二、嵌入式系統(tǒng)基本概念

1、1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)第二講第二講 基本概念及設(shè)計(jì)方法基本概念及設(shè)計(jì)方法2本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式嵌入式BSP的基本概念的基本概念嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例3l馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)lCISCCISC與與RISCRISCl影響影響CPUCPU性能的因素性能的因素l存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)lI/OI/O接口接口一、嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)一、嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)4典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件MPUMPU微處理器微處理器電源電

2、源模塊模塊時(shí)鐘時(shí)鐘復(fù)位復(fù)位FlashFlashRAMRAMROMROMUSBUSBLCDLCDKeyboardKeyboard外圍電路外圍電路OtherOther外設(shè)外設(shè)51.1 馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器程序程序指令指令0 0指令指令1 1指令指令2 2指令指令3 3指令指令4 4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 261.2 哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器指令寄存器控制器控制器數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器指令指令0指令指令

3、1指令指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2地址地址指令指令地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)71.3 CISC和和RISCCISCCISC：復(fù)雜指令集（：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式具有大量的指令和尋址方式8/28/2原則：原則：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。RISCRISC：精簡(jiǎn)指令集（：精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set C

4、omputer)Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使使CPUCPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單 81.4 影響影響CPU性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存性能的因素：流水線、超標(biāo)量和緩存流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行 提高了提高了CPU的運(yùn)行效率的運(yùn)行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmp9超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)

5、量執(zhí)行：超標(biāo)量超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)采用多條流水線結(jié)構(gòu) 執(zhí)行1預(yù)取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預(yù)取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)10高速緩存（高速緩存（CACHE）1 1、為什么采用高速緩存、為什么采用高速緩存 微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。提高內(nèi)存的平均性能。2 2、高速緩存的工作原理、高速緩存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。容的拷貝。 CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)

6、據(jù)數(shù)據(jù)地址11總線和總線橋總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲(chǔ)器高速設(shè)備高速設(shè)備低速總線121.5 存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)RAMRAM：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器， SRAMSRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器， DRAMDRAM：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 1 1）SRAMSRAM比比DRAMDRAM快快 2 2）SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗電多耗電多 3 3）DRAMDRAM存儲(chǔ)密度比存儲(chǔ)密度比SRAMSRAM高得多高得多 4 4）DRMDRM需要周期性刷新需要周期性刷新ROMROM：只讀存儲(chǔ)器：只讀存儲(chǔ)器FLASHFLASH：閃存：閃存13SRAM和和DRA

7、M1）SRAM 2）DRAMCSR/WAddrDataCSR/WCASDataRASAddr14輸入輸出接口輸入輸出接口lI/OI/OlA/DA/D、D/AD/Al鍵盤鍵盤lLCDLCDl存儲(chǔ)器接口存儲(chǔ)器接口l設(shè)備接口設(shè)備接口15例如例如USBUSBlUSBUSB：Universal Serial BusUniversal Serial Bus，通用串行總線，通用串行總線l大家生活中常見的與大家生活中常見的與USBUSB有關(guān)的東西有：有關(guān)的東西有：uU U盤、移動(dòng)硬盤、無(wú)驅(qū)型的盤、移動(dòng)硬盤、無(wú)驅(qū)型的MP3MP3（U U盤）盤）uUSBUSB接口的鍵盤、接口的鍵盤、MouseMouse、打印機(jī)、

8、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)l即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展即插即用，熱插撥，系統(tǒng)不需重啟便可工作，且易于擴(kuò)展（127127個(gè)）個(gè)）lUSB2.0USB2.0以低成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)以低成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)480Mb/s480Mb/s的傳輸率（的傳輸率（USB1.1USB1.1的全速的全速設(shè)備可達(dá)設(shè)備可達(dá)12Mb/s12Mb/s）l接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、端口供電16一個(gè)典型的一個(gè)典型的USBUSB通訊系統(tǒng)通訊系統(tǒng)HOST系統(tǒng)HUBDEVICEDDEVICE應(yīng)用軟件+驅(qū)動(dòng)程序Ms.Win+接口芯片HUBU盤其他數(shù)據(jù)采集器驅(qū)動(dòng)代碼+嵌入式處理器+HOST芯片HUBU盤其他數(shù)據(jù)采集器

9、通用系統(tǒng)模型PC機(jī)中的情況嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用17本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式嵌入式BSP的基本概念的基本概念嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例18二、嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)二、嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)l操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類l嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)l前臺(tái)與后臺(tái)前臺(tái)與后臺(tái)l多任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)，調(diào)度多任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)，調(diào)度l非占先式與占先式、可重入型函數(shù)非占先式與占先式、可重入型函數(shù)193.1 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類（1 1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個(gè)程序，獨(dú)占）順序執(zhí)行

10、系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個(gè)程序，獨(dú)占CPUCPU的運(yùn)的運(yùn)行時(shí)間，按語(yǔ)句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程行時(shí)間，按語(yǔ)句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動(dòng)運(yùn)行。如序才能啟動(dòng)運(yùn)行。如DOSDOS操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)。（2 2）分時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可以有多個(gè)程序運(yùn)行，把）分時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可以有多個(gè)程序運(yùn)行，把CPUCPU的時(shí)間分按順序分成若干片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的時(shí)間分按順序分成若干片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如的程序。如UNIXUNIX（3 3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)程序運(yùn)行，每個(gè)程序有）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)程序運(yùn)行，每個(gè)程序有不同的優(yōu)先級(jí)，只有最高優(yōu)先級(jí)的任

