嵌入式微控制器基礎(chǔ)

1、1嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用2第第1章章 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述1.2嵌入式處理器嵌入式處理器1.3嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)1.4實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核1.5嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 31.1 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義p 電氣工程師協(xié)會(IEE)的定義:嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。p 國內(nèi)一般定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 4p 嵌入式系統(tǒng)無處不在 內(nèi)

2、部含有中央處理器CPU的設(shè)備都含有嵌入式系統(tǒng)。 消費(fèi)類電子產(chǎn)品：從家庭的洗衣機(jī)、電冰箱、 個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、 MP3 、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、電子表、烹調(diào)用的微波爐、天天必用的移動電話等等。 辦公室設(shè)備：辦公室里的電話機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)等。 工業(yè)控制中的嵌入式系統(tǒng)。 汽車?yán)锏目刂葡到y(tǒng)：供油噴射控制系統(tǒng)、防鎖死剎車系統(tǒng)(ABS) 。5p 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例6p嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。一臺通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了510個(gè)嵌入式微處理器：鍵盤、硬盤、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、集線器等，均是由嵌入式處理

3、器進(jìn)行控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面，嵌入式系統(tǒng)都有用武之地。美國汽車大王福特公司的高級經(jīng)理曾宣稱：“福特出售的計(jì)算能力已超過了IBM?！庇纱丝梢韵胂袂度胧接?jì)算機(jī)工業(yè)的規(guī)模和廣度。資料顯示，年世界的產(chǎn)量達(dá)83億片，用于通用計(jì)算機(jī)的只有3億片，其余80億片均用于嵌入式系統(tǒng)7112 嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式處理器嵌入式處理器外圍設(shè)備外圍設(shè)備嵌人式操作系統(tǒng)嵌人式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件81嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點(diǎn)在于其工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)

4、的系統(tǒng)中。嵌入式處理器通常把通用計(jì)算機(jī)中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。現(xiàn)今市面上有1 000多種嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。92外圍設(shè)備外圍設(shè)備是指在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為以下3類： 存儲器： SRAM、 DRAM、Flash。其中，F(xiàn)lash以可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、容量大及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 接口：應(yīng)用最為廣泛的包括并口、串口、紅外接口、SPI

5、串行外圍設(shè)備接口、I2C(Inter IC)總線接口、USB通用串行總線接口、Ethernet網(wǎng)口等。 人機(jī)交互：LCD、鍵盤和觸摸屏等人機(jī)交互設(shè)備。 10 3嵌入式操作系統(tǒng)p 嵌入式操作系統(tǒng)可以使嵌入式開發(fā)更方便、快捷。其軟件模塊的集合，用以管理存儲器分配、中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等。p 嵌入式操作系統(tǒng)的引人大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，但同時(shí)也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。p 一般在比較大型或需要多任務(wù)的應(yīng)用場合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。p 嵌入式操作系統(tǒng)常常有實(shí)時(shí)要求。 114應(yīng)用軟件（1）基本了解p 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對特定的實(shí)際專業(yè)

6、領(lǐng)域，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預(yù)期任務(wù)的計(jì)算機(jī)軟件。p 用戶的任務(wù)可能有時(shí)間和精度的要求。p 有些應(yīng)用軟件需要嵌人式操作系統(tǒng)的支持，但在簡單的應(yīng)用場合下不需要專門的操作系統(tǒng)。p 由于對成本十分敏感，為減少系統(tǒng)成本，除了精簡每個(gè)硬件單元的成本外，應(yīng)盡可能地減少應(yīng)用軟件的資源消耗，盡可能地優(yōu)化。 12（2）嵌入式軟件的特點(diǎn)：p 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器中。p 軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。因此，程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼的長度，提高執(zhí)行速度。p 在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每

7、個(gè)任務(wù)及時(shí)執(zhí)行的關(guān)鍵，單純通過提高處理器速度是低效和無法完成的。這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。p 隨著嵌入式應(yīng)用的深入和普及，涉及到的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，嵌入式軟件也越來越復(fù)雜。支持多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為嵌入式軟件必需的系統(tǒng)軟件 13p典型嵌入式系統(tǒng)基本組成典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件硬件 電源電源模塊模塊外圍電路外圍電路RAMFlash復(fù)位復(fù)位時(shí)鐘時(shí)鐘ROM微處理器微處理器MPUUSBLCD鍵盤鍵盤其他其他外設(shè)外設(shè)14p典型嵌入式系統(tǒng)基本組成典型嵌入式系統(tǒng)基本組成軟件軟件 軟件軟件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)存儲器存儲器處理器處理器應(yīng)用程序應(yīng)用程序

8、硬件硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)輸出輸出輸入輸入15113 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) p 嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)： 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體工藝、電子技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與各領(lǐng)域的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。這一特點(diǎn)決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)通常面向特定應(yīng)用，集成度高、低功耗、小體積、低成本等，便于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化、專業(yè)化，使移動能力大大增強(qiáng)，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。 嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代也與具體產(chǎn)品同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，一般具有較長的生命周期。 嵌入式系統(tǒng)的

9、硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，在保證穩(wěn)定、安全、可靠的基礎(chǔ)上量體裁衣，去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能。這樣，才能最大限度地降低應(yīng)用成本。在具體應(yīng)用中，對處理器的選擇決定了其市場競爭力。16 嵌入式系統(tǒng)常常還有減小功耗的要求。這一方面是為了省電，另一方面是要減少發(fā)熱量。 可靠性與穩(wěn)定性對于嵌入式系統(tǒng)有著特別重要的意義。 嵌入式系統(tǒng)提供的功能以及面對的應(yīng)用和過程都是預(yù)知的、相對固定的專用系統(tǒng)，一般而言，嵌入式系統(tǒng)對CPU計(jì)算能力的要求并不像通用計(jì)算機(jī)那么高。 許多嵌入式系統(tǒng)都有實(shí)時(shí)要求，需要有對外部事件迅速作出反應(yīng)的能力。特別是在操作系統(tǒng)中有所反映，從而使嵌入式軟件的開發(fā)與常規(guī)軟件

