嵌入式计算机系统

1. 嵌入式计算机系统 侯建刚 houjiangang@bit.edu.cn

2. 教学计划 • 概述 • ARM体系结构 • ARM指令系统 • 实时操作系统（VxWorks） • 嵌入式应用处理器开发及应用实例

3. 先问几个问题?

4. 定义 • 问：什么是“嵌入式系统”？ • （1）一个计算机系统？ • （2）嵌入式（而不是服务器、桌面机） • 问：什么是“计算机系统”？ • 问：什么是“嵌入式”

5. 判断 • 问：这个系统是嵌入式系统吗？ • 用户认为。。。 • 程序员或工程师认为。。。。 • 系统设计者认为。。。。。

6. 你是谁：用户？最好的评价者工程师？最受气的劳动者设计者？最容易犯错误的权威你是谁：用户？最好的评价者工程师？最受气的劳动者设计者？最容易犯错误的权威

7. 结论 • 硕士毕业：做“设计者”（Why?） • 性能评价：作为系统设计者，设计之前要知道别人将怎样评价一个系统，这样才能设计出“公认”的“GOOD”产品！

8. 节目预告(4~15周)第一阶段：设计者 第二阶段：学生（复习） 第三阶段：工程师（案例） 最后：考试（开卷）or PAPER

9. (1)设计者教程 • 嵌入式的基本概念

10. (2)学生教程 • ARM体系结构 • ARM指令系统 • 实时操作系统

11. (3)工程师教程 • 嵌入式应用处理器开发及应用实例

12. 请提问 • 问题1：教材是什么？ • 主教材 • 问题2：怎么考试？ • 交一份（实验/技术文档），我最喜欢，意味着什么？ • 问题3：我说下有关课程之性质 • “研究生”课堂 =（学术）会议”，意味着什么？（你们要发言！）

13. 第一阶段开始 嵌入式计算机系统的基本概念

14. 嵌入式系统 • 嵌入式计算系统是把计算机直接嵌入到应用系统之中,它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术,是信息技术IT(Information Tehnology)的最终产品。

15. 概念 • 根据英国电机工程师协会的定义所做的翻译，“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”。它具备了下列四项的特性： • 通常执行特定功能 • 以微电脑与外围构成核心 • 严格的时序与稳定性要求 • 全自动操作循环 嵌入式系统的架构可分成五个部分：处理器、内存、输入与输出、操作系统与应用软件。

16. 嵌入式系统体系架构 • IP(Intellectual Property)级 架构 • 系统级芯片SOC(Systom on Chip)的形式。把不同的IP单元,根据应用的要求集成在一块芯片上,各种嵌入式软件也可以以IP的方式集成在芯片中 • 芯片级架构 • 根据各种IT产品(应用系统)的要求,可以选用相应的处理器(MCU、DSP、RISC型MPU等)芯片、RAM、ROM(EPROM/EEPROM/FLASH)及I/O接口芯片等组成相应的嵌入式系统;相应的系统软件/应用软件也以固件形式固化在ROM中。这是目前嵌入式系统最常见的形式。 • 模块级 构架 • 以X86处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中

17. Intel个人互联网用户架构PCA

18. Intel PCA应用子系统的开放式软件框架

19. 应用子系统软件和组件 • 平台服务： 提供了硬件抽取和Intel PCA硬件的接口。 • 操作系统： 为各种任务及应用提供了结构框架和基本服务,如： ·多媒体服务──支持数据流音频和视频应用 ·安全服务──支持增强的安全程序库 ·平台管理服务──为用户的设备提供管理支持 ·通信服务──用于建立和控制网络连接的总体平台通信能力 • 中间件：附加的软件组件可以为应用添加新服务,以供使用,Intel提供供了组件形式的集成性能的中间件。 • 固有运行时程序库： Intel提供了Intel集成性能函数库IPP(Integrated Performance Primitives) • 用户应用：为用户提供各种最先进功能

20. 嵌入式计算机系统的特点 • 复杂的算法 • 用户界面 • 实时 • 多速率 • 制造成本 • 功率

21. 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心 • X86微处理器架构 －开发方便和移植容易等优点,但是其体积大、功耗高和实时性差等不足也给其带来应用的局限 • 数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor) －数字信号处理能力强,特别适合于声音、图像等多媒体信息处理系统 • RISC(Reduced Instruction Set Computer)型处理器 －结构简单、处理速度快和处理功能强

