目錄

一、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

1、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

2、哈弗體系結(jié)構(gòu)

二、嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1、嵌入式微控制器MCU(CPU+片內(nèi)內(nèi)存+片內(nèi)外設(shè))

2、嵌入式微處理器MPU(CPU)

3、嵌入式數(shù)字信號處理器DSP

4、嵌入式片上系統(tǒng)SOC(System-on-a-Chip)

三、多核處理器

四、嵌入式操作系統(tǒng)EOS

五、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)RTOS

六、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

七、嵌入式系統(tǒng)的軟件

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一、嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

1、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

（1）程序和控制共用一個存儲空間，程序指令和數(shù)據(jù)存放在同一存儲器的不同地址上。

（2）單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的總線寬度相同。

（3）串行執(zhí)行，在傳輸上會出現(xiàn)瓶頸

2、哈弗體系結(jié)構(gòu)

（1）程序和數(shù)據(jù)采用不同的存儲空間，程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址存在不同的存儲空間。每個存儲器獨(dú)立編制，獨(dú)立訪問。

（2）獨(dú)立的地址及數(shù)據(jù)總線，兩個存儲器對應(yīng)兩套獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線。

（3）并行執(zhí)行，提高速度。

二、嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式微處理器是核心，它由控制器（控制單元）、運(yùn)算器（算數(shù)邏輯單元）、寄存器組成。

1、嵌入式微控制器MCU(CPU+片內(nèi)內(nèi)存+片內(nèi)外設(shè))

單片機(jī)，在同一塊芯片內(nèi)除了中央處理器單元（CPU）之外還集成了部分內(nèi)存和外設(shè)。

將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同的組合控制。

特點(diǎn)是體積小從而使功耗和成本下降。

2、嵌入式微處理器MPU(CPU)

臺式機(jī)和筆記本電腦的處理芯片屬于微處理器。微處理器提供高速的總線以及實(shí)現(xiàn)與外部的內(nèi)存和外設(shè)進(jìn)行交互。

嵌入式系統(tǒng)大多使用微控制器，原因在于：

• 節(jié)約成本和節(jié)省功耗：在實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，將大量的芯片集成在一塊芯片內(nèi)的制造和使用成本，以及功耗都降低。
• 簡化硬件設(shè)計(jì)：由于微控制器內(nèi)集成了大量的外設(shè)，使得嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)得到了極大的簡化。

3、嵌入式數(shù)字信號處理器DSP

是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的插件。運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用處理器，它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要的特點(diǎn)：

• （1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法
• （2）程序和數(shù)據(jù)分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)
• （3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問
• （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持
• （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持
• （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器
• （7）可以并行執(zhí)行多個操作
• （8）支持流水操作，使取值、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行

4、嵌入式片上系統(tǒng)SOC(System-on-a-Chip)

在同一芯片上集成了控制部件（微處理器、存儲器）和執(zhí)行部件（I/O接口，微型開關(guān)、微機(jī)械），能夠自成體系，獨(dú)立工作的芯片。

SoC采用了片內(nèi)可再編程技術(shù)，可使片上系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來配置，從而可以實(shí)時地進(jìn)行靈活而方便的修改和開發(fā)。

三、多核處理器

將多個獨(dú)立CPU封裝再一起，集成在一個電路里。多核處理器是單枚芯片，能直接插入單一的處理器插槽中。

在多核處理器中，計(jì)算機(jī)可以同執(zhí)行多個進(jìn)程，而操作系統(tǒng)中的多個線程也可以并行執(zhí)行。

采用多核處理器可以降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗和體積。

多核處理器有三種運(yùn)行模式

多核CPU環(huán)境下進(jìn)程的調(diào)度算法一般有全局隊(duì)列調(diào)度和局部隊(duì)列調(diào)度兩種。

（1）全局隊(duì)列調(diào)度是操作系統(tǒng)維護(hù)一個全局的任務(wù)等待隊(duì)列，當(dāng)系統(tǒng)中有一個CPU核心空閑時，操作系統(tǒng)便從全局任務(wù)等待隊(duì)列中選取就緒任務(wù)并開始在此核心上執(zhí)行，它的優(yōu)點(diǎn)是CPU核心利用效率較高。

