嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II：第1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

1、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II課程安排第一章 4課時(shí)第二章 3課時(shí)第三章 5課時(shí)第四章 3課時(shí)第五章 2課時(shí)第六章 4課時(shí)第七章 4課時(shí)第九章 2課時(shí)第十章 4課時(shí)1.5 初識(shí)C/OS-操作系統(tǒng)1992年美國(guó)人Jean Labrosse編寫適合于小巧控制器的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等是指micro；C是指control2000年下半年，中國(guó)電力出版社購(gòu)得C/OS-一書中譯本的版權(quán)，譯者是清華大學(xué)教授紹貝貝先生和他的研究生們。C/OS-一進(jìn)入中國(guó)，就受到了中國(guó)嵌入式系統(tǒng)工程師、高校師生的極大關(guān)注。

2、C/OS-是專門為單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的主體代碼用的是標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言編成，十分易于移植。目前已經(jīng)成功地移植到了四十多種CPU上了，涵蓋8位、16位、32位和64位等多種機(jī)型，其中還包括了部分DSP芯片。所有的移植范例都能從網(wǎng)站上下載，移植十分容易，有的廠商在推出嵌入式芯片的同時(shí)就提供了C/OS-的移植代碼，如Motorla的16位56800系列單片機(jī)。C/OS-有良好應(yīng)用環(huán)境和相當(dāng)大的應(yīng)用群體。在現(xiàn)在中國(guó)的嵌入式領(lǐng)域，幾乎到處都可以見到C/OS-的影子。操作系統(tǒng)的選擇uC/OS：Vxworks：嵌入式linuxwince手機(jī) 操作系統(tǒng)Symbian（塞班）是一個(gè)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)的純

3、16位操作系統(tǒng)，具有功耗低、內(nèi)存占用少等特點(diǎn)，非常適合手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備使用，經(jīng)過不斷完善，可以支持GPRS、藍(lán)牙、SyncML、以及3G技術(shù)。目前根據(jù)人機(jī)界面的不同，Symbian體系的UI（User Interface 用戶界面）平臺(tái)分為Series 60、Series 80、Series 90、UIQ等。 手機(jī)操作系統(tǒng)iOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)。它主要是給iPhone、iPod touch以及iPad使用。就像其基于Mac OS X的操作系統(tǒng)一樣，它也是以Darwin為基礎(chǔ)的。原本這個(gè)系統(tǒng)名為iPhone OS，直到2010年6月7日WWDC大會(huì)上宣布改名為iOS。 iO

4、S的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個(gè)層次：核心操作系統(tǒng)層（the Core OS layer），核心服務(wù)層（the Core Services layer），媒體層（the Media layer），可輕觸層（the Cocoa Touch layer）。系統(tǒng)操作占用大概240MB的存儲(chǔ)器空間。 BrewCDMA之父高通公司開發(fā)的封閉式系統(tǒng) 安裝軟件極為艱難 常見在500元以下的CDMA手機(jī) 有QQ Windows PhoneWindows Mobile系統(tǒng)包括 Pocket PC和Smartphone以及Media Centers，Pocket PC針對(duì)無線PDA，Smartphone專為手機(jī) Palm O

5、S這是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)，主要運(yùn)用于移動(dòng)終端上。此系統(tǒng)最初由3Com公司的Palm Computing部開發(fā)，目前Palm Computing已經(jīng)獨(dú)立成一家公司。Palm OS與同步軟件HotSync結(jié)合可以使移動(dòng)終端與電腦上的信息實(shí)現(xiàn)同步，把臺(tái)式機(jī)的功能擴(kuò)展到了移動(dòng)設(shè)備上。Android 最新android 4這是Google開發(fā)的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序 移動(dòng)電話工作所需的全部軟件，而且不存在任何以往阻礙移動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙。Google與開放手機(jī)聯(lián)盟合作開發(fā)了Android（安卓），這個(gè)聯(lián)盟由包括中國(guó)移動(dòng)、摩托羅拉、高通、宏達(dá)電

6、子和 T-Mobile 在內(nèi)的 30 多家技術(shù)和無線應(yīng)用的領(lǐng)軍企業(yè)組成。BlackBerry OSBlackBerry OS是Research In Motion專用的操作系統(tǒng)，第三方開發(fā) 。 第三方軟件開發(fā)商可以利用APIs以及專有的BlackBerry APIs寫軟件,但任何應(yīng)用程式，如需使它限制使用某些功能，必須附有數(shù)碼簽署(digitally signed)，以便用戶能夠聯(lián)系到RIM公司的開發(fā)者的帳戶。這次簽署的程序能保障作者的申請(qǐng)，但并不能保證它的質(zhì)量或安全代碼。 目前用戶首選的嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks用于海陸空Vxworks用于航天 推薦讀物與網(wǎng)址嵌入式系統(tǒng)固件揭密，電子工業(yè)出

7、版社操作系統(tǒng)原理. 國(guó)防科技大學(xué)出版社,1995計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu). 高等教育出版社，2000老古開發(fā)網(wǎng)周立功單片機(jī)華恒網(wǎng)絡(luò),嵌入式系統(tǒng)綜述嵌入式開發(fā)網(wǎng) E: /課程安排第 一 章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論第 二 章 嵌入式操作系統(tǒng)中的基本概念第 三 章 任務(wù)管理第 四 章 中斷與時(shí)間管理第 五 章 事件控制塊第 六 章 消息第 七 章 信號(hào)量與互斥型號(hào)量第 八 章 事件標(biāo)志組第 九 章 內(nèi)存管理第 十 章 移植與應(yīng)用第十一 章 幾個(gè)版本的區(qū)別第一章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)1.3 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法1.4 嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念1.5 初識(shí)C/OS-I

