DOC《嵌入式系统设计读书笔记》

嵌入式系统设计读书笔记 目录

第一章 嵌入式系统基础知识

1 1.

1嵌入式系统定义及组成

1 1.1.1嵌入式系统的定义

1 1.1.2嵌入式系统发展概述

1 1.1.3嵌入式系统的组成

3 1.1.4实时系统

5 1.2 微处理器体系结构

6 1.2.1冯.诺依曼与哈佛结构

6 1.2.1.1冯.诺依曼结构

6 1.2.1.2哈佛结构

7 1.2.2 CISC与RISC

7 1.2.2.1复杂指令集计算机CISC

7 1.2.2.2精简指令集计算机RISC

9 1.2.2.3 CISC和RISC的特点

10 1.2.3 流水线技术

10 1.2.4 信息存储的字节顺序

11 1.3 嵌入式系统的硬件基础

12 1.3.1 组合逻辑电路基础

12 1.3.2时序逻辑电路

13 1.3.3 总线电路及信号驱动

14 1.3.3.1总线

14 1.3.3.2 三态门

15 1.3.3.3 总线的负载能力

15 1.3.3.4 总线复用

15 1.3.3.5总线通信协议

16 1.3.3.6 总线仲裁

16 1.3.4 电平转换电路

17 1.3.4.1 数字集成电路的分类

17 1.3.4.2 常用数字集成电路逻辑电平接口技术

17 1.3.4.3 可编程逻辑器件基础

18 1.3.4.4 现场可编程器件分类

19 1.4 嵌入式系统中信息表示与计算基础

24 1.4.1 计算机中数的表示

24 1.4.2 非数值数据编码

25 1.4.3 语音编码

25 1.4.4 差错控制码

25 1.4.5 嵌入式系统的性能评价

26 1.4.5.1 度量项目

26 1.4.5.2 评估嵌入式系统处理器的主要指标

26

第二章 嵌入式微处理器与接口知识

27 2.1 嵌入式微处理器的结构和类型

27 2.1.1 嵌入式微处理器的分类

27 2.1.2 典型的8位微处理器的结构和特点

28 2.1.3 典型的16位微处理器的结构和特点

28 2.1.4 典型的32位微处理器的结构和特点

29 2.1.5 DSP处理器的结构和特点

30 2.1.6 多核处理器的结构和特点

31 2.2 嵌入式系统的存储体系

32 2.2.1 存储器系统的概述

32 2.2.1.1 存储器系统的层次结构

32 2.2.1.2 高速缓存cache

32 2.2.1.3 存储管理单元

35 2.2.2 嵌入式系统存储设备分类

37 2.2.2.1 存储器部件的分类

37 2.2.2.2 存储器的组织和结构

38 2.2.3 ROM的种类与选型

38 2.2.3.1 常见的ROM的种类

38 2.2.3.2 各类型ROM的特点和不同点

38 2.2.4 Flash Memory的种类与选型

39 2.2.4.1 Flash Memory的种类

39 2.2.4.2 NOR 和NAND 型的Flash Memory 各自的典型特征和不同点

40 嵌入式系统基础知识 1.1嵌入式系统定义及组成 1.1.1嵌入式系统的定义 可以说除了桌面计算机和服务器外所有计算设备都属于嵌入式系统,例如从便携式音乐播放器到航天飞机上的实时系统控制都属于嵌入式. 简单地通过速度和成本来定义嵌入式系统是困难的,但对于大批量的产品而言,成本常常对系统设计起决定作用. 通常,一个嵌入式系统的很多部分相对系统主要功能来说需要较低的性能,因此嵌入式系统和通用PC相比,能够使用一个满足辅助功能的合适的CPU,从而简化了系统设计,降低了成本.例如, 数字电视的机顶盒需要处理每秒以百万兆位计的连续数据,但这些数据处理大部分是由定制的硬件来实现的,如解析、管理和编解码多个频道的数字影像. 对于大批量的嵌入式系统,降低成本就成为最主要的问题,这些系统通常只具有几个芯片:一个高度集成的CPU,一个定制的芯片用于控制其他所有的功能,还有一个存储芯片. 对于小批量的嵌入式应用,为了降低开发成本,常常使用PC体系结构,通过限制程序的执行时间或用一个实时操作系统来替换原先的操作系统.这种情况下,可以使用一个或多个高性能的CPU来替换特殊用途的硬件. 嵌入式系统软件通常运行在有限的硬件资源上:没有硬盘、操作系统、键盘或屏幕.软件一般都没有文件系统,如果有的话,也会采用Flash驱动器.如果有人机交互接口的话,也是一个小键盘或液晶显示器. 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础,软件、硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统. 嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板.事实上,所有带有数字接口的设备,如手表、微波炉、录像机、汽车等,都使用嵌入式系统,有些嵌入式系统还包含操作系统,但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑. 1.1.2嵌入式系统发展概述 发展历史:世界上第一个应用的嵌入式系统可以追溯到20世纪60年代中期的阿波罗(AGC, Apollo Guidance Computer)导航计算机系统. 从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用,嵌入式系统少说也有了30多年的历史.纵观嵌入式系统的发展历程,大致经历了以下4个阶段. 无操作系统阶段 最初应用是基于单片机的,大多以可编程控制器的形式出现,具有监测、设备指示等功能,通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中,一般没有操作系统支持,只能通过汇编语言对系统进行直接控制,运行结束后再清除内存.