10、的開發(fā)出現(xiàn)顯著的區(qū)別。典型的嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與常規(guī)的操作系統(tǒng)也有著顯著的區(qū)別，并因而成為操作系統(tǒng)的一個(gè)重要分支和一個(gè)獨(dú)特的研究方向。 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力。必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。 通用計(jì)算機(jī)的開發(fā)人員通常是計(jì)算機(jī)科學(xué)或者計(jì)算機(jī)工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng) 開發(fā)人員卻往往是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的專家，這就要求嵌入式系統(tǒng)所支持的開發(fā)工具易學(xué)、易用、可靠、高效。 17p 現(xiàn)在人們談及嵌入式系統(tǒng)時(shí)，某種程度上指近些年比較熱門、具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。歸納嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)特點(diǎn)如下： 軟硬件一體化，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和行業(yè)技術(shù)為一體； 需要操作系統(tǒng)支持，代碼小，執(zhí)行

11、速度快； 專用緊湊，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多樣性，應(yīng)用廣泛，種類繁多。 181 11 14 4 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號處理與控制，嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號處理與控制，目前已在國防、國民經(jīng)濟(jì)及社會生活各領(lǐng)域普及目前已在國防、國民經(jīng)濟(jì)及社會生活各領(lǐng)域普及應(yīng)用，用于企業(yè)、軍隊(duì)、辦公室、實(shí)驗(yàn)室以及個(gè)應(yīng)用，用于企業(yè)、軍隊(duì)、辦公室、實(shí)驗(yàn)室以及個(gè)人家庭等各種場所。人家庭等各種場所。 19p軍用：軍用：各種武器控制：坦克、艦艇、轟炸機(jī)等陸海各種武器控制：坦克、艦艇、轟炸機(jī)等陸?？崭鞣N軍用電子裝備；雷達(dá)、電子對抗軍事通空各種軍用電子裝備；雷達(dá)、電子對抗軍事

12、通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設(shè)備等。我信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設(shè)備等。我國嵌入式計(jì)算機(jī)最早用于導(dǎo)彈控制。國嵌入式計(jì)算機(jī)最早用于導(dǎo)彈控制。 20212223p家用：家用：我國各種信息家電產(chǎn)品我國各種信息家電產(chǎn)品( (如數(shù)字電視機(jī)、機(jī)如數(shù)字電視機(jī)、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、頂盒、數(shù)碼相機(jī)、VCDVCDDVDDVD音響設(shè)備、可視電音響設(shè)備、可視電話、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、智能玩話、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、洗衣機(jī)、電冰箱、智能玩具等具等) )廣泛采用微處理器、微控制器及嵌入式軟廣泛采用微處理器、微控制器及嵌入式軟件，件，EMIT(EMIT(嵌入式嵌入式InternetInternet技術(shù)技術(shù)) )已用

13、于社區(qū)對已用于社區(qū)對家用電、水、煤氣表遠(yuǎn)程抄表以及洗衣機(jī)遙控。家用電、水、煤氣表遠(yuǎn)程抄表以及洗衣機(jī)遙控。 2425p 工業(yè)用：工業(yè)用：各種智能測量儀表、數(shù)控裝置、可編程控各種智能測量儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀制器、控制機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化機(jī)械表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。廣泛采用微處理器和設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。廣泛采用微處理器和控制器芯片級、標(biāo)準(zhǔn)總線的模板級、嵌入式計(jì)控制器芯片級、標(biāo)準(zhǔn)總線的模板級、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級的嵌入式系統(tǒng)。算機(jī)系統(tǒng)級的嵌入式系統(tǒng)。26 工 業(yè) 控 制27p

14、 商用：各類收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀機(jī)、商用終端、銀行點(diǎn)鈔機(jī)、IC卡輸入設(shè)備、取款機(jī)、自動柜員機(jī)、自動服務(wù)終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設(shè)備等。28p辦公用：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設(shè)備、手機(jī)、尋呼機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、錄音錄像及電視會議設(shè)備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。29p 醫(yī)用電子設(shè)備：醫(yī)用電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如各種醫(yī)療電子儀器，如X X光機(jī)、超聲診斷儀、光機(jī)、超聲診斷儀、計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀、計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀、輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。輔助診斷系統(tǒng)、

15、專家系統(tǒng)等。 30醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)平臺3132p 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最熱門的有以下幾種：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最熱門的有以下幾種： 個(gè)人數(shù)字助理個(gè)人數(shù)字助理PDAPDA。它具有網(wǎng)絡(luò)、多媒體等強(qiáng)大的功能，。它具有網(wǎng)絡(luò)、多媒體等強(qiáng)大的功能，一般都預(yù)裝操作系統(tǒng)。例如一般都預(yù)裝操作系統(tǒng)。例如Microsoft Microsoft 公司的公司的PocketPCPocketPC操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在，操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在，PDAPDA手機(jī)已成為新的熱點(diǎn)。手機(jī)已成為新的熱點(diǎn)。 機(jī)頂盒機(jī)頂盒STBSTB。所謂的機(jī)頂盒。所謂的機(jī)頂盒STB(SetTopBox)STB(SetTopBox)，表面上理解，表面上理解只是放在電視機(jī)上的盒子，能提

16、供通過電視機(jī)直接上網(wǎng)只是放在電視機(jī)上的盒子，能提供通過電視機(jī)直接上網(wǎng)的功能。但它更吸引入的地方在于簡單易用，是專為那的功能。但它更吸引入的地方在于簡單易用，是專為那些不很了解電腦的人設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)今用戶端機(jī)頂盒的趨勢些不很了解電腦的人設(shè)計(jì)的。現(xiàn)今用戶端機(jī)頂盒的趨勢是朝微型電腦發(fā)展，即逐漸集成電視和電腦的功能，成是朝微型電腦發(fā)展，即逐漸集成電視和電腦的功能，成為一個(gè)多功能服務(wù)的工作平臺。為一個(gè)多功能服務(wù)的工作平臺。 IPIP電話。電話。IPIP電話電話(IP Phone)(IP Phone)把電話網(wǎng)和把電話網(wǎng)和InternetInternet結(jié)合成結(jié)合成一個(gè)功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)