11、務(wù)才能占有不同的優(yōu)先級(jí)，只有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能占有CPUCPU的控的控制權(quán)。制權(quán)。20按實(shí)時(shí)性分類按實(shí)時(shí)性分類l強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒或微秒級(jí)毫秒或微秒級(jí)（數(shù)控（數(shù)控機(jī)床）；機(jī)床）；l一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在毫秒幾秒的數(shù)量毫秒幾秒的數(shù)量級(jí)上級(jí)上，其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要差一些（電子菜譜，其實(shí)時(shí)性的要求比強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要差一些（電子菜譜的查詢）。的查詢）。l弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)十秒數(shù)十秒或或更長(zhǎng)（工更長(zhǎng)（工程機(jī)械）。程機(jī)械）。211 1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（Poll

12、ing LoopPolling Loop）最簡(jiǎn)單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個(gè)輸入條最簡(jiǎn)單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理。件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理。Initialize()While(true) if(condition_1) action_1(); if(condition_2) action_2(); if(condition_n) acition_n();按軟件結(jié)構(gòu)分類按軟件結(jié)構(gòu)分類222 2）事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：（）事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：（Event-Driven systemEvent-Driven system）事件驅(qū)

13、動(dòng)系統(tǒng)是能對(duì)外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺(tái)、事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是能對(duì)外部事件直接響應(yīng)的系統(tǒng)。它包括前后臺(tái)、實(shí)時(shí)多任務(wù)、多處理器等，是實(shí)時(shí)多任務(wù)、多處理器等，是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要形式嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要形式。應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為（操作，這部分可以看成后臺(tái)行為（backgroundbackground）。中斷服務(wù)程序處理）。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為（異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為（foreground)foreground)。后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)，前臺(tái)

14、也叫后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)，前臺(tái)也叫中斷級(jí)中斷級(jí)。例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如微波爐微波爐、電話機(jī)、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)電話機(jī)、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務(wù)來(lái)完成。，所有的事都靠中斷服務(wù)來(lái)完成。23前后臺(tái)系統(tǒng)（后臺(tái)循環(huán)、前臺(tái)中斷）前后臺(tái)系統(tǒng)（后臺(tái)循環(huán)、前臺(tái)中斷）ISRISR后臺(tái)后臺(tái) 前臺(tái)前臺(tái)ISR時(shí)間時(shí)間24l代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼。代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入

15、。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。l在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務(wù)切換時(shí)，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器立即開中斷（在任務(wù)切換時(shí)，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護(hù)）。堆棧保護(hù)）。代碼的臨界區(qū)代碼的臨界區(qū)25多任務(wù)（任務(wù)、進(jìn)程和線程）多任務(wù)（任務(wù)、進(jìn)程和線程）CPUCPU寄存器寄存器任務(wù)任務(wù)控制控制塊塊1 1任務(wù)任務(wù)控制控制塊塊2 2任務(wù)任務(wù)控制控制塊塊n n休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷休眠、就緒、運(yùn)行、掛起、被中斷任務(wù)任務(wù)1 1任務(wù)任務(wù)2 2任務(wù)任務(wù)n nCPUCPU寄存器寄存器26一個(gè)任務(wù)，也稱

16、作一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，也稱作一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)行程序。每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被程序。每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，賦予一定的優(yōu)先級(jí)， 有它自己的一套有它自己的一套CPUCPU寄存器和自己寄存器和自己的棧空間。的棧空間。多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是靠多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是靠CPUCPU（中央處理單元（中央處理單元）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。）在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。 CPUCPU只有一個(gè)，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一只有一個(gè)，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個(gè)。多任務(wù)運(yùn)行使個(gè)。多任務(wù)運(yùn)行使CPUCPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使的

17、利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。應(yīng)用程序模塊化。在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員在實(shí)際應(yīng)用中，多任務(wù)的最大特點(diǎn)是，開發(fā)人員可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位C合實(shí)驗(yàn)（時(shí)鐘、位可以將很復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位C合實(shí)驗(yàn)（時(shí)鐘、位圖、圖、USBUSB、KEYKEY）。）。27任務(wù)的狀態(tài)任務(wù)的狀態(tài)R RU UN NN NI IN NG GR RE EA AD DY YO OS ST Ta as sk kC Cr re ea at te e( () )O OS ST Ta as sk kC Cr re ea at te eE Ex xt t( () )T Ta as sk k i is s P

18、 Pr re ee em mp pt te ed dO OS SM MB Bo ox xP Pe en nd d( () )O OS SQ QP Pe en nd d( () )O OS SS Se em mP Pe en nd d( () )O OS ST Ta as sk kS Su us sp pe en nd d( () )O OS ST Ti im me eD Dl ly y( () )O OS ST Ti im me eD Dl ly yH HM MS SM M( () )O OS SM MB Bo ox xP Po os st t( () )O OS SQ QP Po os st

19、 t( () )O OS SQ QP Po os st tF Fr ro on nt t( () )O OS SS Se em mP Po os st t( () )O OS ST Ta as sk kR Re es su um me e( () )O OS ST Ti im me eD Dl ly yR Re es su um me e( () )O OS ST Ti im me eT Ti ic ck k( () )O OS ST Ta as sk kD De el l( () )D DO OR RM MA AN NT TW WA AI IT TI IN NG GO OS SS St ta

20、 ar rt t( () )O OS SI In nt tE Ex xi it t( () )O OS S_ _T TA AS SK K_ _S SW W( () )O OS ST Ta as sk kD De el l( () )O OS ST Ta as sk kD De el l( () )I In nt te er rr ru up pt tO OS SI In nt tE Ex xi it t( () )I IS SR R28系統(tǒng)內(nèi)核（系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel)與調(diào)度（與調(diào)度（Scheduler)l多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或

21、者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配務(wù)分配CPUCPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。l內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROMROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAMRAM的用量。內(nèi)核本身對(duì)的用量。內(nèi)核本身對(duì)CPUCPU的占用時(shí)間一般的占用時(shí)間一般在在2 2到到5 5個(gè)百分點(diǎn)之間。個(gè)百分點(diǎn)之間。l調(diào)度（調(diào)度（SchedulerScheduler）是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定）是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，就是要決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了

