嵌入式基础

关于嵌入式基础，应该熟悉的知识点：

• 嵌入式系统的定义：一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。其核心由一个或几个预先编程以用来执行少数几项任务的微处理器或者微控制器组成。所有带有数字接口的设备都使用嵌入式系统，所有带有数字接口的设备都使用嵌入式系统，如手表，微波炉，录像机，汽车等。
• 嵌入式系统的组成：如图示
• 嵌入式系统发展：分为四个阶段

                                1)单片微型计算机(SCM)阶段,即单片机时代：系统功能由汇编语言实现。

                                                                       这一时代系统硬件：单片机。软件：无操作系统。

                                                                       主要特点：系统结构相对单一，处理效率低，存储容量十分有限，几乎无用户接口。

                                2)微控制器(MUC)阶段,:主要技术方向：不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突显其对象的智能化控制能力

                                                                        这一阶段基础：嵌入式微处理器。这一阶段核心：简单操作系统。

                                                                        主要特点：硬件使用嵌入式微处理器，微处理器的种类繁多，通用性弱；系统开销小，效率较高。

                                3)片上系统(SOC):主要特点：嵌入式系统能够运行于各种不同的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小，效果好。

                                4)internet为标志的嵌入式系统：嵌入式网络化主要表现：一方面是嵌入式处理器集成了网络接口

                                                                                                                        另一方面是嵌入式设备应用于网络环境中。

• 实时系统：指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部，同步或异步时间作出响应的系统。实时系统应该具有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。

                    实时性分类：1)硬实性：应用的最大需求能够得到完全满足，否则会造成重大事故

                                        2)软实性：某些应用虽然提出时间要求，但是实时任务偶尔违反这种要求不会对系统运行或环境造成严重影响。或者也可以理解成，软实行对运行时间没有严格的卡死，而是安排了在运行时间里实时任务能够按优先级执行的顺序执行。（忘记在哪里看的了，如果理解有错误，欢迎大家指出来）

                    特点：1)可预测性：系统对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。

                                                   分类：硬件延迟的可预测性

                                                             软件系统的可预测性（应用程序和响应时间）

                                                             操作系统的可预测性（实时原语，调度函数等运行开销有限，以保证应用程序执行时间的有界性）

                               2)可靠性：提高可靠性方法：静态分析，保留资源，冗余配置等使系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。

                               3)交互作用：外部物理环境（通常是被控子系统）是实时系统不可缺少的组成部分，计算机系统一般是控制系统。两者相互作用构成完整的实时系统。

• 嵌入式微处理器体系结构：

               1)冯诺依曼体系结构：也称普林斯顿结构（图片来自网络，侵删）是一种将程序指令存储器和数据存储器  合并在一起  的存储器结构。取指令和取操作数都在同一总线上，通过分时复用的方式进行；缺点是在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数，从而形成了传输过程的瓶颈。由于程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

再来一张更清楚一点的

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有的功能有：

                    把需要的程序和数据送至计算机中。

                    必须具有 长期记忆 程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

                    能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

                    能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

                    能够按照要求将处理结果输出给用户。

计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输入数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器、输出处理结果的输出设备。

            2)哈佛体系结构（这条资源来自网络，侵删）

是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：

1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；

2、使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

改进的哈佛结构，其结构特点为：
1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；
2、具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和储存的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11。

       3)CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)

            CISC：采用一整套计算机指令进行操作的计算机。通常包括一个复杂的数据通路和一个微程序控制器。微程序控制器由一个微程序存储器、一个微程序计数器（MicroPC）和地址选择逻辑构成。在微程序存储器中的每一个字都表示一个控制字，并且包含了一个时钟周期内所有数据通路控制信号的值。这就意味着控制字中的每一位表示一个数据通路控制线的值；指令系统较丰富，有专用指令来完成特定的功能，因此处理特殊任务能力较高；存储器操作指令多，操作直接；CISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高；在一条指令执行结束后响应中断；CISC的CPU包含丰富的电路单元，因而功能强，面积大，功耗大；CISC微处理器结构复杂，设计周期长，功能强大，实现特殊功能容易；CISC机器更适合专用机。

            RISC：保留常用指令，使计算机能以更快速度进行操作，使其简单高效；对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此RISC在实现特殊功能时，效率可能较低；存储器操作有限，使控制简单化；RISC汇编语言程序一般需要较大内存空间，实现特殊功能时程序复杂；在一条指令执行的适当地方可以响应中断；RISC的CPU含较少的单元电路，因而面积小，功耗低；AISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，易于采用最新技术，指令规整，性能容易把握，易学易用；RISC指令系统的确定与特定额应用领域有关，故RISC机器更适合于通用机。

          4)流水线技术：指在程序操作执行时多条指令重叠进行操作的一种并行处理实现技术。（流水线技术的思想应该说是蛮好理解的在此不做详细的赘述）

             衡量一种流水线技术的性能参数：吞吐率，效率，加速比。