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本文主要介紹嵌入式系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)知識，從嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、嵌入式系統(tǒng)的組成、實時系統(tǒng)、邏輯電路基礎(chǔ)以及接口技術(shù)兩方面介紹，希望對各位有幫助。
嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)
1、嵌入式系統(tǒng)的定義
?。?）定義：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
（2）嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的4個階段：無操作系統(tǒng)階段、簡單操作系統(tǒng)階段、實時操作系統(tǒng)階段、面向Internet階段。
?。?）知識產(chǎn)權(quán)核（IP核）：具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個集成電路設(shè)計中重復(fù)使用的功能模塊，是實現(xiàn)系統(tǒng)芯片（SOC）的基本構(gòu)件。
?。?）IP核模塊有行為、結(jié)構(gòu)和物理3級不同程度的設(shè)計，對應(yīng)描述功能行為的不同可以分為三類：軟核、固核、硬核。
2、嵌入式系統(tǒng)的組成
包含：硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層
?。?）硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設(shè)備接口和I/O接口。
Cache：位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快。
?。?）中間層（也稱為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP）。
它將系統(tǒng)上層軟件和底層硬件分離開來，使系統(tǒng)上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口開發(fā)即可。
BSP有兩個特點：硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性。
設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：
A、 嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化和BSP功能。
片級初始化：純硬件的初始化過程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。
板級初始化：包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，為隨后的系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序建立硬件和軟件的運行環(huán)境。
系統(tǒng)級初始化：以軟件為主的初始化過程，進行操作系統(tǒng)的初始化。
B、 設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。
?。?）系統(tǒng)軟件層：由RTOS、文件系統(tǒng)、GUI、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。
RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。
（4）應(yīng)用軟件：由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。
3、實時系統(tǒng)
?。?）定義：能在指定或確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。
?。?）區(qū)別：通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間和用戶的使用方便;而實時系統(tǒng)主要考慮的是在最壞情況下的系統(tǒng)行為。
（3）特點：時間約束性、可預(yù)測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。
?。?）硬實時（強實時）：指應(yīng)用的時間需求應(yīng)能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。
?。?）軟實時（弱實時）：指某些應(yīng)用雖然提出了時間的要求，但實時任務(wù)偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實時信息采集系統(tǒng)。
?。?）任務(wù)的約束包括：時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。
4、實時系統(tǒng)的調(diào)度
?。?）調(diào)度：給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程。
?。?）搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級驅(qū)動的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點是實時性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對簡單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時間約束;缺點是上下文切換多。
?。?）非搶占式調(diào)度：通常是按時間片分配的調(diào)度，不允許任務(wù)在執(zhí)行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執(zhí)行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點是上下文切換少;缺點是處理器有效資源利用率低，可調(diào)度性不好。
?。?）靜態(tài)表驅(qū)動策略：系統(tǒng)在運行前根據(jù)各任務(wù)的時間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運行時刻表，指明各任務(wù)的起始運行時刻及運行時間。
?。?）優(yōu)先級驅(qū)動策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。
?。?）實時任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。
?。?）實時系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理采集的數(shù)據(jù)、并將加工后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機構(gòu)管理任務(wù)控制機構(gòu)執(zhí)行。
5、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)
?。?）馮諾依曼結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序和數(shù)據(jù)的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…
?。?）哈佛結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問，是一種將程序存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…
?。?）CISC與RISC的特點比較。
計算機執(zhí)行程序所需要的時間P可以用下面公式計算：
P=I×CPI×T
I：高級語言程序編譯后在機器上運行的指令數(shù)。
CPI：為執(zhí)行每條指令所需要的平均周期數(shù)。
T：每個機器周期的時間。
?。?）流水線的思想：在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行過程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^程在CPU中重疊執(zhí)行。
?。?）流水線的指標：
吞吐率：單位時間里流水線處理機流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過程所用時間不一樣長，則吞吐率應(yīng)為最長子過程的倒數(shù)。
建立時間：流水線開始工作到達最大吞吐率的時間。若m個子過程所用時間一樣，均為t，則建立時間T=mt。
?。?）信息存儲的字節(jié)順序
A、存儲器單位：字節(jié)（8位）
B、字長決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。
C、32位微處理器的虛擬地址空間位232，即4GB。
D、小端字節(jié)順序：低字節(jié)在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
E、大端字節(jié)順序：高字節(jié)在內(nèi)存低地址處，低字節(jié)在內(nèi)存高地址處。
F、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存儲順序問題取決于OSI模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。
6、邏輯電路基礎(chǔ)
?。?）根據(jù)電路是否具有存儲功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時序邏輯電路。
（2）組合邏輯電路：電路在任一時刻的輸出，僅取決于該時刻的輸入信號，而與輸入信號作用前電路的狀態(tài)無關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。
?。?）時序邏輯電路：電路任一時刻的輸出不僅與該時刻的輸入有關(guān)，而且還與該時刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時序邏輯電路有寄存器和計數(shù)器等。
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