22、。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法指，級(jí)。基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度法指，CPUCPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。29非占先式與占先式非占先式與占先式非占先式（非占先式（non-preemptivenon-preemptive）非占先式調(diào)度法也稱作非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)合作型多任務(wù)（cooperative cooperative multitaskingmultitaski

23、ng），各個(gè)任務(wù)彼此合作），各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)共享一個(gè)CPUCPU。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來(lái)被中斷了的那個(gè)任務(wù)狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來(lái)被中斷了的那個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄CPUCPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得能獲得CPUCPU的使用權(quán)。的使用權(quán)。非占先式內(nèi)核的非占先式內(nèi)核的一個(gè)特點(diǎn)一個(gè)特點(diǎn)是幾乎不需要使用信號(hào)量保護(hù)共是幾乎不需要使用信號(hào)量保護(hù)共享數(shù)據(jù)。運(yùn)行著的任務(wù)占有享數(shù)據(jù)。運(yùn)行著的任務(wù)占有CPU

24、CPU，而不必?fù)?dān)心被別的任務(wù)搶占。，而不必?fù)?dān)心被別的任務(wù)搶占。非占先式內(nèi)核的非占先式內(nèi)核的最大缺陷最大缺陷在于其響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)慢，在于其響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)慢，任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)，但還不能運(yùn)行，也許要等很時(shí)間，直到當(dāng)任務(wù)已經(jīng)進(jìn)入就緒態(tài)，但還不能運(yùn)行，也許要等很時(shí)間，直到當(dāng)前運(yùn)行著的任務(wù)釋放前運(yùn)行著的任務(wù)釋放CPUCPU。內(nèi)核的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間是不確定的內(nèi)核的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間是不確定的，不知道什么時(shí)候最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能拿到不知道什么時(shí)候最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能拿到CPUCPU的控制權(quán)，完全的控制權(quán)，完全取決于應(yīng)用程序什么時(shí)候釋放取決于應(yīng)用程序什么時(shí)候釋放CPUCPU。30非占先式非占先式(Non-P

25、reemptive)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)ISR高優(yōu)先級(jí)任務(wù)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放CPU使用權(quán)使用權(quán)TIME31當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式（當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式（preemptivepreemptive）內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總）內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到能得到CPUCPU的控制權(quán)。的控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)

26、的CPUCPU使用權(quán)就被剝奪了，或使用權(quán)就被剝奪了，或者說(shuō)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了者說(shuō)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPUCPU的的控制權(quán)?？刂茩?quán)。使用占先式內(nèi)核時(shí)，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可使用占先式內(nèi)核時(shí)，應(yīng)用程序不應(yīng)直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)任務(wù)CPUCPU的使用權(quán)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)剝奪，的使用權(quán)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)剝奪，不可重入型函不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。占先式（占先式（preemptive）32占先式占先式(Preemptive)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)IS

27、R高優(yōu)先級(jí)任務(wù)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務(wù)程序使中斷服務(wù)程序使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到CPU使用權(quán)使用權(quán)TIME33可以被一個(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？芍乜梢员灰粋€(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞?？芍厝胄秃瘮?shù)任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以運(yùn)行，而相入型函數(shù)任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以運(yùn)行，而相應(yīng)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存應(yīng)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存在在CPUCPU寄存器中或堆棧中。寄存器中或堆棧中。一個(gè)不可重入型函數(shù)的例子一個(gè)

28、不可重入型函數(shù)的例子int Temp;int Temp;Void swap (int Void swap (int * *x,int x,int * *y)y) Temp=Temp=* *x;x;* *X=X=* *Y;Y;* *y=Temp;y=Temp; 可重入型函數(shù)可重入型函數(shù)34一個(gè)可重入型函數(shù)的例子一個(gè)可重入型函數(shù)的例子Void swap (int *x,int*y)int Temp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;35任務(wù)優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)l靜態(tài)優(yōu)先級(jí)靜態(tài)優(yōu)先級(jí) 應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變，則稱之為應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。在靜態(tài)優(yōu)先

29、級(jí)系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的 l動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí) 應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的，則應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的，則稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)內(nèi)核應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)稱之為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)內(nèi)核應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。問(wèn)題。 36優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)Task 1 (H)Task 2 (M)Task 3 (L)Priority InversionTask 3 Get SemaphoreTask 1 Preempts Task 3Task 1 Tries to get S

30、emaphoreTask 2 Preempts Task 3Task 3 ResumesTask 3 Releases the Semaphore( (1 1) )( (2 2) )( (3 3) )( (4 4) )( (5 5) )( (6 6) )( (7 7) )( (8 8) )( (9 9) )( (1 10 0) )( (1 11 1) )( (1 12 2) )37信號(hào)量信號(hào)量(Semaphore)l信號(hào)量是信號(hào)量是6060年代中期年代中期Edgser Dijkstra Edgser Dijkstra 發(fā)明的。信號(hào)發(fā)明的。信號(hào)量實(shí)際上是一種約定機(jī)制，在多任務(wù)內(nèi)核中普遍使用量實(shí)際

31、上是一種約定機(jī)制，在多任務(wù)內(nèi)核中普遍使用. .信號(hào)量用于信號(hào)量用于：u控制共享資源的使用權(quán)控制共享資源的使用權(quán)( (滿足互斥條件滿足互斥條件) )u標(biāo)志某事件的發(fā)生標(biāo)志某事件的發(fā)生u使兩個(gè)任務(wù)的行為同步使兩個(gè)任務(wù)的行為同步l信號(hào)與信號(hào)量在英文中都叫做信號(hào)與信號(hào)量在英文中都叫做SemaphoreSemaphore，并不加以區(qū)，并不加以區(qū)分，而說(shuō)它有兩種類型，二進(jìn)制型分，而說(shuō)它有兩種類型，二進(jìn)制型(binary)(binary)和計(jì)數(shù)器型和計(jì)數(shù)器型(counting) (counting) 38二進(jìn)制信號(hào)量二進(jìn)制信號(hào)量39計(jì)數(shù)式信號(hào)量計(jì)數(shù)式信號(hào)量40死鎖死鎖(或抱死或抱死) Deadlock 死鎖

