第1章嵌入式系統概述

1、1課程教學目標課程教學目標 了解嵌入式系統的基本概念和原理了解嵌入式系統的基本概念和原理 掌握嵌入式系統開發(fā)流程掌握嵌入式系統開發(fā)流程 了解ARM相關基礎知識 熟悉掌握基于STM32的嵌入式系統的開發(fā) 掌握掌握UCOS嵌入式系統的基本原理嵌入式系統的基本原理 學會學會UCOS系統在系統在STM32系列芯片上的移系列芯片上的移植及應用程序的開發(fā)植及應用程序的開發(fā)嵌入式知識結構 嵌入式系統的概念 目前，對嵌入式系統的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術的角度定義：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要

2、求的專用計算機系統。從系統的角度定義：嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。術語嵌入式反映了這些系統通常是更大系統中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統。嵌入的系統中可以共存多個嵌入式系統。 簡介 早期的嵌入式系統通常使用普通個人計算機（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進的微處理器制造技術的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的的處理器。 這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類：注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應用于PDA等不注重計算的設備；注重嵌入式處理器的性能。應用于路由器等計算密集型的設備；注重嵌入式處理器的性能、尺寸、

3、能耗和價格。應用于蜂窩電話等設備；1.2 嵌入式處理器 分類 嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP處理器；嵌入式片上系統（SOC）。 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。 和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM

4、、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。CPUROMRAM外設1外設2單板計算機 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又稱，它是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍

5、生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱。 嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、數目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統約70的市場份額。 嵌入

6、式DSP處理器 DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。 嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DS

7、P56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產品。 嵌入式片上系統(SOC) 隨著EDA的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現一個更為復雜的系統的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成為 VLSI設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶

8、只需定義出其整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048 位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊

9、硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯網如Internet安全方面。 1.3 嵌入式操作系統 概述 計算機系統由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機系統的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應計算機應用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進一步發(fā)展形成了操作系統(Operating System)。發(fā)展到現在，廣泛使用的有三種操作系統即多道批處理操作系統、分時操作系統以及實時操作系統。 1.3 嵌入式操作系統 概述監(jiān)控程序操作系統實時操作系統分時操作系統多道批處理操作系統 時 間 先 后

10、 適用于多個用戶共享系統資源適用于計算中心等較大的計算機系統適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統中1.3 嵌入式操作系統 概述監(jiān)控程序操作系統實時操作系統分時操作系統多道批處理操作系統 時 間 先 后 適用于多個用戶共享系統資源適用于計算中心等較大的計算機系統適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統中實時操作系統是我們介紹的重點1.3 嵌入式操作系統 實時操作系統的特點應用于實時處理系統的上位機和實時查詢系統等實時性較弱的實時系統，并且提供了開發(fā)、調試、運用一致的環(huán)境。 應用于實時性要求高的實時控制系統，而且應用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是不一致。嵌入式實時操作系統

11、具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內)、可固化使用實時性強(在毫秒或微秒數量級上)的特點 。 1.總的來說實時操作系統是事件驅動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是實時性、可靠性和靈活性, 與實時應用軟件相結合成為有機的整體起著核心作用, 由它來管理和協調各項工作,為應用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 2.從實時系統的應用特點來看實時操作系統可以分為兩種：和。 IEEE 的實時UNIX分委會認為實時操作系統應具備以下的幾點: 1異步的事件響應 2切換時間和中斷延遲時間確定3 優(yōu)先級中斷和調度4 搶占式調度 5內存6鎖定 7連續(xù)文件 8同步 1.3 嵌入式操作系

12、統 基本概念對基于芯片的開發(fā)來說，應用程序一般是一個無限的循環(huán)，可稱為前后臺系統或超循環(huán)系統。 很多基于微處理器的產品采用前后臺系統設計，例如微波爐、電話機、玩具等。在另外一些基于微處理器應用中，從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有事都靠中斷服務來完成。前后臺系統 基本概念 中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為，前臺也叫中斷級。時間相關性很強的關鍵操作一定是靠中斷服務程序來保證的。 循環(huán)中調用相應的函數完成相應的操作，這部分可以看成后臺行為，后臺也可以叫做任務級。這種系統在處理的及時性上比實際可以做到的要差。 ISRISRISRISR后臺前臺中斷服務程序時間前后臺系統1

