配套課件-嵌入式實時操作系統(tǒng)uC-OS-2教程

第1章嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論1.1嵌入式系統(tǒng)概述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)計方法

1.4嵌入式操作系統(tǒng)概述1.5μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)概述習(xí)題

1.1嵌入式系統(tǒng)概述

1.1.1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展概況[1]

1.嵌入式應(yīng)用的起源

從歷史的角度來看，計算機的發(fā)展主要經(jīng)歷了機械計算機(1614—1937)、繼電器計算機(1937—1946)、電子管計算機(1946—1959)、晶體管計算機(1959—1964)、集成電路計算機(1964—1971)、大規(guī)模和超大集成電路計算機(1971—今)等六個階段，具有明顯的時代特征。每一次重大的技術(shù)革命都催生了一類新的計算技術(shù)；反之，計算技術(shù)的每一次重大飛躍都極大地促進(jìn)了技術(shù)領(lǐng)域更加持久、深刻的變革。早在1614年，蘇格蘭人JohnNapier就發(fā)表論文公布他發(fā)明了一種可以進(jìn)行四則運算和方根運算的精巧裝置。1848年，英國數(shù)學(xué)家GeorgeBoole創(chuàng)立二進(jìn)制代數(shù)學(xué)，為現(xiàn)代二進(jìn)制計算技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。1937年，Bell試驗室的GeorgeStibitz展示了用繼電器表示二進(jìn)制的裝置，盡管它是個展品，但卻是世界上的第一臺二進(jìn)制電子計算機。1946年2月15日，名為ENIAC的計算機在美國誕生了，這是第一臺現(xiàn)代意義上的數(shù)字計算機，它的誕生具有劃時代的意義，表明了現(xiàn)代數(shù)字計算機時代的到來。在隨后的近三十年里，計算機一直為少數(shù)精英所掌握，主要用于實驗室里的數(shù)值求解。直到1971年Intel公司推出了第一顆商用集成電路微處理器Intel4004以后，許多廠商紛紛推出8位、16位微處理器。以微處理器為核心的微型計算機以其體積小、價格低、性能可靠等特點，迅速走出機房，廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。這個時期也被人們稱為PC時代。隨著計算機運算速度的飛速提高，微型機所表現(xiàn)出來的智能能力引起了控制領(lǐng)域工程人員的廣泛關(guān)注。將微型機嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化控制的設(shè)想和實踐應(yīng)運而生。計算機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)致了嵌入式計算機系統(tǒng)的誕生。例如，將微機配置好專用軟件、外部接口電路，并經(jīng)機械、電氣加固后，安裝到飛機、大型艦船、大型電話交換機中，構(gòu)成自動控制系統(tǒng)或狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。出于兼容性和靈活性的考慮，系列化、模塊化的單板機也問世了，其典型代表是Intel公司的iSBC系列單板機、Zilog公司的MCB單板機等。從此人們可以不必從選擇芯片開始，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統(tǒng)，這就要求插件是互相兼容的，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出了Multibus，1983年擴展為帶寬達(dá)40Mb/s的MultibusⅡ。1978年，由Prolog設(shè)計出了簡單STD總線并被廣泛應(yīng)用。

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)展。面向?qū)崟r信號處理算法的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、機頂盒技術(shù)相對成熟，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國市場上不過四五個品牌，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。隨著人類進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時代，將嵌入式計算機系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中已成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。在發(fā)展?jié)摿薮蟮男畔⒓译娭?，人們非常關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)電話設(shè)備，即IP電話，就是一個代表。計算機被嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中后，原來通用計算機的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)便不再復(fù)現(xiàn)了，人機交互模式、處理模式、功耗模式也各不相同。為了把實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機與通用計算機系統(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算機稱做嵌入式計算機系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)起源于微型機時代，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性是它的一個根本特點，其本質(zhì)是將計算機嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中去。

2.計算機技術(shù)的分化

從產(chǎn)生的背景來看，嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)有著完全不同的技術(shù)要求、技術(shù)發(fā)展方向和應(yīng)用目標(biāo)。通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大；應(yīng)用目標(biāo)是多樣化，通過軟件的配置完成多種計算。而嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求是可靠、可裁減，能滿足應(yīng)用對其體積、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、智能性和可靠性的提升；應(yīng)用目標(biāo)是實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化控制。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，人們還可以勉強將通用計算機通過改裝、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，小到彩電、空調(diào)、洗衣機、手機，大到飛機、導(dǎo)彈、汽車等，嵌入式應(yīng)用對計算機的功能、體積、功耗、價格、重量、可靠性等方面的要求也越來越苛刻，通過改造通用計算機的傳統(tǒng)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任。因此，嵌入式計算機不得不脫離通用計算機系統(tǒng)，走上獨立發(fā)展的道路。這就形成了現(xiàn)代計算機兩大分支并行發(fā)展的時期。

