嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用-免費(fèi)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\z第一章概述 31.1引言 31.2選題意義 31.3課題的實(shí)現(xiàn) 51.4論文的章節(jié)安排 6第二章嵌入式系統(tǒng) 82.1嵌入式系統(tǒng)的根本概念 82.1.1嵌入式系統(tǒng)的歷史 82.1.2何為嵌入式系統(tǒng) 92.1.3嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 102.2嵌入式系統(tǒng)的組成 112.2.1嵌入式處理器 112.2.2嵌入式操作系統(tǒng) 122.3嵌入式系統(tǒng)的開發(fā) 152.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 162.5嵌入式系統(tǒng)的未來開展趨勢(shì) 16第三章系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與技術(shù) 183.1系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 183.1.1SM5964概述 183.1.2嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II 19嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù) 25嵌入式系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù) 27第四章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 294.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 294.2系統(tǒng)的移植 334.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 354.3.1設(shè)計(jì)總述 354.3.2任務(wù)的劃分 364.3.3人機(jī)交互模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 384.3.5溫度測(cè)量及控制模塊詳細(xì)設(shè)計(jì) 434.3.6遠(yuǎn)程加載程序的設(shè)計(jì) 47第五章PC側(cè)程序的設(shè)計(jì) 505.1PC機(jī)側(cè)串行通信程序的設(shè)計(jì) 50程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 515.1.2通信協(xié)議的制定 525.1.2PC機(jī)側(cè)通信程序的實(shí)現(xiàn) 535.2PC側(cè)ISP功能控制模塊設(shè)計(jì) 585.2.1PC機(jī)側(cè)傳輸協(xié)議約定 585.2.2控制界面和流程圖設(shè)計(jì) 59第六章結(jié)論 616.1總結(jié) 616.2進(jìn)一步的研究 61第一章概述1.1引言嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)際上嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用形式，是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。因此它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的系統(tǒng)。從美國微軟發(fā)布“維納斯方案〞白皮書到中國中科院推出的“女媧方案〞，整個(gè)世界仿佛在一夜之間掀起了嵌入式開發(fā)與應(yīng)用的熱潮，人們開始關(guān)注嵌入式技術(shù)的開展和應(yīng)用情況。嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)也隨之走入了高校和研究所，成為人們的學(xué)科，并且相應(yīng)地開發(fā)出了嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式瀏覽器和嵌入式數(shù)據(jù)庫等產(chǎn)品。在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速開展的后PC〔Post-PC〕時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內(nèi)外各種嵌入式產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密結(jié)合。如今嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，那么嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用緣何能在近年來的信息技術(shù)應(yīng)用中脫穎而出，成為眾多商家角逐的對(duì)象。其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@里面蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)，巨大的商業(yè)利益，單就電視應(yīng)用而言，目前全球有2億多有線電視用戶，中國也有8000多萬戶，而且每年還在以600萬的速度遞增。如今，在這塊領(lǐng)域里，還沒有一家公司有成熟的產(chǎn)品，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，更沒有一個(gè)可以主導(dǎo)市場(chǎng)的壟斷者。在這種局勢(shì)下，雖然競(jìng)爭(zhēng)將異常劇烈，但突圍的可能性也較大，只要能夠培養(yǎng)出自己的技術(shù)能力和市場(chǎng)開拓能力，是有可能取得巨大成功的。如今嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為IT界的又一新焦點(diǎn)，它正處在一個(gè)飛速開展和劇烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，它被廣泛應(yīng)用到金融、航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、醫(yī)療、工業(yè)控制、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。1.2選題意義微機(jī)控制系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時(shí)地響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在許可的時(shí)間限制內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制相應(yīng)的設(shè)備完成實(shí)時(shí)操作。為了滿足處理實(shí)時(shí)事件的要求，絕大局部單片微機(jī)都具有中斷功能。它允許在發(fā)生某一事件時(shí)〔例如外部設(shè)備運(yùn)行完成、定時(shí)時(shí)間到等〕，為了對(duì)這一事件進(jìn)行處理，中止現(xiàn)行程序的運(yùn)行而進(jìn)入處理該事件的程序，處理完再返回原程序執(zhí)行。隨著單片微機(jī)應(yīng)用的日益深入和廣泛，應(yīng)用的水平越來越高，應(yīng)用系統(tǒng)的功能也越來越復(fù)雜，一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常需要控制多個(gè)對(duì)象，并且這些對(duì)象都要求實(shí)時(shí)操作。特別是現(xiàn)在已開始大量使用多機(jī)系統(tǒng)，它們一般為主從結(jié)構(gòu)的多機(jī)控制系統(tǒng)。從機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、控制等功能。主機(jī)可向從機(jī)發(fā)命令，修改從機(jī)的參數(shù)，而從機(jī)可向主機(jī)回送結(jié)果和數(shù)據(jù)。在這樣的系統(tǒng)中，主從機(jī)通信與從機(jī)的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、控制等必須并行進(jìn)行，即從機(jī)在通信和執(zhí)行主機(jī)的命令時(shí)，也不能影響其它操作。因此，較復(fù)雜的單片微機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)特別是多機(jī)系統(tǒng)，均要求單片微機(jī)系統(tǒng)具有同時(shí)進(jìn)行多種實(shí)時(shí)操作的能力，我們稱之為并行處理。另外，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，多采用單任務(wù)順序機(jī)制。程序由一個(gè)主循環(huán)控制，通過判斷不同的標(biāo)志輪循調(diào)用各功能函數(shù)，在主循環(huán)中調(diào)用的模塊按順序運(yùn)行?！舱撌銮度胧较到y(tǒng)與一般系統(tǒng)的差異，優(yōu)缺點(diǎn)〕本課題基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及測(cè)試技術(shù)，結(jié)合RTOS的選取原那么，選用了源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)。復(fù)雜的微機(jī)控制系統(tǒng)使用常規(guī)的順序程序設(shè)計(jì)方法加上中斷來實(shí)現(xiàn)功能是比擬困難的，主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面：(1).實(shí)時(shí)性差：由于計(jì)算機(jī)在處理中斷時(shí)，一般不允許響應(yīng)低級(jí)和同級(jí)中斷，為了提高實(shí)時(shí)性，要求中斷處理程序盡量短。但是有許多實(shí)時(shí)操作的處理比擬復(fù)雜，需要較長的CPU執(zhí)行時(shí)間。如果用中斷來完成這些處理，那么在處理時(shí)，無法響應(yīng)低級(jí)或同級(jí)中斷。如果采用中斷置標(biāo)志的方法，讓主程序來進(jìn)行處理，那么一方面會(huì)增加程序的復(fù)雜性，另一方面也難以做到實(shí)時(shí)處理，因?yàn)橹鞒绦虿豢赡茉趫?zhí)行其它程序時(shí)，隨時(shí)去檢查這些標(biāo)志位而轉(zhuǎn)向不同的處理程序。(2).難以實(shí)現(xiàn)并行操作的相互通信：在功能較強(qiáng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，除了主程序有時(shí)需要與中斷間進(jìn)行信息交換外，各個(gè)并行操作之間有時(shí)也需相互通信。這些用常規(guī)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。(3).結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差、維護(hù)困難：?jiǎn)纹C(jī)功能的復(fù)雜化，使軟件越來越復(fù)雜，特別是為了實(shí)現(xiàn)并行操作，需使用大量的中斷和標(biāo)志，使程序結(jié)構(gòu)十分混亂，難以設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)由于程序采用線性結(jié)構(gòu)，使得程序難于修改或者移植，因此缺乏靈活性、通用性和可維護(hù)性。為了解決以上的問題，可以把應(yīng)用軟件按所完成的功能分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、但可以并行運(yùn)行的任務(wù)，如串行口通信任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)、定時(shí)打印任務(wù)等。這樣，整個(gè)應(yīng)用軟件有各個(gè)任務(wù)所組成，設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)可分別進(jìn)行。修改時(shí)只可修改個(gè)別任務(wù)即可，從而提高了軟件的可移植性。為了提高系統(tǒng)的可靠性，并有效地實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的相互通信，當(dāng)應(yīng)用程序處理的任務(wù)較多，尤其要求同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)以上的工作和任務(wù)時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中引入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem,RTOS)將非常必要。