13、.3 嵌入式操作系統 基本概念操作系統是計算機中最基本的程序。操作系統負責計算機系統中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協調等并發(fā)的活動；操作系統提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統為用戶擴展新的系統功能提供軟件平臺。 操作系統硬件硬件驅動操作系統用戶程序1.3 嵌入式操作系統 基本概念實時操作系統是一段在嵌入式系統啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務，RTOS根據各個任務的要求，進行資源(包括存儲器、外設等)管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統中， 每個任務均有一個優(yōu)先級，RTOS根據各個任務的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務，

14、保證對實時性的要求。 實時操作系統（RTOS）1.3 嵌入式操作系統 基本概念多任務系統中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。內核提供的基本服務是任務切換。使用實時內核可以大大簡化應用系統的設計，是因為實時內核允許將應用分成若干個任務，由實時內核來管理它們。內核需要消耗一定的系統資源，比如25的CPU運行時間、RAM和ROM等。 內核提供必不可少的系統服務，如信號量、消息隊列、延時等。內核1.3 嵌入式操作系統 基本概念調度是內核的主要職責之一。調度就是決定該輪到哪個任務運行了。多數實時內核是基于優(yōu)先級調度法的。每個任務根據其重要程序的不同被賦予一定

15、的優(yōu)先級。基于優(yōu)先級的調度法指CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務先運行。然而究竟何時讓高優(yōu)先級任務掌握CPU的使用權，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，是非占先式的還是占先式的內核。 調度1.3 嵌入式操作系統 基本概念非占先式內核要求每個任務自我放棄CPU 的所有權。非占先式調度法也稱作合作型多任務，各個任務彼此合作共享一個CPU。異步事件還是由中斷服務來處理。中斷服務可以使一個高優(yōu)先級的任務由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務以后控制權還是回到原來被中斷了的那個任務，直到該任務主動放棄CPU的使用權時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得CPU的使用權。非占先式內核1.3 嵌入式操作

16、系統 基本概念當系統響應時間很重要時，要使用占先式內核。因此絕大多數商業(yè)上銷售的實時內核都是占先式內核。最高優(yōu)先級的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制權。當一個運行著的任務使一個比它優(yōu)先級高的任務進入了就緒狀態(tài)，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到了CPU的控制權。如果是中斷服務子程序使一個高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，中斷完成時，中斷了的任務被掛起，優(yōu)先級高的那個任務開始運行。占先式內核1.3 嵌入式操作系統 基本概念任務的優(yōu)先級是表示任務被調度的優(yōu)先程度。每個任務都具有優(yōu)先級。任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高，越容易被調度而進入運行態(tài)。 任務優(yōu)先級1.3

17、嵌入式操作系統 基本概念中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉到專門的子程序，稱為中斷服務子程序（ISR）。中斷服務子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：1. 在前后臺系統中，程序回到后臺程序；2. 對非占先式內核而言，程序回到被中斷了的任務；3. 對占先式內核而言，讓進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務開始運行。中斷前后臺系統1.3 嵌入式操作系統 基本概念中斷ISR任務ISR非占先操作系統任務A任務B任務CISR占先操作系統任務A任務B任務C1.3 嵌入式操作系統 基本概念時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個中

18、斷可以看作是系統心臟的脈動。中斷之間的時間間隔取決于不同應用，一般在10ms到200ms之間。時鐘的節(jié)拍式中斷使得內核可以將任務延時若干個整數時鐘節(jié)拍，以及當任務等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據。時鐘節(jié)拍率越快，系統的額外開銷就越大。時鐘節(jié)拍1.3 嵌入式操作系統 使用實時操作系統的必要性嵌入式實時操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統中，同時又把操作系統嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用。使用實時操作系統主要有以下幾個因素：嵌入式實時操作系統提高了系統的可靠性。 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。

19、嵌入式實時操作系統充分發(fā)揮了32位CPU的多任務潛力。 1.3 嵌入式操作系統 實時操作系統的優(yōu)缺點：在嵌入式實時操作系統環(huán)境下開發(fā)實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統服務，嵌入式實時操作系統使得系統資源得到更好的利用。：但是，使用嵌入式實時操作系統還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負荷，以及內核的費用。 uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開放代碼。uClinux從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU（Memory Management Unit）的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。它保留了Linux的大部分優(yōu)點：。 1.3 嵌入式操作系統 常見的嵌入式操作系統嵌入式Linux1.3 嵌入式操作系統 常見的嵌入式操作系統 是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的3