3.兩大分支的發(fā)展方向

由于嵌入式計算機系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的專業(yè)分工和獨立發(fā)展，導(dǎo)致了當(dāng)今計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計算機領(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，微機的處理速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)年的小中型計算機，超級計算機1秒鐘已經(jīng)能運算幾百萬億條指令。操作系統(tǒng)的發(fā)展使計算機在具備了高速處理海量數(shù)據(jù)能力的同時，應(yīng)用也越來越方便。

嵌入式計算機系統(tǒng)則走上了另一條發(fā)展之路——單芯片化。如果說微機開創(chuàng)了嵌入式計算機系統(tǒng)的應(yīng)用，那么單片機則開創(chuàng)了嵌入式計算機系統(tǒng)獨立發(fā)展的道路。在單片機的發(fā)展道路上，曾出現(xiàn)過兩種探索模式，即Σ模式和創(chuàng)新模式。Σ模式本質(zhì)上是將通用計算機系統(tǒng)中的基本單元進(jìn)行裁剪后，直接芯片化，構(gòu)成單片微型計算機；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算機。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)嵌入式系統(tǒng)。歷史證明，創(chuàng)新模式是嵌入式系統(tǒng)獨立發(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)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式計算機系統(tǒng)簡稱嵌入式系統(tǒng)，它的應(yīng)用發(fā)源于微機，發(fā)展于單片機。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？

依據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義：“Deviceusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants”，即嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器甚至工廠運作的裝置。它是一種計算機軟件和硬件的綜合體，特別強調(diào)“量身定制”的原則，也就是基于某種特殊的用途，設(shè)計者就會根據(jù)這些用途設(shè)計出一種截然不同的系統(tǒng)來。

WayneWolf在其所著的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教科書上對嵌入式系統(tǒng)的定義是：“Looselydefined,itisanydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer”，即不嚴(yán)格地定義，嵌入式系統(tǒng)是包含可編程計算機的任意設(shè)備，而它本身并不是被作為通用計算機而設(shè)計的。書中他還說：“一臺個人電腦不能稱之為嵌入式計算系統(tǒng)，盡管它常常被用于搭建嵌入式系統(tǒng)。”我國微機學(xué)會的定義是：嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計算機系統(tǒng)。并且還將其分為系統(tǒng)級、板級和片級。系統(tǒng)級包括各類工控設(shè)備、PC104模塊等；板級包括各類CPU主板和OEM產(chǎn)品；片級包括各種以單片機、DSP、微處理器為核心的設(shè)備。

目前在我國流行得比較廣泛的定義是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。也有人認(rèn)為以上觀點不確切，致使嵌入式系統(tǒng)的定義沒有脫離計算機系統(tǒng)范疇，認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)首先是非PC，否則仍然是計算機系統(tǒng)，所以將嵌入式系統(tǒng)描述為下列公式：

ES=3C(Computer+Communication+

Consumerelectronics)+Internet+WAP+GBS+UPS

+Sensors+IP+Other→ESOC(嵌入式片上系統(tǒng))

由上述公式表達(dá)的嵌入式系統(tǒng)定義可概括如下：嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代科學(xué)多學(xué)科互相融合，以應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品為核心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以通信技術(shù)為載體，以消費類產(chǎn)品為對象，引入各類傳感器，進(jìn)入Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接，適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)是無多余軟件，并且以固化態(tài)出現(xiàn)，硬件亦無多余存儲器，可靠性高、成本低、體積小、功耗少的非計算機系統(tǒng)。因此它包含了十分廣泛的、各種不同類型的設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)又是知識密集，投資規(guī)模大，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，且具有不斷創(chuàng)新才能不斷發(fā)展的系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用片上系統(tǒng)(SOC，亦稱系統(tǒng)芯片)將是其發(fā)展趨勢。人們從不同的角度出發(fā)，得出了不同的嵌入式系統(tǒng)定義，但是如果從嵌入式系統(tǒng)的起源、發(fā)展、本質(zhì)等方面出發(fā)來探討嵌入式系統(tǒng)的定義的話，本書認(rèn)為如下定義更準(zhǔn)確、更具普遍性，即嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計算機系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素，對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：

