嵌入式系统的构建清华大学使用教程资源-CSDN下载

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### 嵌入式系统的构建知识点详析 #### 一、嵌入式系统的硬件构成 **1.1 嵌入式系统硬件** ##### 1.1.1 嵌入式处理器 - **嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)**：这类处理器通常具有较高的计算能力，但需要外部存储器和其他组件的支持。 - **嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)**：MCU是一种高度集成的处理器，集成了CPU、RAM、ROM以及各种I/O接口等，适用于小型化、低功耗的应用场景。 - **嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)**：专门用于信号处理任务，如音频、视频处理等，具有高速数据处理能力。 - **嵌入式片上系统(System On Chip, SoC)**：将整个系统的各个组件（包括处理器、存储器、I/O接口等）集成在一个芯片上，实现高度集成化。 ##### 1.1.1.5 嵌入式处理器的选择选择嵌入式处理器时，需要考虑的因素包括但不限于： - **应用需求**：根据实际应用场景的需求选择合适的处理器类型。 - **成本**：预算限制是选择处理器的重要因素之一。 - **功耗**：对于电池供电的设备来说，低功耗是非常重要的。 - **可扩展性**：未来可能需要增加的功能或性能提升的空间。 - **支持度**：软件支持情况，如操作系统、开发工具等。 ##### 1.1.2 存储器 - **ROM (Read-Only Memory)**：用于存储固件或程序代码，数据在出厂时已经写入，不可更改。 - **RAM (Random Access Memory)**：用于运行时的数据存储，断电后数据会丢失。根据类型不同分为SRAM、DRAM等。 ##### 1.1.3 输入输出设备 - **液晶显示(LCD)**：广泛应用于嵌入式系统中的显示设备，功耗低、体积小。 - **触摸屏**：提供直观的用户交互方式，提高用户体验。 - **语音输入输出技术**：实现语音识别和合成功能，用于智能设备的人机交互。 - **键盘**：物理键盘或虚拟键盘，用于输入文字或命令。 ##### 1.1.4 电源转换与管理 - **电源IC分类**：根据不同的应用需求选择不同类型的电源管理芯片。 - **电源IC的特点**：高效能、高可靠性、易于集成等特点。 - **电源IC选用指南**：根据设备的具体需求，选择合适的电源管理方案。 ##### 1.2 嵌入式系统硬件开发相关技术 - **接口技术**：如并行接口、串行接口、USB等，用于连接不同的硬件设备。 - **总线**：包括ISA、PCI、I2C、SPI等，是系统内部各组件之间通信的基础。 - **硬件调试和编程技术**：如串口调试、编程技术、JTAG等，用于系统开发过程中的测试与调试。 ##### 1.3 嵌入式系统开发示例——EZ开发板 - **系统性能**：介绍EZ开发板的基本性能指标。 - **系统硬件设计**：详细说明了EZ开发板的硬件组成部分，包括CPU与存储器模块、LCD显示模块、串口模块等。 - **TQFP和LQFP器件的焊接方法**：介绍了这些封装形式的元器件在开发板上的安装方法。 - **硬件调试**：提供调试方法和技术指导。 #### 二、操作系统 **2.1 基础知识** - **操作系统功能**：管理和控制计算机系统的资源。 - **操作系统发展史**：从早期的操作系统到现代的操作系统发展历程。 - **Linux与嵌入式Linux**：Linux作为一种开源的操作系统，其在嵌入式领域的应用越来越广泛。 **2.2 操作系统内核** - **内存管理**：包括内存管理功能、内存分割、虚拟内存等概念。 - **进程与中断管理**：进程描述与控制、并发控制（互斥与同步）、死锁处理、中断处理等。 - **调度机制**：调度类型、单处理器调度、多处理器调度、实时调度等。 - **I/O设备**：I/O设备描述参数、I/O技术的演变、I/O设备逻辑描述等。 - **文件管理**：文件与文件系统、文件组织与访问、文件共享、记录分块、外围存储设备管理等。 **2.3 用户界面** - **图形用户界面**：基本知识、关键技术等。 - **智能化用户界面**：Agent技术及其与用户界面的结合。 - **Linux下的用户界面**：X Window系统简介、X服务器、窗口管理器等。 #### 三、嵌入式Linux **3.1 嵌入式Linux内核** - **嵌入式Linux综述**：概述嵌入式Linux的发展背景和发展现状。 - **uCLinux**：一种轻量级的Linux发行版，适用于资源受限的嵌入式系统。 - **uCLinux的内存管理**：介绍uCLinux如何管理内存资源。 - **uCLinux内核结构**：深入探讨uCLinux内核的架构特点和组成。以上是对《嵌入式系统的构建》这一教材内容的知识点总结，涵盖了嵌入式系统硬件构成、操作系统以及嵌入式Linux等多个方面的内容，旨在为读者提供一个全面了解嵌入式系统的框架。

