詳解嵌入式系統(tǒng)知識(shí)和接口技術(shù)總結(jié)

　　一、什么是嵌入式

　　IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì))對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。原文為：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants)。

　　嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車(chē)等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

　　從應(yīng)用對(duì)象上加以定義，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。

　　執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單，如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi);也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機(jī)器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。

　　二、嵌入式系統(tǒng)的組成

　　一、 硬件層

　　硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用設(shè)備接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中.

　　二、 中間層

　　硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)或者板級(jí)支持包(Board Support Package,BSP)，它半系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)，上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。

　　實(shí)際上,BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入工系統(tǒng)的硬件初始化的BSP功能，設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　三、 系統(tǒng)軟件層

　　系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real-time Operation System,RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(Graphic User Interface,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(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　三、實(shí)時(shí)系統(tǒng)

　　定義：能在指定或確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對(duì)外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)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(shí)間和用戶的使用方便;而實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要考慮的是在最壞情況下的系統(tǒng)行為。

　　特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預(yù)測(cè)性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。

　　硬實(shí)時(shí)(強(qiáng)實(shí)時(shí))：指應(yīng)用的時(shí)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(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。

　　軟實(shí)時(shí)(弱實(shí)時(shí))：指某些應(yīng)用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重影響，如：監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。

　　任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。

　　四、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度

　　調(diào)度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。

　　搶占式調(diào)度：通常是優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應(yīng)快，調(diào)度算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。

　　非搶占式調(diào)度：通常是按時(shí)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(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)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(dòng)策略：系統(tǒng)在運(yùn)行前根據(jù)各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運(yùn)行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)間。

　　優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低確定任務(wù)的執(zhí)行順序。

　　實(shí)時(shí)任務(wù)分類：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。

　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)采集任務(wù)實(shí)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(jī)構(gòu)管理任務(wù)控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

　　五、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(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)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(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，是一種將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。例如：AVR、ARM9、ARM10…

　　CISC與RISC的特點(diǎn)比較。

　　計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可以用下面公式計(jì)算：P=I×CPI×T

　　I：高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)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(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。

　　流水線的思想：在CPU中把一條指令的串行執(zhí)行過(guò)程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^(guò)程在CPU中重疊執(zhí)行。

　　流水線的指標(biāo)：

　　吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。如果流水線的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù)。

　　建立時(shí)間：流水線開(kāi)始工作到達(dá)最大吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T=mt。

　　信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序

　　A、存儲(chǔ)器單位：字節(jié)(8位)

　　B、字長(zhǎng)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(chǔ)順序問(wèn)題取決于OSI模型底層中的數(shù)據(jù)鏈路層。

　　六、邏輯電路基礎(chǔ)

　　根據(jù)電路是否具有存儲(chǔ)功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。

　　組合邏輯電路：電路在任一時(shí)刻的輸出，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與輸入信號(hào)作用前電路的狀態(tài)無(wú)關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。

　　時(shí)序邏輯電路：電路任一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計(jì)數(shù)器等。

　　真值表、布爾代數(shù)、摩根定律、門(mén)電路的概念。

　　NOR(或非)和NAND(與非)的門(mén)電路稱為全能門(mén)電路，可以實(shí)現(xiàn)任何一種邏輯函數(shù)。

　　譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)。

　　每輸入一個(gè)n位的二進(jìn)制代碼，在m個(gè)輸出端中最多有一個(gè)有效。

　　當(dāng)m=2n是，為全譯碼;當(dāng)m《2n時(shí)，為部分譯碼。

　　由于集成電路的高電平輸出電流小，而低電平輸出電流相對(duì)比較大，采用集成門(mén)電路直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，較多采用低電平驅(qū)動(dòng)方式。液晶七段字符顯示器LCD利用液晶有外加電場(chǎng)和無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)不同的光學(xué)特性來(lái)顯示字符。

　　時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)序邏輯的基礎(chǔ)，它用于決定邏輯單元中的狀態(tài)合適更新。同步是時(shí)鐘控制系統(tǒng)中的主要制約條件。

　　在選用觸發(fā)器的時(shí)候，觸發(fā)方式是必須考慮的因素。觸發(fā)方式有兩種：電平觸發(fā)方式：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有點(diǎn)，常用來(lái)組成暫存器。邊沿觸發(fā)方式：具有很強(qiáng)的抗數(shù)據(jù)端干擾能力，常用來(lái)組成寄存器、計(jì)數(shù)器等。

　　七、總線電路及信號(hào)驅(qū)動(dòng)

　　總線是各種信號(hào)線的集合，是嵌入式系統(tǒng)中各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號(hào)。按照總線所傳送的信息類型，可以分為：數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。

　　總線的主要參數(shù)：

　　總線帶寬：一定時(shí)間內(nèi)總線上可以傳送的數(shù)據(jù)量，一般用MByte/s表示。

　　總線寬度：總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)(bit)，即人們常說(shuō)的32位、64位等總線寬度的概念，也叫總線位寬?？偩€的位寬越寬，總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也就是總線帶寬越寬。

　　總線頻率：工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。

　　總線帶寬 = 總線位寬×總線頻率/8， 單位是MBps。

　　常用總線：ISA總線、PCI總線、IIC總線、SPI總線、PC104總線和CAN總線等。

　　只有具有三態(tài)輸出的設(shè)備才能夠連接到數(shù)據(jù)總線上，常用的三態(tài)門(mén)為輸出緩沖器。

　　當(dāng)總線上所接的負(fù)載超過(guò)總線的負(fù)載能力時(shí)，必須在總線和負(fù)載之間加接緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅(qū)動(dòng)和隔離。

　　采用總線復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線和地址總線的共用。但會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：

　　A、需要增加外部電路對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解耦，例如：地址鎖存器。

　　B、總線速度相對(duì)非復(fù)用總線系統(tǒng)低。

　　兩類總線通信協(xié)議：同步方式、異步方式。

　　對(duì)總線仲裁問(wèn)題的解決是以優(yōu)先級(jí)(優(yōu)先權(quán))的概念為基礎(chǔ)。