(1)系統(tǒng)級，包括工控機、嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的通用計算機等；

(2)板級，包括各種CPU主板；

(3)芯片級，如CPU、MCU、SOC、DSP、MPU等。在理解嵌入式系統(tǒng)的定義的時候，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)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)，例如手機、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系統(tǒng)與單片機應(yīng)用系統(tǒng)的區(qū)別一樣。盡管人們常常在不嚴(yán)格的場合將單片機系統(tǒng)和單片機應(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

嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)是專用的計算機系統(tǒng)，與通用計算機系統(tǒng)相比，不同的嵌入式系統(tǒng)的特點會有所差異，但基本特點是一樣的，其主要表現(xiàn)如下：

(1)系統(tǒng)內(nèi)核小、實時高效。嵌入式系統(tǒng)大多應(yīng)用于小型電子設(shè)備，系統(tǒng)資源有限。例如，一般MCS-51系列單片機只有幾KB的內(nèi)部RAM、幾十KB的ROM，經(jīng)擴展后也不過64KB，要在這樣有限的資源上運行實時內(nèi)核，就對內(nèi)核的尺寸提出了嚴(yán)格的限制，大的通用操作系統(tǒng)肯定是無法運行起來的，一般只能運行嵌入式操作系統(tǒng)，如μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核最小可裁剪到2KB。嵌入式系統(tǒng)往往應(yīng)用于各種實時場合，例如導(dǎo)彈控制、機載設(shè)備、工業(yè)測控、安全氣囊等，這就要求嵌入式系統(tǒng)具有與之相應(yīng)的實時性和可靠性，否則后果嚴(yán)重。

(2)專用性強。嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的最大不同就是嵌入式系統(tǒng)大多是為特定用戶群設(shè)計的，產(chǎn)品的個性化很強。它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，軟件和硬件的結(jié)合非常緊密，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)應(yīng)用的需求變化，對系統(tǒng)軟件和硬件的配置作較大的更改。同時，程序的編譯下載也要和系統(tǒng)相結(jié)合。

(3)系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復(fù)雜，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全，使產(chǎn)品更具競爭力。

(4)軟件固化。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芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中。軟件固化是嵌入式軟件的基本要求，同時要求軟件代碼具有高質(zhì)量、高可靠性和高實時性。

(5)開發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序和電路進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是通用計算機、專用的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及各種邏輯分析儀、示波器、信號源等。開發(fā)時往往有主機和目標(biāo)機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進(jìn)行。 1.2嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的專用計算機系統(tǒng)，早期嵌入式系統(tǒng)自底向上主要由硬件環(huán)境、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等三層組成。硬件環(huán)境層是整個嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行的基礎(chǔ)，通常，不同的應(yīng)用對應(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)的部分單獨抽象出來，設(shè)計成單獨的硬件抽象層(HardwareAbstractionLayer，HAL)的思想。它通過硬件抽象層接口設(shè)計，向操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序提供對硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。硬件抽象層這個中間層的引入，屏蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對具體的硬件環(huán)境，而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境，實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺性。目前，在嵌入式領(lǐng)域中，HAL通常是以板級支持包(BoardSupportPackage，BSP)的形式實現(xiàn)的。這樣，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化為如圖1.1所示的四層結(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)移植和跨平臺問題。圖1.1嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖1.2.1硬件層

嵌入式系統(tǒng)的硬件層結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，它主要包括嵌入式處理器、存儲器、模擬電路及電源、接口控制器及插件等。圖1.2嵌入式系統(tǒng)硬件層結(jié)構(gòu)圖

1.嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，其品種總量已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中8051系列占多半。生產(chǎn)8051單片機的半導(dǎo)體廠家有20多個，共350多個衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。現(xiàn)在幾乎每個半導(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0.1

MIPS到2000

MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳。嵌入式微處理器一般具備以下四個特點：

(1)對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間。

(2)具有功能很強的存儲區(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)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時也有利于軟件診斷。

