第三课】嵌入式系统硬件平台一——概述、总线、存储设备RAMROMFLASH)

文章目录

四、硬件抽象层HAL五、嵌入式操作系统六、应用程序七、嵌入式处理器1、MCU2、MPU3、DSP4、SOC5、SOPC

八、ARM处理器简介ARM处理器的特点ARM处理器的发展历程ARM体系结构版本及特点ARM处理器核——ARM

VxWorks(2).

一般而言嵌入式系统的组成架构可以分成三层四个部分嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和应用程序。

四层结构也常见嵌入式硬件平台、硬件抽象层HAL、嵌入式操作系统、应用程序。

增加硬件抽象层HALHardware

Package是一套软件主要目的是屏蔽下层硬件使操作系统不再直接面对具体的硬件环境。

HAL通过特定的上层接口与操作系统进行交互向操作系统提供底层硬件信息并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。

HAL的引入大大推动了嵌入式系统的通用化为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。

典型嵌入式系统组成

嵌入式系统的核心部件大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化同时还具有很高的效率和可靠性。

嵌入式处理器包括

UnitEMPU)用于计算机通信等领域的嵌入式DSP处理器(Embedded

Digital

ProcessorEDSP)高度集成的嵌入式片上系统(System

ChipSOC)

嵌入式处理器的体系结构经历了从CISC(复杂指令集)到RISC(精简指令集)和Compact

RISC的转变位数则由4位、8位、16位、32位逐步发展到64位。

目前几乎每个大的半导体制造商都生产嵌入式处理器全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种流行的体系结构也有30多个系列其中以ARM、x86、MIPS

三、嵌入式外围设备

在嵌入式系统的硬件中除了中央控制部件(MCU、DSP、EMPU、SOC)以外用于完成存储、通信、显示等配套功能的其它硬件部件都可以算作嵌入式外围设备。

常用的嵌入式外围设备按功能可分为存储设备、通信设备和显示设备三大类。

存储设备

存储设备主要用于各类数据的存储常用的有静态随机存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM)和非易失存储器(ROM、UV

目前存在的绝大多数通信接口都可以直接应用于嵌入式系统中包括UART接口(通用异步串行通信接口)、

IrDA(红外线接口)、

总线接口)、USB(通用串行总线接口)、Ethernet(以太网接口)、CAN(现场总线)等。

显示设备

对于嵌入式系统中的显示设备根据应用场合的特点通常使用的是数码管(LED)、液晶显示器(LCD)和触摸显示屏(Touch

四、硬件抽象层HAL

硬件抽象层通过HAL接口向操作系统和应用程序提供对抽象后的硬件的服务。

它是一套软件。

板级支持包(BSP)

是商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案是硬件抽象层的一种实现。

BSP是介于硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层有时也可认为属于操作系统一部分。

BSP实现了对操作系统的支持为上层的驱动程序提供访问硬件设备的函数包。

BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与硬件平台之间的相关性使操作系统通用于BSP所支持的硬件平台实现了嵌入式操作系统的可移植性、跨平台性、通用性和复用性。

例如对同一个CPU来说要实现同样的功能VxWorks的BSP和Linux的BSP的写法和接口定义完全不同。

BSP一定要按照具体操作系统BSP的定义形式来写或在某个成型的BSP模板上修改保障与上层操作系统的正确接口良好地支持上层操作系统。

BSP直接操作硬件因此不同的板卡、不同的硬件配置将不同程度地影响BSP。

单板硬件初始化主要是CPU的初始化为整个软件系统提供底层硬件支持为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序定制操作系统的功能为软件系统提供一个实时多任务的运行环境初始化操作系统为操作系统的正常运行做好准备

五、嵌入式操作系统

为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷需要有专门负责管理存储器分配、任务调度、中断处理等功能的软件模块这就构成了嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件是嵌入式系统极为重要的组成部分通常包括系统内核、硬件相关的底层驱动程序、设备驱动接口、通信协议、文件系统、图形用户界面等。

嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点如能够有效管理复杂的系统资源能够对硬件进行抽象能够提供库函数驱动程序、开发工具等。

