 位。
ARM 微处理器的特点:低功耗、低成本、高性能
1)采用 RISC 指令集
采用 RISC 架构的 ARM处理器一般具有如下特点:
①固定长度的指令格式,指令归整、简单,基本寻址方式有 2~3 种;
②使用单周期指令, 便于流水线操作执行③大量使用寄存器, 数据处理指令只对寄存器进行
操作,只有加载 / 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。
2)使用大量的寄存器: ARM 处理器共有 37 个寄存器,被分为若干个组,这些寄存器包括:
31 个通用寄存器,包括程序计数器( PC 指针),均为 32 位的寄存器;
6 个状态寄存器,用于标识 CPU 的工作状态及程序的运行状态,均为 32 位。
3)ARM/THUMB 指令支持
ARM 微处理器支持两种指令集: ARM 指令集和 Thumb 指令集。
ARM 指令为 32 位的长度, Thumb 指令为 16 位长度。
Thumb 指令集为 ARM 指令集的功能子集, 但与等价的 ARM 代码相比较, 可节省 30%~ 40%
以上的存储空间,同时具备 32 位代码的所有优点。
4)三/五级流水线
除此以外, ARM 体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片
的面积,并降低功耗。
2.ARM 微处理器的主要系列
按应用特征分类
结 构 体 系 版 本
( Architecture)
ARM v4T
ARM v5TE
ARM v6
ARM Cortex (v7)
Processor Family
ARM7
ARM9
ARM10
ARM11
ARM Cortex
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