01嵌入式系統(tǒng)概述02計算機系統(tǒng)的組成05嵌入式處理器04計算機系統(tǒng)的性能03計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示第1章嵌入式系統(tǒng)概述/01嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算機系統(tǒng)的簡稱，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)”。根據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。廣義來說，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可

靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特點口簡單來說，就是嵌入到對象中的專用計算機系統(tǒng)□三

要素

：嵌入、專用、計算機□嵌入式系統(tǒng)的特點：由三要素引出·嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求·專用性：軟、硬件按對象要求裁減·計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能嵌入式系統(tǒng)的特點□除了上述核心特點外，嵌入式系統(tǒng)還有以下特點·生命周期長：更新、換代也是和實際產(chǎn)品一同進行·軟件固化：軟件固化在非易失性存儲介質(zhì)中·有實時性要求：在規(guī)定的時限內(nèi)做出正確的反應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢·

智能化：具有一定的智能處理能力·

網(wǎng)絡(luò)化：能夠連上Internet

網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)開展應(yīng)用·人性化：擁有更好的用戶使用感受或人機接口www.islide.cc

6總結(jié)：嵌入式系統(tǒng)是應(yīng)用驅(qū)動技術(shù)進步，通用系統(tǒng)是性能推動

技術(shù)進步。islide嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的比較嵌入式系統(tǒng)

通用系統(tǒng)1.

性能為中心2.

海量資源3.

應(yīng)用未知4.Intel、AMD

獨大5.

更新?lián)Q代快1.

應(yīng)用為中心2.

資源受限3.

面向應(yīng)用優(yōu)化4.

百花齊放5.

更新?lián)Q代慢www.

.cc7計算機系統(tǒng)的組成/02□馮

·諾依曼將計算機的硬件系統(tǒng)·

控制器·

運算器·

存儲器·

輸入設(shè)備·

輸出設(shè)備存儲器外存儲器內(nèi)存儲器運算器控制器數(shù)據(jù)流

控制流硬件系統(tǒng)-抽象模塊輸入設(shè)備輸出設(shè)備硬件系統(tǒng)-實際設(shè)備CPU

(中央處理單元)主板：集運算器和控制器于一體內(nèi)存(主存):內(nèi)存儲器(DDR4

SDRAM)硬盤(外存、輔存):外存儲器(磁介質(zhì)機械硬盤，

SSD)顯示器(液晶屏):輸出設(shè)備鍵盤、鼠標(按鍵):輸入設(shè)備www.islide.cc10軟件系統(tǒng)僅僅有硬件系統(tǒng)，計算機仍然是無法工作的，就像我們需要大腦指揮四肢進行一系列動作，才能完成工作。軟件系統(tǒng)就像是

整個計算機系統(tǒng)的“大腦”。軟件系統(tǒng)按其功能分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類·應(yīng)用軟件：是為滿足用戶不同領(lǐng)域、不同問題的應(yīng)用需求而

開發(fā)的軟件?！?/p>

系統(tǒng)軟件：為實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等

功能而開發(fā)的軟件。高級語言：C、Java、Matlab匯編語言：指令助記符表示機器語言：二進制代碼高級語言可以跨平臺，匯編語言與機器語言是針對具體硬件平臺個數(shù)進行交換源程序(C

語言)void

swap(int

v[],intk)inttemp;temp=v[k];

v[k]=v[k+1];

v[k+1]=temp;}00000000101000010.00000000000110000…10001100011000100..10001100111100100.10101100111100100..10101100011000100..00000011111000000…算法：將一個數(shù)組的第k個數(shù)與第k+1匯編程序swap:www.islide.cc

12$2,$5,4$2,$4,$2$15,0($2)

$16,4($2)

$16,0($2)

$15,4($2)

$31計算機程序muli

add

IwIwSWSWjr軟硬件系統(tǒng)關(guān)系硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是在硬件的基礎(chǔ)上為有效地使用計算機而配置。沒有硬件對軟件的支持，軟件的功能就

無從談起；同樣，沒有軟件計算機將無法正常運行，也就不能發(fā)

揮其作用。因此，硬件和軟件是相輔相成、不可分割的整體。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)就業(yè)崗位架構(gòu)設(shè)計工程師硬件設(shè)計工程師軟件設(shè)計工程師(應(yīng)用、驅(qū)動、系統(tǒng)等)測試工程師產(chǎn)品工程師●···●需求最大的就是軟件設(shè)計工程師www.islide.cc14計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示103數(shù)的r進制表示一個r進制整數(shù)至多有r個不同數(shù)碼{S?,S?,…,Sr-1},