8、I1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況 嵌入式應(yīng)用的起源 計(jì)算機(jī)技術(shù)的分化 兩大分支的發(fā)展方向1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的定義1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.1嵌入式系統(tǒng)的基本概念1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況嵌入式應(yīng)用的起源1946.2.15 ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer）長(zhǎng)30.48米，寬1米，占地面積170平方米，30個(gè)操作臺(tái)，約相當(dāng)于10間普通房間的大小重達(dá)30噸耗電量150千瓦造價(jià)48萬美元。它包含了17,468 真空管，7,200水晶 二極管， 1,500 中轉(zhuǎn), 70,000 電阻器,

9、10,000 電容器，1500繼電器，6000多個(gè)開關(guān)每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計(jì)算機(jī)的1000倍、手工計(jì)算的20萬倍。承擔(dān)開發(fā)任務(wù)的“莫爾小組”由四位科學(xué)家和工程師?？颂亍⒛死?、戈?duì)査固?、博克斯組成，總工程師埃克特當(dāng)時(shí)年僅24歲。 嵌入式應(yīng)用的起源ENIAC 誕生的起因二戰(zhàn)需要研制新的大炮和導(dǎo)彈要求“彈道試驗(yàn)研究室”提供6張火力表對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)鑒定火力表的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的非線性方程組，沒有準(zhǔn)確的解，只能用數(shù)值方法近似求解計(jì)算量：每張表需要200計(jì)算員計(jì)算2個(gè)月了改變這種不利的狀況，賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電機(jī)工程學(xué)院的莫希利（John Mauchly）于 1942年提出了

10、試制第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的初始設(shè)想“高速電子管計(jì)算裝置的使用”，期望用電子管代替繼電器以提高機(jī)器的計(jì)算速度。美國(guó)軍方提供經(jīng)費(fèi)15萬美元 馮諾依曼（vn weumann，美籍匈牙利人）對(duì)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵問題作出了重要貢獻(xiàn)，保證了它的順利誕生。 ENIAC的意義：宣告了一個(gè)新時(shí)代的開始。從此科學(xué)計(jì)算的大門也被打開了。嵌入式應(yīng)用的起源此后的近30年里：長(zhǎng)期供養(yǎng)在機(jī)房里為少數(shù)精英所掌握用于數(shù)值求解1971.11 intel公司推出第一顆商用集成電路微處理器INTEL4004 C4004出產(chǎn)年份: 1971年頻率/前端總線 : 0.74MHz / 0.74MHz (4bit)封裝/針腳數(shù)量 : 陶瓷DIP /

11、16針核心技術(shù)/晶體管數(shù)量: 10微米 / 2250每秒運(yùn)算6萬次運(yùn)行頻率：108KHz成本不到100美元 一件劃時(shí)代的作品人類歷史上最具革新的產(chǎn)品之一 它是第一款商用微處理器，但不是第一款微處理器，第一款是用于F-14雄貓戰(zhàn)機(jī)中由6顆晶片組成的中央空氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)：CADC（CenterAir Data Computer），構(gòu)造比4004還要簡(jiǎn)單，速度只有9.15KHz。中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)天河二號(hào)（Tianhe-2），300多萬個(gè)處理器，每秒執(zhí)行超過30千萬億次的計(jì)算輕易地?fù)魯×松蠈霉谲娒绹?guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Titan，Titan每秒可做到17.59千萬億次計(jì)算。天河二號(hào)很有中國(guó)特色，它運(yùn)行一

12、個(gè)特殊的Linux版本麒麟，該系統(tǒng)由國(guó)防科技大學(xué)開發(fā)。它也有自己的本土網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，甚至用中國(guó)自己的處理器來驅(qū)動(dòng)超級(jí)計(jì)算的管理工具。其唯一使用的美國(guó)組件是英特爾的微處理器，用來做系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算。嵌入式應(yīng)用的起源Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等計(jì)算機(jī)走出機(jī)房廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域 這個(gè)時(shí)期也被人們稱為PC時(shí)代。 1978 -80864004 808080858086 8088 80286 80386 80486 Pentium PRO Pentium MMX Pentium II

13、Pentium III Pentium 4 嵌入式應(yīng)用的起源隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速提高，微型機(jī)所表現(xiàn)出來的智力水平引起了控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，將微型機(jī)嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化控制的設(shè)想和實(shí)踐蘊(yùn)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各種I/O插件板，并將它們嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中，從而導(dǎo)致了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生。例如，將微機(jī)配置好專用軟件、外部接口電路，并經(jīng)機(jī)械、電氣加固后，安裝到飛機(jī)、大型艦船、大型電話交換機(jī)中構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)或狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。 出于兼容性和靈活性的考慮，系列化、模塊化的單板機(jī)也問世

14、了，其典型代表是Intel公司的iSBC系列單板機(jī)Zilog公司的MCB單板機(jī)等。后來人們可以不必從選擇芯片開始，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就形成新的系統(tǒng)，這樣就要求插件是互相兼容的，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出了Multibus1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的Multibus。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線被廣泛應(yīng)用。嵌入式應(yīng)用的起源20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式應(yīng)用進(jìn)一步加速發(fā)

