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嵌入式系統(tǒng)基礎,第7章 裸機系統(tǒng)的軟件開發(fā) ,1,嵌入式軟件開發(fā)內容,開發(fā)系統(tǒng)軟件-通用性 操作系統(tǒng) 協(xié)議棧 GUI 庫函數(shù) 軟件組件與IP(知識產(chǎn)權內核) 開發(fā)應用軟件-專用性 在嵌入式操作系統(tǒng)之上進行開發(fā) 在硬件層上進行開發(fā),2,本章內容,軟件的結構和組成 監(jiān)控程序 裸機系統(tǒng)軟件的設計方法 軟件的移植問題 可移植應用軟件的開發(fā)原則,3,本章目的,了解嵌入式系統(tǒng)的軟件結構與組成 掌握裸機系統(tǒng)的軟件結構及應用 前后臺結構 中斷驅動結構 巡回服務結構 基于定時器的巡回服務結構 了解可移植程序的設計原理，掌握可移植程序的設計方法,4,#include /普通程序 main() printf(“hello,worldn”); ,5,1 軟件的結構和組成,#include /嵌入式軟件主程序 main() while(1) action1(); action2(); ,6,嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)問題,嵌入式操作系統(tǒng)。 操作系統(tǒng)與應用軟件的集成。 軟件的結構。 嵌入式系統(tǒng)的軟件是沒有出口的，程序不能“退出”，整個程序的結構應該是無限的循環(huán)。 嵌入式系統(tǒng)的軟件設計需要考慮硬件的支持、操作系統(tǒng)的支持、程序的初始化和引導等諸多的方面。 嵌入式系統(tǒng)的軟件可能沒有操作系統(tǒng)，在裸機上直接開發(fā)。,7,1.1嵌入式系統(tǒng)的軟件組成,初始化引導代碼 板級支持包 操作系統(tǒng) 通信協(xié)議棧 圖形用戶界面 應用軟件,8,嵌入式系統(tǒng)的軟件結構,9,1.2、初始化引導代碼,初始化引導代碼是任務嵌入式系統(tǒng)上電復位后第一個執(zhí)行的代碼 復位向量 80186：FFFF0H MCS51:0 ARM:0 執(zhí)行： 自檢 引導操作系統(tǒng) 進入初始化（硬件、軟件）,10,1.3 BSP板級支持包,PC平臺的標準化 嵌入式系統(tǒng)平臺的多樣化 BSP的功能 裸機系統(tǒng)沒有BSP 用戶定制的系統(tǒng)各不相同 用戶定制的系統(tǒng)主要部分相同 含有存儲器、定時器、中斷等操作系統(tǒng)運行所需的基本部件 嵌入式操作系統(tǒng)與用戶定制硬件平臺之間的接口,11,1.4嵌入式操作系統(tǒng),復雜系統(tǒng)需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持 簡單系統(tǒng)可以不使用嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)可裁減 嵌入式操作系統(tǒng)的內核 處理機管理（任務、任務之間的通信和同步等） 存儲器管理 完整的嵌入式操作系統(tǒng) 內核 文件系統(tǒng) 人機界面 設備驅動等,12,1.5網(wǎng)絡協(xié)議棧,協(xié)議棧對于具有網(wǎng)絡功能的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品是必要的，目前嵌入式協(xié)議棧的提供有兩種方式， 一種是獨立的第三方協(xié)議棧產(chǎn)品， 一種是嵌入式操作系統(tǒng)的提供商提供協(xié)議棧產(chǎn)品。 協(xié)議棧的運行必須基于嵌入式操作系統(tǒng)的平臺支持，但是并不意味著協(xié)議棧必須依賴于嵌入式操作系統(tǒng)的API。事實上，許多的嵌入式協(xié)議棧，如嵌入式TCP/IP協(xié)議棧做到了與操作系統(tǒng)的最大獨立性，可以與大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)集成運行。,13,1.6應用軟件,嵌入式系統(tǒng)的應用軟件一般需要自主開發(fā)，不同的嵌入式系統(tǒng)的應用軟件各具特色和功能。 例如常用的應用軟件用于PDA上，記事本、通訊錄、計算器等。 應用于工業(yè)現(xiàn)場總線領域的應用軟件如控制軟件等。 