ARM笔记-嵌入式系统基础

news2025/7/27 17:57:59

第一章嵌入式系统基础

嵌入式系统定义：
- 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统 ------Any device that includes a computer!

应用(Application)
设备驱动程序
底层硬件

组成：

核心处理器：

指令系统：RISC和CISC

CISC(Complex Instruction Set Computer)
- 具有大量的指令和寻址方式
- 大多数程序只使用少量的指令就能运行
RISC（Reduced Instruction Set Computer）
- 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令。
- 只包含最有用的指令。
- 确保数据通道快速执行每一条指令。
- 使CPU硬件结构设计变得更为简单。

二者的主要区别

指标	RISC	CISC
指令集	一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合实现复杂操作，指令长度固定。	指令长度不固定，执行需要多个周期。
流水线	流水线每周期前进一步	指令的执行需要调用一段微程序
寄存器	更多通用寄存器	用于特定目的的专用寄存器
Load/Store结构	独立的Load/Store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传输	处理器能够直接处理存储器中的数据

组成：嵌入式操作系统和嵌入式应用软件
- 嵌入式系统软件一般包含四个层面：应用程序、应用程序接口API、实时操作系统RTOS、硬件抽象层（HAL）。有的版本将应用程序接口 API 归属于 OS 层，就是按照三层来划分的。

嵌入式系统同通用计算机系统相比有以下特点：
- 专用性强
- 强调实时性
- 具备可裁剪性
- 可靠性要求高
- 功耗低
- 嵌入式系统开发需要开发工具和开发环境
嵌入式微处理器的特点
- 对实时多任务有很强的支持能力。
- 具有功能很强的存储区保护功能–不同进程之间无法互相访问其存储空间
- 可扩展的处理器结构。
- 嵌入式微处理器功耗低。

嵌入式微处理器（MPU–Microprocessor Unit）
- 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 -----用来处理高性能计算（eg.服务器，手机等）
- 嵌入式微处理器的特征：
  - 具有较高的性能，但价格也较高。
  - 嵌入式微处理器做的控制机具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
嵌入式微控制器（MCU–Microcontroller Unit）
- 嵌入式微控制器的典型代表就是单片机。
- MCU是一种集成化的芯片，将处理器核心、**存储器（如Flash、RAM）和外围设备（如GPIO、ADC、UART等）**集成在一个芯片上。-----（eg.家电、工业控制、传感器节点等）
- 占嵌入式系统70%的市场份额
嵌入式DSP处理器（DSP–Digital Signal Processor）
- DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器。
- 其在系统的结构和指令算法方面进行了特殊的设计。
SOC片上系统（System on a Chip）
- 一个芯片就是一个系统，或将一个系统放在一个芯片中。
- SOC最大特点是实现了软/硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内部嵌入操作系统代码模块。

开发工具的选择：硬件开发工具&软件开发工具
- 硬件开发工具：在线实时仿真器和其他检测工具，如示波器等
- 软件开发工具：编辑、交叉编译、链接、定位软件和调试软件等
硬件调试工具的选择：
- 实时在线仿真器（ICE）
- 逻辑分析仪
- ROM仿真器
软件组件的选择
开发环境：
- 交叉开发工具
- 指令模拟器
- 电路开发板

实时操作系统是指——能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。

系统响应时间
- 系统收到处理要求到系统给出应答信号的时间。
任务换道时间
- 任务之间切换使用的时间
中断延迟
- 计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。
任务（即线程）的四个状态
- 运行：获得 CPU 的控制权
- 就绪：进入任务就绪(等待)队列，等待通过调度转为运行状态
- 挂起：任务发生阻塞，移出任务就绪队列，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为就绪或运行
- 冬眠：任务因为完成或错误等原因被清除的任务，也可以认为是系统中不存在的任务