嵌入式系統(tǒng)介紹資料

1、第1章 嵌入式系統(tǒng)(xtng)概述共五十三頁(yè)第1章 目錄(ml)1. 嵌入式系統(tǒng)(xtng)2. 嵌入式處理器3. 嵌入式操作系統(tǒng)共五十三頁(yè)第1章 目錄(ml)1. 嵌入式系統(tǒng)(xtng)2. 嵌入式處理器3. 嵌入式操作系統(tǒng)共五十三頁(yè)1.1 嵌入式系統(tǒng)(xtng)概述(i sh) 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂(lè)方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無(wú)數(shù)的種類(lèi)，每類(lèi)都具有自己獨(dú)特的個(gè)性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車(chē)中更是具有多個(gè)嵌入式系統(tǒng)，使汽車(chē)更輕快、更干凈、更容易駕駛。共五十三頁(yè)現(xiàn)實(shí)(xinsh)中的嵌入式系統(tǒng) 即使不可見(jiàn)，

2、嵌入式系統(tǒng)也無(wú)處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動(dòng)化、國(guó)防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長(zhǎng)征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車(chē)中也有多達(dá)幾十個(gè)嵌入式系統(tǒng)。 在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電(ji din)（全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽(tīng)、工作場(chǎng)所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。 共五十三頁(yè)現(xiàn)實(shí)(xinsh)中的嵌入式系統(tǒng)共五十三頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的概念 目前，對(duì)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的定義多種多樣

3、，但沒(méi)有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分，稱(chēng)為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。共五十三頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)示例汽車(chē)(qch)控制系統(tǒng)共五十三頁(yè)馬達(dá)控制器車(chē)燈嵌入式系統(tǒng)(xtng)示例汽車(chē)(qch)控制系統(tǒng)尾燈控制系統(tǒng)后車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)前車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)器控制系統(tǒng)所有的控

4、制系統(tǒng)都是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)共五十三頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)的未來(lái) 早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡(jiǎn)單的且具有很長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期的自主設(shè)備。近些年來(lái)，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革。產(chǎn)品市場(chǎng)(shchng)窗口現(xiàn)在預(yù)計(jì)翻番的周期狂熱到69個(gè)月。全球重新定義市場(chǎng)的機(jī)會(huì)和膨脹的應(yīng)用空間。互聯(lián)現(xiàn)在是一個(gè)需求而不是輔助性的，包括用有線(xiàn)和剛剛顯露頭角的無(wú)線(xiàn)技術(shù)?；陔娮拥漠a(chǎn)品更復(fù)雜化?；ヂ?lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。微處理器的處理能力按莫爾定律（Moores L aw）預(yù)計(jì)的速度在增加。該定律認(rèn)為集成電路和晶體管個(gè)數(shù)每18個(gè)月翻一番。共五十三頁(yè)第1章 目錄(ml)1. 嵌入式系統(tǒng)(x

5、tng)2. 嵌入式處理器3. 嵌入式操作系統(tǒng)共五十三頁(yè)嵌入式處理器 早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中的通用處理器。近年來(lái)，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)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(lèi)：注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用(yngyng)于PDA等不注重計(jì)算的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計(jì)算密集型的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用于蜂窩電話(huà)等設(shè)備；概述(i sh)共五十三頁(yè)1.2 嵌入式處理器分類(lèi)(fn li) 嵌入式處理器可以分為(fn wi)以下幾大類(lèi)：

6、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(tǒng)（SOC）。共五十三頁(yè)嵌入式處理器 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)。 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比(xin b)，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(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線(xiàn)接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較

7、差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線(xiàn)、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱(chēng)為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。嵌入式微處理器CPUROMRAM外設(shè)1外設(shè)2單板計(jì)算機(jī)共五十三頁(yè)嵌入式處理器 嵌入式微控制器又稱(chēng)單片機(jī)，它是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外

8、設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)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(diǎn)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(tǒng)工業(yè)(gngy)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)微控制器。 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)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(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場(chǎng)份額。嵌入式微控制器復(fù)位部件看門(mén)狗部件晶