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嵌入式系统的构建

试用教材

清华大学自动化系

2003 年 1 月

- i -

前言.................................................................................................................................................1

第一章嵌入式系统的硬件构成.....................................................................................................3

1.1. 嵌入式系统硬件...............................................................................................................3

1.1.1. 嵌入式处理器........................................................................................................3

1.1.1.1. 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) ......................3

1.1.1.2. 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)..........................................4

1.1.1.3. 嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP).............4

1.1.1.4. 嵌入式片上系统(System On Chip)............................................................5

1.1.1.5. 嵌入式处理器的选择 .................................................................................5

1.1.2. 存储器....................................................................................................................6

1.1.2.1. ROM.............................................................................................................7

1.1.2.2. RAM.............................................................................................................7

1.1.3. 输入输出设备........................................................................................................8

1.1.3.1. 液晶显示.....................................................................................................8

1.1.3.2. 触摸屏.........................................................................................................9

1.1.3.3. 语音输入输出技术...................................................................................10

1.1.3.4. 键盘...........................................................................................................11

1.1.4. 电源转换与管理..................................................................................................13

1.1.4.1. 电源 IC 分类.............................................................................................13

1.1.4.2. 电源 IC 的特点.........................................................................................14

1.1.4.3. 电源 IC 选用指南.....................................................................................14

1.2. 嵌入式系统硬件开发相关技术.....................................................................................15

1.2.1. 接口技术..............................................................................................................15

1.2.1.1. 并行接口...................................................................................................16

1.2.1.2. 串口...........................................................................................................16

1.2.1.3. USB............................................................................................................17

1.2.1.4. PCMCIA 和 CF..........................................................................................18

1.2.1.5. 红外线接口...............................................................................................19

1.2.2. 总线......................................................................................................................20

1.2.2.1. ISA .............................................................................................................20

1.2.2.2. PCI .............................................................................................................20

1.2.2.3. I2C 总线.....................................................................................................21

1.2.2.4. SPI 总线.....................................................................................................21

1.2.2.5. PC104 总线................................................................................................22

1.2.2.6. CAN 总线 ..................................................................................................23

1.2.3. 嵌入式系统开发常用的硬件调试和编程技术..................................................24

1.2.3.1. 微代码支持的串口调试...........................................................................24

1.2.3.2. 编程技术...................................................................................................24

1.2.3.3. JATG 与 IEEE1149 协议简介 ...................................................................25

1.2.4. 3.3V 和 5V 装置的互连 .......................................................................................26

1.3. 嵌入式系统开发示例——EZ 开发板...........................................................................27

1.3.1. 系统性能..............................................................................................................27

1.3.2. 系统硬件设计......................................................................................................28

1.3.2.1. CPU 与存储器模块...................................................................................28

- ii -

1.3.2.2. LCD 显示模块...........................................................................................28

1.3.2.3. 串口模块...................................................................................................29

1.3.2.4. 电源模块...................................................................................................29

1.3.2.5. 进入 BOOTSTRAP 电路模块..................................................................30

1.3.3. TQFP 和 LQFP 器件的焊接方法 ......................................................................30

1.3.4. 硬件调试..............................................................................................................31

