1第1章嵌入式系統(tǒng)概述21.1嵌入式系統(tǒng)的概念與組成1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義1.定義定義①：根據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”。定義②：目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。定義③：可以這樣認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。3嵌入式系統(tǒng)的概念和組成（續(xù)）2.嵌入式系統(tǒng)的三要素“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素，對(duì)象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。3.組成嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序4個(gè)部分組成。41.1.2嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)

1.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程的4個(gè)階段（1）無(wú)操作系統(tǒng)階段MCS-51系列單片機(jī)是最早應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)之一，單片機(jī)作為各類工業(yè)控制和飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中的微控制器，用來(lái)執(zhí)行一些單線程的程序，完成監(jiān)測(cè)、伺服和設(shè)備指示等多種功能，一般沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，程序設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言或C51語(yǔ)言。采用匯編語(yǔ)言編寫的程序具有效率高，占用內(nèi)存少，實(shí)時(shí)性強(qiáng)且控制時(shí)間精準(zhǔn)等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是對(duì)技術(shù)人員的要求高，開(kāi)發(fā)周期相對(duì)長(zhǎng)一些?，F(xiàn)在使用意法半導(dǎo)體（ST）公司，基于ARM9的ARMCortex-M3內(nèi)核產(chǎn)品，STM32微處理器芯片開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)控制設(shè)備，大部分都是在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，它比在有操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)有更高的運(yùn)行效率。而且目前開(kāi)發(fā)要求具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性的裝備也是在裸機(jī)情況下開(kāi)發(fā)的。5（續(xù)）（2）簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微處理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。一些簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展，程序設(shè)計(jì)人員也開(kāi)始基于一些簡(jiǎn)單的“操作系統(tǒng)”開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件。此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡(jiǎn)單，但已經(jīng)初步具有了一定的兼容性和擴(kuò)展性，內(nèi)核精巧且效率高，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率。典型代表是uc/os。6（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段20世紀(jì)90年代，面對(duì)分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大市場(chǎng)的需求，嵌入式系統(tǒng)飛速發(fā)展。隨著硬件實(shí)時(shí)性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴(kuò)大，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS，從而使應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。7（4）面向Internet階段進(jìn)入21世紀(jì)，Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正在推動(dòng)著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展。2．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)面對(duì)嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用在飛速發(fā)展。8（1）新的微處理器層出不窮，精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，優(yōu)化關(guān)鍵算法，降低功耗和軟硬件成本。提供更加友好的多媒體人機(jī)交互界面。（2）Linux、WindowsCE、PalmOS等嵌入式操作系統(tǒng)迅速發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加便于移植，具有源代碼開(kāi)放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)支持更多的微處理器。9（3）嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成了一項(xiàng)系統(tǒng)工程，開(kāi)發(fā)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件支持包。10

1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)的硬件組成主要包含有嵌入式處理器、外圍設(shè)備接口和執(zhí)行裝置（被控對(duì)象）等組成。嵌入式系統(tǒng)的軟件組成，對(duì)于裸機(jī)開(kāi)發(fā)來(lái)講主要有以下內(nèi)容：嵌入式處理器芯片內(nèi)部三個(gè)總線頻率的設(shè)置、存儲(chǔ)器配置的設(shè)置；7種異常模式堆棧指針的設(shè)置；中斷指針的傳遞程序；為C語(yǔ)言的運(yùn)行創(chuàng)建環(huán)境；I/O端口的配置與控制程序、應(yīng)用程序等。以上前5個(gè)部分也是Bootloader的主要內(nèi)容。111.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成（續(xù)）對(duì)于基于操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，主要包括Bootloader啟動(dòng)引導(dǎo)程序的移植；操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植；文件系統(tǒng)的移植；I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫以及加載；圖形用戶接口程序設(shè)計(jì)；應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，可以分為硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層。執(zhí)行裝置接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。121.2嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)與類型嵌入式處理器是隱藏在控制設(shè)備或裝置中，完成接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等，并向執(zhí)行裝置發(fā)出控制命令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（1）芯片結(jié)構(gòu)的變化及嵌入式概念的形成1971年Inter公司推出了Inter4004、1974年推出了Inter8080，1976年zilog制造了與8080兼容的CPUz-80，在這之前的處理器（也可稱為CPU）所構(gòu)造的是單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）系統(tǒng)，應(yīng)用在控制設(shè)備中。這些都是嵌入式處理器的前身。之后出現(xiàn)了單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。例如MCS51系列8位單片機(jī)是Inter公司在1976年的9月份推出的，它內(nèi)部不但集成了CPU，還集成了存儲(chǔ)器和I/O接口等計(jì)算機(jī)的元素，這時(shí)嵌入式系統(tǒng)的概念還不是熱點(diǎn)的技術(shù)名詞。一直到上世紀(jì)90年代后期，32位ARM處理器的廣泛使用，嵌入式系統(tǒng)的概念才被廣大技術(shù)人員所熟知?，F(xiàn)在人們把具有計(jì)算機(jī)基本組成元素的單片微型集成電路芯片，從MCS51系列單片機(jī)開(kāi)始到目前的32位ARM微處理器統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)，但在技術(shù)人員的心中，嵌入式系統(tǒng)主要指的是32位ARM微處理器單片機(jī)。13（2）嵌入式芯片的類型嵌入式微處理器按字長(zhǎng)寬度可分為8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的稱為嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller），32位及以上的稱為嵌入式微處理器。嵌入式微處理器內(nèi)部將CPU、ROM、RAM及I/O等部件集成到同一個(gè)芯片上，稱為單芯片微控制器（SingleChipMicrocontroller）。根據(jù)用途，可以分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、雙核或多核處理器等類型。14151.2.1嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU（MicroControllerUnit）又稱為單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。嵌入式微控制器具有單片化、體積小、功耗和成本低，可靠性高等特點(diǎn)，約占嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)份額的70％。