應用軟件的開發(fā)基于操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信協(xié)議棧、圖形用戶接口、文件系統(tǒng)等一系列的低層API。,14,1.7 GUI,對于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，圖形用戶接口是必要的，特別是隨身設備如PDA、手機等。 GUI運行在嵌入式操作系統(tǒng)之上。用戶開發(fā)的與用戶交互的應用軟件通過調用GUI的功能調用(API)來實現(xiàn)。,15,2 監(jiān)控程序-monitor,監(jiān)控程序是運行在嵌入式系統(tǒng)中的一段代碼，具有與用戶進行交互，管理系統(tǒng)資源的功能，具有操作系統(tǒng)內核的一小部分功能。嵌入式系統(tǒng)正式運行時，通常不需要監(jiān)控程序的干預。 目前開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)控程序的作為正在減少，只用在一些小的嵌入式系統(tǒng)中。 有的嵌入式控制器的制造商把監(jiān)控程序駐留在ROM中提供給用戶在開發(fā)時使用，提供的功能如程序下載、調試、固化等。 如motorola公司的某些8位嵌入式微控制器,16,3 裸機系統(tǒng)軟件的設計方法,嵌入式系統(tǒng)軟件設計 無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件設計 有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件設計 （下一章）,17,3.1無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件設計,前后臺系統(tǒng) 中斷（事件）驅動系統(tǒng) 巡回服務系統(tǒng) 基于定時器的巡回服務系統(tǒng),18,3.1.1前后臺系統(tǒng),后臺： 應用程序是一個無限循環(huán)，巡回地執(zhí)行多個事件，完成相應的操作。這一部分軟件稱為后臺。通常在主程序main()中被調用。 前臺： 中斷服務程序處理異步事件，這一部分可以看成是前臺。 后臺可以稱為任務級，前臺可以稱為中斷級。強實時性的關鍵操作一定要用中斷來實現(xiàn)。,19,程序框架-后臺,main() /* 硬件初始化 */ while(1) /* 后臺程序 */ action1(); action2(); actionn(); ,action_1() /* 執(zhí)行動作1 */ action_n() /* 執(zhí)行動作n */ ,20,程序框架-前臺,Isr_1() /中斷服務程序 1 /* 中斷1的中斷服務程序 */ /其它中斷服務程序 Isr_n()/中斷服務程序 n /* 中斷2的中斷服務程序 */ ,21,前后臺系統(tǒng)的特點,實時性問題-不好 中斷服務程序提供的數(shù)據(jù)（實時性數(shù)據(jù)）只有在后臺輪詢到的時候才能得到運行 應用 小系統(tǒng)： 微波爐 電話機 玩具等,22,3.1.2中斷（事件）驅動系統(tǒng),原理 整個嵌入式系統(tǒng)軟件由中斷服務程序構成 主程序完成系統(tǒng)的初始化工作 應用 低功耗系統(tǒng)設計 事件驅動系統(tǒng) 構成 主程序-完成系統(tǒng)的初始化 中斷服務例程-完成事務處理,23,中斷（事件）驅動系統(tǒng)-主程序,/*完成系統(tǒng)的硬件初始化和數(shù)據(jù)結構的初始化（如果必要的話）*/ main() /* to do: 系統(tǒng)的初始化 */ while(1) 其它代碼或 enter_low_power(); /進入低功耗狀態(tài)，如idle狀態(tài) ,24,中斷（事件）驅動系統(tǒng)-中斷服務程序,Isr_n() /* 其中的一個中斷服務程序 */ /* to do: 處理中斷事件 */ /* to do: 中斷返回 */ ,25,3.1.3巡回服務系統(tǒng),應用： 嵌入式處理器/控制器的中斷源不多 解決方案 增加中斷源-需要硬件，成本高 軟件方案-軟件巡回服務 main() /* to do: 系統(tǒng)初始化 */ while(1) action_1();/*巡回檢測事件1并處理事件*/ action_2();/*巡回檢測事件2并處理事件*/ action_n();/*巡回檢測事件n并處理事件*/ ,26,3.1.4基于定時器的巡回服務系統(tǒng),普通巡回服務系統(tǒng)的缺點 