(3)可擴展的處理器結(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。

(4)嵌入式微處理器的功耗很低，很多產(chǎn)品的功耗只在毫瓦甚至微瓦級。嵌入式處理器的分類一般有兩種。一是按功能特點分類，可分為嵌入式微控制器(MicroControllerUnit，MCU)、嵌入式微處理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU)、嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(System

On

Chip，SOC)；二是按數(shù)據(jù)總線的位數(shù)分類，可分為4位機、8位機、16位機、32位機和64位機。

1)嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。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/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash等各種必要的功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。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等。另外還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541，支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多的專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。

值得注意的是，近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為MicroController；Motorola公司把以PowerPC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555也列入單片機行列；TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU進(jìn)行推廣。

2)嵌入式微處理器

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，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)的體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點，而且在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)保密性。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機，如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。

目前，嵌入式處理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power

PC、Motorola

68000、MIPS、ARM系列等。在32位嵌入式處理器市場主要有Motorola、ARM、MIPS、TI、Hitachi等公司。有些生產(chǎn)通用微處理器的公司，像Intel、Sun和IBM等，也生產(chǎn)嵌入式微處理器。

3)嵌入式DSP處理器

EDSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正由用通用單片機以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)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)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI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，用于移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000系列目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外Philips公司也推出了一些新型的嵌入式DSP處理器。

4)嵌入式片上系統(tǒng)

隨著EDA的推廣、VLSI設(shè)計的普及和半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜系統(tǒng)的時代已來臨，這就是嵌入式片上系統(tǒng)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分都可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機內(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，形成一個可加載Java或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

2.存儲器

存儲器是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是否“聰明”不僅取決于CPU的性能，

而且在很大程度上還取決于嵌入式系統(tǒng)的存儲容量。一般而言，存儲容量越大，嵌入式系統(tǒng)的性能就越好，反之亦然。

目前的存儲器主要有半導(dǎo)體材料、磁性材料和光介質(zhì)材料三種。存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個CMOS晶體管(也可為磁性材料或光介質(zhì))的存儲元，它可存儲一位二進(jìn)制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然后再由許多存儲單元組成一個存儲器。

嵌入式系統(tǒng)中以半導(dǎo)體存儲器為多。半導(dǎo)體存儲器種類很多，從存、取功能上可以分為只讀存儲器(Read-OnlyMemory，ROM)、隨機存儲器(RandomAccessMemory，RAM)、可編程存儲器(ProgrammableRead-OnlyMemory，PROM)、可擦除的可編程ROM(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EPROM)、閃存(FlashMemory)、鐵電存儲器(FRAM)等幾種不同類型。

3.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，即并行總線和串行總線。常用的并行總線如下：

①?CPU并行總線；

②工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(IndustryStandardArchitecture，ISA)總線；

③外部設(shè)備互連(PeripheralComponentInterconnect，PCI)總線。

常用的串行總線較多，主要有如下幾種：

①通用異步接收與傳輸(UiversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART)總線；②串行通信接口(SerialCommunicationInterface，SCI)總線；

③串行外設(shè)接口(SerialPeripheralInterface，SPI)總線；

④內(nèi)部集成電路(Inter-IC，I2C)總線；

⑤IEEE1394總線、USB總線；

⑥RS-232總線、RS-485總線；

⑦控制器區(qū)域網(wǎng)(ControllerAreaNetwork，CAN)總線；

⑧單總線(1-Wire)和局域互連網(wǎng)絡(luò)(Local

Interconnect

Network，LIN)總線。

這些總線在速度、物理接口要求和通信方法上都有所不同。串行總線與并行總線相比，最大的優(yōu)點在于總線線數(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)。以一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，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。無操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)一般稱之為“前后臺”系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)一般可以抽象為如圖1.3(a)所示結(jié)構(gòu)。前臺程序通常是中斷服務(wù)子程序，而后臺通常是一個無限循環(huán)程序，程序中各功能模塊之間的交叉、耦合比較緊密，分解起來比較困難，程序結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。這種模式的程序設(shè)計常常是串行的，開發(fā)周期很長，不利于軟件的工程化設(shè)計，但有需求系統(tǒng)資源少、適合小程序設(shè)計等優(yōu)點。基于RTOS支持的系統(tǒng)，其程序結(jié)構(gòu)通常如圖1.3(b)所示，程序中的各功能模塊可以很容易地分解為各自獨立的任務(wù)，任務(wù)與任務(wù)之間的通信與控制可以通過操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，程序結(jié)構(gòu)十分簡單。程序設(shè)計可以采用并行開發(fā)模式，非常適合于大規(guī)模、工程化的程序設(shè)計。缺點是操作系統(tǒng)需要占用一部分資源。圖1.3嵌入式系統(tǒng)的兩種程序結(jié)構(gòu)1.2.3硬件抽象層

