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一个典型的USB通讯系统
通用系统模型 HOST43;接口芯片
嵌入式系统应用
驱动代码+嵌入式处理 器+HOST芯片
HUB
DEVICE D U盘
HUB
其他 U盘
HUB
其他
DEVICE
数据采集器
数据采集器
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二、嵌入式系统软件基础

操作系统的分类 嵌入式实时操作系统
if(condition_2) action_2(); …… if(condition_n) acition_n(); }
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2）事件驱动系统：（Event-Driven system）
事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台、 实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。 应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的 操作，这部分可以看成后台行为（background）。中断服务程序处理 异步事件，这部分可以看成前台行为（foreground)。 后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。
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
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1.4 影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存
流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动
Add Sub Cmp 时间
取指
译码 取指
执行add 译码 取指 执行sub 译码 执行cmp
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超标量执行
高 速 缓 存 控 制 器
数据
CACHE 主存
CPU
地址 数据
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总线和总线桥
CPU
低速设备
高速总线
桥
低速总线
存储器
高速设备
数据
高速设备
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1.5 存储器系统
RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM： 动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多
3）DRAM存储密度比SRAM高得多
嵌入式系统设计与实例开发
——ARM与C/OS-Ⅱ
基本概念及设计方法
1
一、嵌入式系统硬件基础
冯· 诺依曼体系结构和哈佛体系结构
CISC与RISC
影响CPU性能的因素
存储器系统
I/O接口
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典型嵌入式系统基本组成－硬件
电源 模块
时钟
外围电路 微处理器
Flash
RAM
MPU
复位
ROM
外设
USB LCD Keyboard Other
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1.1 冯· 诺依曼体系结构模型
存储器
指令寄存器
控制器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
数据通道 输入 中央处理器
输出
数据 数据0 数据1 数据2
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1.2 哈佛体系结构
地址 程序存储器 指令0 指令1 指令2
指令寄存器
控制器
指令
地址 数据通道 输入 中央处理器
超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构
指令CACHE
预取
预取
流 水 线 1
译码1 译码2 执行1 执行2
流 水 线 2
译码1 译码2 执行1 执行2
数据
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高速缓存（CACHE）
1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以 提高内存的平均性能。 2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内 容的拷贝。


前台与后台
多任务，任务优先级，调度
非占先式与占先式、可重入型函数
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3.1 操作系统的分类
（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运 行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程 序才能启动运行。如DOS操作系统。
（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把 CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同 的程序。如UNIX

大家生活中常见的与USB有关的东西有：
U盘、移动硬盘、无驱型的MP3（U盘） USB接口的键盘、Mouse、打印机、数码相机……

即插即用，热插拨，系统不需重启便可工作，且易于扩展 （127个）

USB2.0以低成本实现高达480Mb/s的传输率（USB1.1的全 速设备可达12Mb/s）
接口标准统一、端口供电
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死锁(或抱死) Deadlock
死锁也称作抱死，指两个任务无限期地互相等待对方控制 着的资源。设任务T1正独享资源R1，任务T2在独享资源T2 ，而此时T1又要独享R2，T2也要独享R1，于是哪个任务都 没法继续执行了，发生了死锁。最简单的防止发生死锁的 方法是让每个任务都：
先得到全部需要的资源再做下一步的工作
4）DRM需要周期性刷新 ROM：只读存储器 FLASH：闪存
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SRAM和DRAM
1）SRAM 2）DRAM
CS R/W Addr Data
CS R/W RAS CAS Addr Data
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输入输出接口
I/O
A/D、D/A
键盘 LCD 存储器接口 设备接口
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例如USB

USB：Universal Serial Bus，通用串行总线
机械装置
被控对象
功能层 文件系统
应用程序 图形用户 接口 任务管理
软件层
实时操作系统(RTOS) 中间层 BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包 D/A 硬件层 A/D I/O 人机交互接口 嵌入式计算机系统 嵌入式 微处理器 通用接口 ROM SDRAM
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基于知识平台的开发方法
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嵌入式系统设计步骤
（3）实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有 不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控 制权。
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按实时性分类
强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级（数控 机床）；

一般实时系统，其系统响应时间在毫秒－几秒的数量 级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱 的查询）。
数据存储器 数据0 数据1 数据2
输出
数据
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1.3 CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令
例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如微波炉 、电话机、玩具等。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态 ，所有的事都靠中断服务来完成。
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前后台系统（后台循环、前台中断）
后台 ISR 前台
时间
ISR
ISR
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代码的临界区

代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码。 一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。

弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长（工 程机械）。

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按软件结构分类
1）循环轮询系统：（Polling Loop）
最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条 件，一旦条件成立就进行相应的处理。 Initialize() While(true){
if(condition_1) action_1();
用同样的顺序去申请多个资源 释放资源时使用相反的顺序
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本节提要
1 嵌入式系统硬件基础 2 嵌入式系统软件基础 3 嵌入式系统设计方法
4
5
一个嵌入式设计方法实例
嵌入式BSP的基本概念
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嵌入式系统的软/硬件框架
驱动器1 驱动器2 ...... 驱动器N 传感器1 传感器2 ...... 传感器N

在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完以后要 立即开中断（在任务切换时，地址、指令、数据等寄存器 堆栈保护）。
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多任务（任务、进程和线程）
休眠、就绪、运行、挂起、被中断
任务 1
任务 2 任务 n
……
任务 控制 块1 寄存器 CPU CPU寄存器
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任务 控制 块2
任务 控制 块n
一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行 程序。每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被 赋予一定的优先级， 有它自己的一套CPU寄存器和自己 的栈空间。 多任务运行的实现实际上是靠CPU（中央处理单元 ）在许多任务之间转换、调度。 CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一 个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使 应用程序模块化。 在实际应用中，多任务的最大特点是，开发人员 可以将很复杂的应用程序层次化－综合实验（时钟、位 图、USB、KEY）。



系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书 中给定的功能要求。
34
嵌入式开发工具与开发环境
35
嵌入式软件开发流程
开始 新工程 以 太 网 口 网络 接口 ARM SDT Debug 并 口
编辑源代码
ARM300开发板 ARM7 处理器 执行
(4) (12)
Task 1 (H)
(8)
Task 2 (M)
(1) (6) (10)
Task 3 (L)
Task 3 Get Semaphore (2) Task 1 Preempts Task 3 (3) Task 1 Tries to get Semaphore (5) Task 3 Resumes (9) Task 3 Releases the Semaphore (11) Task 2 Preempts Task 3 (7)