9、振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時(shí)器部件CPU核共五十三頁(yè)嵌入式處理器 DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)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(chǎn)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(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。

10、DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)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(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造(zhzo)的R. E. A. L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。 嵌入式DSP處理器共五十三頁(yè)嵌入式處理器 隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和許多其它嵌入式

11、系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶(hù)只需定義出其整個(gè)(zhngg)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠(chǎng)制作樣品。這樣除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)(zhngg)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)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(zhuān)用兩類(lèi)。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專(zhuān)用SoC一般專(zhuān)用于某個(gè)或某類(lèi)系統(tǒng)中，不為一般用戶(hù)所知。一

12、個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò)2048 位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語(yǔ)言的專(zhuān)用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。 嵌入式片上系統(tǒng)(xtng)(SOC)共五十三頁(yè)第1章 目錄(ml)1. 嵌入式系統(tǒng)(xtng)2. 嵌入式處理器3. 嵌入式操作系統(tǒng)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)概述(i sh) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒(méi)有操作系統(tǒng)這個(gè)概念，用戶(hù)使用監(jiān)控程序來(lái)使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來(lái)愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于

13、是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在(xinzi)，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)概述(i sh)監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng) 時(shí) 間 先 后 適用于多個(gè)用戶(hù)共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)概述(i sh)監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)(co zu x tn) 時(shí) 間 先 后 適用于多個(gè)用戶(hù)共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心

14、等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)(tdin) IEEE 的實(shí)時(shí)UNIX分委會(huì)認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn): 異步的事件響應(yīng) 切換時(shí)間和中斷(zhngdun)延遲時(shí)間確定 優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步 共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)(tdin) 總的來(lái)說(shuō)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來(lái)自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性, 與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體(zhngt)起著核心作用, 由它來(lái)管理和協(xié)調(diào)各

15、項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開(kāi)發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)(tdin) 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程是通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)來(lái)完成的，即開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用(shyng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上)的特點(diǎn) 。共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操

16、作系統(tǒng)基本概念 對(duì)基于芯片的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，可稱(chēng)為前后臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 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)，例如微波爐、電話(huà)機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時(shí)(pngsh)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來(lái)完成。前后(qinhu)臺(tái)系統(tǒng)共五十三頁(yè)基本概念 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(xngwi)，前臺(tái)也叫中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證的。 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)(huti)行為，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要

17、差。 ISRISRISRISR后臺(tái)前臺(tái)中斷服務(wù)程序時(shí)間前后臺(tái)系統(tǒng)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最基本(jbn)的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)；操作系統(tǒng)提供用戶(hù)接口，使用戶(hù)獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶(hù)擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。 操作系統(tǒng)(co zu x tn)硬件硬件驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)用戶(hù)程序共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶(hù)的應(yīng)用程序是運(yùn)行(ynxng)于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等)管理、消

18、息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 代碼的臨界區(qū)也稱(chēng)為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些(zhxi)代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開(kāi)始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對(duì)的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪(fǎng)問(wèn)任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執(zhí)行）。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開(kāi)中斷。 代碼(di m)的臨界區(qū)共五十三頁(yè)1.3 嵌入

19、式操作系統(tǒng)基本概念 程序運(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱(chēng)為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備(shbi)，例如打印機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器。資源也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結(jié)構(gòu)或一個(gè)數(shù)組等。資源(zyun)共五十三頁(yè)任務(wù)A共享資源任務(wù)B任務(wù)C信號(hào)量1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 可以被一個(gè)以上(yshng)任務(wù)使用的資源叫做共享資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。共享資源訪(fǎng)問(wèn)共享資源之前(zhqin)申請(qǐng)信號(hào)量其它任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)受阻而不能使用共享資源得到允許后，才能使用共享資源共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 一個(gè)任務(wù)，也稱(chēng)作一個(gè)線(xiàn)程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序(chngx)

20、，該程序(chngx)可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序(chngx)自己。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序(chngx)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括如何把問(wèn)題分割成多個(gè)任務(wù)，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)，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。任務(wù)(rn wu)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核(ni h)決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部?jī)?nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄予存器，并開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為任務(wù)切