32、也稱作抱死，指兩個(gè)任務(wù)無(wú)限期地互相等待對(duì)方控制死鎖也稱作抱死，指兩個(gè)任務(wù)無(wú)限期地互相等待對(duì)方控制著的資源。設(shè)任務(wù)著的資源。設(shè)任務(wù)T1T1正獨(dú)享資源正獨(dú)享資源R1R1，任務(wù)，任務(wù)T2T2在獨(dú)享資源在獨(dú)享資源T2T2，而此時(shí)，而此時(shí)T1T1又要獨(dú)享又要獨(dú)享R2R2，T2T2也要獨(dú)享也要獨(dú)享R1R1，于是哪個(gè)任務(wù)都，于是哪個(gè)任務(wù)都沒法繼續(xù)執(zhí)行了，發(fā)生了死鎖。最簡(jiǎn)單的防止發(fā)生死鎖的沒法繼續(xù)執(zhí)行了，發(fā)生了死鎖。最簡(jiǎn)單的防止發(fā)生死鎖的方法是讓每個(gè)任務(wù)都：方法是讓每個(gè)任務(wù)都：l先得到全部需要的資源再做下一步的工作先得到全部需要的資源再做下一步的工作l用同樣的順序去申請(qǐng)多個(gè)資源用同樣的順序去申請(qǐng)多個(gè)資源l釋放

33、資源時(shí)使用相反的順序釋放資源時(shí)使用相反的順序 41任務(wù)同步任務(wù)同步42l全程變量或共享內(nèi)存全程變量或共享內(nèi)存l郵箱或消息隊(duì)列郵箱或消息隊(duì)列 任務(wù)間的通訊任務(wù)間的通訊(Intertask Communication)43全程變量全程變量l用全程變量時(shí)，必須保證每個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)程序獨(dú)享用全程變量時(shí)，必須保證每個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)程序獨(dú)享該變量。該變量。l中斷服務(wù)中保證獨(dú)享的唯一辦法是關(guān)中斷。中斷服務(wù)中保證獨(dú)享的唯一辦法是關(guān)中斷。l如果兩個(gè)任務(wù)共享某變量，各任務(wù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享該變量的辦如果兩個(gè)任務(wù)共享某變量，各任務(wù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享該變量的辦法可以是關(guān)中斷再開中斷，或使用信號(hào)量法可以是關(guān)中斷再開中斷，或使用信號(hào)量 4

34、4消息郵箱消息郵箱45消息隊(duì)列消息隊(duì)列T TA AS SK KI IS SR RP PO OS ST TP PE EN ND DQ Qu ue eu ue eI In nt te er rr ru up pt t01046本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式嵌入式BSP的基本概念的基本概念嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例47嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架機(jī)械裝置機(jī)械裝置嵌入式嵌入式微處理器微處理器SDRAMSDRAMROMROMI/OI/OA/DA/DD/AD/A人機(jī)交互接口人機(jī)交互接口通用接口

35、通用接口實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)RTOS)圖形用戶圖形用戶接口接口BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包BSP/HAL 硬件抽象層/板極支持包任務(wù)管理任務(wù)管理文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)應(yīng)用程序應(yīng)用程序嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳感器1傳感器1傳感器2傳感器2傳感器N傳感器N.驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)器2驅(qū)動(dòng)器2驅(qū)動(dòng)器N驅(qū)動(dòng)器N.硬件層硬件層軟件層軟件層中間層中間層功能層功能層被控對(duì)象被控對(duì)象48嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟l系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析：確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)：確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書，作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能明書，作

36、為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號(hào)、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本如輸入輸出信號(hào)、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。、功耗、體積、重量等因素。l體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包：描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。型等。

37、一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。l硬件硬件/ /軟件協(xié)同設(shè)計(jì)軟件協(xié)同設(shè)計(jì)：基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳：基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計(jì)往往是并行的。應(yīng)該說(shuō)，細(xì)設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計(jì)往往是并行的。應(yīng)該說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)η度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的象技術(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。方法。l系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成：把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)：把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝

38、置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。l系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試：對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說(shuō)明書：對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說(shuō)明書中給定的功能要求。中給定的功能要求。49嵌入式開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境嵌入式開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境50開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介51開始新工程編輯源代碼交叉編譯連接仿真調(diào)試程序下載臺(tái)式/筆記本式PC機(jī)并口JTAG仿真器網(wǎng)絡(luò)接口JTAG接口USB接口串口0ARM300開發(fā)板串口USB接口以太網(wǎng)口ARMSDTDebugArmDvkARM7處理器執(zhí)行監(jiān)測(cè)結(jié)果超級(jí)終端ARM300開發(fā)板實(shí)驗(yàn)流程結(jié)束嵌入式軟件開發(fā)

39、流程嵌入式軟件開發(fā)流程52開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介網(wǎng)口JTAGUSB串口0擴(kuò)展板接口ARM微處理器S3C44B0X擴(kuò)展口2網(wǎng)卡JTAG仿真器ARM300開發(fā)板集成開發(fā)環(huán)境運(yùn)行平臺(tái)53幾種常用的開發(fā)方法幾種常用的開發(fā)方法l指令集模擬器指令集模擬器 一種利用一種利用PCPC機(jī)端的仿真開發(fā)軟件模擬調(diào)試的方法。機(jī)端的仿真開發(fā)軟件模擬調(diào)試的方法。l駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控軟件 駐留監(jiān)控程序運(yùn)行在目標(biāo)板上，駐留監(jiān)控程序運(yùn)行在目標(biāo)板上，PCPC機(jī)端調(diào)試軟件可通過(guò)并口、串機(jī)端調(diào)試軟件可通過(guò)并口、串口、網(wǎng)口與之交互，以完成程序執(zhí)行、存儲(chǔ)器及寄存器讀寫、斷口、網(wǎng)口與之交互，以完成程序執(zhí)行、存儲(chǔ)器及寄存器讀寫、斷點(diǎn)設(shè)置