提倡在嵌入式應(yīng)用中使用RTOS的最主要原因是提高系統(tǒng)的可靠性。長期以來，在國內(nèi)傳統(tǒng)的開發(fā)方式是：針對(duì)某一應(yīng)用，畫程序流程圖、編制應(yīng)用程序。通常是線性程序，此機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于流程直觀。這種方法的缺點(diǎn)是：除中斷效勞程序以外，各程序模塊沒有優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，被主循環(huán)簡(jiǎn)單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實(shí)時(shí)性差，響應(yīng)時(shí)間無法預(yù)料；而且，當(dāng)一個(gè)任務(wù)申請(qǐng)不到資源，或循環(huán)過程中由于某種原因無法跳出循環(huán)時(shí)，其他任務(wù)將得不到響應(yīng)，當(dāng)程序很小時(shí)，雖然可通過設(shè)置Watchdog，利用中斷等方法來解決上述矛盾。如果程序變得較大，將大大增加開發(fā)時(shí)間和調(diào)試難度，復(fù)雜度不堪想象。正是上述的缺點(diǎn)，在干擾嚴(yán)重的情況下，系統(tǒng)平安性差。另一重要原因是提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。系統(tǒng)中引入RTOS之后，有RTOS完成任務(wù)管理、任務(wù)間通信、中斷管理等功能。嵌入式系統(tǒng)中的多任務(wù)操作系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先運(yùn)行的是背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于其上的各個(gè)具體任務(wù)，多任務(wù)操作系統(tǒng)允許靈活地分配系統(tǒng)資源〔中央處理器、存儲(chǔ)器等等〕給各個(gè)任務(wù)，各程序模塊〔或者任務(wù)〕就如同中斷程序一樣并行運(yùn)行，這樣就可以簡(jiǎn)化那些復(fù)雜而且時(shí)間要求嚴(yán)格的工程的軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了可靠性。目前較流行的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)國外主要有VxWorks、QNX、pSOS、WindowsCE等。另外，國內(nèi)也有許多自主開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如科銀京成〔CoreTek〕公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)，浙江大學(xué)自主研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng)HBOS系統(tǒng)等。這些操作系統(tǒng)性能優(yōu)越，易于移植，但均屬于商業(yè)操作系統(tǒng)，需支付昂貴的版稅。另外也有兩個(gè)優(yōu)秀的自由軟件操作系統(tǒng)是μC/OS-II和嵌入式Linux，它們也具有相當(dāng)好的性能，且源代碼開放，免費(fèi)使用,以上這些操作系統(tǒng)大多都有完善的開發(fā)環(huán)境和工具。用戶在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體應(yīng)用和實(shí)際情況，選擇適合自己的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。1.3課題的實(shí)現(xiàn)〔本課題基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及測(cè)試技術(shù)，結(jié)合RTOS的選取原那么，選用了源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)?！衬壳熬捅惧X而言，在較長的一段時(shí)間，很多測(cè)控應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器只需8位或16位單片機(jī)就可勝任,對(duì)于這樣低端的產(chǎn)品開發(fā)，要完成較復(fù)雜的任務(wù)，可采用微內(nèi)核的多任務(wù)操作系統(tǒng)如μC/OS-II、RTX、CMX等來完成軟件設(shè)計(jì)。在應(yīng)用中，已經(jīng)能夠明顯減少系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性?？紤]到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，在硬件設(shè)計(jì)方面，微控制器選用了臺(tái)灣Syncmos公司生產(chǎn)的8位微控制器SM5964,它是80C52微控制器家族的派生產(chǎn)品，其強(qiáng)大的片內(nèi)資源，只需選用少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。溫度測(cè)量利用Pt〔100Ω〕熱敏電阻，測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用凌特公司(LinearTechnology)推出的20位無延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430，此模塊可直接對(duì)測(cè)量的毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行處理，并能夠到達(dá)精度要求。其它也選用了與通信和輸出控制相關(guān)的器件。軟件的設(shè)計(jì)基于軟件開發(fā)平臺(tái)μC/OS-II，它是由Labrosse先生編寫的一個(gè)開放式內(nèi)核，最主要的特點(diǎn)就是源碼公開，此RTOS的更多優(yōu)點(diǎn)在第三章有詳細(xì)論述。一方面它是免費(fèi)的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行修改。由于它沒有功能強(qiáng)大的軟件包，基于具體應(yīng)用需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序，為使其能夠正常工作，要根據(jù)具體的硬件平臺(tái)完成相應(yīng)的移植工作。μC/OS-II是一個(gè)占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。在設(shè)計(jì)中，給予不同任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)溫度控制方面，采用了一種基于時(shí)間最優(yōu)控制的PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集、處理、控制之外，本課題一方面利用SM5964的ISP功能，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)利用ISP技術(shù)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程加載和升級(jí)。另一方面，利用RS232串行通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與系統(tǒng)的通信，并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。從而實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制系統(tǒng)中主從式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.4論文的章節(jié)安排論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排如下：概述概述局部由嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)今IT行業(yè)又一熱點(diǎn)開始，結(jié)合當(dāng)前微機(jī)控制領(lǐng)域存在的問題，論述了在此領(lǐng)域引入嵌入式操作系統(tǒng)的必要性，引出課題的意義。最后給出課題的實(shí)現(xiàn)方案。嵌入式系統(tǒng)本章首先對(duì)嵌入式系統(tǒng)的歷史進(jìn)行論述，引出其當(dāng)前的定義，并提出了RTOS所要解決的幾個(gè)問題。然后提出了嵌入式系統(tǒng)的兩大組成局部：嵌入式處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，分析了當(dāng)前嵌入式處理器的分類以及當(dāng)前流行嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。最后論述了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及應(yīng)用狀況，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)的未來開展趨勢(shì)加以展望。系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及相關(guān)技術(shù)本章根據(jù)第二章的論述，結(jié)合課題的需要，首先對(duì)系統(tǒng)選用的主控芯片SM5964的特性進(jìn)行了介紹，并根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)的選取原那么，對(duì)系統(tǒng)選用的RTOSμC/OS-II的特點(diǎn)進(jìn)行了論述。然后根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用介紹了對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行的擴(kuò)展。最后，闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章中論述了本課題的核心，詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述開始，然后完成根據(jù)具體的硬件平臺(tái)進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植工作。最后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在軟件設(shè)計(jì)中，把系統(tǒng)的軟件分成人機(jī)交互、串行通信、溫度的測(cè)量及控制、遠(yuǎn)程加載等四大模塊，并對(duì)每一?？斓木唧w實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。PC側(cè)程序的設(shè)計(jì)本章中論述了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和ISP功能主控側(cè)程序的實(shí)現(xiàn)，模擬實(shí)現(xiàn)了主從式微機(jī)控制系統(tǒng)主控方的程序設(shè)計(jì)。首先論述了VC++對(duì)多線程的支持以及多線程編程中的關(guān)鍵問題，然后詳細(xì)闡述了主機(jī)側(cè)通信功能和ISP功能的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的擴(kuò)展及總結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能的方法，對(duì)整個(gè)課題給予總結(jié)。第二章嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開展和應(yīng)用是現(xiàn)代信息社會(huì)的一個(gè)重要特征，已經(jīng)被用于各行各業(yè)，也深入地影響到人們的生活和工作，本章較為全面地介紹和研究了嵌入式系統(tǒng)的根本概念和原理，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開展方向和趨勢(shì)作一定的論述，對(duì)于了解嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)和研究將起到一定的作用。2.1嵌入式系統(tǒng)的根本概念嵌入式系統(tǒng)的歷史雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)行起來的，但從20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有近30年的開展歷史。作為一個(gè)系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件雙螺旋式交替開展的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)的。20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更廉價(jià)。