架构设计笔记-16-嵌入式系统架构设计理论与实践

最新推荐文章于 2025-03-08 09:15:00 发布

HL_LOVE_C

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分类专栏：系统架构设计文章标签：笔记软考架构设计系统架构软件工程嵌入式

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嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）

知识要点

嵌入式微处理器

嵌入式微处理器目前主要有：Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM 系列等。与工业控制计算机相比，其优点在于体积小，重量轻，成本低以及可靠性高，但保密性也较差。是电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，降低了系统的可靠性，技术的母板功能。大致可分为：微处理器（Micro Processor Unit，MPU）、微控制器（Micro Control Unit，MCU）、图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、片上系统（System on Chip，SoC）。

微处理器（MPU）：将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能。与工业控制计算机相比，其优点在于体积小，重量轻，成本低以及可靠性高，但是电路板上必须包括ROM，RAM，总线接口，各种外设等器件，减低了系统的可靠性，技术保密性也比较差。嵌入式微处理器有：Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，68000，MIPS，ARM系列等。
微控制器（MCU）：又称单片机。微处理器一般以某一种微处理内核为核心，每一种衍生产品的处理器内核都是一样的，不用的是存储器和外设的配置和封装。与 MPU 相比 MCU 的最大优点在于单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器比较有代表性的通用系列包括：8501、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/1/12/16、68300 和数目众多的 ARM 系列。
信号处理器（DSP）：DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计（通常，DSP 采用哈佛结构），使其适合于执行 DSP 算法，编译效率高，指令执行速度也高。DSP 处理器比较有代表性的产品是 TI 公司生产的 TMS320 系列（包括用于控制的 C2000 系列，移动通信的 C5000 系列，以及性能更高的 C6000 系列和 C8000 系列）和 Freecale 公司生产的 DSP56000 系列，另外 PHILIPS 公司近年也推出了基于可重置嵌入式 DSP 结构的采用低成本、低功耗技术制造的 R.E.A.L DSP 处理器。
图形处理器（GPU）：GPU 是图形处理单元的缩写，是一种可执行渲染 3D 图形等图形相关运算工作的半导体芯片（处理器）。GPU 可用于个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上做图像和图形相关运算工作，可减少对 CPU 的依赖，并进行部分原本 CPU 的工作，尤其是在 3D 图形处理中，GPU 采用了核心技术（如：硬件 T&L、纹理压缩等），保证了快速 3D 渲染能力。
片上系统（SoC）：各种通用处理器内核作为 SoC 设计公司的标准库，与许多其他嵌入式系统的外设一样，成为 VLSI 设计中的一种标准的器件，用标准的 VHDL 等语言描述，存储在器件库中，用户只需要定义出整个应用系统。除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分都可集成到一块或几块芯片中。

存储器（memory）

存储器（memory）主要用于存储程序和各种数据信息的记忆部件，它也是时序逻辑电路的一部分。按存储器的使用类型可分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），随机存储器在计算期间被用于高速暂存记忆区，数据可以在 RAM 中存储、读取和使用新数据代替；只读存储器被用于存储计算机在必要时的指令集，存储在 ROM 内的信息是一种硬接线方式（即一种物理组成），且不能被计算机改变（即“只读”特性）。可编程只读存储器（PROM）属于可变 ROM，可以将其暴露在一个外部电器设备或光学器件中来改变。

通常，存储器根据结构的不同分类多种，其分类如下：

RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）。RAM 的特点是：打开计算机，操作系统和应用程序的所有正在运行的数据和程序都会放置其中，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。它的工作需要由持续的电力提供，一旦系统断电，存放在里面的所有数据和程序都会自动清空掉，并且再也无法恢复。根据组成元件的不同，RAM 内存又分为以下 18 种：
1. DRAM（Dynamic RAM，动态随机存取存储器）。这是最普通的 RAM，一个电子管与一个电容器组成一个位存储单元，DRAM 将每个内存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来做储存动作，但因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。存取时间和放电时间一致，约为 2-4ms。因为成本较便宜，通常用作计算机内的主存储器。
2. SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）。静态，指的是内存里面的数据可以长驻其中而不需要随时进行存取。每 6 个电子管组成个位存储单元，因为没有电容器，因此无须不断充电即可正常运作，因此它可以比一般的动态随机处理内在处理速度更快更稳定，往往用作高速缓存。因为成本比较便宜，通常都用作计算机内的主存储器。
3. VRAM（Video RAM，视频内存）。它的主要功能是将显卡的视频数据输出到数模转换器中，有效降低绘图显示芯片的工作负担。它采用双数据口设计，其中一个数据口是并行式的数据输出入口，另一个是串行式的数据输出口，多用于高级显卡中的高档内存。
4. FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速页切换模式动态随机存取存储器）。改良版的 DRAM，大多数为 72 Pin 或 30Pin 的模块。传统的 DRAM 在存取一位的数据时，必须送出行地址和列地址各一次才能读写数据。而 FPM DRAM 在触发了行地址后，如果 CPU 需要的地址在同一行内，则可以连续输出列地址而不必再输出行地址了。由于一般的程序和数据在内存中排列的地址是连续的，这种情况下输出行地址后连续输出列地址就可以得到所需要的数据。FPM 将记忆体内部隔成许多页（Pagcs），从 512B 到数 KB 不等，在读取一连续区域内的数据时，就可以通过快速页切换模式来直接读取各 Page 内的资料，从而大大提高读取速度。在 1996 年以前，在 486 时代和 PENTIUM 时代的初期，FPM DRAM 被大量使用。
5. EDO DRAM（Extended Data Out DRAM，延伸数据输出动态随机存取存储器）。这是继 FPM 之后出现的一种存储器，一般为 72 Pin、168Pin 的模块。它不需要像 FPM DRAM 那样在存取每一位数据时必须输出行地址和列地址并使其稳定一段时间，然后才能读写有效的数据，而下一位的地址必须等待这次读写操作完成才能输出。因此它可以大大缩短等待输出地址的时间，其存取速度一般比 FPM 模式快 15%左右。它一般应用于中档以下的 Pentium 主板标准内在，后期的 486 系统开始支持 EDO DRAM，到 1996 年后期，EDO DRAM 开始执行。
6. BEDO DRAM（Burst Extended Data Out DRAM，爆发式延伸数据输出动态随机存取存储器）。这是改良型的 EDO DRAM，是由美光公司提出的，它在芯片上增加了一个地址计数器来追踪下一个地址。它是突发式的读取方式，也就是当一个数据地址被送出后，剩下的三个数据每一个都只需要一个周期就能读取，因此一次可以存取多组数据，速度比 EDO DRAM 快。但支持 BEDO DRAM 内存的主板很少，只有极少几款提供支持（如 VIA APOLLO VP2），因此很快就被 DRAM 取代了。
7. MDRAM（Multi-Bank DRAM，多插槽动态随机存取存储器）。MoSys