Chapter 1 嵌入式系统概况

嵌入式系统

• 定义

  以应用为中心，以计算机技术为基础，软件，硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

• 发展趋势

  1. 小型化
  2. 可靠性
  3. 稳定性
  4. 高速度
  5. 实时性
  6. 智能性
  7. 实用性

嵌入式处理器

• 嵌入式微控制器(MCU)：应用于单片机，工业控制。
• 嵌入式数字信号处理器(DSP)：应用于高等计算，信号处理，通信，军事……
• 嵌入式微处理器(MPU)：由CPU演变而来。
• 嵌入式片上系统(System ON Chip，SOC)：All in one (chip).应用于ZipBee网络。

存储体系和存储层次

• 体系结构
  1. 冯·诺依曼结构：指令与数据位于同一存储器，统一编址，不能同时访问指令与数据。
  2. 哈佛结构：指令与数据位于不同存储器，可以同时访问指令与数据。
• 存储层次
  • 金字塔型
    1. Cache
    2. SDRAM(主存)
    3. Flash(内部存储):NOR型、NAND型

采用技术

• RISC(精简指令系统计算机)
• 流水线技术
• 总线和总线桥

嵌入式软件系统

概述(结构)

• 驱动层
• 操作系统层
• 中间件层
• 应用层

软件运行流程

• 上电复位
• 板级初始化
• 引导/升级系统
  • 远程升级
  • 本地升级
• 系统初始化
• 应用程序初始化
• 多任务应用

操作系统

• 实时(RTOS)：实时为首位，效率为其次
  • 硬实时
  • 软实时
• 非实时

RTOS

• 任务调度
  • 抢占式
  • 非抢占式

eg.

• μC/OS-II
• RT-Linux
• VxWorks
• Android

Chapter 2 微处理器

概述

ARM处理器

1. 使用大量32位寄存器(EAX,EBX…)，采用RISC
2. 具有很强的存储区保护功能
3. 可扩展
4. 小体积、低功耗、成本低、高性能

版本

• V1-V6
• Cortex-M：只支持Thump-2指令集(16位)
• Cortex-R(Realtime)：可支持16，32位指令集，侧重于实时系统
• Cortex-A(Application)：可支持16，32位指令集，侧重于复杂操作系统与应用
• V8：支持64位指令集

ARM指令集命名规则

• Thump指令集

  thumb指令集是arm指令集的一个子集，是针对代码密度问题而提出的，它具有16位的代码宽度。与等价的32位代码相比较，thumb指令集在保留32位代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。thumb不是一个完整的体系结构，不能指望处理器只执行thumb指令集而不支持arm指令集。

ARM微处理器(MPU)

• ①ARM架构处理器
  1. 处理器内核：只保持最基本的组织架构
  2. 处理器核(内核+Cache+MMU(内存管理单元)+etc.)
• ②集成电路厂商的外围处理部件
• ①+②=MPU

部分ARM对比

• 7代：3级流水线
• 9代：5级流水线
• 11代：8级流水线
  

组成结构与工作原理(以ARM7为例)

• 32位ALU
• 30个32位通用寄存器
• 6个状态寄存器(1个记录当前状态，5个备用)
• 1个程序计数器PC
• 32位桶型移位寄存器
• 指令译码&控制逻辑
• 指令流水线
• 数据/地址寄存器

工作状态

• ARM状态(执行32位的字对齐的ARM指令)
• Thumb状态(执行16位的半字对齐的Thumb指令)

运行模式

• 用户模式(USR)
• 快速中断模式(FIQ)
• 外部中断模式(IRQ)
• 特权模式/管理员模式(SVE)
• 数据访问中止模式(ABT)
• 未定义指令中止模式(UND)
• 系统模式(SYS)