17、絡(luò)，在IPIP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸被壓縮網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸被壓縮的語音信息。的語音信息。IPIP電話以數(shù)字形式作為傳輸媒體，占用資電話以數(shù)字形式作為傳輸媒體，占用資源小，所以成本很低，價(jià)格便宜。源小，所以成本很低，價(jià)格便宜。33社會對嵌入式系統(tǒng)的需求正在慢慢擴(kuò)大，特別是最近幾年隨著國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，從PC時(shí)代步入到后PC時(shí)代，對信息家電的需求越來越明顯。嵌入式系統(tǒng)在信息家電的應(yīng)用，是對嵌入式系統(tǒng)概念和應(yīng)用范圍的一個(gè)變革，從而打破了過去PC時(shí)代被單一微處理器廠家和單一操作系統(tǒng)廠家壟斷的舊局面，出現(xiàn)了一個(gè)由多芯片、多處理器占領(lǐng)市場的新局面。 34115 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念p實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Rea

18、l Time System)(Real Time System)是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸是指產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的時(shí)間對系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。出的時(shí)間對系統(tǒng)至關(guān)重要的系統(tǒng)。p實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在邏輯和時(shí)序控制中，如果出現(xiàn)超實(shí)時(shí)系統(tǒng)是在邏輯和時(shí)序控制中，如果出現(xiàn)超時(shí)偏差，將會引起嚴(yán)重后果的系統(tǒng)。時(shí)偏差，將會引起嚴(yán)重后果的系統(tǒng)。 p實(shí)時(shí)邏輯的正確性不僅依賴于計(jì)算結(jié)果的正確實(shí)時(shí)邏輯的正確性不僅依賴于計(jì)算結(jié)果的正確性，還取決于輸出結(jié)果的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)性，還取決于輸出結(jié)果的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求從輸入到輸出的滯后時(shí)間必須小到一個(gè)可要求從輸入到輸出的滯后時(shí)間必須小到一個(gè)可以接受的時(shí)限內(nèi)。以接受的時(shí)限內(nèi)。p實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)能夠在指定

19、的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)能夠在指定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能以及對外部或內(nèi)部事件在同步或異步時(shí)間功能以及對外部或內(nèi)部事件在同步或異步時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)。內(nèi)做出響應(yīng)的系統(tǒng)。35p 實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備的幾個(gè)重要特性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備的幾個(gè)重要特性： 實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)截止在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)截止期限，任務(wù)必須在這個(gè)截止期限之前完成，以保期限，任務(wù)必須在這個(gè)截止期限之前完成，以保證系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)間上的正確性。證系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)間上的正確性。 并行性。并行性。要求系統(tǒng)具有并行處理的能力，以便能要求系統(tǒng)具有并行處理的能力，以便能同時(shí)響應(yīng)來自不同端口的輸入信號。

20、同時(shí)響應(yīng)來自不同端口的輸入信號。 多路性。多路性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多路性表現(xiàn)在對多個(gè)不同的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多路性表現(xiàn)在對多個(gè)不同的現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，以及對多個(gè)對象和多個(gè)執(zhí)行現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，以及對多個(gè)對象和多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行控制。機(jī)構(gòu)實(shí)行控制。 36 獨(dú)立性。獨(dú)立性。每個(gè)用戶向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請求，相每個(gè)用戶向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)提出服務(wù)請求，相互間是獨(dú)立的。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中對信息的采集互間是獨(dú)立的。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中對信息的采集和對象控制也是相互獨(dú)立的。和對象控制也是相互獨(dú)立的。 可預(yù)測性。可預(yù)測性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際行為必須處在一定的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際行為必須處在一定的限度內(nèi)，而這個(gè)限度可以由系統(tǒng)的定義而獲得。限度內(nèi)，而這個(gè)

21、限度可以由系統(tǒng)的定義而獲得。這意味著系統(tǒng)對來自外部輸入的反應(yīng)必須是全部這意味著系統(tǒng)對來自外部輸入的反應(yīng)必須是全部可預(yù)測的，即使在最壞的條件下，系統(tǒng)也要嚴(yán)格可預(yù)測的，即使在最壞的條件下，系統(tǒng)也要嚴(yán)格遵守時(shí)間的約束。因此，在出現(xiàn)過載時(shí)，系統(tǒng)必遵守時(shí)間的約束。因此，在出現(xiàn)過載時(shí)，系統(tǒng)必須能以一種可預(yù)測的方式來降級它的性能。須能以一種可預(yù)測的方式來降級它的性能。 可靠性?？煽啃??？煽啃砸环矫嬷赶到y(tǒng)的正確性，即系統(tǒng)可靠性一方面指系統(tǒng)的正確性，即系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在返回值和運(yùn)行費(fèi)時(shí)上都是正確的；所產(chǎn)生的結(jié)果在返回值和運(yùn)行費(fèi)時(shí)上都是正確的；另一方面指系統(tǒng)的健壯性，也就是說，雖然系統(tǒng)另一方面指系統(tǒng)的健壯性，也就

22、是說，雖然系統(tǒng)出現(xiàn)了錯誤，或外部環(huán)境與預(yù)先假定的外部環(huán)境出現(xiàn)了錯誤，或外部環(huán)境與預(yù)先假定的外部環(huán)境不符合，但系統(tǒng)仍然可以處于可預(yù)測狀態(tài)，仍可不符合，但系統(tǒng)仍然可以處于可預(yù)測狀態(tài)，仍可以安全地帶錯運(yùn)行和平緩地降級。以安全地帶錯運(yùn)行和平緩地降級。37p 衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的3個(gè)指標(biāo)：個(gè)指標(biāo)： 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間(Response Time)(Response Time)：指計(jì)算機(jī)從識別一：指計(jì)算機(jī)從識別一個(gè)外部事件到做出響應(yīng)的時(shí)間。個(gè)外部事件到做出響應(yīng)的時(shí)間。 生存時(shí)間生存時(shí)間(Survival Time)(Survival Time)：指數(shù)據(jù)的有效等待：指數(shù)據(jù)的有效等待時(shí)間，在這段時(shí)間

