探索嵌入式系统：原理与应用（复习总结）

第一章 嵌入式系统概论

嵌入式系统的定义：

以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

可以从以下几个方面理解：

①嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的；

②嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分，硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件包括操作系统和应用程序编程。

嵌入式系统的核心：

是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统（=硬件+操作系统）

嵌入式微处理器的特点：

①具有较强的操作系统支持能力；②具有功能很强的存储区保护能力；

③可扩展的处理器结构；④功耗很低

嵌入式操作系统的特点：

①代码精简；②实时性高；开发调试环境特殊

嵌入式系统的特点：（5个）

（1）功能特定性；（2）规模可变性；（3）实时性与稳定性；（4）操作系统内核小；（5）有专门的开发工具和开发环境

嵌入式系统的实时性分类：

（1）软实时系统：

任务时限柔性灵活、可容忍偶然的超时错误。失败造成的后果不严重，仅仅是降低了系统的吞吐量。

（2）硬实时系统：

系统要确保在最坏情况下的服务时间，对时间响应时间的截止期限必须得到满足。

第二章 嵌入式系统的基础知识

一个完整的嵌入式系统应包含嵌入式计算机系统和被控对象

嵌入式系统（嵌入式计算机系统）的基本结构：

（1）硬件层：以嵌入式处理器为核心。

（2）中间层：介于硬件层和软件层之间，把底层硬件和系统软件隔离，将硬件的细节屏蔽，便于操作系统调用。

（3）软件层：提供标准编程接口，降低应用程序开发难度，缩短开发周期。

（4）应用层：是整个嵌入式系统的核心，用来完成对被控对象的控制功能。

微处理器的体系结构：

（1）按存储器结构分类：①冯·诺依曼体系结构（程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构）；②哈佛体系结构（程序指令存储和数据存储分开）

（2）按指令类型分类：①复杂指令集（CISC）；②精简指令集（RISC）

复杂指令集（CISC）特点：

（1）指令格式不固定、长度不一致，操作数可多可少；

（2）寻址方式复杂多样；

（3）采用微程序结构，执行每条指令均需完成一个微指令序列；

（4）每条指令需要若干个机器周期才能完成。

精简指令集（RISC）特点：

（1）指令数目少；

（2）执行时间短；

（3）每条指令都采用标准字长；

（4）便于实现哈佛结构和流水线作业。

复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC）的区别：

（1）从硬件角度看，CISC处理的是不等长指令集。RISC处理的是等长精简指令集，可并行处理。CPU执行RISC时速度更快且性能稳定；

（2）从软件角度看，CISC运行的是我们熟悉的DOS,Windows操作系统，且拥有大量应用程序。RISC在运行这些系统时需翻译，且速度慢。

提高CPU性能的方法：

（1）流水线技术：

取指、译码、执行、存储，可实现指令并行处理 

（2）超标量执行技术：

设置多个平行流水线处理单元

（3）高速缓存技术：

是存储器子系统，复制了频繁使用的数据，利于CPU快速访问

处理器信息存储的字节顺序：

（1）大端模式：

字数据的高位字节存储在低地址中，字数据的低位字节则存储在高地址中。符合人类正常思维。

（2）小端模式： 

字数据的高位字节存储在高地址中，字数据的低位字节则存储在低地址中。利于计算机处理。

第三章 嵌入式系统开发基础

传统的嵌入式系统设计过程：（次要）

①需求分析；②软硬件分别设计开发；③软硬件集成；④集成测试；⑤若正确则结束，否则继续；⑥若错误则对软硬件分别验证和修改；⑦再次集成并测试

软硬件协同设计过程：（6个）（主要）

①需求分析；②功能划分；③软硬件系统协同设计；④软硬件实现；⑤软件仿真、硬件测试；⑥软硬件协同调试和验证

协同设计与传统设计相比的显著区别：（次要）

（1）描述硬件和软件使用统一的表示形式；

（2）硬件、软件划分可以选择多种方案；

（3）具有协同设计、协同测试和协同验证的特点，充分考虑了软硬件关系。

第四章 ARM-Cortex-M3处理器体系结构

Cortex-M3的内核结构：

是32位处理器内核，采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可并行访问，地址统一分配编址。使用一个3级流水线：取指、译码和执行