15、展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，掌上電腦、手持PC機(jī)、機(jī)頂盒技術(shù)相對(duì)成熟，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。21世紀(jì)無疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，使嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中去也成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。在發(fā)展?jié)摿薮蟮摹靶畔⒓译姟敝校藗兎浅ｊP(guān)注的網(wǎng)絡(luò)電話設(shè)備，即IP電話，就是一個(gè)代表。 嵌入式應(yīng)用的起源計(jì)算機(jī)被嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，原來通用計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)

16、便不再?gòu)?fù)現(xiàn)了，人機(jī)交互模式、處理模式、功耗模式也各不相同。為了把實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)區(qū)別開來，就把這種以嵌入為手段、以控制為目的的專用計(jì)算機(jī)稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)起源于微型機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性是它的一個(gè)根本特點(diǎn)，其本質(zhì)是將計(jì)算機(jī)嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中去。 嵌入式應(yīng)用的起源計(jì)算機(jī)技術(shù)的分化后PC從產(chǎn)生的背景來看，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有著完全不同的技術(shù)要求、應(yīng)用目標(biāo)和技術(shù)發(fā)展方向。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲(chǔ)容量的無限擴(kuò)大；應(yīng)用目標(biāo)多樣化，通過軟件的配置完成多種計(jì)算。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)是

17、實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化控制，技術(shù)要求是可靠、可裁減，能滿足應(yīng)用對(duì)其體積、功耗等的嚴(yán)格要求，技術(shù)發(fā)展方向是追求與應(yīng)用系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性、專用性、智能化和可靠性的提升。計(jì)算機(jī)技術(shù)的分化-后PC時(shí)代在早期，由于嵌入式應(yīng)用范圍比較狹窄，大多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，人們還可以勉強(qiáng)將通用計(jì)算機(jī)通過改裝、加固、定制專業(yè)軟件等方法，嵌入到大型系統(tǒng)中去實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用，但隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)深入到我們生活中的方方面面，比如：小到彩電、空調(diào)、洗衣機(jī)、手機(jī)，大到飛機(jī)、導(dǎo)彈、汽車等等，嵌入式應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)的功能、體積、功耗、價(jià)格、重量、可靠性等方面的要求越來越苛刻，通過改造通用計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)方法遠(yuǎn)

18、遠(yuǎn)不能勝任。因此，嵌入式計(jì)算機(jī)不得不脫離通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)走上了獨(dú)立發(fā)展的道路。這就形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)兩大分支并行發(fā)展的時(shí)期，也稱為后PC時(shí)代。 兩大分支的發(fā)展方向 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)分工和獨(dú)立發(fā)展，導(dǎo)致了當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域致力于發(fā)展其專用的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用的要求，CPU已經(jīng)從單核發(fā)展到雙核、四核，微機(jī)的處理速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)年的小中型計(jì)算機(jī)，超級(jí)計(jì)算機(jī)1秒鐘已經(jīng)能運(yùn)算30千萬億條指令；操作系統(tǒng)的發(fā)展使計(jì)算機(jī)在具備了高速處理海量數(shù)據(jù)能力的同時(shí)，應(yīng)用也越來越方便。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則走上了另一條發(fā)展之路單芯片化。如果說微機(jī)開創(chuàng)了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

19、的應(yīng)用，那么單片機(jī)則開創(chuàng)了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的道路。在單片機(jī)的發(fā)展道路上，曾出現(xiàn)過兩種探索模式，即“模式”和“創(chuàng)新模式”?！澳Ｊ健北举|(zhì)上是將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本單元進(jìn)行裁剪后，直接芯片化，構(gòu)成單片微型計(jì)算機(jī)；“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應(yīng)用的要求，以全新的方式設(shè)計(jì)能滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式、外設(shè)接口等的單片微型計(jì)算機(jī)。1976年Intel公司開發(fā)的MCS-48和隨后開發(fā)的MCS-51就是按照創(chuàng)新模式發(fā)展起來的單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)。歷史證明，“創(chuàng)新模式”是嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的正確道路，MCS-51的體系結(jié)構(gòu)也因此成為單片嵌入式系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu)。 嵌入式計(jì)

20、算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)，它的應(yīng)用發(fā)源于微機(jī)，發(fā)展于單片機(jī)，那么，究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？嵌入式系統(tǒng)的定義是怎樣的呢？ 1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義依據(jù)IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義是：“Device used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”，即嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器或甚至工廠運(yùn)作的裝置，它是一種計(jì)算機(jī)軟件和硬件綜合體，并且特別強(qiáng)調(diào)“量身定制”的原則，也就是基于某種特殊的用途，設(shè)計(jì)者就會(huì)根據(jù)這些用途設(shè)計(jì)出一種截然不同

21、的系統(tǒng)來。 按照Wayne Wolf在其所著的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教科書上的定義是“What is an embedded system? Loosely defined, it is any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer.”，意為“不嚴(yán)格地定義，嵌入式系統(tǒng)是包含可編程計(jì)算機(jī)的任意設(shè)備，而它本身并不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的?！?“一臺(tái)個(gè)人電腦不能稱之為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管它常常被用于搭建嵌入式系統(tǒng)。 我國(guó)微機(jī)學(xué)會(huì)的定義“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的

22、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，并分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、片級(jí)。系統(tǒng)級(jí)包括各類工控設(shè)備、PC104模塊等；板級(jí)包括各類CPU主板和OEM產(chǎn)品；片級(jí)包括各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的設(shè)備。 目前在我國(guó)流行得比較廣泛的定義“嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?ES=3C（Computer+Communication+ Consumerelectronics）+ Internet + WAP + GBS + UPS + Sensors + IP + Other ESOC。 定義嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)