40、等任務(wù)點(diǎn)設(shè)置等任務(wù)lJTAGJTAG仿真器仿真器 通過(guò)通過(guò)ARMARM芯片的芯片的JTAGJTAG邊界掃描口與邊界掃描口與ARMARM核進(jìn)行通信，不占用目標(biāo)板核進(jìn)行通信，不占用目標(biāo)板的資源，是目前使用最廣泛的調(diào)試手段的資源，是目前使用最廣泛的調(diào)試手段l在線仿真器在線仿真器 使用仿真頭代替目標(biāo)板上的使用仿真頭代替目標(biāo)板上的CPUCPU，可以完全仿真，可以完全仿真ARMARM芯片的行為。芯片的行為。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常用于但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常用于ARMARM硬件開發(fā)中硬件開發(fā)中54本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式嵌入式BSP的基本概念的基本概念嵌入式系統(tǒng)軟

41、件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例55工程機(jī)械體系結(jié)構(gòu)可靠設(shè)計(jì)環(huán)境分析成本計(jì)算芯片選擇設(shè)計(jì)接口調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)主要系統(tǒng)平地平地機(jī)機(jī)環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn)裝載裝載機(jī)機(jī)攪拌攪拌機(jī)機(jī)挖掘挖掘機(jī)機(jī) 軟件選擇開發(fā)攤鋪攤鋪機(jī)機(jī)壓路壓路機(jī)機(jī)四、嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例四、嵌入式設(shè)計(jì)方法實(shí)例工程機(jī)械監(jiān)控器工程機(jī)械監(jiān)控器56l需求分析與評(píng)估需求分析與評(píng)估l功能定義與軟硬件選型功能定義與軟硬件選型l概要設(shè)計(jì)與軟硬件劃分概要設(shè)計(jì)與軟硬件劃分l軟硬件協(xié)同詳細(xì)設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同詳細(xì)設(shè)計(jì)l集成調(diào)試集成調(diào)試l維護(hù)與升級(jí)維護(hù)與升級(jí)設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟57工程機(jī)械方面應(yīng)用工程機(jī)械方面

42、應(yīng)用 工程機(jī)械六大市場(chǎng)領(lǐng)域，均符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展四大戰(zhàn)略所規(guī)定工程機(jī)械六大市場(chǎng)領(lǐng)域，均符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展四大戰(zhàn)略所規(guī)定的資金投向，的資金投向，500500億投資，一個(gè)企業(yè)僅裝載機(jī)銷售億投資，一個(gè)企業(yè)僅裝載機(jī)銷售70007000臺(tái)。臺(tái)。發(fā)展國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 西部大開發(fā)西部大開發(fā) 發(fā)展城鄉(xiāng)化發(fā)展城鄉(xiāng)化 可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 能源工業(yè)能源工業(yè)原材料工業(yè)原材料工業(yè) 農(nóng)林水利農(nóng)林水利 城鄉(xiāng)建設(shè)城鄉(xiāng)建設(shè)國(guó)防工程建設(shè)國(guó)防工程建設(shè)工工程程機(jī)機(jī)械械4.1 4.1 需求分析與評(píng)估需求分析與評(píng)估58瀝青路面施工機(jī)群瀝青路面施工機(jī)群59l資源配置不合理，施工過(guò)程施工過(guò)程質(zhì)量、進(jìn)資源配

43、置不合理，施工過(guò)程施工過(guò)程質(zhì)量、進(jìn)度控制不到位；度控制不到位；l設(shè)備運(yùn)行狀況不能及時(shí)掌握，故障不能及時(shí)排設(shè)備運(yùn)行狀況不能及時(shí)掌握，故障不能及時(shí)排除；除；l分期付款控制技術(shù)；分期付款控制技術(shù)；l智能控制，動(dòng)力平衡，安全操作智能控制，動(dòng)力平衡，安全操作存在突出問(wèn)題存在突出問(wèn)題60l監(jiān)控器最重要，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，并進(jìn)行必要故障監(jiān)控器最重要，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，并進(jìn)行必要故障診斷；診斷；l其次是智能控制，動(dòng)力平衡，安全操作；其次是智能控制，動(dòng)力平衡，安全操作；lGPSGPS定位與定位與GSMGSM通訊，是一個(gè)很好演示，盡量選用汽車使用通訊，是一個(gè)很好演示，盡量選用汽車使用模塊；模塊；l協(xié)同控制

44、，機(jī)群化資源配置，并提高施工過(guò)程施工過(guò)程質(zhì)協(xié)同控制，機(jī)群化資源配置，并提高施工過(guò)程施工過(guò)程質(zhì)量，控制進(jìn)度，目前僅僅是一個(gè)發(fā)展方向，還不實(shí)用。量，控制進(jìn)度，目前僅僅是一個(gè)發(fā)展方向，還不實(shí)用。l監(jiān)控器成本，建議控制在監(jiān)控器成本，建議控制在2000200030003000元，才有競(jìng)爭(zhēng)力。元，才有競(jìng)爭(zhēng)力。l開發(fā)時(shí)間，開發(fā)時(shí)間，6 6個(gè)月個(gè)月主要需求主要需求614.2 4.2 功能定義與軟硬件選型功能定義與軟硬件選型l8 81010臺(tái)單機(jī)智能化，攪拌機(jī)、裝載機(jī)、自卸機(jī)、攤鋪機(jī)臺(tái)單機(jī)智能化，攪拌機(jī)、裝載機(jī)、自卸機(jī)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等，設(shè)計(jì)具有、壓路機(jī)等，設(shè)計(jì)具有GPS/GSMGPS/GSM監(jiān)控器監(jiān)控器; ;