硬件抽象層隱藏特定平臺的硬件接口細(xì)節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關(guān)性，可在多種平臺上進(jìn)行移植。

在嵌入式系統(tǒng)中，硬件抽象層多以BSP(BoardSupportPackage，板級支持包)的形式實現(xiàn)，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。BSP包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊，如相關(guān)底層硬件的初始化與配置、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作等功能。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)一些嵌入式系統(tǒng)的供應(yīng)商提供的驅(qū)動程序也常稱為BSP。

(3)?BSP是板級開發(fā)工具，因為在某些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。在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中，BSP是一個不可或缺的組成部分，操作系統(tǒng)啟動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，包括如下內(nèi)容。

(1)片級初始化。片級初始化主要對CPU進(jìn)行初始化，包括設(shè)置CPU的存儲器地址范圍、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、時鐘頻率設(shè)置、設(shè)置中斷等。片級初始化的過程就是把CPU從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這個過程只包含對硬件的初始化。

(2)板級初始化。板級初始化主要對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。這個過程包含對硬件和軟件的初始化。

(3)操作系統(tǒng)初始化。操作系統(tǒng)初始化主要為軟件系統(tǒng)提供一個實時多任務(wù)的運行環(huán)境。在這個過程中，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)計的關(guān)鍵主要在于片級初始化和板級初始化。

1.3嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計方法

目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程模型有很多，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)模型和XP方法等等，設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計對象復(fù)雜度和個人愛好，靈活地選擇不同的系統(tǒng)設(shè)計方法。一般地，嵌入式系統(tǒng)可以采用自頂向下的方法，從對系統(tǒng)最抽象的描述開始，一步一步地推進(jìn)到細(xì)節(jié)內(nèi)容；也可以采用自底向上的設(shè)計方法，從系統(tǒng)的各個細(xì)節(jié)內(nèi)容反推，最后將整個系統(tǒng)集成起來。在實際設(shè)計的過程中，自頂向下和自底向上的設(shè)計方法常常交叉使用。本節(jié)將采用自頂向下的設(shè)計方法，以一種數(shù)字兆歐表的設(shè)計為例，詳細(xì)描述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基本流程。如圖1.4所示，設(shè)計一般可分為四個階段，第一階段是總體設(shè)計階段，第二階段是軟/硬件詳細(xì)設(shè)計階段，第三階段是系統(tǒng)集成階段，最后是系統(tǒng)測試階段。圖1.4基本流程1.3.1總體設(shè)計

總體設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的第一個階段，是整個設(shè)計的奠基石。其任務(wù)是確定設(shè)計目標(biāo)，也就是確定做什么、關(guān)鍵技術(shù)是什么，而不是確定如何做。這一階段的任務(wù)常常通過如下幾個過程來實現(xiàn)。

首先是需求分析，收集系統(tǒng)的非形式描述。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如數(shù)據(jù)打印或顯示、輸入/輸出接口、控制方式、操作方式等；非功能性需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。為了使需求分析的結(jié)果簡潔、直觀、易懂，一般可用表1.1的形式來描述。表1.1數(shù)字兆歐表需求分析其次是規(guī)格說明，它是對需求的提煉，比需求更精確。它應(yīng)該包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的足夠信息，是對需求分析中所涉及問題的進(jìn)一步細(xì)化。規(guī)格說明的主要用途是：①作為整個設(shè)計所必須遵循的指導(dǎo)原則和設(shè)計目標(biāo)；②作為測試和驗收的原則。規(guī)格說明應(yīng)力求準(zhǔn)確、完整、全面、明確，不能有歧義。如果在某個特定狀況下的某些行為在規(guī)格說明中不明確，那么設(shè)計者就有可能設(shè)計出錯誤的功能；如果規(guī)格說明的全局特征不正確或者不完整，那么由該規(guī)格說明建造的整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就很難符合現(xiàn)實的要求。例如兆歐表的設(shè)計，需要細(xì)化的規(guī)格如下：