（2）局部隊(duì)列調(diào)度是指操作系統(tǒng)為每個CPU內(nèi)核維護(hù)一個局部的任務(wù)等待隊(duì)列，當(dāng)系統(tǒng)中有一個CPU內(nèi)核空閑時，便從該核心的任務(wù)等待隊(duì)列中選取恰當(dāng)?shù)娜蝿?wù)執(zhí)行，局部隊(duì)列調(diào)度可以使任務(wù)基本上無需在多個CPU核心間切換，有利于提高CPU核心局部緩存命中率，缺點(diǎn)是CPU利用率太低。

四、嵌入式操作系統(tǒng)EOS

嵌入式操作系統(tǒng)EOS負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。

與通用操作系統(tǒng)相比，EOS主要有以下特點(diǎn)：

• （1）微型化。EOS的運(yùn)行平臺不是通用計(jì)算機(jī)，而是嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般沒有大容量的內(nèi)存，幾乎沒有外存，因此，EOS必須做得小巧，以占用盡量少的系統(tǒng)資源。
• （2）代碼質(zhì)量高。在大多數(shù)嵌入式應(yīng)用中，存儲空間依然是寶貴的資源，這就要求程序代碼的質(zhì)量要高，代碼要盡量精簡。
• （3）專業(yè)化。嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺多種多樣，處理器的更新速度快，每種處理器都是針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。因此，EOS有很好的適應(yīng)性和移植性，還要支持多種開發(fā)平臺。
• （4）實(shí)時性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于過程控制，數(shù)據(jù)采集，通信，多媒體信息處理等要求實(shí)時響應(yīng)的場合，因此，實(shí)時性成為EOS的又一特點(diǎn)。
• （5）可裁減和可配置。應(yīng)用的多樣性要求EOS具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)和具體要求進(jìn)行靈活配置和合理裁減，以適應(yīng)微型化和專業(yè)化的要求。

五、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)RTOS

當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)。

工業(yè)控制、軍事設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的響應(yīng)時間又苛刻的要求，這就需要使用實(shí)時系統(tǒng)。能提供及時響應(yīng)與高可靠性是主要特點(diǎn)。具體可分為：

• （1）硬實(shí)時操作系統(tǒng)——在規(guī)定時間內(nèi)必須完成操作。
• （2）軟實(shí)時操作系統(tǒng)——按照任務(wù)優(yōu)先級完成即可

六、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。主要技術(shù)有：編譯優(yōu)化技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、算法優(yōu)化等。

七、嵌入式系統(tǒng)的軟件

嵌入式系統(tǒng)的軟件是指應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的各種軟件，這些軟件規(guī)模較小、開發(fā)難度大，實(shí)時性和可靠性要求高，要求固化存儲。

嵌入式系統(tǒng)軟件可以分為：

硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。

它隱藏了特定平臺的硬件接口細(xì)節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關(guān)性，可在多種平臺上進(jìn)行移植。

在嵌入式系統(tǒng)中，板級支持包BoardSupportPackage(簡稱BSP)是對硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)，是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，它主要的功能是給上層提供統(tǒng)一接口，同時屏蔽各種硬件底層的差異，以及提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動、硬件初始化（加載bootloader）和驅(qū)動。

典型真題一

試題解析：大量運(yùn)算是DSP處理器的特點(diǎn)

參考答案：A

典型真題二

試題解析：全局隊(duì)列即操作系統(tǒng)只維護(hù)一個隊(duì)列

參考答案：B

典型真題三

試題分析：任務(wù)調(diào)度是操作系統(tǒng)的工作

在基于硬件抽象層的開發(fā)中，軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試具有無關(guān)性，并可完全的并行進(jìn)行，硬件的錯誤不會影響到軟件系統(tǒng)的調(diào)試，同樣軟件設(shè)計(jì)的錯誤也不會影響硬件。

參考答案：D

典型真題四

實(shí)時就是搶占，其他選項(xiàng)都沒有體現(xiàn)出實(shí)時性

典型真題五

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式系统分析与设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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