21、換。這個(gè)過(guò)程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。任務(wù)(rn wu)切換共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 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)任務(wù)分配CPU時(shí)間(shjin)，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如25的CPU運(yùn)行時(shí)間(shjin)、RAM和ROM等。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等。內(nèi)核(ni h)共五十

22、三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個(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)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度法指CPU總是讓處在就緒(jix)態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類(lèi)型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。 調(diào)度(diod)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU 的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱(chēng)作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來(lái)處理。中斷服務(wù)可以使一

23、個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)(zhungti)變?yōu)榫途w狀態(tài)(zhungti)。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CPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。非占先(zhn xin)式內(nèi)核共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷(xiāo)售(xioshu)的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU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)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU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CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)

24、子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。占先(zhn xin)式內(nèi)核共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是表示(biosh)任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。 任務(wù)(rn wu)優(yōu)先級(jí)共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識(shí)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(zhuǎn)到專(zhuān)門(mén)的子程序，稱(chēng)為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：1. 在

25、前后臺(tái)系統(tǒng)中，程序回到后臺(tái)程序；2. 對(duì)非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)(rn wu)；3. 對(duì)占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。中斷(zhngdun)共五十三頁(yè)前后臺(tái)系統(tǒng)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念中斷(zhngdun)ISR任務(wù)ISR非占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)CISR占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)C共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)基本概念 時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個(gè)(zh ge)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)

26、生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開(kāi)銷(xiāo)就越大。時(shí)鐘(shzhng)節(jié)拍共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)使用(shyng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來(lái)愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)因素：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 提高了開(kāi)發(fā)效率(xio l)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。 共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)(y

27、udin)：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開(kāi)銷(xiāo)，25%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。 共五十三頁(yè) uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約(gngyu)的操作系統(tǒng)，完全開(kāi)放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。

28、它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒(méi)有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。 1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式Linux共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng) Windows CE是微軟開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類(lèi)的電子設(shè)備操作，它是精簡(jiǎn)的Windows 95

29、。Windows CE的圖形用戶(hù)界面相當(dāng)出色。Win CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無(wú)關(guān)等特點(diǎn)。Win CE不僅繼承了傳統(tǒng)(chuntng)的Windows圖形界面，并且在Win CE平臺(tái)上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用。 Win CE共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó) 公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是

30、嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測(cè)器上也使用到了VxWorks。共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng) OSE主要是由ENEA Data AB 下屬的ENEA OSE Systems AB負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和技術(shù)(jsh)服務(wù)的，一直以來(lái)都充當(dāng)著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及分布式和容錯(cuò)性應(yīng)用的先鋒，并保持良

31、好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 OSE的客戶(hù)深入到電信，數(shù)據(jù)，工控，航空等領(lǐng)域，尤其在電信方面，該公司已經(jīng)有了十余年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同諸如愛(ài)立信，諾基亞，西門(mén)子等知名公司確定了良好的關(guān)系。 OSE共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng) Nucleus PLUS是為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95的代碼是用ANSIC寫(xiě)成的，因此非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類(lèi)型的處理器。 Nucleus PLUS采用了軟件組件的方法。每個(gè)組件具有單一(dny)而明確的目的，通常由幾個(gè)C及匯編語(yǔ)言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對(duì)組件的引用就是通過(guò)這些接口完成的。由于采用了軟件組件的方法，使Nucleus PLUS 的各個(gè)組件非常易于替換和復(fù)用。Nucleus共五十三頁(yè)1.3 嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng) eCos是RedHat公司開(kāi)發(fā)的源代碼開(kāi)放的嵌入式RTOS產(chǎn)品，是一個(gè)可配置、可移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境為RedHat的GNUPro和GNU開(kāi)發(fā)環(huán)境。eCOS的所有部分都開(kāi)放源代碼，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的關(guān)鍵技術(shù)是操作系統(tǒng)可配置性，允許用戶(hù)組和自己的實(shí)時(shí)組件和函數(shù)(hnsh)以及實(shí)現(xiàn)方式，特別