这些装置仅仅使用8位CPU芯片来执行一些单线程的程序,还谈不上 系统 的概念. 特点:系统结构功能单一,处理效率较低,存储容量较小,几乎没有用户接口,但价格低廉,在工控领域广泛应用. 简单操作系统阶段 20世纪80年代,随着微电子工艺水平的提高,集成电路(Integrated Circuit, IC)制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件集成到一片VLSI(大规模集成电路 Very Large Scale Integrated circuites)中. 特点:出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU,操作系统虽然还比较简单,但已初步具有了一定的兼容性和扩展性,内核精巧且效率高,主要用来控制系统负载及监控应用程序的运行. 实时操作系统阶段 20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下,面向实时信号处理算法的数字信号处理器(DSP, Digital Signal Processor)产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展.随着硬件实时性要求的提高,嵌入式系统软件规模不断扩大,逐渐形成了实时多任务操作系统(Real-time Operation System, RTOS) 特点:此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面(Graphic User Interface, GUI)等功能,并提供了大量的应用程序接口(Application Programming Interface, API), 从而使应用软件的开发变得更加简单. 面向Internet阶段 随着Internet的进一步发展,以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密,嵌入式设备与Internet的结合是嵌入式系统未来的发展趋势. 嵌入式系统的发展趋势 Palm OS 掌上电脑操作系统 SOC 片上系统(System On Chip) IP核(知识产权核Intellectual Property Core, IP Core), 是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块,是实现SOC的基本构件. IP核对应描述功能行为的不同分为三类,即软核(Soft IP Core)、完成结构描述的固核(Firm IP Core)和基于物理藐视并经过工艺验证的硬核(Hard IP Core). HDL(Hardware Description Language),是硬件描述语言.顾名思义,硬件描述语言就是指对硬件电路进行行为描述、寄存器传输描述或者结构化描述的一种新兴语言. RTL寄存器传输(Register Transfer Level) EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作.EDA技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可靠性,减轻了设计者的劳动强度. 软核,通常以硬件描述语言HDL文本形式提交给用户,它经过RTL级设计优化和功能验证,但其中不含有任何物理信息,用户可以综合出正确的门电路级设计网表,并可以进行后续设计,具有很大的灵活性,借助于EDA综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体,根据不同半导体工艺,设计成具有不同性能的器件. 缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性,而且IP软核以源代码的形式提供,IP知识产权不易保护. 硬核,基于半导体工艺的物理设计,经过工艺验证,具有可保证的性能,由于无需RTL级文件,更易于实现IP保护,缺点是灵活性和可移植性差. 固核,介于软核和硬核之间,除了完成软核所有的设计外,还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节,一般以门级电路网表的形式提供给用户. IC设计中采用IP复用可以缩短产品的开发周期,提高产品的可靠性. 为了保护IP核的开发者与使用者,同时建立良好的IP核技术基础,全球各界已筹备了许多策略联盟,如EDA联盟、RAPID联盟、VCX联盟与VSIA联盟等,来积极推动IP核的开发、应用及推广.其中EDA联盟主要由提供继承电路自动化设计的公司所组成,主要以如何更好的EDA软件工具为主,也处理一部分IP核使用标准的问题.VSIA联盟针对IP核的定义、开发、授权及测试等建立了一个公共的共性规范. 1.1.3嵌入式系统的组成 一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成.执行装置也称为被控对象,如SONY智能机器狗上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器. 硬件层,包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等).在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块,其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中. 嵌入式微处理器 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. 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯. 诺依曼体系结构或哈佛体系结构;