45、l建立通訊網(wǎng)絡(luò)建立通訊網(wǎng)絡(luò)l設(shè)立機(jī)群化控制中心，數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示屏、施工調(diào)度算法設(shè)立機(jī)群化控制中心，數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示屏、施工調(diào)度算法、工藝文件管理等；、工藝文件管理等；l單機(jī)智能化采用監(jiān)控器，網(wǎng)絡(luò)通訊采用現(xiàn)成設(shè)備，中繼單機(jī)智能化采用監(jiān)控器，網(wǎng)絡(luò)通訊采用現(xiàn)成設(shè)備，中繼站或短消息，控制中心站或短消息，控制中心PCPC，數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)MsMsSQLSQL，投影儀等；，投影儀等；l其中這里討論智能化監(jiān)控器其中這里討論智能化監(jiān)控器62機(jī)群通訊與定位方案機(jī)群通訊與定位方案63設(shè)備制造商設(shè)備制造商設(shè)備使用商設(shè)備使用商InternetInternet中央控制室中央控制室 攪拌站攪拌站GPSGPS移動(dòng)通訊車移動(dòng)通訊車無(wú)

46、線電臺(tái)無(wú)線電臺(tái)Wireless netWireless net無(wú)線電臺(tái)無(wú)線電臺(tái)壓路機(jī)壓路機(jī)無(wú)線電臺(tái)無(wú)線電臺(tái)攤鋪機(jī)攤鋪機(jī)無(wú)線電臺(tái)無(wú)線電臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)車GPSGPS自卸卡車自卸卡車機(jī)群智能化通訊方案圖機(jī)群智能化通訊方案圖GPSGPSGPSGPSGPSGPS“ ”表示因特網(wǎng)表示因特網(wǎng)“ ”表示無(wú)線以太網(wǎng)表示無(wú)線以太網(wǎng)“ ”表示物料轉(zhuǎn)運(yùn)方向表示物料轉(zhuǎn)運(yùn)方向64該課題的研究目標(biāo)該課題的研究目標(biāo)l研究智能化的監(jiān)控器：研究智能化的監(jiān)控器：u可視化，多級(jí)界面可視化，多級(jí)界面u可控化，具有人機(jī)接口可控化，具有人機(jī)接口u內(nèi)嵌的故障診斷，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行內(nèi)嵌的故障診斷，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行u通訊功能通訊功能l通過(guò)實(shí)際測(cè)試，提

47、高其可靠性，產(chǎn)品化通過(guò)實(shí)際測(cè)試，提高其可靠性，產(chǎn)品化l降低成本，提高性能，最終取代國(guó)外產(chǎn)品降低成本，提高性能，最終取代國(guó)外產(chǎn)品4.3 4.3 概要設(shè)計(jì)與軟硬件劃分概要設(shè)計(jì)與軟硬件劃分65國(guó)外同類產(chǎn)品國(guó)外同類產(chǎn)品66工程機(jī)械智能監(jiān)控器的功能工程機(jī)械智能監(jiān)控器的功能67監(jiān)控器的硬件選型監(jiān)控器的硬件選型CPUCPUl3232位位CPUCPU將成為未來(lái)各種電子設(shè)備的核心將成為未來(lái)各種電子設(shè)備的核心lARMARM系列具有精簡(jiǎn)指令集，在各種行業(yè)中已經(jīng)獲得了廣系列具有精簡(jiǎn)指令集，在各種行業(yè)中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用泛的應(yīng)用l各種開發(fā)、仿真支持工具比較完善，國(guó)內(nèi)也應(yīng)經(jīng)形成各種開發(fā)、仿真支持工具比較完善，國(guó)內(nèi)也應(yīng)經(jīng)

48、形成了開發(fā)熱潮了開發(fā)熱潮68監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)方法監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)方法-1-1l接口：串行口、接口：串行口、CANCAN總線是主要的通訊接口總線是主要的通訊接口l功能：首先是自動(dòng)顯示狀態(tài)參數(shù)、報(bào)警，并具有通訊功能：首先是自動(dòng)顯示狀態(tài)參數(shù)、報(bào)警，并具有通訊功能。功能。l以通用硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)以通用硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)l首先平臺(tái)對(duì)于監(jiān)控器開發(fā)適用：人機(jī)接口、通訊擴(kuò)展首先平臺(tái)對(duì)于監(jiān)控器開發(fā)適用：人機(jī)接口、通訊擴(kuò)展等等l已有的研發(fā)工作使我們的開發(fā)更為快捷已有的研發(fā)工作使我們的開發(fā)更為快捷l而且硬件可以裁減、擴(kuò)充而且硬件可以裁減、擴(kuò)充 69監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)方法監(jiān)控器的硬件設(shè)計(jì)方法l在這一平臺(tái)上我們進(jìn)行功能裁減、擴(kuò)

49、充在這一平臺(tái)上我們進(jìn)行功能裁減、擴(kuò)充 CANCAN總線擴(kuò)充總線擴(kuò)充l擴(kuò)展性能擴(kuò)展性能uI/OI/O接口預(yù)留，接口預(yù)留，A/DA/D口預(yù)留，必要時(shí)可以擴(kuò)展采集數(shù)口預(yù)留，必要時(shí)可以擴(kuò)展采集數(shù)據(jù)據(jù)u總線預(yù)留，便于使用總線擴(kuò)展芯片擴(kuò)展接口總線預(yù)留，便于使用總線擴(kuò)展芯片擴(kuò)展接口70監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)lARMARM為為CPUCPU，M M內(nèi)存，內(nèi)存，16MFLASH16MFLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器l兩個(gè)兩個(gè)UARTUART分別連接分別連接GPSGPS、GSMGSM模塊模塊lUSBUSB高速下載，高速下載，JTAGJTAG調(diào)試口調(diào)試口l擴(kuò)展擴(kuò)展CANCAN總線接口總線接口71監(jiān)控器的軟件需求分析監(jiān)

