嵌入式系统（八）：基本概念

第二章 基本概念

1、嵌入式系统硬件基础

冯诺依曼结构（程序和数据不分开存储）、哈佛结构（程序和数据分开存储）

CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)

IP核
知识产权核，电路或核是设计好并经过验证的集成电路单元，主要分为：
（1）软核
（2）硬核
（3）固核

三种模式：

• 计者提供设计和工具的许可证
• 核厂商设计并制造集成电路芯片
• 核厂商卖核, 负责为客户设计并制造芯片

流水线技术
几个指令可以并行执行，提高了CPU的运行效率，内部信息刘要求通畅流动。

流水线技术，PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令。

超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构

高速缓存CACHE

存储器层次：寄存器→高速缓存SRAM→ 主存DRAM→本地存储器ROM\FLASH→ 网络存储器ROM\FLASH

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
4）DRM需要周期性刷新
ROM：只读存储器
FLASH：闪存

2、嵌入式系统软件基础

发展阶段：

• 无操作系统
  设计以应用为核心，应用软件直接建立在硬件上，没有转门的操作系统、
  • 循环轮询系统
  • 事件驱动系统（前后台）：嵌入式RTOS的主要形式。
• 有操作系统
  • 应用软件层
  • 中间件层
  • 操作系统层
  • 设备驱动层

设备驱动程序：直接和硬件打交道，对硬件进行控制和管理的软件。（嵌入式系统中，设备驱动程序必不可少）
设备驱动程序主要功能：

• 硬件启动（Startup）：在开机上电或重启的时候，对硬件进行初始化；
• 硬件关闭（Shutdown）：把硬件配置成关机状态；
• 硬件停用（Disable）：暂停使用硬件；
• 硬件启用（Enable）：重新启用硬件；
• 硬件读操作（Read）：从硬件中读取数据；
• 硬件写操作（Write）：往硬件中写数据；

嵌入式操作系统：

• 包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统、电源管理等部分
• 嵌入式内核是基础核核心

中间件：
除了OS内核、设备驱动程序、应用软件外的所有系统软件。
优点：实现软件的可重用，降低应用软件的复杂性，降低开发成本。

嵌入式软件目标P45资源优化

汇编代码
if-then-else语句的汇编代码

$L1:
  cmp  dword ptr[ebp-4], 1 #把a与常量1进行比较
  jne	  $L2  #如果不相同，跳到$L2继续比较下一个值
  call _ant #如果相同，调用ant()函数
  jmp	  $END #跳转到这段代码的末尾
$L2:
  cmp  dword ptr[ebp-4], 2 #把a与常量2进行比较
  jne	  $L3  #如果不相同，跳到$L3继续比较下一个值
  call _bar #如果相同，调用bar()函数
  jmp	  $END #跳转到这段代码的末尾
$L3:
  ...
$END:

switch语句的汇编代码-1

JmpTable dword  $L1,$L2,$L3,$L4,$L5,$L6 

  mov  eax,dword ptr [ebp-4] #取出变量a的值
  mov  dword ptr [ebp-8],eax #保存在临时变量中
  mov  ecx,dword ptr [ebp-8] #取出，放在ecx中
  sub  ecx,1                 #减1
  mov  dword ptr [ebp-8],ecx #保存回去
  cmp  dword ptr [ebp-8],5   #与5进行比较
  ja   $END                  #若大于5，结束
  mov  edx,dword ptr [ebp-8] #取出该值，放edx
  jmp  dword ptr [edx*4+JmpTable]#跳转到相应的
                                 #case标记

switch语句的汇编代码-1

$L1:					# case 1
  call        _ant
  jmp         $END
$L2:					# case 2
  call        _bar
  jmp         $END
......
$L5:					# case 5
  call        _eat
  jmp         $END
$L6:					# case 6
  call        _foo
$END:

内存分配的方式：
（1）动态分配：堆（malloc）
（2）自动分配：栈，保存局部变量
（3）静态分配：保存全局变量

控制流与数据流P63

• 一个函数的函数调用过程
• 控制流的变化

**可重入函数：**只使用局部变量（保存在寄存器或栈中），被1个以上的任务调用。

3、嵌入式操作系统

嵌入式操作系统→软硬件资源的管理者。
（1）进程管理
（2）存储器管理
（3）设备管理
（4）文件管理
（5）接口

按响应时间分类

• 嵌入式实时操作系统
  • 实时操作系统(RTOS)是一种操作系统，其正确性包括其响应时间和功能正确性。
  • 硬实时和软实时
• 分时操作系统

按软件结构分类 RTOS的结构：
（1）单体结构
（2）分层结构
（3）微内核结构：设备驱动从内核中分离

进程、线程和任务

进程： 程序+执行。其特点有：
（1）动态性
（2）并发性
（3）独立性

进程=线程+资源平台
优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程
• 各个线程之间可以并发地执行
• 各个线程间可以贡献地址空间

线程：并发执行+共享地址空间，代码在资源平台上的执行流程。
任务：嵌入式系统中提到的任务实际上是线程。
描述任务的数据结构：任务控制块TCB

任务控制块（TCB）是任务存在的唯一标志，任务有3种状态p112
（1）就绪态：就绪队列
（2）运行态：执行队列
（3）等待态：等待队列

任务的调度：
任务调度的时机p118
任务调度的方式：
（1）不可抢占方式
（2）可抢占方式
调度算法的评价指标：

• 响应时间
• 周转时间
• 调度开销
• 公平
• 均衡
• 吞吐量

任务调度算法：

• 先来先服务FCFS
• 短作业优先
• 时间片轮转
• 优先级调度算法

RTOS的调度目标：使得每个任务在最终期限之前完成。
大多数RTOS调度都采用可抢占式优先级调度。

任务模型（周期性任务）：

• 启动时间r(i,j)
• 时间限制D(i)
• 周期P(I)
• 执行时间E(I)

单调速率调度算法：RMS是一种静态优先级调度算法，也是最常用的一种确定任务优先级的算法。思路：单位时间内任务被执行的次数越多，优先级越高。即任务的周期越短，优先级越高。

**最早期限优先调度算法EDF：**EDF是一种动态优先级调度算法，也是性能最好的一种调度算法。思路：对时间期限最近的任务，分配最高的优先级。

任务间的通信：
（1）共享内存
（2）消息传递：邮箱、消息队列等
（3）管道
（4）信号

信号与中断
相同点：

• 具有中断性
• 有相应的处理程序
• 可以屏蔽响应

不同点：

• 中断由硬件或特定的指令产生，信号由系统调用产生
• 中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；信号通过发送信号的系统调用触发，但系统不一定马上对它进行处理；
• 中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

同步与互斥p159

• 竞争条件
• 解决之道：互斥的概念
• 竞争条件问题的抽象描述：临界区，临界资源
• 关闭中断的解决方案
• 基于繁忙等待的解决方案:浪费CPU时间
• 信号量

内存布局

• 静态段
  • 代码段.text
  • 数据段.data
  • bss段（全局变量）.bss
• 动态段
  • 堆空间:动态分配的内存空间,malloc/free
  • 栈空间：保存运行上下文以及函数调用时的局部变量和形参。

I/0地址

I/O设备类型

按交互方向分类：

• 输入设备
• 输出设备
• 输出/输出

按数据组织分类：

• 块设备
• 字符设备

设备控制器
机械部分：即为I/O设备本身
电子部分：设备控制器或适配器，它的功能是完成设备与主机间的连接和通讯

CPU如何与设备控制器当中的寄存器以及数据缓冲区来进行通信？

• I/O独立编址；
• 内存映像编址；
• 混合编址。

I/O控制方式：
（1）程序循环检测方式
（2）中断驱动方式
（3）直接内存访问方式DMA方式