這些裝置已經(jīng)初步具備嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)〞的概念。從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)〞編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)本錢并提高開發(fā)效率。1981年，ReadySystem開發(fā)出世界上第一個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核〔VTRX32〕。這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等功能。如IntegratedSystemIncorporation(ISI)(現(xiàn)已被風(fēng)河公司收購)的pSOS和WindRiver(風(fēng)河)的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁減性、可擴(kuò)充性和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開發(fā)人員從小范圍的開發(fā)中解放出來，同時(shí)也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)內(nèi)核逐漸開展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)〔RTOS〕，并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊開展前景，開始大力開展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了PalmOS、WindowsCE、嵌入式Linux、Lynx、Nucleus以及國內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的開展前景日益廣闊，嵌入式操作系統(tǒng)軟越來越多?，F(xiàn)在RTOS已經(jīng)在全球形成了1個(gè)產(chǎn)業(yè)，更具美國EMF(電子市場(chǎng)分析)報(bào)告，1999年全球RTOS市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá)3.6億美元，而相關(guān)的整個(gè)嵌入式開發(fā)工具〔包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調(diào)試器〕那么高達(dá)9億美元。何為嵌入式系統(tǒng)隨著嵌入式技術(shù)的開展和應(yīng)用，出現(xiàn)了不同的嵌入式系統(tǒng)的定義，目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面來理解國內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：嵌入式系統(tǒng)式面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體的應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才具有優(yōu)勢(shì)。即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入是系統(tǒng)式將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就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(shí)集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)，必須有一個(gè)正確的定位。例如PalmOS之所以在PDA領(lǐng)域占有70%以上的市場(chǎng)，就是因?yàn)槠淞⒆阌趥€(gè)人電子消費(fèi)品，著重開展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河〔WindRiver〕的VxWorks之所以在火星車上得以應(yīng)用，那么是因?yàn)槠涓邔?shí)時(shí)性和高可靠性。3.嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對(duì)軟硬件進(jìn)行裁減，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、本錢、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件根底，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比擬好的開發(fā)模式。目前，國內(nèi)外有很多微內(nèi)核大小不等的嵌入式操作系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，從而加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)?，F(xiàn)在當(dāng)講到嵌入式系統(tǒng)時(shí)，一般是指近年來比擬熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。其根本結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口操作系統(tǒng)與硬件接口圖1嵌入式系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)〔RealTimeOperatingSystem，RTOS〕是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的，是指具有實(shí)時(shí)性，能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。它的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，提高可靠性，其次才著眼于提高系統(tǒng)的使用效率，要滿足對(duì)時(shí)間的限制和要求。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的根底和開發(fā)平臺(tái)，它應(yīng)具有如下的功能：1)．任務(wù)管理〔多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度〕；2)．任務(wù)間的同步和通信〔信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列〕；3).存儲(chǔ)器優(yōu)化管理〔含ROM的管理〕4).實(shí)時(shí)時(shí)鐘效勞5).中斷管理效勞實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)〔Task〕等同于分實(shí)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程〔Process〕的概念。系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行〔Executing〕、就緒〔Ready〕、掛起〔Suspended〕、睡眠〔Dormant〕。運(yùn)行：獲得CPU控制權(quán)；就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)；掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，從任務(wù)等待隊(duì)列中移出，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行狀態(tài)；睡眠：任務(wù)完成或者錯(cuò)誤等原因被刪除的任務(wù)。在任意時(shí)刻，只有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。RTOS是操作系統(tǒng)研究的一個(gè)重要分支，它與一般商用多任務(wù)OS如Unix、Windows等有共同的一面，也有不同的一面。對(duì)商用多任務(wù)OS，其目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源，追求系統(tǒng)資源最大利用率；而RTOS追求的是調(diào)度的實(shí)時(shí)性、時(shí)間響應(yīng)時(shí)間的可確定性、系統(tǒng)的高度可靠性。評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以從任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、任務(wù)通訊、內(nèi)存開銷、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等幾個(gè)方面來衡量。因此，RTOS要解決的幾個(gè)主要問題如下：=1\*GB2⑴任務(wù)調(diào)度機(jī)制：RTOS的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)能力在很大程度上取決于它的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。從調(diào)度策略上來講，分優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略；從調(diào)度方式上來講，分可搶占、不可搶占、選擇可搶占調(diào)度方式；從時(shí)間片上來看，分固定與可變時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。單純從基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度方式而言，又存在多種優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法。在大多數(shù)商用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，為了讓操作系統(tǒng)能夠在有突發(fā)事件時(shí)，迅速取得系統(tǒng)控制權(quán)以便對(duì)時(shí)間作出反響，所以大都提供了“搶占式任務(wù)調(diào)度〞的功能，也就是操作系統(tǒng)有權(quán)終止應(yīng)用程序〔應(yīng)用任務(wù)〕的執(zhí)行，并且將執(zhí)行權(quán)交給擁有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。=2\*GB2⑵內(nèi)存管理如同分時(shí)操作系統(tǒng)一樣，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用內(nèi)存管理單元〔MMU〕進(jìn)行內(nèi)存管理。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理模式可以分為實(shí)模式與保護(hù)模式〔主要對(duì)Intelx86而言〕。目前主流的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般都可以提供兩種模式，讓用戶根據(jù)應(yīng)用自主選擇。=3\*GB2⑶最小內(nèi)存開銷RTOS的設(shè)計(jì)過程中，最小內(nèi)存開銷是一個(gè)較重要的指標(biāo)，這是因?yàn)樵诠I(yè)控制領(lǐng)域中的某些工控機(jī)〔如上下位機(jī)控制系統(tǒng)中的下位機(jī)〕，由于基于降低本錢的考慮，其內(nèi)存的配置一般都不大，而在這有限的空間內(nèi)不僅要裝載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還要裝載用戶程序。因此，在RTOS的設(shè)計(jì)中，其占用內(nèi)存大小是一個(gè)很重要的指標(biāo)，這是RTOS設(shè)計(jì)與其它操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的明顯區(qū)別之一。=4\*GB2⑷最大中斷禁止時(shí)間與中斷延遲時(shí)間當(dāng)RTOS運(yùn)行在核心態(tài)或執(zhí)行某些系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，是不會(huì)因?yàn)橥獠恐袛嗟牡絹矶袛鄨?zhí)行的。只用當(dāng)RTOS重新回到用戶態(tài)才響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，這一過程所需要的最大時(shí)間就是最大中斷禁止時(shí)間。中斷延遲〔InterruptLatency〕時(shí)間是指系統(tǒng)確認(rèn)中斷開始直到執(zhí)行中斷效勞程序的第一條指令為止整個(gè)處理過程所需要的時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的中斷延遲時(shí)間有以下三個(gè)因素決定：處理器硬件電路的延遲時(shí)間，通常這個(gè)時(shí)間可以忽略；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理中斷并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給相關(guān)處理程序所需要的時(shí)間；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的中斷禁止時(shí)間。