以太网LED图文显示系统的设计 第2页
1.1嵌入式系统的简介
嵌入式系统从20世纪70年代开始发展到现在，数量上己经远远超过了通用计算机，
在制造工业、过程控制、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类电子产品
等领域的应用都非常广泛。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有独特的个性。尽管
嵌入式系统己经得到广泛的应用，但要精确定义嵌入式系统的概念却不容易，以下首先
介绍嵌入式系统的概念。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面
的。下面给出两种比较合理的定义:
(1)嵌入式系统:以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适合应
用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗有严格要求的专用计算机系统。
(2)嵌入式系统:嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密藕合
在一起的计算机系统。嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称
为嵌入式系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统[]l。
两种定义的出发角度不同，一个是从技术的角度来定义的，另一个是从系统的角度
来定义的。事实上，在大多数情况下，嵌入式系统被真正的嵌入，即它们是“系统中的
系统”，一般上都有自身的功能。例如，数字机顶盒DST中的数字音频/视频解码系统是
DST的一个完整部分，它又是一个嵌入式系统。某些情况下，嵌入式系统在功能上是独
立的系统。例如网络路由器是独立的嵌入式系统。它由特殊的通信处理器、内存、许多
网络端口以及实现包的路由算法的特殊软件组成。
普通个人计算机中的处理器是通用目的的处理器。早期，嵌入式系统通常采用通用
处理器构造。这些处理器能源消耗大，产生的热量高，尺寸也大。这也就意味着这些处
理器的制造成本昂贵。近些年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多
的嵌入式系统用嵌入式处理器，而不是用通用处理器。这些嵌入式处理器是为完成特殊
的应用而设计的特殊目的处理器。这些嵌入式处理器大致可以分为四大类:嵌入式微处
理器(EmbededMicnororeessorUnit，EMp切、嵌入式微控制器M(ieoreonrtollerUnit，C功、
嵌入式DsP(Digital51，alporeesso)r处理器、嵌入式片上系统(SystemonChip)。
ARM是AdvnaecdRSICMachines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业
设计了大量高性能、廉价、低功耗的犯SC处理器、相关技术和软件。ARM公司的处理
器具有性能高、成本低和能耗低的特点，适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费/教育
类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多半导体、软件和OEM
基于以太网的LED图文显示系统的设计
厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务，利用这种合伙关系，
ARM很快成为许多全球性班SC标准的缔造者。ARM的设计实现了非常小但高性能的
构。ARM是精简指令集计算机，因为它集成了非常典型的RJSC结构特性:一个大的、
统一的寄存器文件;装载/保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接
存储器进行操作;简单的寻址模式，所有装载/保存的地址都只由寄存器的内容和指令
决定;统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。
此外，ARM体系结构还提供:每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位
器进行控制，以实现对ALU和移位器的最大利用;地址自动增加和自动减少的寻址模
实现了程序循环的优化;多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量;所有指令
条件执行实现了最快速的代码执行。
这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗
和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。
ARM公司开发了很多系列的ARM处理器，目前最新的系列是ARMll了，然而应用
较多的是ARM7系列、ARMg系列、ARMgE系列和ARM10系列以及SecurCoer系列和hti
的sortngA又M，xseale系列。
(功ARM7系列
ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI一S、带有高速缓存处理器宏单元的
ARM7即T和扩充了Jazelle的ARM7EJ一os该系列处理器提供Th切mb16位压缩指令集和
EmbeddedICEJTAG软件调试方式，适合应用于更大规模的SoC设计中。其中ARM720
高速缓存处理宏单元还提供了SKB缓存、读缓存和具有内存管理功能的高性能处理器，
支持Linux，S卿bina05和WindowsCE等操作系统。
ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括加emet设备、网络和调制解调器
设备，以及移动电话、PDA等无线设备。
(2)ARMg系列
ARMg系列有A丑MgTDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。
所有的ARMg系列处理器都具有Thumb压缩指令集和基于EmbdeddeICEJTAG的软件调
试方式。AR五19系列兼容A只317系列，而且能够比ARM7系列进行更加灵活的设计。
ARMg系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、
网络电脑以及带有MP3音频和MPEG4视频多媒体格式的智能电话中。
(3)ARMEg系列
ARMEg系列为综合处理器。该系列强化了数字信号处理D(SP)功能，可应用于需要
DSP与微控制器结合使用的情况。
大连理工大学硕士学位论文
(4)A卫五110系列
ARM10系列其核心在于使用向量浮点(VFP)单元VFP10提供高性能的浮点解决方
案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的ZD和3D图形引擎应
用打下了基础，如视频游戏机和高性能打印机等。
(5)SeeurCore系列
该系列处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和
其他安全CI开发提供独特的咒位系统设计，并具有特定的反伪造方法，从而有助于防止
对硬件和软件的盗版。
(6)SortngARM和Xseal系列
SortngARM处理器将htiel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通
信和电子类设备提供理想的解决方案。Xscale微处理器结构则提供全性能、高性价比、
低功耗的解决方案。
1.2嵌入式实时操作系统
在70年代，嵌入式软件还是执行一些单线程的程序，80年代早期开始，嵌入式系统
的程序员开始用商业级的操作系统编写嵌入式应用软件，这使得开发人员进一步缩短了
开发周期，降低了开发成本并提高了开发效率。1981年，RaedySystme公司开发出了世
界上第一个商业嵌入式实时内核VTRX犯。此后一些公司纷纷推出了自己的嵌入式操作
系统，这使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也使嵌入式系统有了更广
阔的应用空间闭。90年代以后，随着对实时性要求的提高，实时内核发展为实时多任务
操作系统(RToS)，并作为一种软件平台逐渐成为目前国际上嵌入式系统的主流]sl。经过
多年的发展，目前世界上已经有一大批十分成熟的实时嵌入式操作系统。
一般来说使用嵌入式操作系统主要由于以下几个原因:
(1)需要操作系统的支持。当应用软件过于复杂，开发难度大，安全性和可靠性都
难于保证，就需要操作系统的支持。
(2)在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器的速
度无法达到这样的目的，这就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务的调度能力。
(3)嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考
虑，要求系统不能崩溃，而且还要有自愈能力。这不仅要求在硬件设计方面提高系统的
可靠性和抗干扰性，而且也要求在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安
全漏洞和不可靠隐患。实时操作系统的引入大大减少了干扰，使得干扰只能引起若干个
进程中的一个被破坏，并可通过系统监控进程对其进行修复。
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