23、系統(tǒng)”“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素，對(duì)象體系則是指所嵌入的應(yīng)用系統(tǒng)。 按照定義，只要滿足嵌入式系統(tǒng)三要素的，都可以稱為嵌入式系統(tǒng)，因此嵌入式系統(tǒng)根據(jù)其形態(tài)和規(guī)模的不同可分為：系統(tǒng)級(jí)，包括工控機(jī)、嵌入到應(yīng)用中的通用計(jì)算機(jī)等。隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，通用計(jì)算機(jī)在體積、功耗、性能等各個(gè)方面都得到了空前的提高，一些嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)也在通用計(jì)算機(jī)上得到體現(xiàn)。在一些產(chǎn)品上，嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)上出現(xiàn)了融合的趨勢(shì)；板級(jí)，包括各種CPU主板；芯片級(jí)，如CPU、MCU、SOC、DSP、MPU等； 在理解嵌入式系統(tǒng)的定義的時(shí)候，要分清嵌入式系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的區(qū)別。嵌入式應(yīng)

24、用系統(tǒng)是指內(nèi)部含有嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備、裝置或者系統(tǒng)，比如：手機(jī)、數(shù)字彩電、空調(diào)、工控單元、PDA、汽車、導(dǎo)彈等。這種區(qū)別就好像我們常說的單片機(jī)系統(tǒng)與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的區(qū)別一樣，盡管人們常常在不嚴(yán)格的場(chǎng)合將單片機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)混稱，但是概念上的差別是很明顯的。 1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 系統(tǒng)內(nèi)核小、實(shí)時(shí)高效 專用性強(qiáng) 系統(tǒng)精簡(jiǎn) 軟件固化 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境 1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)早期，分為三層結(jié)構(gòu)硬件層嵌入式操作系統(tǒng)層應(yīng)用程序?qū)佑布邮腔A(chǔ)不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)不同的硬件環(huán)境為了便于操作系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)的硬件上移植，微軟提出了將操作系統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的部分單獨(dú)抽象出來，設(shè)計(jì)成單獨(dú)的

25、硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）的思想它通過硬件抽象層接口設(shè)計(jì)，向操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。硬件抽象層這個(gè)中間層的引入，展蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對(duì)具體的硬件環(huán)境，而是面向由這個(gè)中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺(tái)性。目前，在嵌入式領(lǐng)域中，HAL通常是以BSP（Board Support Package）板級(jí)支持包的形式實(shí)現(xiàn)的。這樣，原先嵌入式系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)逐步演化為如圖1.1的4層結(jié)構(gòu)。然而，目前BSP形式的硬件抽象層還不能解決大多數(shù)操作系統(tǒng)移植和跨平臺(tái)問題。 圖1.1 嵌入式系統(tǒng)

26、組成結(jié)構(gòu)圖1.2.1 硬件層圖1.2 嵌入式系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖BCNG開發(fā)板 嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，品種總量已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051系列占多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多個(gè)衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB到16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。嵌入式微處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn)：對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中

27、斷響應(yīng)時(shí)間；具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，可以滿足快速開發(fā)最高性能的嵌入式系統(tǒng)的要求；嵌入式微處理器的功耗很低，很多產(chǎn)品的功耗只有mW甚至W級(jí)。 嵌入式處理器嵌入式處理器的分類一般有兩種一是按功能特點(diǎn)分類，可分為：嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。 嵌入式微處理器（Embedded MicroProcessor Unit，EMPU）嵌入式微處理器的基

28、礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）EDSP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。 嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）；在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）。 二是按數(shù)據(jù)總線的位數(shù)分，可分為：4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)。 嵌入式微處理器（4）國(guó)產(chǎn)：龍芯64位方舟32位,主頻由166MHZ提升到400MHZ 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部件，用于存放程

29、序和數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)器主要有半導(dǎo)體材料、磁性材料和光介質(zhì)材料三種 存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位就是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個(gè)CMOS晶體管或磁性材料或光介質(zhì)的存儲(chǔ)元，它可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制代碼。 存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)中，以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為多。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器種類很多，從存、取功能上可以分為只讀存儲(chǔ)器（Read-Only Memory，ROM）隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Meemory，RAM）可編程ROM（Programmable Read-Only Memory，PROM）可擦除的可編程ROM（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）閃存（flash M

30、emory）鐵電存儲(chǔ)器（FRAM） 常用的接口總線嵌入式系統(tǒng)中常用的總線主要可分為兩大類并行總線和串行總線。常用的并行總線有：CPU并行總線；工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（Industry Standard Architecture，ISA）總線；外部設(shè)備互連（Peripheral Component Interconnect，PCI）總線等。 常用的接口總線而常的串行總線較多，主要有：通用異步接收傳輸（Uiversal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）總線；串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）；串行外設(shè)接口（Ser

31、ial Peripheral Interface，SPI）總線；內(nèi)部集成電路（Inter-IC，I2C）總線；IEEE1394總線、USB；RS-232總線、RS-485總線；控制器區(qū)域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線；單總線（1-Wire）和局域互連網(wǎng)絡(luò)（LocalInterconnectNetwork，LIN）總線等。 這些總線在速度、物理接口要求和通信方法學(xué)上都有所不同。串行總線與并行總線相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于總線線數(shù)少，這有利于減小系統(tǒng)的復(fù)雜性。 1.2.2 軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以分為兩種，一是無操作系統(tǒng)支持的程序結(jié)構(gòu)二是基于RTOS的程序結(jié)構(gòu)