=5\*GB2⑸任務(wù)切換時(shí)間(Context-SwitchingTime)當(dāng)由于某種原因使一個(gè)任務(wù)退出運(yùn)行時(shí)，RTOS保存它的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)信息、插入相應(yīng)隊(duì)列、并根據(jù)一定的調(diào)度算法重新選擇一個(gè)新任務(wù)使之投入運(yùn)行，這一過程所需時(shí)間稱為任務(wù)切換時(shí)間。更準(zhǔn)確地說，任務(wù)切換時(shí)間是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將控制權(quán)從一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行中取回，然后交給另一個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間。它包括保存目前正在執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)信息所需要的時(shí)間、RTOS決定下一個(gè)調(diào)度任務(wù)所需的調(diào)度時(shí)間以及RTOS把另外一個(gè)任務(wù)調(diào)入系統(tǒng)執(zhí)行所需要的時(shí)間。在上述幾項(xiàng)中，最大中斷禁止時(shí)間和任務(wù)切換時(shí)間是評(píng)價(jià)一個(gè)RTOS實(shí)時(shí)性最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。2.2嵌入式系統(tǒng)的組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件的集合體，其硬件的核心部件是嵌入式處理器，包括微控制器〔MCU〕、數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕、嵌入式微處理器〔MPU〕、嵌入式片上系統(tǒng)〔SystemOnChip〕等。而軟件的核心部件式嵌入式操作系統(tǒng)，目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、pSOS、QNX、WindowsCE、PalmOS、QNX、Linux等。嵌入式處理器目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列?，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，根據(jù)其現(xiàn)狀，大致分為以下幾類：1).嵌入式微處理器〔EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU〕嵌入式處理器的根底是通用CPU，在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保存和嵌入式應(yīng)應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減少系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、本錢低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)中需外加ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式處理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。2).嵌入式微控制器〔MicrocontrollerUnit,MCU〕嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一片芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈沖調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減少，從而使功耗和本錢下降、可靠性提高。嵌入式微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比擬豐富，適合于控制，故稱為微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比擬有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS-251/96、MC68HC05/11/16、68300等，3).嵌入式DSP處理器〔EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP〕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)行速度快。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)開展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)稱為嵌入式DSP處理器；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器。目前嵌入式DSP處理器比擬有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。4).嵌入式片上系統(tǒng)〔SystemOnChip,SOC〕隨著EDI的推廣、VLSI設(shè)計(jì)的普及以及半導(dǎo)體工藝的迅速開展，可以結(jié)合許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)芯片上而構(gòu)成一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是SOC。它結(jié)合了微內(nèi)核，像ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其它的微處理器核心，外加通信接口單元，像USB、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、藍(lán)牙模塊等等。這樣開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)電路板變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SOC分為通用和專用兩類，通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件。專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過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或者C語言的專用SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet平安方面。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)并不是一個(gè)新生的事物，從20世紀(jì)80年代起，國際上就有一些IT組織、公司開始進(jìn)行商用嵌入式操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研究，它作為嵌入式系統(tǒng)靈魂，大大提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率，一改以往嵌入式軟件設(shè)計(jì)只能針對(duì)具體的應(yīng)用從頭做起的歷史。在嵌入式操作系統(tǒng)之上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量，增強(qiáng)了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性，使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法更具科學(xué)性，可以說嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)的開展鋪平了道路。嵌入式操作系統(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，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于其上的各個(gè)任務(wù)，它根據(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、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在有嵌入式操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，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。開發(fā)人員在編寫程序時(shí)，可以分別編寫各個(gè)任務(wù)，不必同時(shí)將所有任務(wù)運(yùn)行的各種可能情況記在心中，這樣大大減少了程序編寫的工作量，而且減少了出錯(cuò)的可能，保證最終程序具有高可靠性。經(jīng)過多年的開展，目前世界上已經(jīng)有一大批十分成熟的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，比擬流行的嵌入式操作系統(tǒng)如下：=1\*GB2⑴VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)〔RTOS〕，由于具有高性能的系統(tǒng)內(nèi)核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。如美國JPL實(shí)驗(yàn)室研制的著名“索杰納〞火星車采用的就是VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks的突出特點(diǎn)：可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性。它是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的操作系統(tǒng)。它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMc68xxx、MIPSRX000、PowerPC等。大多數(shù)的VxWorksAPI是專有的，采用GNU的編譯和調(diào)試器，具有集成開發(fā)環(huán)境Tornado系列。它屬于商業(yè)型操作系統(tǒng)，目前國內(nèi)很多大的公司都采用此操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，如中興通訊、華為等。=2\*GB2⑵pSOSpSOS原屬ISI公司的產(chǎn)品，但I(xiàn)SI已經(jīng)被WindRiver公司兼并，現(xiàn)在pSOS屬于WindRiver公司的產(chǎn)品。該系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供一個(gè)完全的多任務(wù)環(huán)境，在定制的或者商業(yè)化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以讓開發(fā)者根據(jù)操作系統(tǒng)的功能和內(nèi)存需求定制每一個(gè)應(yīng)用所需的系統(tǒng)。開發(fā)者可以利用它來實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的單個(gè)獨(dú)立設(shè)備到復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化的多處理器系統(tǒng)。=3\*GB2⑶WindowsEmbeddedWindowsEmbedded產(chǎn)品家族是Microsoft的產(chǎn)品，主要是用于建立支持具有豐富應(yīng)用程序和效勞的32嵌入時(shí)系統(tǒng)，從而針對(duì)廣泛的用戶需求提供靈活解決方案。此外，同支持更快的“產(chǎn)品上市速度〞并降低開發(fā)本錢，WindowsEmbedded產(chǎn)品家族還能保證開發(fā)人員立于競(jìng)爭(zhēng)前沿。目前WindowsEmbedded產(chǎn)品家族主要有WindowsCE3.0和WindowsNTEmbedded4.0。=4\*GB2⑷PalmOSPalmOS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品，在PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。它具有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口〔API〕，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應(yīng)用程序。