23、里數(shù)據(jù)是有效的。時(shí)間，在這段時(shí)間里數(shù)據(jù)是有效的。 吞吐量吞吐量(Throughput)(Throughput)：指在一段給定時(shí)間內(nèi)，：指在一段給定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以處理事件的總數(shù)。吞吐量通常比平均系統(tǒng)可以處理事件的總數(shù)。吞吐量通常比平均響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)小一點(diǎn)。響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)小一點(diǎn)。38p實(shí)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)響應(yīng)時(shí)間可分為實(shí)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)響應(yīng)時(shí)間可分為3種類型：種類型： 強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)：強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)：在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各任務(wù)不僅要保證執(zhí)行過在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各任務(wù)不僅要保證執(zhí)行過程和結(jié)果的正確，同時(shí)還要保證在系統(tǒng)能夠允許的時(shí)間內(nèi)程和結(jié)果的正確，同時(shí)還要保證在系統(tǒng)能夠允許的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，否則將造成災(zāi)難性的后果。這對于實(shí)時(shí)

24、控制領(lǐng)完成任務(wù)，否則將造成災(zāi)難性的后果。這對于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域的軟硬件系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。它的響應(yīng)時(shí)間在域的軟硬件系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。它的響應(yīng)時(shí)間在毫秒毫秒或微秒數(shù)量級或微秒數(shù)量級上。上。 弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)：弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)：弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快越好，弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快越好，但并沒有嚴(yán)格限定某一任務(wù)必須在多長時(shí)間內(nèi)完成。弱實(shí)但并沒有嚴(yán)格限定某一任務(wù)必須在多長時(shí)間內(nèi)完成。弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)更多地關(guān)注軟件運(yùn)行的結(jié)果正確與否，而時(shí)間問題時(shí)系統(tǒng)更多地關(guān)注軟件運(yùn)行的結(jié)果正確與否，而時(shí)間問題不會造成災(zāi)難性的后果。一般它的響應(yīng)時(shí)間可以是不會造成災(zāi)難性的后果。一般它的響應(yīng)時(shí)間可以是數(shù)十秒數(shù)十秒或更長或更

25、長，可能隨著系統(tǒng)的負(fù)載輕重而有所變化。，可能隨著系統(tǒng)的負(fù)載輕重而有所變化。 一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)：一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)：一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)是弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)和強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)是弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)和強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一種折衷。它的響應(yīng)時(shí)間可以的一種折衷。它的響應(yīng)時(shí)間可以在秒的數(shù)量級上在秒的數(shù)量級上，可廣泛，可廣泛應(yīng)用于許多消費(fèi)電子設(shè)備中。如應(yīng)用于許多消費(fèi)電子設(shè)備中。如PDAPDA、手機(jī)等都屬于一般實(shí)、手機(jī)等都屬于一般實(shí)時(shí)系統(tǒng)。時(shí)系統(tǒng)。39p 根據(jù)確定性實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以分為以下兩類：根據(jù)確定性實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以分為以下兩類： 硬實(shí)時(shí)。硬實(shí)時(shí)指系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求。如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就會引起系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命的錯誤。 軟實(shí)時(shí)。

26、軟實(shí)時(shí)指系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有要求。但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。401.2嵌入式處理器嵌入式處理器1 12 21 1 嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器運(yùn)行的硬件單元。目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過已經(jīng)超過10001000種，流行的體系結(jié)構(gòu)包括種，流行的體系結(jié)構(gòu)包括MCUMCU、MPUMPU等等3030多個(gè)系多個(gè)系列，速度越來越快，性能越來越強(qiáng)，價(jià)格也越來越低。列，速度越來越快，性能越來越強(qiáng)，

27、價(jià)格也越來越低。嵌入式處理器可分為：嵌入式處理器可分為： 低端的微控制器低端的微控制器(Micro Controller Unit(Micro Controller Unit，MCU)MCU)； 中高端的嵌入式微處理器中高端的嵌入式微處理器(Embedded Micro (Embedded Micro Processor UnitProcessor Unit，EMPU)EMPU)； 通信領(lǐng)域的通信領(lǐng)域的DSPDSP處理器處理器(Digital Signal Processor)(Digital Signal Processor)； 高度集成的片上系統(tǒng)高度集成的片上系統(tǒng)(System on Ch

28、ip(System on Chip，SoC)SoC)。 41122 嵌入式微處理器嵌入式微處理器q 嵌入式微處理器嵌入式微處理器(Embedded Micro Processor Unit(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)EMPU)是由通用計(jì)算機(jī)中的是由通用計(jì)算機(jī)中的CPUCPU演變而來的。演變而來的。q 在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，嵌入式微處理器只保留與嵌入式應(yīng)在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，嵌入式微處理器只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的擴(kuò)展外圍電路，如存儲器的擴(kuò)展電路、要的擴(kuò)展外圍電路

29、，如存儲器的擴(kuò)展電路、I IO O的擴(kuò)展電的擴(kuò)展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低功耗和資源路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低功耗和資源滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求。滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求。q 嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同，嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強(qiáng)。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體種增強(qiáng)。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。q 目前主要的嵌入

30、式處理器類型有目前主要的嵌入式處理器類型有ARMARM、MIPSMIPS、Aml86Aml868888、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等。系列等。 42q 嵌入式微處理器一般具有以下特點(diǎn)：嵌入式微處理器一般具有以下特點(diǎn)： 嵌入式微處理器在設(shè)計(jì)中需要考慮低功耗，以滿足靠電嵌入式微處理器在設(shè)計(jì)中需要考慮低功耗，以滿足靠電池工作的便攜式和無線應(yīng)用中的低功耗要求。池工作的便攜式和無線應(yīng)用中的低功耗要求。 采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以方便對應(yīng)用的擴(kuò)展。采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以方便對應(yīng)用的擴(kuò)展。 具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。 提

31、供豐富的調(diào)試功能。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)很多都是在交提供豐富的調(diào)試功能。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)很多都是在交叉調(diào)試中進(jìn)行，豐富的調(diào)試接口會更便于對嵌入式系統(tǒng)叉調(diào)試中進(jìn)行，豐富的調(diào)試接口會更便于對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。的開發(fā)。 對實(shí)時(shí)多任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。對實(shí)時(shí)多任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力。 處理器內(nèi)部具有精確的振蕩電路、豐富的定時(shí)器資源，處理器內(nèi)部具有精確的振蕩電路、豐富的定時(shí)器資源，從而有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。從而有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。 43123 微控制器微控制器v 微控制器微控制器(Micro Controller Unit(Micro Controller Unit，MCU)MCU)俗稱單片機(jī)，俗稱單片機(jī)