Chapter 3 嵌入式系统开发环境及技术

嵌入式软件系统的分类

• 运行在开发平台上的软件
• 运行在嵌入式系统上的软件

开发环境

包含

• 编辑程序
• 编译程序
• 汇编程序
• 链接程序
• 调试程序
• 工程管理
• 函数库

市面上的IDE

• IAR EWARM

开发工具

分类

• 需求分析工具
• 软件设计工具
• 编码调试工具
• 测试工具
• 配置管理工具
• 维护工具

开发工具举例

• ARM公司推出
  • ADS/SDT
  • RealView MDK
• Linux自带
  • GNU

开发过程

• 生成
• 调试
• 固化

测试

• 测试方法
  • 指令集仿真程序
  • 硬件仿真器
  • 直接下载至开发板
• 测试工具
  • 内存分析工具
  • 性能分析工具
  • 覆盖分析工具
  • 缺陷追踪工具

引导程序(BootLoader)

• 嵌入式的BIOS
• 通电后首先运行的一段代码

主要任务

1. 硬件初始化
2. 建立内存映射图
3. 将操作系统和应用程序从FLASH加载到SDRAM

阶段1

• 使用汇编语言编写，不需要有太复杂的功能
  • 硬件初始化
  • 为阶段2准备RAM空间

阶段2

• 使用C编写，可实现较复杂的功能
  • 初始化要用到的设备
  • 检测系统内核映射
  • 加载内核映象和根文件系统映像(FLASH –> SDRAM)
  • 设置内核启动参数
  • 跳转到内核映像入口并执行内核程序
  • 系统软件设置，更新系统(system.bin)

Chapter 4 指令系统与程序设计

• 机器指令
  • ARM指令(32b)
  • Thump指令(16b,ARM指令的压缩)
  • Jazelle
• 伪指令
• 宏指令

ARM指令及功能描述

• 后缀名：”xxx.s”

Chapter 5 嵌入式系统设计与应用

嵌入式系统设计的一般步骤

1. 需求分析
   • 分析用户需求
   • 确定硬件软件
   • 检查分析的结果
   • 确定项目约束条件
   • 概要设计
2. 体系结构设计
3. 软硬件设计
4. 系统集成与测试

电源管理与时钟信号设计

电源管理

• 使用电源管理器
  • 可以为每个模块提供相应的电源管理
  • 可以使系统在重启，正常运行，空闲和挂起的电源状态下保存RAM中系统文件
  • 与三种客户端程序打交道
    1. 相关的驱动程序
    2. 改变电源状态 或 改变设备性能 的应用程序
    3. 与电源改变有关的程序

时钟电路

时间管理

• 功能
  • 维持日历时间
  • 任务计时
  • 软定时器的定时管理
  • 维持时间片的轮转调度
• 时钟源
  • 实时时钟
  • 定时器/计数器

S3C2440定时器

• 组成
  • 5个16位定时器，定时器组成：
    • 减法计数器
    • 初值寄存器
    • 比较寄存器
    • 观察寄存器
    • 逻辑控制
  • 2个8位预分频器，2个4位分频器
  • 可编程PWM输出占空比
  • 初值自动重装连续输出模式，单脉冲输出模式
  • 死区生成器

存储管理

• ARM结构的存储器最大寻址空间：4GB
• ARM的总线接口信号分类
  • 时钟信号和时钟控制信号
  • 地址类信号
  • 存储器请求信号
  • 数据时序信号
• 一般采用的接口电路
  • SDRAM
  • NAND Flash

系统接口电路

通用接口GPIO

• 工作过程
  • I/O系统初始化
    • 设备管理初始化
    • 驱动逻辑初始化
    • 硬件抽象初始化
  • 设备打开
  • 读/写/控制
  • 设备关闭
• ARM采用I/O与存储器统一编址的方式

中断处理

1. 中断响应，确定中断源
2. 中断处理
3. 中断返回

实例(S3C2440)

• 保存当前状态寄存器CPSR(Current Program Status Register)至SPSR(Saved Program Status Register)
• 进入特定模式，屏蔽中断
• 设置连接寄存器LR
• 设置程序计数器PC
• 处理中断
• 将保存在中断模式中的SPSR值赋给CPSR
• 将返回地址赋给PC