50、控器的軟件需求分析監(jiān)控器軟件的特點(diǎn)：監(jiān)控器軟件的特點(diǎn)：l圖形界面重要：數(shù)字化儀表、模擬顯示儀表圖形界面重要：數(shù)字化儀表、模擬顯示儀表l加強(qiáng)操作性能：可以控制、菜單顯示加強(qiáng)操作性能：可以控制、菜單顯示l多種方式報(bào)警：聲、圖像顯示多種方式報(bào)警：聲、圖像顯示l通訊功能強(qiáng)大：本地通訊和近遠(yuǎn)程通信通訊功能強(qiáng)大：本地通訊和近遠(yuǎn)程通信72操作系統(tǒng)選型分析操作系統(tǒng)選型分析操作系統(tǒng)選型主要考慮如下幾個(gè)方面：操作系統(tǒng)選型主要考慮如下幾個(gè)方面：l輛設(shè)備要求實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)輛設(shè)備要求實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)l外設(shè)很多，所以必須支持多任務(wù)外設(shè)很多，所以必須支持多任務(wù)l根據(jù)不同的車輛軟件可裁剪根據(jù)不同的車輛軟件可裁剪l開發(fā)工具要完善，能

51、夠快捷的開發(fā)開發(fā)工具要完善，能夠快捷的開發(fā)73監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)方法監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)方法采用采用 COS-IICOS-II作為操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)l 它是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核它是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核l 支持多任務(wù)管理支持多任務(wù)管理l 擴(kuò)展的文件管理系統(tǒng)擴(kuò)展的文件管理系統(tǒng)l 擴(kuò)展的各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展的各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)l 免費(fèi)使用免費(fèi)使用74工程機(jī)械智能監(jiān)控器體系結(jié)構(gòu)工程機(jī)械智能監(jiān)控器體系結(jié)構(gòu)75設(shè)計(jì)智能化監(jiān)控器的指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)智能化監(jiān)控器的指導(dǎo)思想l功能和可靠性是工程機(jī)械監(jiān)控器的兩大要素，必須在兩者之間尋找功能和可靠性是工程機(jī)械監(jiān)控器的兩大要素，必須在兩者之間尋找一個(gè)契合點(diǎn)。一個(gè)契合點(diǎn)。l可靠性設(shè)計(jì)要求：一體化設(shè)計(jì)，軟件

52、精簡(jiǎn)可靠性設(shè)計(jì)要求：一體化設(shè)計(jì)，軟件精簡(jiǎn)l基本功能軟件考慮：模板設(shè)計(jì)，實(shí)用簡(jiǎn)單基本功能軟件考慮：模板設(shè)計(jì)，實(shí)用簡(jiǎn)單 解決的方法：解決的方法：l列舉各種功能，保留必要，去除冗余，插接可靠列舉各種功能，保留必要，去除冗余，插接可靠l構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)象封裝，功能的模塊化，軟件的模板化，便于調(diào)用。構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)象封裝，功能的模塊化，軟件的模板化，便于調(diào)用。l使技術(shù)人員能夠快速編程學(xué)習(xí)使技術(shù)人員能夠快速編程學(xué)習(xí)4.44.4軟硬件協(xié)同詳細(xì)設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同詳細(xì)設(shè)計(jì)76l劃分功能模塊：系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊、圖形顯示模塊、劃分功能模塊：系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等，在大的模塊下面又分為小的模塊

53、。數(shù)據(jù)處理模塊等，在大的模塊下面又分為小的模塊。l根據(jù)功能加減模塊：比如機(jī)群智能化就要求具有根據(jù)功能加減模塊：比如機(jī)群智能化就要求具有GPSGPS和和GSMGSM功功能模塊，而在以后的復(fù)雜機(jī)器中還要有控制功能模塊等。能模塊，而在以后的復(fù)雜機(jī)器中還要有控制功能模塊等。模塊化設(shè)計(jì)方法模塊化設(shè)計(jì)方法77l首先作出一臺(tái)機(jī)器的軟件，對(duì)其進(jìn)行提煉作為系統(tǒng)模板：比首先作出一臺(tái)機(jī)器的軟件，對(duì)其進(jìn)行提煉作為系統(tǒng)模板：比如首先設(shè)計(jì)攤鋪機(jī)的軟件，根據(jù)它提煉功能模塊，并設(shè)計(jì)壓如首先設(shè)計(jì)攤鋪機(jī)的軟件，根據(jù)它提煉功能模塊，并設(shè)計(jì)壓路機(jī)和裝載機(jī)的軟件。路機(jī)和裝載機(jī)的軟件。l軟件模板要求結(jié)構(gòu)清晰，我們的軟件模板簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如下圖

54、，軟件模板要求結(jié)構(gòu)清晰，我們的軟件模板簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如下圖，用戶可以根據(jù)該模板并參考程序添加代碼，完成專用機(jī)型的用戶可以根據(jù)該模板并參考程序添加代碼，完成專用機(jī)型的軟件。軟件。模板化使用方法模板化使用方法78監(jiān)控器的功能要求監(jiān)控器的功能要求l能實(shí)時(shí)接受總線信息能實(shí)時(shí)接受總線信息(CAN)(CAN)，簡(jiǎn)單處理后在液晶屏上動(dòng)，簡(jiǎn)單處理后在液晶屏上動(dòng)態(tài)刷新態(tài)刷新l能夠針對(duì)息進(jìn)行故障診斷、可以自動(dòng)報(bào)警能夠針對(duì)息進(jìn)行故障診斷、可以自動(dòng)報(bào)警( (液晶屏液晶屏) )l接受接受GPSGPS地理位置信息，確定當(dāng)前位置地理位置信息，確定當(dāng)前位置l定時(shí)發(fā)送定時(shí)發(fā)送GSMGSM信息，包括地理、狀態(tài)信息，接收中心站信息，包括