32、，它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。v 微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成集成FlashFlash、RAMRAM、總線邏輯、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、總線邏輯、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、WatchDogWatchDog、I IO O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A AD D、D DA A等各種必要功能模塊和外圍部件。等各種必要功能模塊和外圍部件。v 80518051系列單片機(jī)是單片機(jī)教學(xué)的首選機(jī)型。系列單片機(jī)是單片機(jī)教學(xué)的首選機(jī)型。44v 為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種為適應(yīng)不同

33、的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品。每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是相同的，不同衍生產(chǎn)品。每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是相同的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使不同的單片的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使不同的單片機(jī)適合不同的應(yīng)用。機(jī)適合不同的應(yīng)用。v 與微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積小，與微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積小，從而使功耗和成本下降，可靠性提高。從而使功耗和成本下降，可靠性提高。v 微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流產(chǎn)品。微控制器微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流產(chǎn)品。微控制器的片內(nèi)資源一般比較豐富，適合于控制。的片內(nèi)資

34、源一般比較豐富，適合于控制。45v 采用微控制器可以在相當(dāng)程度上縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、采用微控制器可以在相當(dāng)程度上縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試的時(shí)間，從而節(jié)約用于這些方面的開支。調(diào)試的時(shí)間，從而節(jié)約用于這些方面的開支。v 系統(tǒng)中芯片數(shù)量的減少，使整個(gè)系統(tǒng)的故障率就會降低。系統(tǒng)中芯片數(shù)量的減少，使整個(gè)系統(tǒng)的故障率就會降低。而且系統(tǒng)的體積也可以縮小。而且系統(tǒng)的體積也可以縮小。v 由于一些接口電路和功能模塊與由于一些接口電路和功能模塊與CPUCPU集成在同一塊芯片上，集成在同一塊芯片上，這些電路之間的連線長度就降到很小。對于一些高速系統(tǒng)，這些電路之間的連線長度就降到很小。對于一些高速系統(tǒng)，這是個(gè)很重要

35、的優(yōu)點(diǎn)。這是個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)。 v 微控制器在品種數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微處理器微控制器在品種數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微處理器 46124 DSP處理器處理器v DSP(Digital Signal Processor)DSP(Digital Signal Processor)是數(shù)字信號處理器的縮寫。是數(shù)字信號處理器的縮寫。v DSPDSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合執(zhí)行處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合執(zhí)行DSPDSP算法，算法，編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高。編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高。v 在數(shù)字濾波、在數(shù)字濾波、FFTFFT、譜分析等方面，、譜分析等方面，DSPDSP算法正在大

36、量引入嵌入式領(lǐng)域。算法正在大量引入嵌入式領(lǐng)域。DSPDSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSPDSP功能，過渡到采用功能，過渡到采用DSPDSP處理器。處理器。v DSPDSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來源：處理器有兩個(gè)發(fā)展來源： DSPDSP處理系統(tǒng)經(jīng)過單片化、電磁兼容處理系統(tǒng)經(jīng)過單片化、電磁兼容(EMC)(EMC)改造以及增加片上外設(shè)，改造以及增加片上外設(shè)，成為成為DSPDSP處理器，如處理器，如TITI公司的公司的TMS320C2000TMS320C2000C5000C5000等屬于此范疇；等屬于此范疇； 在通用單片機(jī)或在通用單片機(jī)或SoCSoC中增加中增

37、加DSPDSP協(xié)處理器，例如協(xié)處理器，例如IntelIntel公司的公司的MCSMCS296296和和Infineon(Siemens)Infineon(Siemens)的的TriCoreTriCore。v DSPDSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TITI公司的公司的TMS320TMS320系列、系列、ADIADI公司的公司的ADSPglXXADSPglXX系列和系列和MotorolaMotorola公司的公司的DSP56000DSP56000系列。系列。471.2.5 1.2.5 片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)p基本概念基本概念 結(jié)合許多功能模塊，將整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上，這結(jié)合許

38、多功能模塊，將整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上，這就是片上系統(tǒng)就是片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)SoC(System on Chip)。 片上系統(tǒng)是基于片上系統(tǒng)是基于EDAEDA（電子設(shè)計(jì)自動化）技術(shù)和（電子設(shè)計(jì)自動化）技術(shù)和VLSIVLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)，以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)，以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的迅速發(fā)展。迅速發(fā)展。 將整個(gè)嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路將整個(gè)嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗，提高可靠性板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗，提高可靠性非常有利。非常有利。 嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高形式是嵌入式

39、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高形式是SoCSoC，而，而SoCSoC的核心技術(shù)的核心技術(shù)是是IPIP核核(Intellectual Property Core(Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核，知識產(chǎn)權(quán)核) )構(gòu)件。構(gòu)件。 48pSoCSoC設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) SoCSoC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫：各種通用處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫：各種通用處理器內(nèi)核與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，構(gòu)成與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，構(gòu)成VLSIVLSI設(shè)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件庫。計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件庫。 標(biāo)準(zhǔn)器件庫中的庫元件用標(biāo)準(zhǔn)器件庫中的庫元件用VHDLVHDL等語言描述。等語言描述。 用戶在用戶在EDAEDA設(shè)計(jì)

40、平臺下，只需定義出其整個(gè)應(yīng)設(shè)計(jì)平臺下，只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以用用系統(tǒng)，仿真通過后就可以用FPGAFPGA制作樣品。制作樣品。 一種全新的硬件設(shè)計(jì)模式：一種全新的硬件設(shè)計(jì)模式：EDAEDA軟件加硬件調(diào)軟件加硬件調(diào)試平臺。試平臺。 49 在在EDAEDA技術(shù)中把不同功能的電路模塊稱為技術(shù)中把不同功能的電路模塊稱為IPIP，這些，這些IPIP都都是經(jīng)過實(shí)際制作并證明是正確的。在是經(jīng)過實(shí)際制作并證明是正確的。在EDAEDA設(shè)計(jì)工具中把設(shè)計(jì)工具中把這些這些IPIP組織在一個(gè)組織在一個(gè)IPIP元件庫中，供用戶使用。元件庫中，供用戶使用。 IPIP核分為硬核、軟核和固核，核分為硬核、軟核