但与通用操作系统相比较嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专业性等方面具有着鲜明的特点。

一类是面向消费电子产品的非实时操作系统这类设备包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒(STB)等

另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统如WindRiver公司的VxWorks、QNX系统软件公司的QNX等。

实时系统是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能作出及时响应的系统。

六、应用程序

是针对特定应用领域基于某一固定的硬件和操作系统平台用来达到用户预期目标的计算机上层软件。

由于用户任务可能有时间和精度上的要求因此有些嵌入式应用程序需要特定嵌入式操作系统的支持。

嵌入式应用程序和普通应用程序有一定的区别不仅要求它在准确性、安全性和稳定性等方面满足实际应用的需要而且还要尽可能地进行优化以减少对系统资源的消耗降低硬件成本。

七、嵌入式处理器

目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种流行的体系结构包括MCU、MPU等类型的30多个系列。

从单片机、DSP到FPGA品种越来越多速度越来越快性能越来越强价格也越来越低。

对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。

能够实现多任务并且有较短的中断响应时间从而使内部的代码和实时内核的执行时间减小到最低程度;具有功能很强的存储区保护功能。

由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用需要设计强大的存储区保护功能同时也有利于软件故障诊断;处理器结构可扩展。

能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式处理器;低功耗。

尤其是在便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统中其功耗可以达到mW级甚至uW级。

近年来嵌入式处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。

专业分工也越来越明显出现了专业的IP(Intellentual

Property

Core知识产权核)供应商如ARM、MIPS等他们提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核而由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。

1、MCU

嵌入式微控制器的典型代表是8位单片机目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。

I/O口、定时/计数器、串行通信口、A/D、D/A、看门狗等各种常用功能和外设。

例如51单片机MSP430PSOC

MCU微控制器数据总线宽度一般为8位或16位处理速度有限一般在几个~几十个MIPS进行一些复杂的应用比较困难运行操作系统就更难。

2、MPU

MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的8038680387

与通用计算机处理器不同的是在实际嵌入式应用中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。

3、DSP

DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器其在系统结构和指令体系方面进行了针对常用信号处理算法所需的特殊设计在数字滤波、FFT、频谱分析等方面DSP获得了大规模的应用。

DSP是运算密集处理器一般用在快速执行算法做控制比较困难。

为了追求高执行效率不适合运行操作系统核心代码有时使用汇编。

4、SOC

片上系统SoCSystem-on-a-chip指的是在单个芯片上集成一个完整的系统对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。

所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等。

SOC片上系统是IC设计的发展趋势。

采用SOC设计技术可以大幅度地提高系统的可靠性减少系统的面积和功耗降低系统成本极大地提高系统的性能价格比。

SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用电子系统性能的核心器件。

5、SOPC

用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上称作SOPC。

可编程片上系统SOPC是一种特殊的嵌入式系统

其次它是硬件可编程系统具有灵活的设计方式可裁减、可扩充、可升级。

用可编程逻辑技术可实现一个内嵌的小型CPU并具备软硬件在系统可编程的功能。

八、ARM处理器简介

ARM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通称还可以认为是一种技术的名字。

1991年ARM公司成立于英国剑桥它是一家微处理器行业的知名企业其主要业务是设计16位和32位的嵌入式处理器。

该公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC精简指令集处理器。

ARM公司只做设计本身并不生产和销售芯片而是采用技术授权的方式由合作公司生产各具特色的芯片。

世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM处理器核根据各自不同的应用领域加入适当的外围电路从而形成自己的ARM处理器芯片进入市场。

体积小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb16位/ARM32位双指令集能很好地兼容8位/16位器件大量使用寄存器指令执行速度快大多数数据操作都在寄存器中完成寻址方式灵活简单执行效率高采用固定长度的指令格式

第一片ARM处理器是1983年10月到1985年4月间在位于英国剑桥的Acorn

ARM体系结构版本及特点

Cortex发布于2005年为各种不同性能需求的应用提供了一整套完整的优化解决方案该系列的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求。

目前ARM

针对价格敏感应用领域的嵌入式处理器只支持Thumb-2指令集强调操作的确定性以及性能、功耗和价格的平衡。

是为对开发费用非常敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用如微控制器、汽车车身控制系统和各种大型家电所设计的主要面向单片机领域可以说是51单片机的完美替代品。

注“ARM核”并不是芯片ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。

九、嵌入式操作系统

OS)指运行在嵌入式系统中对整个嵌入式系统所操作、控制的各种资源进行协调、调度和控制的系统软件。

EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度控制、协调并发活动。

EOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台是嵌入式系统极为重要的组成部分通常包括系统内核、与硬件相关的底层驱动软件、设备驱动接口、通信协议、文件系统、图形界面等。

与通用操作系统相比较嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点

嵌入式操作系统的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率改变了以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的方式。

(1).