Cortex-M3的寄存器组织：

（1）通用寄存器组（16个）：

（2）特殊功能寄存器：

①程序状态寄存器组（PSRs或xPSR）：

程序状态寄存器在其内部又被分为三个子状态寄存器：应用程序PSR（APSR）、中断号PSR（IPSR）、执行PSR（EPSR）

②中断屏蔽寄存器组（PRIMASK，FAULTMASK，BASEPRI）：

用于控制异常的使能和除能，特权级下才允许访问

③控制寄存器（CONTROL）：

用于特权模式选择和堆栈指针选择

 操作模式和特权级别：

两种操作模式分别为：处理者模式（handler mode）和线程模式（thread mode）。

 

说明：

①线程模式下，既可以使用特权级，也可以使用用户级；②handler模式总是特权级的；③复位后，处理器进入特权级线程模式。

第五章 嵌入式系统常用外设驱动编程实例

基于中断的键盘应用实例：

（1）矩阵键盘的扫描原理：

①按键按下，列线由高电平变为低电平，判断出在哪一列；

②将行线逐行置为低电平，剩余行线置为高电平；

③读取列线的状态，直到列线中出现低电平，判断出在哪一行；

④将行线和列线状态装入寄存器进行译码，配合去抖，实现扫描。

第六章 嵌入式操作系统基础知识

嵌入式操作系统的特点：

①实时性；②小内核；③可裁剪、可配置；④易移植；⑤高可靠性；⑥低功耗

嵌入式操作系统的基本概念：

（1）代码的临界段：

代码的临界段也称为临界区（通过关闭中断把必须是“原子的”以保证系统正常运转的指令的集合定义为“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。为确保临界段代码的执行，在进入临界段之前要关中断，临界段代码执行完后立即开中断。

（2）资源：任何为任务所占用的实体都可称为资源

（3）共享资源：可以被一个以上任务使用的资源

（4）任务及任务状态（UCOS-Ⅱ操作系统中程序执行流程）：

任务通常为线程和进程的统称，是内核调度的基本单元。

 （5）优先级：

①静态优先级；②动态优先级

（6）任务切换及调度：

①不可剥夺型内核与非占先式调度：

响应中断快，且不需要使用信号量保护共享数据，但响应时间不确定

②可剥夺型内核与占先式调度：

系统响应时间最优化且可知，UCOS-Ⅱ属于可剥夺型内核

任务间的关系：

①相互独立；②互斥；③同步；④通信

常用的通信机制：

①信号量；②邮箱；③消息队列

第七章 嵌入式实时操作系统UCOS-Ⅱ

UCOS-Ⅱ操作系统的特点：（次要）

①公开源代码；②可移植性；③可固化；④可裁剪性；⑤占先式；⑥多任务；

⑦可确定性；⑧实用性和可靠性

就绪表： 

例：已知某系统处于就绪的任务优先级为5,6,8,14，当前任务（运行）为9。系统支持16个任务。①计算OSRdyGrp和OSRdyTbl[2]数组的取值；②OSUnMapTbl[0x81]如何确定？

 UCOS-Ⅱ的事件机制：

将通信、同步、互斥相关的信号看做事件，采用事件和事件控制块ECB来管理任务间的通信。

OSEventType：定义事件的具体类型；

OSEventCnt：当事件是信号量时，用于信号量的计数器；

OSEventPtr指针：当事件是邮箱或消息队列时才使用；

OSEventTbl[ ]和OSEventGrp：记录系统中处于就绪状态的任务

附：

Keil5下载前的配置过程：

（1）连接好DAP仿真器，并且供电；

（2）用Keil5打开例程工程文件，设置DAP仿真器所需的使用条件：

①选择仿真器类型，点击“Debug”选择使用DAP；

②点击“Settings”，选择SW模式下载；

③点击“Flash Download”，点击“Add”添加开发板对应的STM32的型号；

（3）点击Keil左上角“Download”即可下载。

信号量：

（1）释放信号量服务：

（2）使用信号量闪烁LED-信号量实现共享资源访问：

补充：