從右到左第i位的權(quán)為ri-1,

總和等于各位數(shù)碼與對應(yīng)權(quán)乘積的和，即任意

r

進整數(shù)S可表示為：,S

是第i位的數(shù)碼，n為總位數(shù)計算機中常用的記數(shù)制二進制：只有0和1兩個數(shù)碼，其記數(shù)特點及進位原則為“逢二進

一

”。八進制：共有0~7八個數(shù)碼，其記數(shù)特點及進位原則為“逢八進

一

”。十六進：共有0~9、A、B、C、D、E、F十六個數(shù)碼，其記數(shù)特點及進位原則為“逢十六進一”。原碼、反碼、補碼原碼，反碼，補碼在計算機中運用最多的數(shù)字表示形式。原碼：是機器數(shù)中最簡單的一種表示形式，采用1位符號位+n

位數(shù)值位的形式。符號位為0表示正數(shù)，為1表示負數(shù)，數(shù)值位即真值的絕對值。若整數(shù)X用n+1

位二進制表示，可以表示為：原碼、反碼、補碼反碼：通常用來由原碼求補碼或者由補碼求原碼的中間過渡。二進制整數(shù)反碼的定義為：,X

為負補

碼

：二進制整數(shù)補碼的定義為：例

：X=±35

的原碼、反碼和補碼(8位表示)[+35]原=00100011

[-35]原=10100011?[+35]反=00100011[-35]反=11011100[+35]補=00100011

[-35]補=11011101www.islide.cc

20浮點數(shù)的表示在實際應(yīng)用中，光有整數(shù)是無法滿足實際使用的，比如電子的質(zhì)量9×10-28g,

太陽的質(zhì)量2×1033g,它們都不能直接用定

點小數(shù)或定點整數(shù)表示，但均可用浮點數(shù)表示。浮點數(shù)即小數(shù)點的位置可以浮動的數(shù)，一般表示形式為：F=M×rE式

中M為尾數(shù)(可正可負),E為階碼(可正可負),r

是基數(shù)(或基值)。在計算機中，基數(shù)可取2、4、8或16等。參數(shù)

單精度浮點數(shù)雙精度浮點數(shù)雙精度擴展浮點數(shù)EE厚

點裝履準表示形式如下：-1S2°(b?8號

位1

2

7

當

S-126用

移

碼

表

示6452bb?b?11為0時表示-1022+1023。為尾數(shù)，共P位，原碼表示。~10+4928064115為正數(shù)1638為1時-16382+16383尾數(shù)長度(bit)符號位s(指數(shù)E的長度(bit)S

為

該

浮

數(shù)

的

符最小指數(shù)E,min奔

碼

，浮點數(shù)的表示IEEE754

規(guī)定了單精度和雙精度兩種基本的浮點格式，以及雙精度擴展等多種浮點格式。I數(shù)。為負非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼ASCII碼：目前國際上普遍采用的信息交換標準碼是ASCII碼(美國國家信息交換標準碼),它包括10個十進制數(shù)碼，26個英文

字母的大小寫和一定數(shù)量的專用符號、控制命令等總共約128個元

素。因此，用二進制編碼表示只需要7位。若加上一個奇(偶)校驗

位，共8位，剛好可用一個字節(jié)表示。漢字編碼

：為了使?jié)h字信息交換有一個通用的標準，1981年

我國制定推行的GB2312-80

國家標準。GB2312-80

國標字符集構(gòu)

成一個二維平面，分成94行和94列，并將行號稱為區(qū)號，將列號

稱為位號。因此，在此字符集中的每一個漢字或符號對應(yīng)唯一的一個區(qū)號和位號。D6DSD4D3D2D1D00000010100111001011101110000NULDLESP0@Pp0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScS0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfV0111BELETB7GWgW1000BSCAN(8HXhX1001HTEM)9IY1y1010LFSUB*:JZJZ1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L1I1101CRGS-=M]m{1110SORS>Nn~1111SIUS/?O一0DEL漢字編碼碼表示例B00123456789A