41、和固核， IPIP核是嵌入式技術(shù)的重核是嵌入式技術(shù)的重要支持技術(shù)。要支持技術(shù)。 嵌入式片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是嵌入式片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是IPIP核資源的利用。核資源的利用。 在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，可以通過使用在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，可以通過使用IPIP核技術(shù)完成系核技術(shù)完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。用戶需要知道統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。用戶需要知道IPIP模塊的功能和技術(shù)性模塊的功能和技術(shù)性能。通過把不同的能。通過把不同的IPIP模塊嵌在一個(gè)硅片上，就形成完模塊嵌在一個(gè)硅片上，就形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。整的應(yīng)用系統(tǒng)。 IPIP技術(shù)極大地簡化了技術(shù)極大地簡化了SoCSoC的設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，的設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，因此

42、，已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的基本技術(shù)。因此，已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的基本技術(shù)。 50p SoC SoC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。 減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程。減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程。 減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。 內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時(shí)所造成的系統(tǒng)雜訊時(shí)所造成的系統(tǒng)雜訊 511 12 26 6 典型的嵌入式處理器典型的嵌入式處理器1

43、 1ARMARM處理器處理器2 2MIPSMIPS處理器處理器 3 3PowerPCPowerPC處理器處理器 4 4MC68KMC68KC01dfireC01dfire處理器處理器5 5x86x86處理器處理器52pARMARM處理器有處理器有3 3大特點(diǎn)：大特點(diǎn)：小體積、低功耗、低成本而高性能；小體積、低功耗、低成本而高性能；16163232位雙指令集；位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。全球眾多的合作伙伴。531.3 1.3 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)1 13 31 1 操作系統(tǒng)的概念和分類操作系統(tǒng)的概念和分類p 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OS(OperationSystem)OS(Operatio

44、nSystem)是一組計(jì)算機(jī)程是一組計(jì)算機(jī)程序的集合；序的集合；p OSOS用來有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件用來有效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。p 為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行環(huán)境，為程序開發(fā)者提供功為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行環(huán)境，為程序開發(fā)者提供功能強(qiáng)、使用方便的開發(fā)環(huán)境。能強(qiáng)、使用方便的開發(fā)環(huán)境。54從資源管理的角度，操作系統(tǒng)主要包含如下功能：從資源管理的角度，操作系統(tǒng)主要包含如下功能：處理器管理處理器管理對處理器進(jìn)行分配，并對其運(yùn)行進(jìn)行有效的控對處理器進(jìn)行分配，并對其運(yùn)行進(jìn)行有效的控制和管理。制和管理。在多任務(wù)環(huán)境下，合理分配由任

45、務(wù)共享的處理在多任務(wù)環(huán)境下，合理分配由任務(wù)共享的處理器，使器，使CPUCPU能滿足各程序運(yùn)行的需要，提高處能滿足各程序運(yùn)行的需要，提高處理器的利用率，并能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候收回分配給理器的利用率，并能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候收回分配給某任務(wù)的處理器。某任務(wù)的處理器。處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為基本單位進(jìn)處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為基本單位進(jìn)行的，因此，對處理器的管理可以歸結(jié)為對進(jìn)行的，因此，對處理器的管理可以歸結(jié)為對進(jìn)程的管理。程的管理。55存儲器管理。存儲器管理。存儲器管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好存儲器管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境；的環(huán)境；存儲器管理包括內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地

46、址映射、內(nèi)存儲器管理包括內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴(kuò)充。例如：存擴(kuò)充。例如： 為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，使它們各得其所，為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，使它們各得其所，且不致因互相重疊而丟失信息；且不致因互相重疊而丟失信息； 不因某個(gè)程序出現(xiàn)異常而破壞其他程序的運(yùn)行；不因某個(gè)程序出現(xiàn)異常而破壞其他程序的運(yùn)行； 方便用戶使用存儲器，并能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存方便用戶使用存儲器，并能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存等。等。56設(shè)備管理。設(shè)備管理。完成用戶提出的設(shè)備請求，為用戶分配完成用戶提出的設(shè)備請求，為用戶分配I IO O設(shè)備；提設(shè)備；提高高CPUCPU和和I IO O的利用率；提高的利用率；提高I IO

47、O速度，方便用戶使用速度，方便用戶使用I IO O設(shè)備。設(shè)備。設(shè)備管理包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、形成設(shè)備管理包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、形成虛擬邏輯設(shè)備等。虛擬邏輯設(shè)備等。57文件管理。文件管理。文件管理的主要任務(wù)就是對系統(tǒng)文件和用戶文件進(jìn)行文件管理的主要任務(wù)就是對系統(tǒng)文件和用戶文件進(jìn)行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。文件管理包括對文件存儲空間的管理、目錄管理、文文件管理包括對文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護(hù)等。件的讀寫管理以及文件的共享與保護(hù)等。 58用戶接口。用戶接口。用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能

48、方便地使用操作系統(tǒng)用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能方便地使用操作系統(tǒng)的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。用戶可以用命令形式（例如用戶可以用命令形式（例如DOSDOS命令）、系統(tǒng)調(diào)用命令）、系統(tǒng)調(diào)用( (例例如如DOSDOS功能調(diào)用功能調(diào)用) )形式與系統(tǒng)打交道。形式與系統(tǒng)打交道。圖形用戶接口圖形用戶接口(GUl)(GUl)，用非常容易識別的圖標(biāo)將系統(tǒng)的，用非常容易識別的圖標(biāo)將系統(tǒng)的各種功能、各種應(yīng)用程序和文件直觀地表示出來，用各種功能、各種應(yīng)用程序和文件直觀地表示出來，用戶可以通過鼠標(biāo)來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。戶可以通過鼠標(biāo)來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。 59p 按程序運(yùn)行調(diào)度的方法，可以將計(jì)算機(jī)操按程序運(yùn)行調(diào)度的方法，可以將計(jì)