第二章操作系统...........................................................................................................................32

2.1. 基础知识.........................................................................................................................32

2.1.1. 操作系统功能......................................................................................................32

2.1.2. 操作系统发展史..................................................................................................32

2.1.3. Linux 与嵌入式 Linux..........................................................................................33

2.2. 操作系统内核.................................................................................................................34

2.2.1. 内存管理..............................................................................................................34

2.2.1.1. 内存管理功能...........................................................................................34

2.2.1.2. 内存分割...................................................................................................34

2.2.1.3. 虚拟内存...................................................................................................35

2.2.1.4. Linux 的内存管理机制 .............................................................................37

2.2.2. 进程与中断管理..................................................................................................40

2.2.2.1. 进程描述与控制.......................................................................................41

2.2.2.2. 并发控制：互斥与同步...........................................................................45

2.2.2.3. 并发控制：死锁处理 ...............................................................................52

2.2.2.4. 中断及中断处理.......................................................................................56

2.2.2.5. Linux 的进程与中断管理机制 .................................................................58

2.2.3. 调度机制..............................................................................................................63

2.2.3.1. 调度类型...................................................................................................63

2.2.3.2. 单处理器调度...........................................................................................65

2.2.3.3. 多处理器调度...........................................................................................67

2.2.3.4. 实时调度...................................................................................................69

2.2.3.5. Linux 的调度机制 .....................................................................................72

2.2.4. I/O 设备 ................................................................................................................74

2.2.4.1. I/O 设备描述参数......................................................................................74

2.2.4.2. I/O 技术的演变..........................................................................................74

2.2.4.3. I/O 设备逻辑描述......................................................................................75

2.2.4.4. I/O 缓冲技术 .............................................................................................77

2.2.4.5. 磁盘调度...................................................................................................79

2.2.5. 文件管理..............................................................................................................82

2.2.5.1. 文件与文件系统.......................................................................................82

2.2.5.2. 文件组织与访问.......................................................................................83

2.2.5.3. 文件共享...................................................................................................86

2.2.5.4. 记录分块...................................................................................................86

2.2.5.5. 外围存储设备管理...................................................................................87

2.2.5.6. Linux 的文件系统管理 .............................................................................88

2.3. 用户界面.........................................................................................................................89

2.3.1. 图形用户界面......................................................................................................90

- iii -

2.3.1.1. 基本知识...................................................................................................90

2.3.1.2. 关键技术...................................................................................................90

2.3.2. 智能化用户界面..................................................................................................92

2.3.2.1. Agent 技术 .................................................................................................92

2.3.2.2. Agent 技术与用户界面的结合 .................................................................95

2.3.3. Linux 下的用户界面 ............................................................................................96

2.3.3.1. X Window 简介 .........................................................................................96

2.3.3.2. X 服务器....................................................................................................97

2.3.3.3. 窗口管理器...............................................................................................99

第三章嵌入式 Linux ..................................................................................................................100

3.1. 嵌入式 Linux 内核 .......................................................................................................100

3.1.1 嵌入式 Linux 综述 ..............................................................................................100

3.1.2 uCLinux ...............................................................................................................100

3.1.2.1 uClinux 的内存管理 .................................................................................101

3.1.2.2 uCLinux 内核结构....................................................................................101

3.1.2.3 内存保护..................................................................................................102

3.1.2.4 编程接口的改变......................................................................................102

3.1.2.5 uCLinux 的应用程序库............................................................................103

3.1.2.6 uCLinux 内核运行方式............................................................................104

3.1.2.7. uClinux 支持的文件系统 ........................................................................104

3.2. 嵌入式设备的文件系统...............................................................................................104

3.2.1. 闪存（Flash Memory）介绍 ............................................................................104

3.2.2. 第二版扩展文件系统 Ext2fs（Extended 2 Filesystem） ................................104

3.2.3. 临时文件系统 tmpfs（Temporary Filesystem） ..............................................105