B

C

D

E

F

A啊阿埃挨哎唉哀皚癌藹矮艾礙愛隘

B

鞍氨安俺按暗岸胺案骯昂盎凹敖熬翱

C襖傲奧懊澳芭捌扒叭吧笆八疤巴拔跋

D靶把耙壩霸罷爸白柏百擺佰敗拜稗斑

E班搬扳般頒板版扮拌伴瓣半辦絆邦幫

F

梆榜膀綁棒磅蚌鎊傍謗苞胞包褒剝B10123456789A

B

C

D

E

FA薄雹保堡飽寶抱報暴豹鮑爆杯碑悲

B卑北輩背貝鋇倍狽備憊焙被奔苯本笨

C崩繃甭泵蹦迸逼鼻比鄙筆彼碧蓖蔽畢

D斃毖幣庇痹閉敝弊必辟壁臂避陛鞭邊

E

編貶扁便變卞辨辯辮遍標彪膘表鱉憋

F

別癟彬斌瀕濱賓擯兵冰柄丙秉餅炳非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼ASCII

碼表計算機系統(tǒng)的性能/04性能量化指標直觀來說，人們在衡量計算機的性能時，更多的考慮的是計算機運行速度的快與慢。因此，計算機的性能與完成一個任務(wù)所需要的時間直接相關(guān)。計算機的性能與其完成任務(wù)的時間成反比。因此，計算機的性能一般用下面公式來衡量：為方便對計算機的性能進行評價，有時也用計算機每秒能執(zhí)行的百萬條指

令(MillionInstructions

Per

Second,

MIPS)

數(shù)量來衡量。1完成任務(wù)所需要的時間計算機的性能=性能預(yù)測的摩爾定律集成電路芯片的集成度每18個月翻一番，即集成電路單位面積的晶圓上可容納的晶體管的數(shù)量約每隔18個月便會增加一倍，

芯片的性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性

能，將每隔18個月翻一倍。摩爾定律非物理定律，僅是一個技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測。它正在走向失效，但何時失效也說不清楚。性能改進的Amdahl定律Amdahl

定律是20世紀60年代由Amdahl

提出，其內(nèi)容為：系統(tǒng)中對某一部件采用更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。系統(tǒng)性能加速比計算式如下：總執(zhí)行時間改進前

總執(zhí)行時間改進后系統(tǒng)性能改進后系統(tǒng)性能改進前加速比=二性能改進的Amdahl定律加速比依賴于兩個因素：可改進比例：在改進前的系統(tǒng)中，可改進部分的執(zhí)行時間在總的執(zhí)行時間中所占的比例稱為可改進比例。部件加速比：改進前所需的執(zhí)行時間與改進后執(zhí)行時間的比。改進后系統(tǒng)的總執(zhí)行時間可以表示為不可改進部分的執(zhí)行時間與可改進部分改進后的執(zhí)行時間的和。進一步，改進后系統(tǒng)的總執(zhí)行時間可

以

表

示

為

：總執(zhí)行時間改進后=(1-可改進比例)×總執(zhí)行時間Amdahl

定律揭示了計算機系統(tǒng)性能改進的兩種局限。(1)部分性能改進的遞減局限。即如果僅僅對計算機系統(tǒng)的一部分

做性能改進，則改進得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。(2)對計算機系統(tǒng)進行部分性能改進，系統(tǒng)加速比存在極限，極限為1/(1-可改進比例)。結(jié)論：統(tǒng)的性能改進是受系統(tǒng)中不可改進部分的比例所限制的。性能改進的Amdahl定律根據(jù)上式，可以得到系統(tǒng)的性能加速比為：reb=30,

。他們在總執(zhí)行時間中所占的比例分別是30%、30%、20%。試計算這三個部件同時改進后的系統(tǒng)加速比。多個部件同時可改進的情況下，Amdahl

定律可表示為：上述公式里面fe代表可改進比例，

re代表可改進部分的部件加速比。將已知的可改進比例和部件加速比代入上式，可得：例

：Amdahl的使用若計算機系統(tǒng)有三個部件a、b、c可改進，它們的部件加速比分別為rea=30,www.islide.cc31嵌入式處理器/04嵌入式系統(tǒng)的分類□單

