嵌入式系统设计--课堂总结（概述）

一、嵌入式系统设计课程内容
目标：
1、了解嵌入式技术；
2、掌握嵌入式Linux操作的使用；（命令）
（80%以上的开发平台都是Linux)
3、掌握嵌入式Linux开发工具的使用；（gcc、gbd、make、shell）
4、掌握嵌入式Linux应用开发；（文件、多任务、网络）（数据库）
5、了解嵌入式产品开发流程；（硬件–软件–系统）
6、了解嵌入式系统移植；（u-boot、内核、文件系统）
7、了解嵌入式底层软件开发；（驱动开发）
嵌入式系统学习储备知识：C语言（累积代码量：3w）+单片机（硬件的工作原理）

二、嵌入式开发概述
1、嵌入式技术是什么？
在已有的硬件上移植操作系统；在操作系统之上做应用开发；在操作系统之下做底层开发；
(操作系统的作用：管理资源（软件资源和硬件资源）==管家)
嵌入式解决的问题：让软硬件耦合度降低，软硬件不直接发生关系；软硬件独立发展，对于产品的升级与开发带来很大帮助。

*嵌入式软件与非嵌入式软件的区别？
嵌入式软件是结合操作系统做的开发
非嵌入式软件是做的裸机开发（没有跑操作系统）
嵌入式让产品更加智能，可以跑更多的软件，软件可以多任务的执行

*嵌入式开发与单片机开发的区别？
嵌入式开发有操作系统，单片机开发无操作系统。
单片机开发可称为传统开发
（学习单片机的目的：对于学习偏硬件的同学来说，不是为了掌握这个芯片，而是掌握CPU开发的流程和一些外设硬件的工作原理，所以不必死磕）
单片机开发流程：看原理图–写代码–下载到开发板上运行
引申到传统开发：两大元素：软件和硬件（写软件控制硬件工作，硬件给软件反馈）
传统开发的缺点？
※①软件移植性差（适配平台能力差，硬件一变化软件就必须跟着变化）
②开发人员能力要求：软硬通吃（不能分组，开发效率低；公司招人难度大，培养成本高）
③无法考虑用户的使用体验

*嵌入式开发的优缺点？
优点：
功能上：软件适配性强；开发人员能力划分更加清楚；
技术上：多任务机制；提供丰富的网络协议；提供了开源软件和库
缺点：高效的操作系统对于硬件要求很高，成本高

三、嵌入式开发的方向（学习路线）：
①嵌入式上层应用软件开发
a.精通一门语言；
b.熟悉一款操作系统；（相当于会看说明书，会使用）
c.数据结构/算法
②嵌入式底层系统软件开发
a.精通C语言（操作系统的核心是内核，所有操作系统内核都是由C+汇编开发的）
*为什么内核开发选择C语言？（C语言的特点？）—>能够直接访问硬件、移植性好、运行效率高
*为什么C语言能够直接访问硬件？—>C语言有指针数据类型，指针可以对地址进行操作
*什么时候选择用汇编？什么时候选择用C语言？—>汇编语言是低级语言，没有高级语法的支撑，访问硬件效率大于C语言，对于硬件进行初始化时用汇编，对于硬件进行复杂操作时用C语言。
b.理解操作系统的实现（会使用，也会添加/修改功能）
c.熟悉硬件的工作原理(CPU:stm32+64位)（外设：SPI,IIC,蓝牙，WiFi，物联网，摄像头）
d.熟悉汇编
③嵌入式系统工程师
BSP(固件工程师) 内核开发

2、嵌入式系统的组成
应用程序（多变）—>操作系统（核心）—>处理器（核心）
嵌入式CPU的选择
*CPU体系结构的种类、特点及应用场景？
CPU的体系架构：
CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示，RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)是当前CPU的两种架构。
CISC
CISC要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。
比如：对于乘法运算，在CISC架构的CPU上需要这样一条指令：MUL ADDRA, ADDRB。将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘后将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求，但对于编译器的开发十分有利。
RISC
RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。同上面的例子如果要在RISC架构上实现，将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘后将结果写回内存的操作都必须由软件来实现。这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。
CISC和RISC的差异：
①指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。
②存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。
③程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而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社设计相对容易，效率较高。
④中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。
⑤CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。
⑥ 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。
⑦用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。
⑧应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。
CPU的体系结构（四大）：
ARM/MIPS/PowerPC均是基于精简指令集机器处理器的架构；X86则是基于复杂指令集的架构，Atom是x86或者是x86指令集的精简版。
ARM：
过去称作进阶精简指令集机器，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。
特点：
a.体积小，低功耗，低成本，高性能；
b.支持Thumb（16位）/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
c.大量使用寄存器，指令执行速度更快；
d.大多数数据操作都在寄存器中完成；
e.寻址方式灵活简单，执行效率高；
f.指令长度固定
g.流水线处理方式
h.Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成，而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。
应用场景：非常适用于行动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。
x86系列/Atom(安腾)
x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。Intel Atom是Intel的一个超低电压处理器系列。
优点：能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器的向上相容。新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合，也就可以使用较早电脑上使用的相同软件。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配，因而编译器并不一定要重新编写。
缺点：CISC的CPU执行是大多数时间是在访问存储器中的数据，而不是寄存器中的，这就拖慢了整个系统的速度；解码分为硬件解码和微解码，对于简单的x86指令只要硬件解码即可，速度较快，而遇到复杂的x86指令则需要进行微解码，并把它分成若干条简单指令，速度较慢且很复杂；寻址范围小，约束了用户需要。
应用场景：RISC系统针对高端的服务器市场，相比之下x86系列主要针对个人用户和小型的商用系统。
MIPS系列
MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。
特点：设计更简单、设计周期更短，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。
应用场景：MIPS自己只进行CPU的设计，之后把设计方案授权给客户，使得客户能够制造出高性能的CPU。
PowerPC系列
PowerPC 是一种RISC架构的中央处理器，其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的IBM PowerPC 601 微处理器
特点：可伸缩性好、方便灵活。
应用场景：PowerPC 处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。

嵌入式不完全等于ARM
单片机是否可以作为嵌入式CPU？
YES 操作系统有类似ucossii小的操作系统，所以单片机可以上小型的操作系统

哪些操作系统可以作为嵌入式操作系统？
嵌入式操作系统是可移植（代码开源。提供可移植接口）的操作系统（例：win10不能作为嵌入式操作系统因为他只适配在PC端，不可移植）
实时性（软件、硬件）：规定的时间内完成规定的动作
vxworks：实时性强 Linux：无实时的，运行效率稳定
实时性的还有：RT-Linux openwrt