3.2.4. 日志闪存文件系统版本 2－JFFS2（Journalling Flash Filesystem） ..106

3.2.4.1 概述...........................................................................................................106

3.2.4.2. JFFS 的设计原理：.................................................................................106

3.3 嵌入式用户界面............................................................................................................108

3.3.1. GUI 开发工具综述.............................................................................................108

3.3.1.1. Xfree86 4.X（带帧缓冲区支持的 X11R6.4）......................................108

3.3.1.2. Microwindows..........................................................................................109

3.3.1.3. FLTK ........................................................................................................109

3.3.1.4. Qt/Embedded............................................................................................110

3.3.2 MicroWindows 剖析............................................................................................ 111

3.3.2.1. 分层设计................................................................................................. 111

3.3.2.2. 设备驱动层............................................................................................. 111

3.3.2.3. 设备无关的图形引擎层......................................................................... 111

3.3.2.4. API（基于 Win32）................................................................................ 112

3.3.2.5. 消息传递机制.........................................................................................112

3.3.2.6. 窗口操作.................................................................................................112

3.3.2.7. 客户区域和绝对坐标 ............................................................................. 113

3.3.2.8. 设备上下文............................................................................................. 113

3.3.3. Microwindows 的移植和中文化........................................................................113

3.3.3.1. 针对 uCLinux 所作的修改..................................................................... 114

- iv -

3.3.3.2. 中文化处理............................................................................................. 114

3.3.4. 应用实例－电子文本阅读器............................................................................ 115

3.3.4.1 功能要求以及方案选择：....................................................................... 115

3.3.4.2 具体实现................................................................................................... 115

第四章交叉编译.........................................................................................................................117

4.1. 编译原理.......................................................................................................................117

4.1.1. 基础知识............................................................................................................117

4.1.1.1. 编译的一般过程..................................................................................... 117

4.1.1.2. 与编译器相关的程序 ............................................................................. 118

4.1.1.3. 编译器的移植.........................................................................................119

4.1.2. 词法分析............................................................................................................119

4.1.2.1. 词法的形式化描述.................................................................................119

4.1.2.2. 词法分析程序的设计 .............................................................................122

4.1.3. 语法分析............................................................................................................123

4.1.3.1. 自顶向下的语法分析 .............................................................................124

4.1.3.2. 自底向上的语法分析 .............................................................................126

4.1.4. 中间代码............................................................................................................128

4.1.5. 代码优化............................................................................................................130

4.2. 交叉编译技术...............................................................................................................133

4.2.1. 交叉编译............................................................................................................133

4.2.2. GCC 交叉编译器................................................................................................134

4.2.2.1. GCC 编译流程.........................................................................................134

4.2.2.2. Linux 环境下的 GCC 交叉编译器 .........................................................137

第五章嵌入式 Linux 的软件开发环境 .....................................................................................142

5.1. 交叉编译环境...............................................................................................................142

5.1.1. 编译开发环境的建立........................................................................................142

5.1.1.1 安装交叉编译环境...................................................................................142

5.1.1.2. 添加设备驱动和内核模块.....................................................................142

5.1.2. 可执行文件........................................................................................................143

5.1.2.1. Coff 文件格式..........................................................................................143

5.1.2.2. elf 文件格式.............................................................................................143

5.1.2.3. flat 文件格式 ...........................................................................................143

5.2. 调试技术.......................................................................................................................144

5.2.1. 常见调试方法....................................................................................................144

5.2.2. 内存调试............................................................................................................145

5.2.2. 系统调用跟踪....................................................................................................148

5.2.3. 程序调试............................................................................................................149

5.3. 系统引导和内核启动...................................................................................................154

5.3.1. Bootloader 程序的设计与实现 ..........................................................................154

5.3.1.1. 硬件平台的通信.....................................................................................154

5.3.1.2. 硬件平台初始化程序 .............................................................................154

5.3.1.3. 硬件平台监控程序.................................................................................155

5.3.2. uCLinux 移植......................................................................................................155

5.3.2.1. 第一阶段.................................................................................................155

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luo9168

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