處理器全速運行，開銷大-功耗高-電池供電系統(tǒng) 降低處理器的工作時間-基于定時器的巡回服務系統(tǒng) 構成 主程序 定時器中斷服務程序,27,主程序,main() /* to do: 系統(tǒng)初始化 */ /* to do: 設置定時器,如自動重新加載方式 */ while(1) /其它代碼或 enter_low_power(); ,28,定時器中斷服務例程,Isr_timer() /* 定時器的中斷服務程序 */ action_1(); /*執(zhí)行事件1的處理*/ action_2(); /*執(zhí)行事件2的處理*/ action_n(); /*執(zhí)行事件n的處理*/ ,29,4 軟件的移植,內容 考慮移植的必要性 裸機系統(tǒng)的軟件移植 應用軟件的移植 可移植應用軟件的設計思路,30,4.1移植的必要性,基于嵌入式處理器的原因 處理器的更新方式 兼容機更新方式-量變，短時間 80x86系列 新的體系結構代替舊的體系結構-質變，長時間 dragon ball：EZ,VZ: 68000體系，ARM體系 基于嵌入式操作系統(tǒng)的原因 舊的操作系統(tǒng)淘汰，新的操作系統(tǒng)被開發(fā)出來 應用軟件需要運行于不同的嵌入式操作系統(tǒng)平臺上,31,例：,硬件： Z80，STD總線工業(yè)PC 軟件： DOS的DCSwindows平臺、Vxworks平臺,32,5.2裸機系統(tǒng)的軟件移植,裸機系統(tǒng)的特點 通常比較簡單（如8位字寬） 使用匯編語言或C語言開發(fā) 不易移植的情況 匯編語言開發(fā) 跨平臺 模塊化差,33,基于硬件抽象層可移植軟件結構,34,應用軟件,輸入/輸出模塊,處理器硬件,應用軟件,硬件抽象層,處理器硬件,輸入/輸出模塊,硬件相關,可移植性結構,硬件抽象層的特點,硬件抽象層具有與硬件密切相關性； 為上層應用軟件的開發(fā)提供統(tǒng)一的接口 接口定義的功能應包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能； 接口定義簡單明了，太多接口函數(shù)會增加軟件模擬的復雜性； 具有可測性的接口設計有利于系統(tǒng)的軟硬件測試和集成。,35,應用軟件,硬件抽象層,處理器硬件,輸入/輸出模塊,硬件抽象層設計方法和原則,軟件硬件并行、協(xié)同設計 分析接口的數(shù)據(jù)傳輸特性（雙向/單向數(shù)據(jù)傳輸，字節(jié)型/數(shù)據(jù)幀型傳輸模式）； 分析接口配置屬性； 定義接口所需的相關函數(shù)。,36,應用軟件的開發(fā)原則,不直接操作硬件 調用硬件抽象層的接口函數(shù) 完成面向應用的軟件開發(fā),37,硬件抽象層例子,RS232串行通信接口 發(fā)送功能 接收功能 模式、參數(shù)設置功能 控制功能 對于MCS51，8251，16450/16550,etc設計同樣的接口函數(shù)， uart_putc(uint8 ch, uint8 c); uart_getc(uint8 ch, uint8 *buf); uart_puts(uint8 ch, uint8 *pstr); uart_gets(uint8 ch, uint8 *pbuf); uart_init(uint8 ch, uint8 rate, uint8 data_len, uint8 check, uint8 start_bit, uint8 stop_bit);,38,應用程序中使用可移植的UART的功能,初始化uart uart_init() 發(fā)送一個字符 uart_putc() 接收一個字符 uart_getc(),39,5可移植應用軟件的設計原則,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的初期考慮移植問題 設計原則 層次化 模塊化 層次化與模塊化的結合 可設計硬件抽象層 可設計操作系統(tǒng)抽象層,40,5.5.3層次化與模塊化的結合,41,datatype.h /* 基本數(shù)據(jù)類型 */ typedef unsigned char BOOLEAN; typedef unsigned char UINT8; typedef signed char INT8; typedef unsigned short UINT16; typedef signed short INT16; typedef unsigned int UINT32; typedef signed in