它的代表芯片就是MCS51系列單片機(jī)，主要使用其匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行裸機(jī)開(kāi)發(fā)。161.2.2DSP處理器

嵌入式DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓鸾Y(jié)構(gòu)，具有專門硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，使其處理速度比其它最快的CPU還快10倍以上。目前DSP芯片在機(jī)械電子的控制方面運(yùn)用廣泛，如在變頻器、PLC中作為它的控制核心。它的開(kāi)發(fā)基本也是在裸機(jī)中進(jìn)行，主要使用C語(yǔ)言進(jìn)行裸機(jī)程序設(shè)計(jì)。171.2.3嵌入式微處理器嵌入式微處理器由通用計(jì)算機(jī)中的CPU發(fā)展而來(lái)，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一個(gè)芯片上。32位微處理器采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達(dá)到了232＝4GB。目前主流的32位嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列，在這里進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有千種以上。181．嵌入式ARM系列ARM（AdvancedRISCMachine）公司的ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。ARM體系結(jié)構(gòu)目前發(fā)展并定義了7種不同的版本。從版本v1到版本v7，ARM體系的指令集功能不斷擴(kuò)大。ARM處理器系列中的各種處理器，雖然在實(shí)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM體系版本，基于它們的應(yīng)用軟件是兼容的。目前，70%的移動(dòng)電話、手持PC和機(jī)頂盒等都已采用了ARM處理器，許多一流的芯片廠商都是ARM的授權(quán)用戶，如Intel、Samsung、TI、FreeScale、ST等公司。192.嵌入式MIPS系列美國(guó)斯坦福大學(xué)的Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制的無(wú)互鎖流水級(jí)的微處理器MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages）是世界上很流行的一種RISC處理器，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。從20世紀(jì)80年代初期MIPS處理器發(fā)明到現(xiàn)在的這20多年里，MIPS處理器以其高性能的處理能力被廣泛應(yīng)用于寬帶接入、路由器、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、電視、游戲、打印機(jī)、DVD播放等廣泛的領(lǐng)域。203.嵌入式PowerPC系列PowerPC是Freescale（原Motorola）公司的產(chǎn)品。PowerPC的RISC處理器采用了超標(biāo)量處理器設(shè)計(jì)和調(diào)整內(nèi)存緩沖器，修改了指令處理設(shè)計(jì)，它完成一個(gè)操作所需的指令數(shù)比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC(ComplexReducedInstructionSetComputer)結(jié)構(gòu)的處理器要多，但完成操作的總時(shí)間卻減少了。211.2.4嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)SOC（SystemOnChip）最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無(wú)縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，而且具有極高的綜合性，在一個(gè)芯片內(nèi)部運(yùn)用超高速硬件描述語(yǔ)言VHDL等，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，用戶不需要繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)地連接焊制，只需要使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率高。