從全球范圍來看，由于Handspring公司和SONY公司也被授權(quán)使用PalmOS操作系統(tǒng)，致使PalmOS的市場(chǎng)份額占到將近90%。PalmOS的優(yōu)勢(shì)在于可以讓用戶靈活方便地定制操作系統(tǒng)以適合自己的習(xí)慣，而且其市場(chǎng)運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)豐富，資本雄厚，目前也正在通過第三方軟件商進(jìn)行軟件的中文化工作。=5\*GB2⑸OS-9Microwave的OS-9是為微處理器關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于高科技產(chǎn)品中，包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化、無線通信產(chǎn)品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視/多媒體設(shè)備。它提供了很好的平安性和容錯(cuò)性。與其它的嵌入式系統(tǒng)相比，它的靈活性和可升級(jí)性非常突出。=6\*GB2⑹LynxOS.1c標(biāo)準(zhǔn)。LynxOS支持線程的概念，提供256個(gè)全局用戶線程優(yōu)先級(jí)；提供一些傳統(tǒng)的、非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的效勞特性，包括基于調(diào)用需求的虛擬內(nèi)存、一個(gè)基于Motif的用戶圖形界面、與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及應(yīng)用開發(fā)工具。=7\*GB2⑺QNXQNX是加拿大QNX公司的產(chǎn)品。QNX是在x86體系上開發(fā)出來的，這和別的RTOS不太一樣，別的大多RTOS都是從68K的CPU上開發(fā)成熟，然后再移植到x86體系上來的，但是QNX是直接在x86上面開發(fā)，只是近年才在68K等CPU上使用。QNX是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它局部遵循PosIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如PosIX.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展。它提供了一個(gè)很小的微內(nèi)核以及一些可選的配合進(jìn)程。其內(nèi)核僅提供4種效勞：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理。其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間運(yùn)行。所有其它OS效勞，都表達(dá)為協(xié)作的用戶進(jìn)程，因此QNX內(nèi)核非常小巧〔QNX4.x大約為12KB〕，而且運(yùn)行速度極快。這個(gè)靈活的結(jié)構(gòu)可以使用戶根據(jù)實(shí)際的需求，將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系統(tǒng)或者包括幾百個(gè)處理器的超級(jí)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)。由于QNX具有強(qiáng)大的圖形界面功能，因此很適合作為機(jī)頂盒、手持設(shè)備〔掌上電腦、〕、GPS設(shè)備的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用。=8\*GB2⑻嵌入式Linux自由免費(fèi)軟件Linux的出現(xiàn)對(duì)目前商用嵌入式操作系統(tǒng)帶來了沖擊。它可以移植到多個(gè)有不同結(jié)構(gòu)的CPU和硬件平臺(tái)上，具有很好的穩(wěn)定性、各種性能的升級(jí)能力強(qiáng)，而且開發(fā)更容易。國際上許多大型跨國企業(yè)，已經(jīng)選中了Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的工具。如韓國三星公司、美國Transmeta公司等。國內(nèi)也有很多廠家推出了基于Linux的嵌入式系統(tǒng)，如中科紅旗軟件技術(shù)既開發(fā)了嵌入式Linux系統(tǒng)根本開發(fā)平臺(tái)，有提供了可供裁減的嵌入式Linux圖形用戶界面、窗口系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，并與其它廠商合作開發(fā)了許多產(chǎn)品，包括PDA、機(jī)頂盒、彩票機(jī)等。=9\*GB2⑼μC/OS-IIμC/OS-II是源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，是由美國人JeanJ.Labrosse撰寫，其性能完全可以與商業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。它是基于μC/OS的，在1992年以來已經(jīng)有很多成功的商業(yè)應(yīng)用。它可在絕大多數(shù)8位、16位、32位甚至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕上運(yùn)行。鑒于它的很多的優(yōu)點(diǎn)，我在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了此操作系統(tǒng)，關(guān)于它的更詳細(xì)的信息將在第下一章中論述。另外，國內(nèi)也有許多自主開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如科銀京成〔CoreTek〕公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)DeltaSystem,中科院推出的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)，浙江大學(xué)自主研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng)HBOS系統(tǒng)等。面對(duì)如此眾多的嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)人員要根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行合理的選擇。進(jìn)行選擇時(shí)，一般主要考慮以下幾個(gè)方面：=1\*GB2⑴操作系統(tǒng)的硬件支持這主要從兩個(gè)方面考慮：是否支持目標(biāo)硬件平臺(tái)；可移植性；=2\*GB2⑵開發(fā)工具的支持程度選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)，要考慮與之相關(guān)的工具。微處理器、在線仿真器〔ICE〕、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等都不同程度影響著操作系統(tǒng)。=3\*GB2⑶能否滿足應(yīng)用需求主要考慮以下幾個(gè)方面：對(duì)操作系統(tǒng)性能的要求：內(nèi)核存儲(chǔ)空間要求、網(wǎng)絡(luò)化支持等；中文內(nèi)核支持，國內(nèi)產(chǎn)品要考慮對(duì)中文的支持；標(biāo)準(zhǔn)兼容性，要考慮應(yīng)用行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)性；技術(shù)支持，購置RTOS之后，還需要技術(shù)支持，要考慮供給商的技術(shù)支持渠道及時(shí)間性等；源代碼還是目標(biāo)碼；許可，獲得RTOS使用許可進(jìn)行開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，要考慮供給商的收費(fèi)方式。如果考慮了以上的各種因素之后，找不到適宜的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以自建一個(gè)。自建實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有兩種方式，一種是完全從內(nèi)核開始，寫自己的RTOS，這對(duì)于一般的用戶和開發(fā)人員而言，是不可想象的。另一種就是在免費(fèi)的源代碼公開的內(nèi)核上寫自己的RTOS，如Linux和μC/OS-II。2.3嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)包括嵌入式處理器的開發(fā)〔目前國內(nèi)還主要靠國外的產(chǎn)品〕和嵌入式操作系統(tǒng)以及相關(guān)的應(yīng)用軟件的開發(fā)。嵌入式處理器是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，要在短時(shí)間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是不現(xiàn)實(shí)的，而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)那么要求產(chǎn)品能夠快速上市，這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開發(fā)工具平臺(tái)，提高用戶和程序員的時(shí)間投入回報(bào)。面對(duì)成百上千種處理器，選擇是一個(gè)問題，學(xué)習(xí)掌握處理器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用更需要時(shí)間，因此以開發(fā)工具和技術(shù)咨詢?yōu)楦椎恼w解決方案是迫切需要的。目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具平臺(tái)主要包括以下幾種：1).實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICE(In-CircuitEmulator)實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)〔ICE〕是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE首先可以通過實(shí)際執(zhí)行，對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行原理性檢驗(yàn)，排除人的思維難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)邏輯錯(cuò)誤。另一主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實(shí)時(shí)執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。2).高級(jí)語言編譯器〔CompilerTools〕C語言作為一種通用的高級(jí)語言，大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程師的工作效率，使之能夠充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能，縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間。另外，C語言便于移植和修改，使產(chǎn)品的升級(jí)和繼承更迅速。更重要的是采用C語言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進(jìn)行交流，從而促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。C++語言強(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。EC++保存了C++的主要優(yōu)點(diǎn)，提供了對(duì)C++的向上兼容性，并滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特殊要求。C/C++/EC++被引入嵌入式系統(tǒng)，使得嵌入式開發(fā)和個(gè)人計(jì)算機(jī)、小型機(jī)等之間在開發(fā)上的差異正在逐漸消除，軟件工程中的很多經(jīng)驗(yàn)、方法甚至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。另一種高級(jí)語言JAVA，它是為設(shè)備獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，可以提高程序的繼承性，由于目前基于JAVA的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具差10倍以上，故其應(yīng)用還不夠廣泛。在嵌入式開發(fā)中采用高級(jí)語言，還使得硬件的開發(fā)和軟件的開發(fā)可以分工，從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的匯編指令集。3).