55、地理、狀態(tài)信息，接收中心站的的GSMGSM指令指令l手動(dòng)輸入故障和需要停機(jī)時(shí)間手動(dòng)輸入故障和需要停機(jī)時(shí)間79監(jiān)控器的功能模塊監(jiān)控器的功能模塊1.GPS1.GPS數(shù)據(jù)處理：使用數(shù)據(jù)處理：使用NMEA0183NMEA01832.GSM2.GSM數(shù)據(jù)處理：使用數(shù)據(jù)處理：使用ATAT指令集指令集3.CAN3.CAN總線數(shù)據(jù)處理總線數(shù)據(jù)處理4.4.鍵盤消息處理鍵盤消息處理5.5.數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)顯示6.GSM6.GSM數(shù)據(jù)發(fā)送：使用數(shù)據(jù)發(fā)送：使用GSMGSM模塊模塊80軟件的實(shí)現(xiàn)和技巧軟件的實(shí)現(xiàn)和技巧采用多任務(wù)采用多任務(wù)l任務(wù)一：串行口掃描任務(wù)一：串行口掃描由于由于GPSGPS每秒向串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，每秒向串

56、行口發(fā)送數(shù)據(jù)，GSMGSM指令也送入串指令也送入串行口，因此系統(tǒng)掃描串行口，處理進(jìn)入信息。行口，因此系統(tǒng)掃描串行口，處理進(jìn)入信息。l任務(wù)二：任務(wù)二：CANCAN總線掃描總線掃描系統(tǒng)每隔幾個(gè)毫秒掃描系統(tǒng)每隔幾個(gè)毫秒掃描CANCAN總線的總線的SJA1000SJA1000內(nèi)部寄存內(nèi)部寄存器，查詢是否有新的信息。器，查詢是否有新的信息。l任務(wù)三：鍵盤掃描任務(wù)三：鍵盤掃描作為人機(jī)接口的重要部分，鍵盤掃描可以手工輸入指作為人機(jī)接口的重要部分，鍵盤掃描可以手工輸入指令，查詢系統(tǒng)信息。令，查詢系統(tǒng)信息。81軟件的實(shí)現(xiàn)和技巧軟件的實(shí)現(xiàn)和技巧lCANCAN總線消息的管理，屏蔽一部分無(wú)關(guān)參量，根據(jù)信息號(hào)總線消息的

57、管理，屏蔽一部分無(wú)關(guān)參量，根據(jù)信息號(hào)執(zhí)行功能。執(zhí)行功能。l液晶顯示刷新的處理：區(qū)域刷新可以提高顯示刷新速度液晶顯示刷新的處理：區(qū)域刷新可以提高顯示刷新速度lGPSGPS數(shù)據(jù)的處理：將地理信息直接發(fā)送到主機(jī)處理數(shù)據(jù)的處理：將地理信息直接發(fā)送到主機(jī)處理lGSMGSM通訊的處理：需要作通訊的處理：需要作UnicodeUnicode字符轉(zhuǎn)換字符轉(zhuǎn)換 82監(jiān)控器實(shí)際效果圖監(jiān)控器實(shí)際效果圖83安裝在壓路機(jī)上的通用智能監(jiān)控器安裝在壓路機(jī)上的通用智能監(jiān)控器844.5 集成調(diào)試集成調(diào)試l首先模擬調(diào)試首先模擬調(diào)試 如使用如使用CANCAN口的單片機(jī)以及串行口模擬口的單片機(jī)以及串行口模擬l模塊化的調(diào)試模塊化的調(diào)試

58、各功能模塊分開調(diào)試各功能模塊分開調(diào)試l采用可信端調(diào)試采用可信端調(diào)試 比如相對(duì)主板，單片機(jī)已經(jīng)測(cè)試過(guò)，可以作為穩(wěn)定可靠的比如相對(duì)主板，單片機(jī)已經(jīng)測(cè)試過(guò)，可以作為穩(wěn)定可靠的設(shè)備設(shè)備l多板調(diào)試多板調(diào)試 采用多塊備用板進(jìn)行對(duì)比采用多塊備用板進(jìn)行對(duì)比, , 解決調(diào)試中的問(wèn)題解決調(diào)試中的問(wèn)題l聯(lián)合調(diào)試聯(lián)合調(diào)試 在模塊化調(diào)試完成后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試在模塊化調(diào)試完成后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試8586項(xiàng)目驗(yàn)收項(xiàng)目驗(yàn)收87監(jiān)控器存在的問(wèn)題和解決思路監(jiān)控器存在的問(wèn)題和解決思路l外部干擾問(wèn)題外部干擾問(wèn)題u鐵殼屏蔽是一種解決思路鐵殼屏蔽是一種解決思路u另外電源是關(guān)鍵另外電源是關(guān)鍵, ,采用優(yōu)質(zhì)電源模塊采用優(yōu)質(zhì)電源模塊l可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)u插接件的問(wèn)題插接件的問(wèn)題u一體化設(shè)計(jì)一體化設(shè)計(jì)u連接連接 4.6 維護(hù)與升級(jí)維護(hù)與升級(jí)88監(jiān)控器存在的問(wèn)題和解決思路監(jiān)控器存在的問(wèn)題和解決思路l數(shù)據(jù)處理和液晶刷新協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理和液晶刷新協(xié)調(diào) 刷新的頻率調(diào)整刷新的頻率調(diào)整 數(shù)據(jù)處理減緩數(shù)據(jù)處理減緩l通訊發(fā)送頻率通訊發(fā)送頻率 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況動(dòng)態(tài)調(diào)整根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況動(dòng)態(tài)調(diào)整 89 9091本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