32、。例如：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，假設(shè)要求完成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理鍵盤輸入LCD顯示打印等功能的軟件工作。 1.2.2 軟件結(jié)構(gòu)1.2.3 硬件抽象層硬件抽象層隱藏特定平臺(tái)的硬件接口細(xì)節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái)，使其具有硬件無關(guān)性，可在多種平臺(tái)上進(jìn)行移植。 在嵌入式系統(tǒng)中，硬件抽象層多以BSP的形式實(shí)現(xiàn)，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的操作。關(guān)于BSP還存在幾種不同的理解：（1）BSP是操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，最著名例子就是風(fēng)河系統(tǒng)公司，它傾向于這種理解；（2）驅(qū)動(dòng)程序，一些嵌入式系統(tǒng)的供應(yīng)商提供的驅(qū)動(dòng)程序也常稱為BSP；（3）板級(jí)開發(fā)工具，因?yàn)樵谀?/p>

33、些BSP中往往還包括了程序編輯器、編譯連接器、嵌入式操作系統(tǒng)、底層支持庫(kù)等。一般嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)者常常將BSP理解為HAL，本書采用這樣的理解。 1.2.3 硬件抽象層在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中，BSP是一個(gè)不可或缺的組成部分，操作系統(tǒng)啟動(dòng)以前的初始化工作主要由BSP完成，盡管目前沒有統(tǒng)一的定義，但其主要功能一般可以歸納為：初始化和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，主要包括：片級(jí)初始化主要對(duì)CPU進(jìn)行初始化，包括設(shè)置CPU的存儲(chǔ)器地址范圍、堆棧指針、程序指針、數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、端口輸入輸出模式、時(shí)鐘頻率設(shè)置、屏蔽中斷等。片級(jí)初始化的過程就是把CPU從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這個(gè)過程只包

34、含對(duì)硬件的初始化。板級(jí)初始化主要對(duì)CPU外部其它硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，為隨后的操作系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立條件，如配置程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)等。這個(gè)過程既包含硬件，又包含軟件的初始化。操作系統(tǒng)初始化，為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。在這個(gè)過程中，BSP把嵌入式CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，如：加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。操作系統(tǒng)初始化不是BSP的主要工作，而是由BSP發(fā)起的，BSP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要在于前面兩個(gè)過程。 1.3 嵌入

35、式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法 目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程模型有很多，如 瀑布模型 快速原型模型 螺旋模型 噴泉模型 智能模型 混合模型 增量模型 WINWIN模型 并行開發(fā)模型 基于體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)模型 基于構(gòu)建的開發(fā)模型 XP方法等等 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象復(fù)雜度和個(gè)人愛好，靈活的選擇不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 1.4 嵌入式操作系統(tǒng)的概念1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開

36、發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程第一階段，無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段通過匯編語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口，比較適合于各類專用領(lǐng)域中。 1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程第二階段，以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 CPU 種類繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配

37、備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；操作系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。 1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程第三階段，通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段 以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。 1.4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)方向發(fā)展，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的

38、階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合的日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。 1.4.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)的定義 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義 嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)支撐應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境以及用戶操作環(huán)境的系統(tǒng)軟件，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心與基石。它的職責(zé)通常是合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，對(duì)硬件直接進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種計(jì)算資源（如內(nèi)存、處理器時(shí)鐘等）的管理

39、、提供諸如作業(yè)管理之類的面向應(yīng)用程序的服務(wù)等等。操作系統(tǒng)的理論是計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)古老而又活躍的分支，而操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)則是軟件工業(yè)的基礎(chǔ)與核心。操作系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬、軟件資源的總指揮部，主要有兩方面的作用：管理系統(tǒng)中的各種資源，包括硬件資源和軟件資源；為用戶提供良好的界面。 操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶應(yīng)用程序之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入命令。操作系統(tǒng)則對(duì)命令進(jìn)行解釋，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用戶要求。操作系統(tǒng)分成四大部分：驅(qū)動(dòng)程序 最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分，它們的職責(zé)是隱藏硬件的具體細(xì)節(jié)，并向其它部分提供一個(gè)抽象的、通用的接口； 內(nèi)核

40、操作系統(tǒng)之最核心部分，通常運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí)，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)性、結(jié)構(gòu)性的功能；支承庫(kù) 也稱“接口庫(kù)”，是一系列特殊的程序庫(kù)，它們職責(zé)在于把系統(tǒng)所提供的基本服務(wù)包裝成應(yīng)用程序所能使用的編程接口，是最靠近應(yīng)用程序的部分； 外圍 所謂外圍，是指操作系統(tǒng)中除以上三類以外的所有其它部分，通常是用于提供特定高級(jí)服務(wù)的部件。例如，在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，大部分系統(tǒng)服務(wù)，以及UNIX/Linux中各種守護(hù)進(jìn)程都通常被劃歸此列。 目前，用于通用計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)家族：類Unix家族和微軟Windows家族。嵌入式系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)多種多樣，并且很多和Windows和Unix都沒有直接的聯(lián)系。 操作系統(tǒng)的定義嵌入式

41、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義 1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義一般地說，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)在限定的時(shí)間內(nèi)能夠提供所需要的服務(wù)水平，實(shí)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求的不同，可以分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)兩種類型。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求各個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快越好，但并不苛求某一任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度。如果系統(tǒng)特定的時(shí)序得不到滿足，只會(huì)引起性能的嚴(yán)重下降，并不產(chǎn)生嚴(yán)重后果。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)不僅要求各個(gè)任務(wù)執(zhí)行無誤而且要求做到準(zhǔn)時(shí)，如果特定的時(shí)序得不到滿足，將會(huì)引起災(zāi)難性的后果。實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為兩種類型，即軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其特性對(duì)比如圖1.6所示。 圖1.6 兩種實(shí)時(shí)系統(tǒng)特性對(duì)比 2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要特征在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的正確性不僅取決于系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的正確性，