源程序模擬器〔Simulator〕源程序模擬器是在廣泛使用的、人機(jī)接口完備的工作平臺(tái)上，如小型機(jī)和PC,通過軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序測(cè)試工具。簡(jiǎn)單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序，分配虛擬存儲(chǔ)空間和外設(shè)，供程序員檢查；高級(jí)的模擬器可以利用計(jì)算機(jī)的外部接口模擬處理器的I/O電氣信號(hào)。模擬器軟件獨(dú)立于處理器硬件，一般與編譯器集成在同一個(gè)環(huán)境中，是一種有效的源程序檢驗(yàn)和測(cè)試工具。2.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)在辦公自動(dòng)化、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、醫(yī)療、監(jiān)視、衛(wèi)生設(shè)備、交通運(yùn)輸、通信、信息家電、工業(yè)控制和金融等系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。例如，辦公設(shè)備中的掃描儀、打印機(jī)；家電中的機(jī)頂盒、冰箱、洗衣機(jī)；生活中的、PDA、電梯；平安控制中的防火控制系統(tǒng)、平安報(bào)警系統(tǒng)、平安監(jiān)視設(shè)備、平安保險(xiǎn)柜；制造控制中的制造工廠自動(dòng)化、給水、廢水處理、發(fā)電設(shè)備；醫(yī)療中的X光設(shè)備、CT機(jī)；交通運(yùn)輸中的飛機(jī)、火車、公共汽車、輪船、雷達(dá)系統(tǒng)、自動(dòng)售票系統(tǒng)；通信中的機(jī)、交換機(jī)、衛(wèi)星和信息交換系統(tǒng)；其它還有地震測(cè)試儀、機(jī)器人等等。這些我們?cè)谏钪卸际悄軌蚪?jīng)常接觸到而且與我們的生活息息相關(guān)的，其中有些系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用程度低一些，因此我們可能感覺不到。隨著嵌入式軟件開發(fā)水平的提高，相信將來我們的日常生活將充滿嵌入式，我們將會(huì)每天都能隨時(shí)隨地享受到嵌入式給我們帶來的方便和快捷。2.5嵌入式系統(tǒng)的未來開展趨勢(shì)信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式系統(tǒng)獲得了巨大的開展機(jī)遇，為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。從中可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大開展趨勢(shì)：1).嵌入式開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還應(yīng)提供強(qiáng)大的硬件開發(fā)環(huán)境和軟件包支持。目前很多廠商已經(jīng)充分考慮到這一點(diǎn)，在主推系統(tǒng)的同時(shí)，將開發(fā)環(huán)境也作為重點(diǎn)推廣。比方三星在推廣ARM7、ARM9芯片的同時(shí)還提供開發(fā)板和板級(jí)支持包〔BSP〕， 而WindowsCE在主推系統(tǒng)的同時(shí)也提供EmbeddedVC++作為開發(fā)工具，還有VxWorks的Tornado開發(fā)環(huán)境、DeltaOS的Limda開發(fā)環(huán)境等都是這一典型趨勢(shì)的表達(dá)。當(dāng)然，這也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。2).網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著英特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高而日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備、、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。這就要求芯片設(shè)計(jì)廠商在芯片上集成更多的功能。為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力，同時(shí)增加功能接口〔如USB〕,擴(kuò)展總線類型〔如CANBUS〕，加強(qiáng)對(duì)多媒體、圖形等的處理，逐步實(shí)施片上系統(tǒng)〔SOC〕的概念。軟件方面，采用時(shí)實(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性、簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期〔如HP〕.3).網(wǎng)絡(luò)互連成為必然趨勢(shì)。未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)開展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口，傳統(tǒng)的單片機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)支持得不夠，而新一代嵌入式處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，除了支持TCP/IP協(xié)議，有的還支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或者幾種，同時(shí)也提供相應(yīng)的通信協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。軟件方面，系統(tǒng)內(nèi)置支持網(wǎng)絡(luò)模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入Web瀏覽器，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。4).精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件本錢。未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了降低功耗和本錢，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)設(shè)備內(nèi)核，只保存和系統(tǒng)緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ?，這就要求設(shè)計(jì)者選用最正確的編程模型和不斷改良算法，優(yōu)化編譯器的性能。因此，軟件開發(fā)人員既要有豐富的硬件知識(shí)，又需要開展先進(jìn)的嵌入式軟件系統(tǒng)技術(shù)，如JIVA、Web和WAP等。5).提供有好的多媒體人機(jī)界面。嵌入式設(shè)備能與用戶緊密接觸，最重要的因素就是它能提供友好的用戶界面、圖形界面和靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設(shè)備就像一個(gè)熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設(shè)計(jì)者要在圖形界面，多媒體技術(shù)上多下功夫。手寫文字輸入、語音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會(huì)使使用者獲得自由的感受。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上也實(shí)現(xiàn)漢字輸入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)備距離這個(gè)要求還有很長的路要走。第三章系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與技術(shù)3.1系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境考慮到系統(tǒng)的性能、本錢、可靠性等因素，系統(tǒng)的主控芯片選用了臺(tái)灣Syncmos公司生產(chǎn)的以80C52為內(nèi)核的8位微控制器SM5964。它具有豐富的片內(nèi)資源，只需添加少量的外圍器件即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。根據(jù)上一章中闡述的嵌入式操作系統(tǒng)的選取原那么，軟件開發(fā)平臺(tái)選用了源代碼公開的RTOSμC/OS-II。下面對(duì)其詳細(xì)介紹。SM5964概述SM5964微控制器是系統(tǒng)的核心器件，它是80C52微控制器家族的派生產(chǎn)品，其硬件特征和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)使它成為一種性能價(jià)格比高的控制器。除具有通用80C52優(yōu)點(diǎn)之外，其特點(diǎn)如下：集成度高：它具有豐富的片內(nèi)資源，包括3個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、全雙工串口通道等，其PDIP封裝具有32個(gè)I/O口而PLCC/QFP封裝那么具有多達(dá)36個(gè)I/O口。存儲(chǔ)量大：它內(nèi)置了64KBFlashROM和1KBRAM。ISP特性：它具有在系統(tǒng)可編程(ISP)功能，可以通過串口或者并口利用ISP功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的程序在線修改或升級(jí)。片內(nèi)有多達(dá)4KB的存儲(chǔ)空間供ISP編程之用。PWM特性：片上有5路PWM通道可供用戶使用。另外它的主頻可以高達(dá)40MHz，SM5964處理器的模塊圖如圖3-1所示：圖3-1SM5964模塊圖嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇適合自己的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是至關(guān)重要的，我結(jié)合具體的應(yīng)用，考慮開發(fā)本錢等因素，根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)的選取原那么并基于μC/OS-II的許多特點(diǎn)，選用了源代碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。.1μC/OS-II的主要特點(diǎn)它是由Labrosse先生編寫的一個(gè)開放式內(nèi)核，主要特點(diǎn)如下：公開源代碼：源代碼全部公開，這樣使系統(tǒng)變得透明，很容易就能把操作系統(tǒng)移植的各個(gè)不同的硬件平臺(tái)上，并可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充?？梢浦残裕害藽/OS-II絕大局部源碼是用ANSIC寫的，可移植性〔Portable〕較強(qiáng)。它可以在絕大多數(shù)8位、16位、32位甚至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕上運(yùn)行?？晒袒害藽/OS-II是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可以嵌入到開發(fā)者的產(chǎn)品中成為產(chǎn)品的一局部?？刹脺p：可以根據(jù)具體的應(yīng)用，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁減，其內(nèi)核最小可到達(dá)2KB。占先式：μC/OS-II完全是占先式〔Preemptive〕的實(shí)時(shí)內(nèi)核，總是運(yùn)行在就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。大多數(shù)商業(yè)內(nèi)核也是占先式的，μC/OS-II在性能上與它們類似。多任務(wù)：μC/OS-II可以管理64個(gè)任務(wù)，系統(tǒng)本身保存8個(gè)，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同。可確定性：全部μC/OS-II的函數(shù)調(diào)用與效勞的執(zhí)行時(shí)間具有其可確定性。μC/OS-II的系統(tǒng)效勞的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。任務(wù)棧：每個(gè)任務(wù)有自己?jiǎn)为?dú)的棧，μC/OS-II允許每個(gè)任務(wù)有不同的棧空間，以便壓低應(yīng)用程序?qū)AM的需求。使用μC/OS-II的棧空間校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。