[发明专利]一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构

说明书

本发明属于微控制器与实时操作系统技术领域，涉及一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构，微处理器内包含寄存器组资源，寄存器组资源与映射寄存器组库之间通过寄存器互连总线连接，微处理器核与半硬件操作系统通过高速互联总线连接，映射寄存器组库、微处理器核和半硬件操作系统集成在一个芯片内构成内嵌完整硬件操作系统的微处理器，内嵌完整硬件操作系统的微处理器通过片内外设总线与片内功能模块控制器组连接构成内嵌微处理器核完整硬件操作系统的微控制器；应用该技术方案能够生产出高实时性、高灵活度、高适应性、高可靠性的微控制器，提高应用系统的集成度，满足不同应用领域的需求，进而提高系统的可靠性和稳定性。

技术领域：

本发明属于微控制器与实时操作系统技术领域，涉及一种内嵌微处理器核和完整硬件操作系统的微控制器架构，将硬件实时操作系统与微处理器集成到一个芯片内，构成一片内含处理器和操作系统的单片集成电路，有效地提高微控制器的实时性、灵活性和适应性。

背景技术：

嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，二者相互独立、相互依存，硬件是软件的载体，软件通过硬件发挥作用，其中，硬件主要包括嵌入式处理器和应用接口电路等；软件主要包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等。嵌入式系统在工业控制、消费电子、通信设备、汽车电子、医疗电子、机械电子、视频电子和数码电子等领域得到广泛的应用。据市场调查公司IDC预测：从2011年到2016年，全球智能系统设备的数量将从230亿台激增至460亿台，行业总体收入将从1.3万亿美元攀升至2.3万亿美元。2016年，智能系统设备的出货量将占所有出货电子系统设备的37.1％以上。

根据评测，用中等性能的处理器运行纯软件操作系统来实现100Mbps带宽的TCP/IP应用，只有10％时间用于真正的TCP/IP协议处理，37％用于嵌入式实时操作系统(RTOS)，32％用于校验和计算，10％用于TCP头重置，10％用于内存复制，因此较好的改进方式，是将RTOS、校验和计算等硬件化，这些被硬件化的部分基本很少需要改变。

微控制器和嵌入式操作系统是智能产品的核心，嵌入式操作系统需要运行在微控制器上，针对特定的实时性要求严格的应用场景，比如工业控制、军事武器，更需要嵌入式实时操作系统的支持。常见嵌入式实时操作系统有VxWorks、μCLinux、μC/OS-II、Nucleus、QNX、eCos、RT-Thread等，嵌入式操作系统运行的可靠性和实时性，直接决定着智能产品的确定性和稳定性。

随着嵌入式系统对实时性和运行效率要求的提高，人们已经提出了将嵌入式实时操作系统实施软件硬件化，即将嵌入式实时操作系统(软件)分别由软件和硬件两个部分实现，其中，硬件部分主要实现RTOS的任务调度、定时器管理、事件管理等工作，软件部分主要实现RTOS的任务切换(所谓任务切换就是将当前正在执行任务的堆栈指针寄存器、程序状态字寄存器、通用寄存器组压入堆栈，将当前需要切换执行任务的堆栈指针寄存器、程序状态字寄存器、通用寄存器组弹出堆栈)。任务切换主要是操作微处理器内部的寄存器，由于微处理器内部通常只有一套寄存器(1个堆栈指针寄存器、1个程序状态字寄存器、1组通用寄存器组等)，因此任务切换一般只能由软件进行堆栈操作来实现，在现有嵌入式系统应用中，任务切换占用了大量的处理器时间。