22. ARM架构处理器 ARM公司是嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商,它为ARM架构处理器提供了ARM处理器内核(如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等)和ARM处理器核(ARM710T/720T/740T、ARM920T/922T/940T、ARM926E/966E及ARM1020E等)。由各半导体公司(ARM公司合作伙伴)在上述的处理器内核或处理器核基础上进行再设计,嵌入各种外围和处理部件,形成各种嵌入式微处理器MPU或微控制器MCU。

23. 主流ARM处理器及使用场合 ARM7系列 • 􀂃S3C4510B（SamSung）：基于以太网的嵌入式集成应用系统； • 􀂃S3C44B0X（Samsung）：需要人机交互较多的智能仪器仪表等； • 􀂃EP7312（Cirrus Logic）：高档PDA设备，数字音频处理； • 􀂃AT91X40XXX（Atmel）：工业控制；

24. 主流ARM处理器及使用场合 ARM9系列 • 􀂃S3C2410（SamSung）：高档PDA设备 • 􀂃S3C2440（Samsung）：高档PDA设备及其他应用 • 􀂃EP9312/9315（Cirrus Logic）：高档PDA设备，数字音频、视频处理 • 􀂃AT91RM9200（Atmel）：工业控制及其他运算密集和低功耗应用

25. StrongARM架构处理器 StrongARM是Intel公司为手持式消费类电子设备和移动计算与通信的嵌入式处理器。采用StrongARM架构的处理器有： • SA-1： StrongARM处理器内核 • SA-110： StrongARM处理器核 • SA-1100： 通用处理器MPU • SA-1110： 通用处理器MPU • IXP1200： 采用StrongARM核的网络处理器

26. 掌上PC的SA1110与SA1110配套应用

27. XScale微架构处理器 XScale架构处理器是新一代为无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器,是PCA开发式平台架构中的应用子系统与通信子系统中的嵌入式处理器

28. XScale系统结构图

29. 基于Xscale微架构的处理器 • IOP310： Pentium处理器的套片 • IOP321： Pentium的I/O处理器 • PXA210：嵌入式应用处理器 • PXA250：嵌入式应用处理器

30. 嵌入式操作系统 面向嵌入式系统的操作系统有以下的特点： • 编码体积小 • 面向应用,可裁剪和移植 －实时多任务操作系统 ASOS(Application Specific Operating System) • 实时性强 －实时多任务操作系统 RTOS(Real Time Operating System) • 可靠性高

31. 嵌入式操作系统应用对象 • 基于或与Windows兼容： ─Window CE、嵌入式Linux、EPOC • 工业与通信(传统)类：─VxWorks、pSOS、QNX、Neculeus、VRTX • 单片机类：─iRMX、CMX、μC/OS • 面向Internet类： ─Palm OS、Visor、Hopen、PPSM

32. 嵌入式系统编程语言

33. 嵌入式系统的高级语言特点 • 与汇编语言的接口 • 对系统资源的直接访问 • 位操作 • 中断和异常事件处理

34. 嵌入式系统的软件开发过程

35. 嵌入式系统的编程特点 嵌入式系统处理的对象往往比较多,也比较复杂。为此,系统往往把这些对象作为任务的软件模块来处理;另外,系统对实时的要求也比较高,用来快速响应各种事件的处理。嵌入式操作系统的内核虽然都不大,一般都具有实时处理和多任务调度的功能,故有很多嵌入式操作系统也称为实时多任务操作系统RTOS(Real Time Operating System)

36. 嵌入式系统的编程框架

37. 嵌入式系统的开发 • 模拟(Simulation) • 嵌入式在线仿真(Embedded-ICE) • 远程调试(常驻调试监控器)

38. 嵌入式系统的开发调试方法

39. 体系结构设计 • 体系结构式系统整体结构的一个计划，而后用于设计搭建整个体系结构的构件。 • 体系结构的创建式许多设计者认为的设计的第一阶段。

40. 移动地图框图

41. 移动地图系统的硬件和软件体系结构

42. 设计硬件构件和软件构件 • 现成的构件 • 软件模块 • 自设计模块 系统集成