221.3計(jì)算機(jī)組成、體系結(jié)構(gòu)與嵌入式處理器（1）計(jì)算機(jī)組成的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)組成主要講述的是，計(jì)算機(jī)的硬件組成部件以及實(shí)現(xiàn)這些硬件功能所使用的材料、實(shí)現(xiàn)的理論與技術(shù)方法，以及各組成部分的邏輯關(guān)系，它決定著計(jì)算機(jī)的性能和功能。例如目前正在使用的現(xiàn)有計(jì)算機(jī)是由電子來(lái)傳遞和處理信息。電場(chǎng)在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)的速度都快，但是，從發(fā)展高速率計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，采用電子做傳輸信息載體還不能滿足快的要求，提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也明顯表現(xiàn)出它的能力是有限的。而光子計(jì)算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，利用激光來(lái)傳送信號(hào)，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)的主板中不存在電磁干擾，使信道的傳輸速率更快，將使運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)速度。目前正在研究中的計(jì)算機(jī)還有量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)和多值計(jì)算機(jī)等。2324（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)講述的是，主要指計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和構(gòu)造，不同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)適用于不同的需求或應(yīng)用。從傳統(tǒng)意義指令界面上來(lái)看基本劃分成兩大類：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩種主要體系結(jié)構(gòu)是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CISC體系(如X86芯片)和簡(jiǎn)化指令集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)RISC體系（如ARM芯片）。嵌入式處理器是X86個(gè)人計(jì)算機(jī)PC體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的要求和簡(jiǎn)化指令集計(jì)算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。以下章節(jié)將介紹與其關(guān)聯(lián)的有關(guān)概念。251.3.1馮諾·依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1．馮·諾依曼（VonNeumann）結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成，其程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。程序計(jì)數(shù)器（PC）是CPU內(nèi)部指示指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置的寄存器。目前使用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器品種有很多，例如Intel公司的X86系列及其他CPU，ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器等。262.哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。系統(tǒng)中具有程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲取指令字和操作數(shù)，從而提高執(zhí)行速度，提高數(shù)據(jù)的吞吐率。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊，具有較高的執(zhí)行效率。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的CPU和微控制器品種有很多，除DSP處理器外，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。271.3.2精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)RISC1.2/8規(guī)律早期的計(jì)算機(jī)采用復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC體系。采用CISC體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)各種指令的使用頻率相差懸殊，統(tǒng)計(jì)表明，大概有20%比較簡(jiǎn)單的指令被反復(fù)使用，使用量約占整個(gè)程序的80%；而有80%左右的指令則很少使用，其使用量約占整個(gè)程序的20%，即指令的2/8規(guī)律。2.RISC計(jì)算機(jī)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC體系結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代提出來(lái)的。目前Intel等公司都在研究和發(fā)展RISC技術(shù)，RISC已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。283.RISC的特點(diǎn)RISC是在CISC的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的，RISC的著眼點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地放在簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)上，而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高運(yùn)算效率。在RISC中，優(yōu)先選取使用頻率最高的、很有用但不復(fù)雜的指令，避免使用復(fù)雜指令。固定指令長(zhǎng)度，減少指令格式和尋址方式種類。指令之間各字段的劃分比較一致，各字段的功能也比較規(guī)整。采用Load/Store指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。增加CPU中通用寄存器數(shù)量，算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)都在通用寄存器中存取。大部分指令控制在一個(gè)或小于一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。291.3.3流水線計(jì)算機(jī)1．流水線的基本概念

簡(jiǎn)化指令計(jì)算機(jī)RISC為微處理器的指令流水線執(zhí)行提供了先決條件。流水線技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，流水線技術(shù)的基本思想是將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序分解成若干個(gè)子過(guò)程，而每一個(gè)子過(guò)程都可有效地在其專用功能段上與其他子過(guò)程同時(shí)執(zhí)行。