49、算機(jī)操作系統(tǒng)分為以下幾種類型：作系統(tǒng)分為以下幾種類型： 順序執(zhí)行系統(tǒng)。順序執(zhí)行系統(tǒng)。 分時(shí)操作系統(tǒng)。分時(shí)操作系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。60順序執(zhí)行系統(tǒng)。順序執(zhí)行系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)只含一個(gè)運(yùn)行程序。它獨(dú)占系統(tǒng)內(nèi)只含一個(gè)運(yùn)行程序。它獨(dú)占CPU時(shí)時(shí)間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運(yùn)行。另一程序才能啟動運(yùn)行。DOS操作系統(tǒng)就屬于操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。這種系統(tǒng)。61分時(shí)操作系統(tǒng)。分時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可有多道程序運(yùn)行。所謂同時(shí)，只是從系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)可有多道程序運(yùn)行。所謂同時(shí)，只是從宏觀上來看，實(shí)際上系統(tǒng)把宏觀上來看，實(shí)際上系統(tǒng)把CPUC

50、PU的時(shí)間按順序分成若干時(shí)的時(shí)間按順序分成若干時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多用戶，當(dāng)今廣泛用于商業(yè)、金融領(lǐng)域。用戶，當(dāng)今廣泛用于商業(yè)、金融領(lǐng)域。UnixUnix操作系統(tǒng)即操作系統(tǒng)即屬于這種系統(tǒng)。屬于這種系統(tǒng)。 62實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行，每道程序各有系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)有多道程序運(yùn)行，每道程序各有不同的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序不同的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運(yùn)行。運(yùn)行。當(dāng)多個(gè)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低來確當(dāng)多個(gè)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低來確定哪道程序在此時(shí)此刻占有定哪道程序在此時(shí)此刻占有C

51、PUCPU，以保證優(yōu)先，以保證優(yōu)先級高的事件、實(shí)時(shí)信息及時(shí)被采集。級高的事件、實(shí)時(shí)信息及時(shí)被采集。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個(gè)分支，也是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個(gè)分支，也是最復(fù)雜的一個(gè)分支。最復(fù)雜的一個(gè)分支。 63p 從應(yīng)用的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：從應(yīng)用的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：面向低端信息家電的嵌入式操作系統(tǒng)；面向低端信息家電的嵌入式操作系統(tǒng)；面向高端信息家電面向高端信息家電( (如數(shù)字電視等如數(shù)字電視等) )的嵌入式操作系統(tǒng)；的嵌入式操作系統(tǒng)；面向個(gè)人通信終端的嵌入式操作系統(tǒng)；面向個(gè)人通信終端的嵌入式操作系統(tǒng)；面向通信設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)；面向通信設(shè)備的嵌入式操作系

52、統(tǒng)；面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)；面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)；面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)。面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)。64p 從實(shí)時(shí)性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為：從實(shí)時(shí)性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為：具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；具有強(qiáng)實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；具有弱實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)；沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。沒有實(shí)時(shí)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。為了較好地了解操作系統(tǒng)的功能，一下介紹幾個(gè)關(guān)于操作系統(tǒng)的基本概念： 651任務(wù)、進(jìn)程和線程任務(wù)、進(jìn)程和線程p任務(wù)：任務(wù)是指一個(gè)程序分段，這個(gè)分段被操作系統(tǒng)當(dāng)任務(wù)：任務(wù)是指一個(gè)程序分段，這個(gè)分段被操作系統(tǒng)當(dāng)

53、作一個(gè)基本工作單元來調(diào)度。作一個(gè)基本工作單元來調(diào)度。p進(jìn)程：進(jìn)程是指任務(wù)的一次運(yùn)行過程，它是動態(tài)過程。進(jìn)程：進(jìn)程是指任務(wù)的一次運(yùn)行過程，它是動態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務(wù)和進(jìn)程等同看待，認(rèn)為任務(wù)是一個(gè)有些操作系統(tǒng)把任務(wù)和進(jìn)程等同看待，認(rèn)為任務(wù)是一個(gè)動態(tài)過程，即執(zhí)行任務(wù)體的動態(tài)過程。動態(tài)過程，即執(zhí)行任務(wù)體的動態(tài)過程。p線程：比進(jìn)程更小的、能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)度的基本單位。線程：比進(jìn)程更小的、能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)度的基本單位。 662 2多用戶及多任務(wù)多用戶及多任務(wù)p多用戶的含義：允許多個(gè)用戶通過各自的多用戶的含義：允許多個(gè)用戶通過各自的終端終端使用同一臺主機(jī)，共享同一個(gè)操作系統(tǒng)及各種使用同一臺主機(jī)，共享同一個(gè)

54、操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。系統(tǒng)資源。p多任務(wù)的含義：每個(gè)用戶的應(yīng)用程序可以設(shè)計(jì)多任務(wù)的含義：每個(gè)用戶的應(yīng)用程序可以設(shè)計(jì)成不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行。成不同的任務(wù)，這些任務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行。p多用戶及多任務(wù)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，多用戶及多任務(wù)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。更有效地利用系統(tǒng)資源。 673任務(wù)的驅(qū)動方式任務(wù)的驅(qū)動方式圖13 任務(wù)及其驅(qū)動方式任務(wù)任務(wù)實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)時(shí)任務(wù)非實(shí)時(shí)任務(wù)非實(shí)時(shí)任務(wù)事件驅(qū)動事件驅(qū)動時(shí)間驅(qū)動時(shí)間驅(qū)動外部事件；開關(guān)量輸入等外部事件；開關(guān)量輸入等內(nèi)部事件：運(yùn)算結(jié)果、設(shè)備請求等內(nèi)部事件：運(yùn)算結(jié)果、設(shè)備請求等相對時(shí)間驅(qū)動相對時(shí)間驅(qū)動絕對時(shí)間驅(qū)動絕對時(shí)間驅(qū)

55、動68p 內(nèi)部事件驅(qū)動：內(nèi)部事件驅(qū)動： 內(nèi)部事件驅(qū)動是指某一程序運(yùn)行的結(jié)果導(dǎo)致另一內(nèi)部事件驅(qū)動是指某一程序運(yùn)行的結(jié)果導(dǎo)致另一任務(wù)的啟動。任務(wù)的啟動。 運(yùn)行結(jié)果可能是數(shù)據(jù)滿足一定條件；運(yùn)行結(jié)果可能是數(shù)據(jù)滿足一定條件； 或數(shù)據(jù)超出某一極限值；或數(shù)據(jù)超出某一極限值； 也可能是釋放了某一資源，也可能是釋放了某一資源，例如得到了某一設(shè)備而例如得到了某一設(shè)備而使任務(wù)得到運(yùn)行環(huán)境使任務(wù)得到運(yùn)行環(huán)境。 內(nèi)部事件驅(qū)動的任務(wù)一般屬于同步（時(shí)間相關(guān)）內(nèi)部事件驅(qū)動的任務(wù)一般屬于同步（時(shí)間相關(guān)）任務(wù)范疇。任務(wù)范疇。 69p 外部事件驅(qū)動外部事件驅(qū)動： 最典型的實(shí)時(shí)任務(wù)是由外部事件驅(qū)動的。最典型的實(shí)時(shí)任務(wù)是由外部事件驅(qū)動