42、而且還取決于正確結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間（在分時(shí)系統(tǒng)中，只要滿足前者即可），即時(shí)序。如果出現(xiàn)時(shí)序和邏輯的偏差將會(huì)引起嚴(yán)重的后果。高速系統(tǒng)往往能完成實(shí)時(shí)運(yùn)算，但高速系統(tǒng)不等于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的不僅僅是運(yùn)算速度“快”，強(qiáng)調(diào)更多的是運(yùn)算時(shí)序和邏輯的“準(zhǔn)確”、“及時(shí)”。因此，為了滿足運(yùn)算的“準(zhǔn)確”和“及時(shí)”，系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性和可確定性是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要特征。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是軟硬兩種實(shí)時(shí)系統(tǒng)的結(jié)合，它們的應(yīng)用涵蓋廣泛的領(lǐng)域，而多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)又是嵌入式的。這意味著計(jì)算機(jī)建在系統(tǒng)內(nèi)部，用戶看不到有個(gè)計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)里面，例如：汽車中的安全氣囊、防抱死系統(tǒng)（ABS）、衛(wèi)星系統(tǒng)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制、數(shù)字電視、數(shù)碼相機(jī)等等。

43、3嵌入式操作系統(tǒng)的定義 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS：泛指所有具有一定實(shí)時(shí)資源調(diào)度和通訊能力，能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)（Real-Time embedded Operating System，RTOS 或EOS）是指支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而且多是硬實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，這就要求相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。所以通常認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就是嵌入式操作系統(tǒng)，有時(shí)也統(tǒng)稱為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。目前，嵌入式操作

44、系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)就有40種左右，其中較為流行的主要有： Windows CE、Palm OS、Real-Time Linux、VxWorks、C/OS-、pSOS、PowerTV以及Microware 公司的OS-9等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個(gè)重要分支已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)，主要探討實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問題。 嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 內(nèi)核是多任務(wù)系統(tǒng)中的核心部分提供多任務(wù)，為多任務(wù)分配CPU時(shí)間提供任務(wù)管理

45、與調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步、內(nèi)存管理等重要服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)的使用者。內(nèi)核的基本任務(wù)是任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間通信實(shí)時(shí)內(nèi)核主要有可剝奪型內(nèi)核和不可剝奪型內(nèi)核兩種。內(nèi)核允許將系統(tǒng)分成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)處理程序的一部分，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。一個(gè)好的實(shí)時(shí)內(nèi)核需要具備以下功能和特點(diǎn)：（1）任務(wù)管理；（2）任務(wù)間可以進(jìn)行同步和通信；（3）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)功能；（4）具有中斷管理服務(wù)功能；（5）操作系統(tǒng)的行為是可知的和可預(yù)測(cè)的。操作系統(tǒng)行為的可知性和可預(yù)測(cè)性是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的本質(zhì)特征，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)調(diào)的不是系統(tǒng)的運(yùn)行速率的快和慢，而是強(qiáng)調(diào)能否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所需完成的任務(wù)，因此，只有

46、每個(gè)行為執(zhí)行的時(shí)間都能預(yù)測(cè)，才能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)得到可靠的保證。 嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)可以分為單內(nèi)核(monolithic kernel)、微內(nèi)核(microkernel)、超微內(nèi)核(nanokernel)、以及外核(exokernel)等 單內(nèi)核結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)中各核心部件雜然混居的形態(tài)該結(jié)構(gòu)于1960年代（亦有1950年代初之說，尚存爭(zhēng)議）誕生，歷史最長(zhǎng)，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與外圍分離時(shí)的最初形態(tài)。 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是1980年代產(chǎn)生出來的較新的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性部件與功能性部件的分離。20世紀(jì)末，基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，理論界中又發(fā)展出了超微內(nèi)核與外內(nèi)核等多種結(jié)構(gòu)。盡管自1980年代

47、起，大部分理論研究都集中在以微內(nèi)核為首的“新興”結(jié)構(gòu)之上，然而，在應(yīng)用領(lǐng)域之中，以單內(nèi)核結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)卻一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。 在眾多常用操作系統(tǒng)之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等個(gè)別系統(tǒng)外，幾乎全部采用單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微軟聲稱Windows NT是基于改良的微內(nèi)核架構(gòu)的，盡管理論界對(duì)此存有異議）。微內(nèi)核和超微內(nèi)核結(jié)構(gòu)主要用于研究性操作系統(tǒng)，還有一些嵌入式系統(tǒng)使用外核。 1.4.3 評(píng)價(jià)嵌入式操作系統(tǒng)的幾個(gè)重要指標(biāo) 一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能的主要評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)切換時(shí)間、中斷延遲時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間、調(diào)度抖動(dòng)（j