片

機

(SCM)□微處理器

(MPU)□數(shù)字信號處理器(DSP)□片上系統(tǒng)(SOC)與

SOPC單片機(SingleChip

Microcomputer,SCM)□單片機(Single

Chip

Microcomputer,SCM),顧名思義，

就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中的單片計算機。

一般用于系統(tǒng)的控制，故又稱微控制器(Micro

Control

Unit,

EMCU)□單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、

總線邏輯、定時/

計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM

等各種必要功能和外設(shè)。單片機(Single

Chip

Microcomputer,SCM)口

由于SCM主要定位于系統(tǒng)控制和簡單的數(shù)據(jù)處理，其計算速度慢，處理能力不強，

一般在幾個MIPS左右。因此SCM一般適用于運算速度要求不

高的控制端，這也是其被稱為MCU的原因。□

按照數(shù)據(jù)處理的寬度，MCU可以分為4位、8位、16位甚至32位的單片機。一般數(shù)據(jù)處理寬度越低，其數(shù)據(jù)處理能力越弱，越只能進行簡單的系統(tǒng)控

制?！?1系列、

PIC系列、

AVR系列、MSP430

系列、STM32

系列等。目前，單片機芯片可以做到自主可控(兆易創(chuàng)新)。319.3290.3268.810.02020*

2021*2022*中國MCU

市場規(guī)模增長(%)210.0

213.4

223.0

16.62016

2017

2018中國MCU

市場規(guī)模(億元人民幣)中國MCU市場中

國MCU

市場規(guī)模增長與預(yù)測350.0300.0250.0200.0150.0100.050.00.0www.islide.cc25.020.015.010.05.00.036256.02019180.02015微處理器(Micro

Processor

Unit,MPU)□MPU

嵌入式微處理器最早由通用計算機中的CPU

演變而來的，□支持操作系統(tǒng)和實時任務(wù)調(diào)度□用于復雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，如智能手機、車載主機系統(tǒng)等?！醯湫痛頌锳RM

Cortex-A系列處理器數(shù)字信號處理器(Digital

Signal

Processor,DSP)□DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。□DSP是運算密集處理器，

一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運行操作系統(tǒng)，核心代碼使

用匯編。片上系統(tǒng)(System-on-Chip,SoC)□SOC是集成電路(IntegratedCircuit,IC)

設(shè)計的發(fā)展趨勢。

采用SoC設(shè)計技術(shù)，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)

的面積和功耗，降低系統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價格比?！鮏oC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計算、

多媒體應(yīng)用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。SOPC:FPGA口

隨著技術(shù)的發(fā)展，對SoC芯片的擴展性需求逐漸上升，一塊SoC芯片通過編程可實現(xiàn)不同的功能，增加SoC芯片的應(yīng)用范圍。例如，用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上稱作可編程片上系統(tǒng)

(System-on-Programmable-Chip,SoPC)?？?/p>

現(xiàn)場可編程門陣列

(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)是具有代表性SoPC系統(tǒng)芯片。利用FPGA內(nèi)部集成MPU軟核+專用電路構(gòu)成面向應(yīng)用的

處理器芯片。華為麒麟手機芯片自研之路·

2004年，成立海思半導體公司·

2009年，

K3V1,

首款手機芯片，·

2012年：K3V2,40nm

制程工藝打造，是全球最小的四核ARM

A9架構(gòu)CPU

,

集成GPU。

發(fā)熱嚴重?！?014年：麒麟910和麒麟920。910基于28nm工藝制程打造，首次集成華為自研巴龍710基帶。920升級到8核，還集成了音頻芯片、視頻芯片、集成自研第一款LTECat.6的巴龍720基帶。920獲得市場認可，打響了麒麟品牌?！?/p>

2015年：麒麟930和麒麟950。

CPU

采

用A53

架構(gòu)，最高主頻可達2.0GHz,GPU為MP4。麒麟950采用臺積電16nm

制程和A72

架構(gòu)，GPU

為Mali-T880第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)Mali-T628MP4。41華為麒麟手機芯片自研之路·2016年：麒麟960?；?6nm制程打造，華為Mate9系列首發(fā)。

CPU

首次配備了A73核心，小核心為A53,組成四大四小的8核組合，

GPU

為Mali

G71MP8。麒

麟960的圖形處理性能提升了180%,

GPU能效提升了20%,補齊了麒麟芯片GPU性能大幅落后于高通的這塊短板·2017年：麒麟970。首款10nm工藝芯片—麒麟970,四核A73+四核A53架構(gòu)，主頻2.4+1.8GHz

。麒麟970還有專門的AI硬件處理單元—NPU

(Neural

NetworkProcessing

Unit,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元),以支持AI?！?018年：麒麟980。使用臺積電的第一代7nm工藝制程，4*A76+4*A55的八核心設(shè)計，最高主頻可達2.6GHz

。GPU