系統(tǒng)效勞：μC/OS-II提供很多系統(tǒng)效勞，例如郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、塊大小固定的內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放、時(shí)間相關(guān)函數(shù)等。中斷管理：中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起，如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被該中斷喚醒，那么高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。穩(wěn)定性與可靠性：μC/OS-II自1992年以來已經(jīng)有很多成功的商業(yè)應(yīng)用，其穩(wěn)定性和可靠性都有很好的保證。.2μC/OS-II硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)μC/OS-II的內(nèi)核是占先式〔Preemptive〕內(nèi)核，即總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先運(yùn)行，中斷效勞程序可以搶占CPU，當(dāng)中斷效勞程序完成時(shí)，內(nèi)核讓此時(shí)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。這樣使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間得到最優(yōu)化，而且是可知的。它完成了任務(wù)管理、任務(wù)間的通信和同步、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和中斷管理。其硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3-2所示圖3-21).任務(wù)的管理它包括任務(wù)的創(chuàng)立、刪除、掛起和恢復(fù)等。在嵌入式系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)是一個(gè)無限的循環(huán)，它看起來像其他C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，但是任務(wù)是絕不會(huì)返回的，故返回參數(shù)必須定義為Void。格式如下：voidTask1(void*ppdata){for(；；){/*用戶代碼*//*調(diào)用μC/OS-II的某種系統(tǒng)效勞*/}}任務(wù)的創(chuàng)立函數(shù)如下：INT8UOSTaskCreate(void(*task)(void*pd),void*ppdata,OS_STK*ptos,INT8Uprio)；其中:task是任務(wù)代碼的指針；ppdata是當(dāng)任務(wù)開始執(zhí)行時(shí)傳遞給任務(wù)的參數(shù)指針；ptos是分配給任務(wù)的堆棧的棧頂指針；prio是分配給任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)刪除函數(shù)為：INT8UOSTaskDel(INT8Uprio)。任務(wù)掛起函數(shù)為：INT8UOSTaskSuspend(INT8Uprio)。任務(wù)恢復(fù)函數(shù)為：INT8UOSTaskResume(INT8Uprio)。系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)有掛起、就緒、運(yùn)行及休眠等狀態(tài)，各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3-3所示。圖3-32).任務(wù)間的通信在μC/OS-II中，有多種方法可以保護(hù)任務(wù)之間的共享數(shù)據(jù)和提供任務(wù)之間的通信，下面介紹三種：一是利用宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來關(guān)閉中斷和翻開中斷。當(dāng)兩個(gè)任務(wù)或者一個(gè)任務(wù)和一個(gè)中斷效勞子程序共享某些數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用這種方法。二是利用函數(shù)OSSchedLock()和OSSchedUnlock()對(duì)任務(wù)調(diào)度函數(shù)上鎖和開鎖，禁止任務(wù)調(diào)度。用這種方法也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。三是任務(wù)間的通信和同步采用信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)的。3).內(nèi)存管理采用把連續(xù)的大塊按分區(qū)來管理。每個(gè)分區(qū)中包含有正整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊，μC/OS-II對(duì)malloc()和free()函數(shù)進(jìn)行了改良，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。用戶的應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中取得不同大小的內(nèi)存塊，但是特定的內(nèi)存塊在釋放時(shí)必須重新放回它以前所屬于的內(nèi)存分區(qū)。采用這種內(nèi)存管理方法，解決了內(nèi)存碎片問題。主要相關(guān)函數(shù)：建立內(nèi)存分區(qū)〔OSMemCreate()〕，分配內(nèi)存塊〔OSMemGet()〕,釋放內(nèi)存塊〔OSMemPut()〕。4).時(shí)間管理μC/OS-II要求用戶提供定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)延時(shí)與超時(shí)控制等功能，這個(gè)定時(shí)中斷成為時(shí)鐘節(jié)拍，它一般每秒發(fā)生10至100次，時(shí)鐘節(jié)拍的頻率越高，系統(tǒng)的負(fù)荷越嚴(yán)重。其實(shí)際大小可由用戶的應(yīng)用程序來決定。時(shí)間管理主要是完成任務(wù)的延時(shí)及系統(tǒng)時(shí)間的更改。.3針對(duì)應(yīng)用對(duì)內(nèi)核進(jìn)行的擴(kuò)充由于μC/OS-II僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，不像其它的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)那樣提供給用戶的只是一些API函數(shù)接口，把它移植到目標(biāo)硬件平臺(tái)只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的開始，還需要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口〔GUI〕、網(wǎng)絡(luò)功能等，從而建立一個(gè)實(shí)用的RTOS。下面僅對(duì)外設(shè)及驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行論述。外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序可以對(duì)系統(tǒng)提供訪問外圍設(shè)備的接口，把操作系統(tǒng)〔軟件〕和外圍設(shè)備〔硬件〕別離開來。當(dāng)外圍設(shè)備改變的時(shí)候，只需更換相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，不必修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核以及運(yùn)行在操作系統(tǒng)的軟件。下面僅建立用到的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)接口。=1\*GB2⑴串行口〔UART〕串行口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，通信的最高速度可以到達(dá)115200bps。建立的接口函數(shù)如下：Uart_Init定義：voidUart_Init(INT16Umclk,INT16Ubaud)；功能：初始化串行口，設(shè)置串行口通信的波特率參數(shù)說明：mclk：系統(tǒng)的主時(shí)鐘頻率。baud：所設(shè)定的串行口通信波特率Uart_SendStr定義：voidUart_SendStr(char*str,…..)；功能：輸出字符串到串口參數(shù)說明：str：輸出到串行口的字符串。Uart_Getch定義：charUart_Getch()；功能：接收串口的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)時(shí)返回，返回串口接收到的數(shù)據(jù)。Uart_Sendch定義：voidUart_Sendch(chardata)功能：向串口發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)說明：data：發(fā)送的數(shù)據(jù)=2\*GB2⑵液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的LCD是北京精電蓬遠(yuǎn)顯示技術(shù)公司生產(chǎn)的MGLS-12864，內(nèi)部有控制電路，在系統(tǒng)的內(nèi)存里開辟了一塊內(nèi)存作為液晶屏顯示的后臺(tái)緩沖區(qū)LCDBuffer,用于保存要顯示的內(nèi)容。對(duì)于不同的液晶屏顯示只需要改動(dòng)LCD128.C和LCD128.H中的程序即可。液晶模塊有兩種工作模式：圖形方式和文本方式。在圖形方式下，模塊上的緩沖區(qū)映射的是液晶屏上顯示的圖形點(diǎn)陣；在文本方式下，模塊上的緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的是液晶屏上顯示的文本字符，包括英文字符和英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。在此對(duì)漢字顯示僅作演示之用。液晶屏的操作主要包括：初始化、設(shè)置工作模式〔文本或者圖形〕、更新顯示。接口函數(shù)如下：LCD_Init定義：voidLCD_Init(void)；功能：初始化LCD，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)此函數(shù)被調(diào)用。LCD_Pritf定義：voidLCD_Printf(char*str,…);功能：在LCD的文本方式下輸出字符串。參數(shù)說明：str:所輸出的字符串LCD_ChangeMode定義：voidLCD_ChangeMode(INT8Umode)；功能：改變LCD的工作模式參數(shù)說明：mode:設(shè)定的LCD的顯示模式，0表示文本模式，1表示圖形模式LCD_Refresh定義：voidLCD_Refresh(INT8Ucol,INT8Urow,char*str)功能：更新LCD的顯示，把后臺(tái)緩沖區(qū)LCDBuffer[][]中的內(nèi)容更新到LCD的顯示屏上。參數(shù)說明：col:顯示字符串的起始列數(shù)。row:顯示字符串的起始列數(shù)。str:需要顯示的內(nèi)容=3\*GB2⑶鍵盤驅(qū)動(dòng)程序鍵盤的相關(guān)驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：GetKey定義：INT8UGetKey()；功能：獲得被按下的鍵數(shù)，返回值中指示出哪個(gè)鍵被按下。GetScanKey定義：INT8UGetScanKey()功能：對(duì)各個(gè)按鍵進(jìn)行掃描，從而確定其狀態(tài)。相應(yīng)位指示其是否被按下〔1表示按下，0表示斷開〕。=4\*GB2⑷A/D驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)中采用20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2430，完成對(duì)溫度信號(hào)的測(cè)量，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)之后，傳給處理器進(jìn)行相關(guān)的處理。根據(jù)其轉(zhuǎn)換特性，設(shè)計(jì)的函數(shù)接口如下：2430_Check定義：INT8U2430_Check()；功能：檢查本次模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成。返回值為0時(shí)，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否那么轉(zhuǎn)換結(jié)束。2430_ReadValue定義：INT16U2430_ReadValue()功能：讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并返回其值。