48、itter）、調(diào)度延遲等，具體的含義如下：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（System Response Time）是系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間。這是RTOS一個(gè)比較綜合的性能指標(biāo)。任務(wù)切換時(shí)間（Context-Switching Time）指運(yùn)行多任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生任務(wù)切換、保存和恢復(fù)CPU寄存器內(nèi)容的時(shí)間。任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要出入棧。實(shí)時(shí)內(nèi)核的性能不應(yīng)該以每秒鐘能做多少次任務(wù)切換來評(píng)價(jià)。中斷延遲（Interrupt latency）是從硬件中斷發(fā)生到開始執(zhí)行中斷處理程序第一條指令所用的時(shí)間，也就是從中斷發(fā)生到中斷跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行完畢之間的這段時(shí)間。中斷響應(yīng)時(shí)間 定義為從中斷

49、發(fā)生起到開始執(zhí)行中斷用戶處理程序的第一條指令所用的時(shí)間，換句話說，中斷響應(yīng)是從中斷發(fā)生到剛剛開始處理異步事件之間的這段時(shí)間，它包括開始處理這個(gè)中斷前的全部開銷。調(diào)度抖動(dòng) 是指一個(gè)周期性任務(wù)的周期間隔的變化。通常，實(shí)時(shí)應(yīng)用以周期性任務(wù)的形式被調(diào)度，并且在硬件定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)中斷喚醒調(diào)度器時(shí)開始執(zhí)行。雖然定時(shí)器中斷可能發(fā)生得跟時(shí)鐘一樣有規(guī)律，但是許多不確定因素會(huì)導(dǎo)致調(diào)度器的運(yùn)行時(shí)間變得不確定，導(dǎo)致接下來的任務(wù)的開始時(shí)間就會(huì)相應(yīng)地變化，這個(gè)影響就叫調(diào)度抖動(dòng)。抖動(dòng)跟具體的應(yīng)用緊密相關(guān)。調(diào)度器延遲 是指進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，調(diào)度器所花費(fèi)的時(shí)間。精簡(jiǎn)的調(diào)度程序和較短的任務(wù)切換間將會(huì)獲得較好的實(shí)時(shí)性能。 1.4.4

50、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 使用嵌入式操作系統(tǒng)的必要性 早期嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)硬件設(shè)備一般都很簡(jiǎn)單軟件的編程和調(diào)試工具也很原始程序大都采用宏匯編語言調(diào)試是一件很麻煩的事應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件密切相關(guān)，一般不講移植，每個(gè)系統(tǒng)軟件都從頭開發(fā)。隨著嵌入式技術(shù)逐步地向深層次發(fā)展，已經(jīng)無法滿足高效率開發(fā)的需求。系統(tǒng)越來越復(fù)雜軟件開發(fā)量越來越大應(yīng)用軟件從頭開發(fā)、逐行編寫的方式效率太低。于是，人們提出了大規(guī)模地移植已有程序、軟件開發(fā)工程化的思想。人們想到像使用通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)一樣，使應(yīng)用程序從硬件的關(guān)聯(lián)中脫離出來，把硬件驅(qū)動(dòng)交給專用的程序來完成，同時(shí)還需要降低程序間的耦合度、解決程序之間相互通信問題，這工作都可以由操

51、作系統(tǒng)來完成。 使用嵌入式操作系統(tǒng)的必要性首先，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的可靠性。 其次，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。 再次，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為了并發(fā)執(zhí)行程序提供了可能，充分挖掘了CPU特別是高性能CPU的潛能。 從某種意義上說，沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（裸機(jī)）是沒有用的。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。開發(fā)人員一旦使用操作系統(tǒng)，就會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)產(chǎn)生很大的依賴型。 使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是增加了額外的 ROM/RAM 開銷， 25% 的 CPU 額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。 嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）體積小（2）實(shí)時(shí)

52、性強(qiáng)（3）可剪裁（4）可靠性高（5）特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境 1.4.5 嵌入式操作系統(tǒng)的分類 嵌入式操作系統(tǒng)總數(shù)超過150個(gè)國(guó)外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單走向成熟國(guó)內(nèi)嵌入式操作系統(tǒng)的研究開發(fā)有2種類型一類是基于國(guó)外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的，如海信的基于Windows CE的機(jī)頂盒系統(tǒng)；另一類是中國(guó)自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，如凱思集團(tuán)公司自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)Hopen OS（女媧計(jì)劃）、北京科銀京成技術(shù)有限公司開發(fā)的道系統(tǒng)（DeltaOS）等。 1.4.5 嵌入式操作系統(tǒng)的分類從嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用來分類面向低端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)低端設(shè)備如各種工業(yè)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、民用消費(fèi)品的微波爐、洗衣機(jī)、冰箱

53、等，其典型的操作系統(tǒng)是COS-。面向高端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)兩類。高端設(shè)備如信息化家電、掌上電腦、機(jī)頂盒、WAP手機(jī)、路由器，常用的操作系統(tǒng)有Windows CE、Linux等。1.4.5 嵌入式操作系統(tǒng)的分類從嵌入式操作系統(tǒng)的專業(yè)化程序來分類專用型嵌入式操作系統(tǒng)兩類。常用的專用型嵌入式操作系統(tǒng)有Smart Phone、Pocket PC、Symbian等。通用型嵌入式操作系統(tǒng)常見的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、VxWorks、Windows CE、COS-等。1.4.5 嵌入式操作系統(tǒng)的分類按實(shí)時(shí)性要求來分類強(qiáng)（硬）實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)主要面向控制、通信等領(lǐng)域。如Wi