流水線結(jié)構(gòu)的類型眾多。指令流水線就是將一條指令分解成一連串執(zhí)行的子過(guò)程，例如把指令的執(zhí)行過(guò)程細(xì)分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行4個(gè)子過(guò)程，每個(gè)過(guò)程的執(zhí)行時(shí)間相同。30圖1-1五級(jí)流水線指令執(zhí)行示意圖312.流水線處理機(jī)的主要指標(biāo)⑴吞吐率在單位時(shí)間內(nèi)，流水線處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)稱為吞吐率。對(duì)指令而言就是單位時(shí)間里執(zhí)行的指令數(shù)。如果流水線的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率p應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù)，即：P=1/max{Δt0，Δt1，…Δtm}⑵建立時(shí)間流水線開(kāi)始工作，須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到最大吞吐率，這就是建立時(shí)間。若m個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t0，則建立時(shí)間T0＝mΔt0。321.3.5嵌入式微處理器的信息存儲(chǔ)方式1．大端和小端存儲(chǔ)方式大多數(shù)計(jì)算機(jī)使用8位（bit）的數(shù)據(jù)塊作為最小的可尋址存儲(chǔ)器單位，稱為一個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)器的每一個(gè)字節(jié)都用一個(gè)唯一的地址（address）來(lái)標(biāo)識(shí)。所有可能地址的集合稱為存儲(chǔ)器空間。對(duì)于軟件而言，它將存儲(chǔ)器看作是一個(gè)大的字節(jié)數(shù)組，稱為虛擬存儲(chǔ)器。在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬存儲(chǔ)器可以劃分成不同單元，用來(lái)存放程序、指令和數(shù)據(jù)等信息。例如在C語(yǔ)言中定義的整型數(shù)據(jù)變量：intx，表示變量x在內(nèi)存中占有4字節(jié)等。33小端方式與大端方式對(duì)于一個(gè)多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)器中有兩種存放方式：小端方式與大端方式。小端方式：是低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址位置處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址位置處，稱為小端字節(jié)順序存儲(chǔ)法或簡(jiǎn)稱小端方式。大端方式：是高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址位置處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址位置處，稱為大端字節(jié)順序存儲(chǔ)法或簡(jiǎn)稱大端方式。34例如：對(duì)于0x12345678數(shù)據(jù)來(lái)講，小端與大端的存儲(chǔ)格式如下：35關(guān)于小端與大端的技術(shù)問(wèn)題采用大端存儲(chǔ)方式還是小端存儲(chǔ)方式，各處理器廠商的立場(chǎng)和習(xí)慣不同，并不存在技術(shù)原因。Intel公司X86系列微處理器都采用小端存儲(chǔ)法，而IBM、Motorola和SunMicrosystems公司的大多數(shù)微處理器采用大端存儲(chǔ)法。此外，還有一些微處理器，如ARM、MIPS和Motorola的PowerPC等，可以通過(guò)芯片上電啟動(dòng)時(shí)確定的字節(jié)存儲(chǔ)順序規(guī)則，來(lái)選擇存儲(chǔ)模式。另外，是小端存儲(chǔ)方式還是小端存儲(chǔ)方式，不但可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件決定，也可以由工具語(yǔ)言的編譯器來(lái)決定。362.可移植性問(wèn)題當(dāng)在不同存儲(chǔ)順序的微處理器間進(jìn)行程序移植時(shí)，要特別注意存儲(chǔ)模式的影響。把從軟件得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)寫成一般的數(shù)據(jù)格式往往會(huì)涉及到存儲(chǔ)順序的問(wèn)題。在多臺(tái)不同存儲(chǔ)順序的主機(jī)之間共享信息可以有兩種方式：一種是以單一存儲(chǔ)方式共享數(shù)據(jù)，一種是允許主機(jī)以不同的存儲(chǔ)方式共享數(shù)據(jù)。使用單一存儲(chǔ)順序只要解釋一種格式，解碼簡(jiǎn)單。使用多種存儲(chǔ)方式不需要對(duì)數(shù)據(jù)的原順序進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得編碼容易，同時(shí)當(dāng)編碼器和解碼器采用同一種存儲(chǔ)方式時(shí)因?yàn)椴恍枰儞Q字節(jié)順序，也能提高通信效率。373．網(wǎng)絡(luò)信道中的字節(jié)順序問(wèn)題在網(wǎng)絡(luò)通信中，Internet協(xié)議（即IP協(xié)議）定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。該字節(jié)順序被用于所有設(shè)計(jì)使用在IP協(xié)議上的數(shù)據(jù)包、高級(jí)協(xié)議和文件格式上。很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在存儲(chǔ)順序問(wèn)題：即字節(jié)中的位采用大端法（最重要的位優(yōu)先）或小端法（最不重要的位優(yōu)先）發(fā)送。這取決于OSI模型最底層的數(shù)據(jù)鏈路層。在以太網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)卡中，字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸順序同書寫順序，相當(dāng)于大端方式，位數(shù)據(jù)高位在前，低位在后。381.4嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為硬件開(kāi)發(fā)部分和軟件開(kāi)發(fā)部分。應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)一般都采用“宿主機(jī)/目標(biāo)板”的開(kāi)發(fā)模式，即利用宿主機(jī)（PC機(jī)）上豐富的軟硬件資源、良好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來(lái)調(diào)試硬件和目標(biāo)板上的程序，然后通過(guò)交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，通過(guò)JTAG（JointTestActionGroup；聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組）接口/串行接口/USB接口/網(wǎng)絡(luò)接口等下載到目標(biāo)板上，利用交叉調(diào)試器監(jiān)控程序運(yùn)行，根據(jù)調(diào)試器來(lái)觀察運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)時(shí)分析、處理軟硬件出現(xiàn)的問(wèn)題。調(diào)試完成后，將目標(biāo)程序下載到目標(biāo)板上，完成整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。39當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)逐步規(guī)范化，開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括用戶系統(tǒng)需求、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、外圍控制裝置電路設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)最終測(cè)試，最后形成產(chǎn)品。具體描述如下：401）用戶系統(tǒng)需求分析根據(jù)用戶的需求，確定設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書文本，作為設(shè)計(jì)依據(jù)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分為功能性需求和非功能性需求，功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入的開(kāi)關(guān)量個(gè)數(shù)、輸出的開(kāi)關(guān)量個(gè)數(shù)、模擬量的輸入/輸出路數(shù)、操作方式、與外部設(shè)備的連接與通信方式等；非功能需求包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成本、功耗、體積和重量等。412）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能需求和非功能需求，包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分，以及系統(tǒng)軟件、硬件的