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法如圖3-4所示，硬件和軟件的分為兩個(gè)獨(dú)立的局部，有硬件工程師和軟件工程師按照擬定的設(shè)計(jì)流程分別完成。這種設(shè)計(jì)方法只能改善硬件/軟件各自的性能，而有限的設(shè)計(jì)空間不可能對(duì)系統(tǒng)做出較好的性能綜合優(yōu)化。20世紀(jì)90年代初，國外有些學(xué)者提出“這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，只是早期計(jì)算機(jī)技術(shù)落伍的產(chǎn)物，它不能求出適合于某個(gè)專用系統(tǒng)的最正確計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的解〞。因?yàn)?，從理論上來說，每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的，都存在一個(gè)適合于該系統(tǒng)的硬件、軟件功能的最正確結(jié)合，如何從應(yīng)用系統(tǒng)的需求出發(fā)，依據(jù)一定的指導(dǎo)原那么和分配算法對(duì)硬件/軟件功能進(jìn)行分析及合理的劃分，從而使得系統(tǒng)的整體信能、運(yùn)行時(shí)間、能量損耗。存儲(chǔ)能量到達(dá)最正確狀態(tài)，已成為硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容之一。需求分析總體設(shè)計(jì)需求分析總體設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)嵌入式系統(tǒng)集成、測(cè)試、驗(yàn)證圖3-4傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，使硬件/軟件的功能劃分與分配、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)綜合、模擬仿真存在許多研究解決的問題，因而使國際上這個(gè)領(lǐng)域的研究日益活潑。系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比有以下兩個(gè)顯著的區(qū)別：描述硬件和軟件使用統(tǒng)一的表示形式。硬件/軟件劃分可以選擇多種方案，直到滿足要求。顯然，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于具體的應(yīng)用系統(tǒng)而言，容易獲得滿足綜合性能指標(biāo)的最正確解決方案。傳統(tǒng)方法雖然也可以改良硬件軟件性能，但由于這種改良是各自獨(dú)立進(jìn)行的，不一定使系統(tǒng)綜合性能到達(dá)最正確。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)采用的是軟件開發(fā)與硬件開發(fā)別離的方式，其過程可以描述如下：需求分析軟硬件分別設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、測(cè)試、系統(tǒng)集成，軟硬件集成。集成測(cè)試假設(shè)系統(tǒng)正確，那么結(jié)束、否那么繼續(xù)進(jìn)行。假設(shè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要對(duì)軟硬件分別驗(yàn)證和修改。返回3，繼續(xù)進(jìn)行集成測(cè)試。雖然在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段考慮了軟硬件的接口問題，但由于軟硬件分別開發(fā)，各自局部的修改和缺陷很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成出現(xiàn)錯(cuò)誤、由于設(shè)計(jì)方法的限制，這些錯(cuò)誤不但難于定位，而且更重要的是，對(duì)他們的修改往往會(huì)涉及整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)和硬件配置的改動(dòng)，顯然，這是災(zāi)難性的。為防止上述問題，一種新的開發(fā)方法應(yīng)運(yùn)而生軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。一個(gè)典型的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)過程如圖3-5所示。首先，應(yīng)方該用獨(dú)立于任何硬件和軟件的功能性規(guī)格方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，采用的的方法包括有限態(tài)自動(dòng)機(jī)〔FSM〕、統(tǒng)一化的規(guī)格語言〔CSP、VHDL〕或其他基于圖形的表示工具，其作用是對(duì)硬件/軟件統(tǒng)一表示，便于性能的劃分和綜合，然后，在此根底上對(duì)硬件/軟件進(jìn)行劃分，即對(duì)硬件/軟件的功能模塊進(jìn)行分配。但是，這種分配不是隨意的，而是從系統(tǒng)的要求和限制條件出發(fā)，依據(jù)算法進(jìn)行的。完成對(duì)硬件、軟件的功能劃分之后，需對(duì)劃分的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。方法之一是性能評(píng)估，另一種方法是對(duì)硬件、軟件綜合之后的系統(tǒng)依據(jù)指令級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)做出評(píng)估。如果評(píng)估結(jié)果不滿足要求，說明劃分方案的選擇是不合理的，需要重新劃分硬件/軟件模塊，以上過程重復(fù)直到系統(tǒng)獲得一個(gè)滿意的硬件/軟件實(shí)現(xiàn)為止。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程可以歸納為：需求分析軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同測(cè)試和驗(yàn)證這種方法的特點(diǎn)在于協(xié)同設(shè)計(jì)〔Co－design〕、協(xié)同測(cè)試〔Co-test〕和協(xié)同驗(yàn)證〔Co-verification〕時(shí)，充分考慮了軟硬件的關(guān)系，并在每個(gè)層次上給以測(cè)試驗(yàn)證，使得盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題，防止災(zāi)難性錯(cuò)誤的出現(xiàn)。系統(tǒng)功能描述系統(tǒng)功能描述硬件\軟件劃分〔軟硬統(tǒng)一表示〕軟件組合接口綜合硬件綜合系統(tǒng)集成圖3-5嵌入式系統(tǒng)的硬件\軟件設(shè)計(jì)方法嵌入式系統(tǒng)軟件的測(cè)試必須考慮時(shí)間和硬件影響的問題。對(duì)于硬件，一般是采用專門的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試；而對(duì)于實(shí)時(shí)嵌入式軟件，那么需要有關(guān)的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試工具的支持，需要采取特定的測(cè)試策略。測(cè)試技術(shù)指的是軟件測(cè)試的專門途徑，以及提供的能夠更加有效的運(yùn)用這些途徑的特定技術(shù)。測(cè)試技術(shù)主要有回歸測(cè)試〔基于代碼的測(cè)試或白盒測(cè)試〕、第三方的驗(yàn)證和確認(rèn)測(cè)試〔功能測(cè)試或黑盒測(cè)試〕及維護(hù)中的修改或升級(jí)測(cè)試〔回歸測(cè)試〕等。目前，大量的實(shí)時(shí)嵌入式軟件是面向?qū)ο缶幊毯突诓考_發(fā)的，它們對(duì)時(shí)空和宿主機(jī)、目標(biāo)機(jī)的交叉開發(fā)方式以及可能的分布運(yùn)行環(huán)境等的約束限制給運(yùn)用上述技術(shù)帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。1).白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試一般來說，軟件測(cè)試有兩種根本的測(cè)試方式，即白盒測(cè)試方法和黑盒測(cè)試方法，嵌入式軟件測(cè)試也不例外。白盒測(cè)試或基于代碼的測(cè)試檢查的是程序的內(nèi)部設(shè)計(jì)。根據(jù)源代碼的組織結(jié)構(gòu)查找軟件缺陷，一般要求軟件測(cè)試人員對(duì)軟件的結(jié)構(gòu)和作用有詳細(xì)的了解。白盒測(cè)試和代碼覆蓋率密切相關(guān)，可以在白盒測(cè)試的同時(shí)計(jì)算出測(cè)試的代碼覆蓋率，保證測(cè)試的充分性。把100%的代碼都測(cè)試到是幾乎不可能的，所以要選擇最主要的代碼進(jìn)行白盒測(cè)試。由于嚴(yán)格的平安性和可行性的要求，嵌入式軟件測(cè)試同非嵌入式軟件測(cè)試相比，通常要求要有更高的代碼覆蓋率。對(duì)于嵌入式軟件，白盒測(cè)試一般在目標(biāo)硬件上進(jìn)行，更為實(shí)際的方式是在開發(fā)環(huán)境中通過硬件仿真進(jìn)行，所以選取的測(cè)試工具應(yīng)該支持在宿主環(huán)境中的測(cè)試。黑盒測(cè)試在有些情況下也稱為功能測(cè)試。這種測(cè)試方法根據(jù)軟件的用途和外部特征查找軟件缺陷，不需要了解程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。黑盒測(cè)試的最大優(yōu)點(diǎn)在于不依賴于代碼，而是從實(shí)際使用的角度進(jìn)行測(cè)試，通過黑盒測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)白盒測(cè)試發(fā)現(xiàn)不了的問題。因?yàn)楹诤袦y(cè)試與需求密切相關(guān)，需求規(guī)格說明的質(zhì)量會(huì)直接影響到測(cè)試結(jié)果。黑盒只能限制在需求的范圍內(nèi)進(jìn)行。在進(jìn)行嵌入式軟件測(cè)試時(shí)，要把系統(tǒng)的預(yù)期用途作為重要依據(jù)，根據(jù)需求對(duì)負(fù)載、定時(shí)、性能的要求，判斷軟件是否滿足這些需求標(biāo)準(zhǔn)。為了保證正確的測(cè)試，還需要檢驗(yàn)軟硬件之間的接口。嵌入式軟件測(cè)試的一個(gè)重要方面是極限測(cè)試。在使用環(huán)境中，通常要求嵌入式軟件的失效過程要平衡，所以，黑盒測(cè)試不僅要檢查軟件工作過程，也要檢查軟件的失效過程。2).目標(biāo)環(huán)境測(cè)試和宿主環(huán)境測(cè)試在嵌入式軟件測(cè)試中，常常要在基于目標(biāo)的測(cè)試和基于宿主的測(cè)試之間做出折衷?；谀繕?biāo)的測(cè)試消耗較多的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，而基于宿主的測(cè)試代價(jià)較小，但必竟是在模擬的環(huán)境中進(jìn)行的。目前是把更多的測(cè)試轉(zhuǎn)移到宿主環(huán)境中進(jìn)行，但是，目標(biāo)環(huán)境的復(fù)雜性和獨(dú)特性不可能完全模擬。在兩個(gè)環(huán)境中可以發(fā)現(xiàn)不同的軟件缺陷，重要的是對(duì)目標(biāo)環(huán)境和宿主環(huán)境的測(cè)試內(nèi)容有所選擇。在宿主環(huán)境中，可以進(jìn)行邏輯或界面的測(cè)試、其它非實(shí)時(shí)的測(cè)試和與硬件無關(guān)的測(cè)試。在模擬或宿主環(huán)境中的測(cè)試消耗的時(shí)間通常比擬少，用調(diào)試工具可以更快的完成高度和測(cè)試任務(wù)。而與時(shí)間問題有關(guān)的白盒測(cè)試、中斷測(cè)試、硬件接口測(cè)試只能在目標(biāo)環(huán)境中進(jìn)行。在軟件測(cè)試周期中，基于目標(biāo)的測(cè)試是在比擬晚的“硬件\軟件集成測(cè)試〞階段開始的，如果不更早的在模擬環(huán)境中進(jìn)行白盒測(cè)試，而是等到“硬件\軟件集成測(cè)試〞階段進(jìn)行全部的白盒測(cè)試，將消耗更多的財(cái)力和人力。第四章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在這一章中，根據(jù)第二章和第三章的論述，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)具有對(duì)外界兩點(diǎn)溫度進(jìn)行采集的能力，采集的模擬信號(hào)經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，送入微處理器進(jìn)行處理。采集到的每一路溫度都要與系統(tǒng)此路溫度設(shè)定值進(jìn)行比擬，然后根據(jù)結(jié)果調(diào)用適宜的控制算法，并通過控制相應(yīng)的繼電器的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制、