54、ndRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等。弱（軟）實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)兩類。弱實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)主要面向消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這類產(chǎn)品包括PDA、移動(dòng)電話、機(jī)頂盒、電子書、WebPhone等。如微軟面向手機(jī)應(yīng)用的Smart Phone操作系統(tǒng)。 1.4.6 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 作為操作系統(tǒng)的一個(gè)分支，嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，但它們的區(qū)別也是很明顯的，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)目標(biāo)不同、調(diào)度原則不同、運(yùn)行環(huán)境不同、實(shí)時(shí)特性不同、交互性和穩(wěn)定性不同等幾個(gè)方面。 1設(shè)計(jì)目標(biāo)不同通用操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是追求最大的吞吐率、

55、強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體性能最佳。通用操作系統(tǒng)多數(shù)由分時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)展而來，大部分支持多用戶和多進(jìn)程。而分時(shí)操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)是：盡量縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時(shí)間內(nèi)為盡可能多的用戶提供服務(wù)。通用操作系統(tǒng)中采用的很多算法和策略技巧都體現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)原則。但也因此喪失了系統(tǒng)行為的可確定性和可預(yù)測(cè)性。嵌入式操作系統(tǒng)除了要滿足應(yīng)用的功能需求外，更注重的是滿足應(yīng)用的各種實(shí)時(shí)性要求。而實(shí)時(shí)性目標(biāo)是采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性?？深A(yù)測(cè)性是指在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻、任何情況下，嵌入式操作系統(tǒng)都能為爭(zhēng)奪資源（包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等）的多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)合理地分配資源，使每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)

56、時(shí)性要求都能得到滿足。系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性是嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的根本區(qū)別。由于它們的基本設(shè)計(jì)原則不同，導(dǎo)致二者在資源調(diào)度策略的選擇上、操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法上都有較大差異。 1.4.6 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 2調(diào)度原則不同通用操作系統(tǒng)為了達(dá)到最佳整體性能，其調(diào)度原則是公平法則；嵌入式操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，多數(shù)采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪的調(diào)度策略。3內(nèi)存管理機(jī)制不同通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為了存儲(chǔ)和運(yùn)行海量程序，通常具有海量硬盤和大容量的內(nèi)存，為了高效率地運(yùn)行程序，通用操作系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬機(jī)，但因虛存機(jī)制引起的缺頁掉頁現(xiàn)象會(huì)給系統(tǒng)帶來不確

57、定性。嵌入式系統(tǒng)一般沒有硬盤，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序大多一起固化在ROM中，內(nèi)存資源也很有限，因此嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很少或有限地使用虛存技術(shù)。 1.4.6 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 4穩(wěn)定性及交互性不同從硬件環(huán)境上看，通用操作系統(tǒng)針對(duì)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU、存儲(chǔ)和I/O架構(gòu)。為了最大限度的兼容各種軟硬件產(chǎn)品，通用操作系統(tǒng)一般都要求面面俱到、具有廣泛的適應(yīng)性，通用操作系統(tǒng)通過屏蔽底層資源，為開發(fā)者提供一系列標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用來使用操作系統(tǒng)，所以通用操作系統(tǒng)一般都具有人機(jī)友好的開發(fā)界面。而嵌入式操作系統(tǒng)的硬件資源則相對(duì)比較苛刻，通常沒有標(biāo)準(zhǔn)化的存儲(chǔ)、I/O和顯示器架構(gòu)，內(nèi)存容量一般都

58、比較小，能源供給常常也很有限，要在如此緊張的資源下完成復(fù)雜的功能，就要求操作系統(tǒng)必須盡量小巧、高效。而且對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者來說，通常都能夠掌握系統(tǒng)的全部資源，具有自主進(jìn)行控制使用全部資源的能力，所以嵌入式操作系統(tǒng)一般不提供、也無需提供開發(fā)界面。即使提供用戶界面，嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般也不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)，控制邏輯相對(duì)固定。嵌入式系統(tǒng)的工作過程是在高度自動(dòng)化和高度專業(yè)化的前提下完成的，通常很少出現(xiàn)有人工干預(yù)的情況，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。 1.4.6 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 5實(shí)時(shí)性不同通用操作系統(tǒng)一般是根據(jù)

59、用戶利用鍵盤和鼠標(biāo)發(fā)出的命令來進(jìn)行工作的，在時(shí)序上并不十分嚴(yán)格而嵌入式操作系統(tǒng)主要是對(duì)儀器設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，有很大一部分都具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，特別是在像航空航天器那樣的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性的要求可能達(dá)到微秒量級(jí)，在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，非實(shí)時(shí)的通用操作系統(tǒng)無法勝任。 1.4.6 通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別 1.5 初識(shí)C/OS-操作系統(tǒng)1992年美國(guó)人Jean Labrosse編寫適合于小巧控制器的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等是指micro；C是指control2000年下半年，中國(guó)電力出

60、版社購(gòu)得C/OS-一書中譯本的版權(quán)，譯者是清華大學(xué)教授紹貝貝先生和他的研究生們。C/OS-一進(jìn)入中國(guó)，就受到了中國(guó)嵌入式系統(tǒng)工程師、高校師生的極大關(guān)注。C/OS-是專門為單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的主體代碼用的是標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言編成，十分易于移植。目前已經(jīng)成功地移植到了四十多種CPU上了，涵蓋8位、16位、32位和64位等多種機(jī)型，其中還包括了部分DSP芯片。所有的移植范例都能從網(wǎng)站上下載，移植十分容易，有的廠商在推出嵌入式芯片的同時(shí)就提供了C/OS-的移植代碼，如Motorla的16位56800系列單片機(jī)。C/OS-有良好應(yīng)用環(huán)境和相當(dāng)大的應(yīng)用群體。在現(xiàn)在中國(guó)的嵌入式領(lǐng)域，幾乎到處都可