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统。

是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的实时操作系统。

它支持多种处理器如x86,

i960,

ARM等。

由于其良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境在嵌入式实时操作系统领域占据重要的一席之地。

VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。

在美国的

F-16、FA-18

隐形轰炸机和爱国者导弹上甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。

在我国的交换通信设备上VxWorks几乎成了嵌入式实时操作系统的标准。

(2).

Inc.)公司推出的新一代嵌入式操作系统属于抢占式实时多任务操作系统内核其95%的代码使用ANSI

C编写非常便于移植于各种处理器家族。

从实现的角度来讲不同于传统嵌入式开发Nucleus

Plus是以函数库的形式链接到目标应用程序中形成可执行目标代码下载到目标板上或烧到ROM/FLASH

ROM

Plus内核在典型的CISC体系结构上占据大约20k空间而在典型的RISC体系结构上占据空间为40k左右其内核数据结构占据1.5k字节的空间。

Nucleus

Plus以其实时响应、抢占、多任务以及源代码开放特性获得在通讯、国防、工业控制、航空/航天、铁路、网络、POS、自动化控制、智能家电等领域的广泛应用。

(3).

实时操作系统是由位于加拿大渥太华的QNX软件系统公司开发的一个针对嵌入式应用的可以使用在严实时应用中的高可靠性微内核实时操作系统。

能够运行在x86,

PowerPC,

它由微内核和一组共操作的进程组成具有高度的伸缩性可灵活地剪裁最小配置只占用几十KB内存。

因此可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、PDA等应用中去。

2005年7月QNX被应用到NASA重返太空飞行任务中的Neptec激光摄像机系统中。

(4).

CE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。

Windows

CE的图形用户界面相当出色。

其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消费(Consumer)、通信能力(Connectivity)和伴侣(Companion)E代表电子产品(Electronics)。

Windows

CE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式操作系统其操作界面虽来源于Windows

95/98但Windows

CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。

Windows

CE不仅继承了传统的Windows图形界面并且在Windows

Visual

C等工具使用同样的函数、使用同样的界面风格使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows

(5).

Linux是一个类似于Unix的操作系统。

它起源于芬兰一个名为Linus

Torvalds的业余爱好但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。

Linux从1991年问世到现在短时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统其性能在很多方面甚至超过了很多商用的Unix系统。

伴随网络技术进步而发展起来的Linux

OS已成为Windows

Linux系统不仅能够运行于PC平台还在嵌入式系统方面大放光芒各种嵌入式Linux

OS迅速发展。

目前正在开发的嵌入式系统中49的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。

(6).

Android一词的本义指“机器人”Android是Google在2007年11月5日公布的基于Linux平台的开源智能手机操作系统名称。

该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。

Android手机系统最震撼人心之处在于它的开放性和服务免费。

Android是一个对第三方软件完全开放的平台开发者在为其开发程序时拥有更大的自由度突破了iPhone等只能添加为数不多的固定软件的枷锁同时与Windows

Mobile、Symbian等厂商不同Android操作系统至今免费向开发人员提供。

实现个性化应用设定:

Android系统对所有应用程序一视同仁不会区分手机的核心应用程序和第三方应用程序。

它们可以平等的享有手机性能向用户提供广泛的应用和服务。

用户可以随心所欲的设定、替换手机屏幕上的各种应用程序、小插件等打造出完全符合自己使用需求的个性化手机。

与Google应用的无缝结合:

由于Android系统是由Google主导研发因此Android操作系统手机可以无缝结合优秀的Google互联网服务如大家熟知的Google

Map、Google