56、的。 外部事件常指工業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)發(fā)生變化或出現(xiàn)異常，外部事件常指工業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)發(fā)生變化或出現(xiàn)異常， 外部事件發(fā)生時(shí)，外部事件發(fā)生時(shí)，CPUCPU將中斷正在執(zhí)行的任務(wù)而優(yōu)先響將中斷正在執(zhí)行的任務(wù)而優(yōu)先響應(yīng)外部請求，立即執(zhí)行對應(yīng)于該請求的中斷服務(wù)任務(wù)。應(yīng)外部請求，立即執(zhí)行對應(yīng)于該請求的中斷服務(wù)任務(wù)。 在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，外部事件的發(fā)生是不可預(yù)測的，由外部在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，外部事件的發(fā)生是不可預(yù)測的，由外部事件驅(qū)動的任務(wù)是最重要的任務(wù)，其優(yōu)先級最高。事件驅(qū)動的任務(wù)是最重要的任務(wù)，其優(yōu)先級最高。 鍵入命令也是一種外部事件，但與現(xiàn)場狀態(tài)變化相比，鍵入命令也是一種外部事件，但與現(xiàn)場狀態(tài)變化相比，它的實(shí)時(shí)性要求要低得多，

57、通常把這類任務(wù)安排在后臺它的實(shí)時(shí)性要求要低得多，通常把這類任務(wù)安排在后臺作業(yè)中。作業(yè)中。70p 由時(shí)間驅(qū)動的任務(wù)有兩種：由時(shí)間驅(qū)動的任務(wù)有兩種： 絕對時(shí)間驅(qū)動：絕對時(shí)間驅(qū)動是指監(jiān)控系統(tǒng)在某指定時(shí)刻絕對時(shí)間驅(qū)動：絕對時(shí)間驅(qū)動是指監(jiān)控系統(tǒng)在某指定時(shí)刻執(zhí)行的指定任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)交換、控制命令執(zhí)行的指定任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)交換、控制命令是以絕對時(shí)間為基準(zhǔn)執(zhí)行的。監(jiān)控系統(tǒng)需要與衛(wèi)星、電視是以絕對時(shí)間為基準(zhǔn)執(zhí)行的。監(jiān)控系統(tǒng)需要與衛(wèi)星、電視臺對時(shí)，就是為了與外部絕對時(shí)間同步。臺對時(shí)，就是為了與外部絕對時(shí)間同步。 相對時(shí)間驅(qū)動：相對時(shí)間驅(qū)動是指周期性執(zhí)行的任務(wù)，總相對時(shí)間驅(qū)動：相對時(shí)間驅(qū)動是指

58、周期性執(zhí)行的任務(wù)，總是相對上一次執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)，等待時(shí)間是編程設(shè)定的，相是相對上一次執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)，等待時(shí)間是編程設(shè)定的，相對時(shí)間可用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘或軟時(shí)鐘計(jì)時(shí)。對時(shí)間可用計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘或軟時(shí)鐘計(jì)時(shí)。714中斷與中斷優(yōu)先級中斷與中斷優(yōu)先級q 相關(guān)概念相關(guān)概念: :v 中斷中斷: :中斷是計(jì)算機(jī)中硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)共同提中斷是計(jì)算機(jī)中硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)共同提供的功能。供的功能。v 中斷源中斷源: :系統(tǒng)中所有中斷控制器一共可以連接幾個(gè)系統(tǒng)中所有中斷控制器一共可以連接幾個(gè)外部信號，則稱系統(tǒng)有幾個(gè)中斷源。外部信號，則稱系統(tǒng)有幾個(gè)中斷源。v 中斷優(yōu)先級：操作系統(tǒng)對每個(gè)中斷級指定了優(yōu)先中斷優(yōu)先級：操作系統(tǒng)對

59、每個(gè)中斷級指定了優(yōu)先級，在多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出申請時(shí)，級，在多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出申請時(shí)，CPUCPU按優(yōu)先級按優(yōu)先級的高低順序處理。的高低順序處理。v 中斷處理程序中斷處理程序: :與每個(gè)中斷源對應(yīng)的處理程序叫著與每個(gè)中斷源對應(yīng)的處理程序叫著中斷處理程序。中斷處理程序。72q 中斷的執(zhí)行：中斷的執(zhí)行：vCPUCPU接到請求后，先仲裁該中斷源的優(yōu)先級是否比接到請求后，先仲裁該中斷源的優(yōu)先級是否比當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級更高。若更高，則中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級更高。若更高，則中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向執(zhí)行對應(yīng)于該外部信號當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向執(zhí)行對應(yīng)于該外部信號的中斷處理程序。的中斷處理程序。

60、v中斷處理程序不宜太長，因而有些系統(tǒng)中，每個(gè)中中斷處理程序不宜太長，因而有些系統(tǒng)中，每個(gè)中斷處理程序還可對應(yīng)一個(gè)任務(wù)入口，使中斷發(fā)生時(shí)斷處理程序還可對應(yīng)一個(gè)任務(wù)入口，使中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行任務(wù)中的代碼，以便得到更多處理。這一任務(wù)執(zhí)行任務(wù)中的代碼，以便得到更多處理。這一任務(wù)提交給操作系統(tǒng)作為任務(wù)調(diào)度。提交給操作系統(tǒng)作為任務(wù)調(diào)度。v與中斷級對應(yīng)、由外部事件驅(qū)動的任務(wù)稱為中斷任與中斷級對應(yīng)、由外部事件驅(qū)動的任務(wù)稱為中斷任務(wù)。務(wù)。 v中斷源及中斷優(yōu)先級是實(shí)時(shí)系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)。中斷源及中斷優(yōu)先級是實(shí)時(shí)系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)。73q 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度v實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)對應(yīng)一