A/D转换

• 逐次逼近型转换

显示屏

LED

• 使用二极管

LCD

• 使用液晶
• 控制器结构
  • 时序发生器
  • LCD主控制器
  • DMA
  • 视频信号混合器
  • 数据格式转换器
  • 控制逻辑

触摸屏

• 电阻式
  • 要求点击位置精确，按压力度较大
• 电容式
  • 点击位置模糊，只需触碰
• 表面声波触摸屏

FM7843

串行通信

通用异步接收发送器 UART

• 作用
  • 将并行转为串行
  • 自动生成起、止位的帧数据格式
  • 自动进行奇偶校验

标准总线

I²C (Inter IC,内部集成电路总线)

• 全双工通信
• 数据线上信号定义
  • 空闲：时钟信号和数据信号都是高电平
  • 起始信号：时钟信号高电平，数据信号下降沿
  • 停止信号：时钟信号高电平，数据信号上升沿

SPI (通用外设接口)

• 传输时高位先传，低位后传

RS-232

• 缺点
  • 信号电平值较高，易损坏接口
  • 与TTL电平不兼容
  • 单端驱动，单端接收，一条线路传输一种信号
  • 传输速率低(19200bps)
  • 传输距离有限(30m)

USB (通用串行总线)

• 半双工通信
• 特点
  • 单极性、差分、不归零NRZI编码
  • 即插即用
  • 传输速率高
  • 连接方便，易扩展
  • 独立供电
• 信息传输方式
  • 同步传输
  • 中断传输
  • 批量传输
  • 控制传输

CAN总线 (Controller Area Network)

• 特点
  • 抗干扰能力强
  • 实时性好
  • 系统错误检测
  • 隔离能力强
• 信息传输方式
  • 同步传输

无线通信技术

• 物理层
  • 红外通道(IR)
  • 射频通道(RF)
    1. 蓝牙
    2. Wi-Fi(无线保真技术)
    3. ZigBee
    4. GSM
    5. GPRS
    6. CDMA

蓝牙

• 特点
  • 适用设备多
  • 工作频段全球通用
  • 使用方便(Plonk and Play)
  • 安全加密，抗干扰能力强

Wi-Fi

• 特点
  • 覆盖范围理论值为100m
  • 传输速度快
  • 应用方便
  • 无需布线

GPRS (通用无线业务系统)

• 特点
  • 始终在线且传输速率高
  • 成本低
  • 覆盖范围广

CDMA (码分多址)

• 特点
  • 大容量通信
  • 大范围通信
  • 高质量
  • 支持综合业务
  • 支持软切换

ZipBee (3G-5G)

• 特点
  • 声音和数据传输速度提升
  • 全球范围内无线漫游
  • 提供流媒体形式

GPS

• 组成
  1. 宇宙空间部分
  2. 地面监控部分
  3. 用户设备部分

Chapter 6 μC/OS-II 操作系统

• 特点
  • 基于ROM运行
  • 抢占式实时多任务内核
  • 高度可移植
  • 源代码开放
  • 可固化
  • 可裁剪

内核结构

1. 应用软件层
2. 核心代码层
3. 系统设置与移植层

Chapter 7 嵌入式Linux

内核组成及其功能

• 进程调度
  • 负责进程对CPU访问
  • 基于优先级的进程调度
• 内存管理
  • 硬件无关部分：提供进程的映射和逻辑内存的对换
  • 硬件有关部分：为内存管理硬件提供了虚拟接口
• 虚拟文件系统
  • 为文件和设备提供统一接口
• 网络接口(NET)
  • 提供对各种网络标准的存取和网络硬件的支持
• 进程间通信(IPC)
  • 管道和fifo
  • 信号量
  • 消息队列
  • 共享内存

生成新系统文件命令8步

1. cd/usr/src/linux 转到源代码目录
2. make menuconfig 根据具体需要
3. make dep 建立从属文件
4. make clean 删除临时文件
5. make lib_only 编译库文件
6. make user_only 编译用户应用程序文件
7. make jffs2 生成jffs2文件系统
8. make image 生成新的文件系统(镜像)

JFFS2

• 日志结构化
• 读写操作比ext2好
• 提供了安全保护(可回滚)
• 提供了更好的闪存管理

Chapter 8 Android操作系统

• 特点
  • 价格低性能高
  • 应用程序发展迅速
  • 手机厂家和运营商的鼎力支持
  • 系统开源，易于创新