嵌入式系统结课论文.docx

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嵌入式系统结课论文

1什么是嵌入式系统？

1、1嵌入式系统概念

嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机系统。

它所强调的是隐藏计算机的常见形式，辅助寄宿主设备，使宿主设备的功能智能化。

据此，通常把嵌入式系统定义为一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可以剪裁，适用于系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

1、2嵌入式系统发展趋势

系统化

嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。

随着互联网技术的成熟、带宽的提高，网上信息日趋丰富，应用项目多种多样，像手机、掌上电脑等嵌入式设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。

为了满足功能的不断升级，设计师一方面要采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还要采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。

目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有Windriver，Microsoft，QNX和Nuclear等。

开源化

随着嵌入式Linux系统的产生，越来越多的嵌入式产品采用开源嵌入式操作体统。

由于Linux系统本身所具备的特点，使得开源嵌入式操作系统很容易推广并且得到不断的完善。

相信不久的将来，开源的完善的嵌入式系统会在嵌入式系统应用中占据更重要的地位。

人性化

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，原因是它们具有与使用者之间的亲和力和自然的人机交互界面。

人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。

手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形图像处理已经取得初步成效。

目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同声翻译还有一定的距离。

相信随着科技的进步和用户需求的进一步提高，这方面会在不久的将来得到完善。

节能化

随着嵌入式产品设计者提高了对嵌入式软件设计技术的要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优于小亮：

嵌入式系统应用现状及发展趋势概述化编译器性能等。

可以降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片，从而使得嵌入式产品支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本。

网络化

与互联网相连已成为必然趋势。

为适应嵌入式分布处理需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口。

针对联网要求，嵌入设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394，USB，CAN，Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。

2嵌入式处理器的分类与特点

2、1嵌入式微处理器的分类

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，一般把嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统。

（1）嵌入式微控制器（MicroController（微控制器）UnitMCU

MCU一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASHRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。

为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。

这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，适合于控制，因此称为微控制器。

（2）嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）

MPU采用增强型通用微处理器。

由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中，因而MPU在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。

但是，MPU在功能方面与标准的微处理器基本上是统的可靠性，技术保密性也较差。

由MPU及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。

（3）嵌入式数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）

DSP是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。

在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法很复杂，这些算法的复杂度可能是o（nm）的，甚至是NP的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。

由于DSP对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。

在数字滤波、fft、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP。

（4）嵌入式片上系统（SystemOnChip，SOC）而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。

用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

2.2常见的ARM处理器

ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核及更早的系列已经很罕见了，ARM7以后的核也不是都获得广泛应用。

目前，应用比较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM、Xscale系列。

3ARM9支持哪两种指令集

3、1ARM指令集

ARM指令集的特点：

体积小，低功耗，低成本，高性能；

支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；

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；

指令长度固定；

流水线处理方式

Load_store结构：

在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。

而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。

而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。

3、2Thumb指令特点

Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，所有的Thumb指令都有对应的ARM指令。

它舍弃了ARM指令集的一些特性

如大多数的Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的；大多数的Thumb数据处理指令的目的寄存器与其中一个源寄存器相同。

Thumb指令集在保留32代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。

Thumb指令集中操作数仍然是32位，指令地址也为32位，指令编码16位。

由于Thumb指令的长度为16位，即只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数较ARM指令多。

4什么是大端存储和小端存储？

 所谓的大端模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中；所谓的小端模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中。

5bootloader的介绍

5、1bootloader的概念

BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。

通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

5、2常见的Bootloader

●U-boot

这是现在使用最多的bootloader之一，是sourceforge上的一个开源项目。

支持ARM，MIPS，PowerPC，x86等处理器，同时支持linux，VxWorks,NetBSD,QNX等操作系统。

●PPCBoot

这是德国DENX小组开发的用于多种嵌入式CPU的Bootloader引导程序。

目前支持ARM，MIPS，PowerPC等处理器。

●RedBoot

Redhat公司随ECOS发布的一个开源项目。

可以通过串口和以太网口与GDB进行通信和调试应用程序。

●ARMBoot

这也是sourceforge上的一个开源项目，设计只针对ARM的处理器结构，所以在ARM内核的平台上移植比较方便。

●Blob

赫赫有名的一款强大的bootloader。

●Vivi

韩国mizi公司开发的bootloader，适用于ARM9的处理器。

6嵌入式操作系统与通用操作系统相比有何不同？

　　与通用的操作系统相比，嵌入式系统有许多优点，如下所示：

　1、可装卸性：

开放性、可伸缩性的体系结构

　　2、较强的实时性：

可用于各种设备控制当中

　　3、统一的接口：

提供各种设备驱动接

　　4、操作方便、简单、有好GUI

　　5、功能强大的网络功能：

支持TCP/IP/USB

　　通用计算机系统要求的是高速、海量的数值运算。

在技术发展上追求总线速度不断提升、存储容量不断扩大。

而嵌入式计算机系统要求的是对象体系的智能化控制能力，在技术发展方向追求对特定对象系统的嵌入性、专用性和智能化。

7当前常见的嵌入式操作系统有哪些？

比较常用的操作系统有uC/OS、Linux、WindowsCE和VxWorks、PalmOS等。

（1）uC/OS是一款源代码公开、高度可移植的免费实时内核；

uC/OS的特点：

具有RTOS基本的特点，代码尺寸小、结构简明、易学、易移植；源代码的绝大部分是用C语言写的，经过简单的编译，就能在PC机上运行；用汇编语言写的部分只有200行左右，该实时内核可以方便地移植到几乎所有的嵌入式应用类CPU上。

目前流行的是uC/OSⅡ版本，可支持ARM、PowerPC、MIPS、68k/ColdFire和x86等多种体系结构。

（2）Linux开放源代码，不存在黑箱技术。

内核小、功能强大、运行稳定、效率高。

开放源代码的操作系统易于定制裁减，在价格上极具竞争力。

不仅支持X86CPU，还可支持其他数十种CPU芯片。

有大量的且不断增加的开发工具和开发环境。

沿用了Unix的发展方式，遵循国际标准，可方便的获得众多第三方软硬件厂商的支持。

Linux内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对十兆、百兆、千兆以太网、无线网络、令牌网、光纤网、卫星等多种联网方式的全面支持。

此外在图像处理、文件管理及多任务支持诸多方面也都非常出色。

（3）WindowsCE由微软开发，主要应用于PDA，以及智能电话（smartphone）等多媒体网络产品。

针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台。

是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。

WindowsCE嵌入但不够实时，属于软实时操作系统，目前也开始中文手机的研究开发。

（4）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（RTOS），具有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。

VxWorks所具有的显著特点是：

良好的可靠性、实时性和可裁减性。

缺点是价格昂贵；它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。

美国火星探测器所使用的嵌入式实时操作系统就是VxWorks：

（5）PalmOS是Palm公司开发的专用于PDA上的一种操作系统，曾经是PDA上的霸主，一度曾占据了90%的PDA市场的份额，主要与WINCE进行激烈竞争。

现在趋向于边缘化。

特点：

是一种32位的嵌入式操作系统，主要用于掌上电脑。

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