(1)?LCD顯示的具體內(nèi)容，給出開機畫面、開機自檢顯示和測量顯示內(nèi)容等；

(2)測量響應(yīng)時間；

(3)測量精度、分辨率、靈敏度、量程等；

(4)系統(tǒng)量程控制模式，如量程等級劃分方法、量程自動分段等；

(5)系統(tǒng)功率控制模式，如多少時間內(nèi)自動關(guān)機；

(6)系統(tǒng)使用的適用環(huán)境等。通過規(guī)格說明，可以得出更加細(xì)化的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)液晶顯示屏：LMS0192，160?×?64點陣；

(2)測量響應(yīng)時間：≤2s；

(3)測量及分段方式：自動、3擋(0～9MΩ、9～99MΩ、99～999MΩ)；

(4)測量精度：每擋滿刻度值?×±2%；

(5)分辨率：每段滿刻度值?×1%；

(6)靈敏度：100kΩ；

(7)功率控制模式：30s無測量自動關(guān)機；

(8)適用環(huán)境：工作溫度為-20～45℃，相對濕度為95%。再次是關(guān)鍵技術(shù)分析。關(guān)鍵技術(shù)分析是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié)。它是從需求分析和規(guī)格說明中提煉出來的，主要描述如何保障實現(xiàn)關(guān)鍵功能指標(biāo)的具體理論方法。例如，對一般的測量系統(tǒng)，主要的技術(shù)指標(biāo)是測量精度、分辨率和靈敏度。在本例系統(tǒng)的設(shè)計中，首先查找資料，總結(jié)當(dāng)前電阻測量有哪幾種方法，各種測量方法有何優(yōu)缺點，然后再選擇一種合適的測量方法，最后根據(jù)選定的測量方法從理論上分析計算測量精度、分辨率和靈敏度如何保障。解決關(guān)鍵技術(shù)的一般流程如圖1.5所示。圖1.5解決關(guān)鍵技術(shù)的一般流程最后是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。體系結(jié)構(gòu)是總體設(shè)計中的一個計劃，它根據(jù)需求描述、規(guī)格說明和關(guān)鍵技術(shù)分析，來選定整個系統(tǒng)設(shè)計的基本構(gòu)架及系統(tǒng)基本組件。一般嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為四層，即硬件環(huán)境層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層。

首先可以從硬件環(huán)境層入手，當(dāng)然設(shè)計硬件環(huán)境時，也必須綜合軟件環(huán)境的因素。硬件方面需要考慮的問題如下：

(1)嵌入式CPU的選擇，選擇CPU的時候應(yīng)該考慮CPU的資源是否能夠滿足系統(tǒng)的需求，如RAM、ROM的容量是否滿足操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的需求，中斷源、時鐘、外設(shè)、I/O口的數(shù)量等，然后還要考慮CPU的價格、是否容易購買、是否容易開發(fā)、是否比較容易得到技術(shù)支持等；

(2)外圍芯片的選擇；

(3)系統(tǒng)存儲器的配置；

(4)系統(tǒng)內(nèi)部和外部總線的選擇；

(5)模擬器件的選擇；

(6)顯示器件的選擇；

(7)電源的選擇。

然后是確定軟件的配置問題。在軟件方面常需要考慮的問題如下：

(1)操作系統(tǒng)的選擇；

(2)需要編寫哪些軟件模塊；

(3)是否需要數(shù)據(jù)庫的支持。

軟/硬件環(huán)境選擇完畢后，就可以設(shè)計系統(tǒng)的軟/硬件結(jié)構(gòu)框圖了。1.3.2軟/硬件詳細(xì)設(shè)計

當(dāng)上述過程完成以后，就可以根據(jù)所選定的軟/硬件模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計了。為了縮短設(shè)計開發(fā)周期，軟件和硬件的詳細(xì)設(shè)計過程可以同時展開。對于初學(xué)者來說，各個軟/硬件模塊可以采用單獨設(shè)計、單獨調(diào)試的方法進(jìn)行，每個模塊都調(diào)試成功后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。而對熟練的開發(fā)者來說，就另當(dāng)別論了。1.3.3系統(tǒng)集成

當(dāng)各個軟/硬件組件都設(shè)計完畢后，還要將它們合并到一起，得到一個完整的系統(tǒng)，這樣才能運行。當(dāng)然，這個階段并不是僅僅把所有的東西簡單地聯(lián)結(jié)在一起，而是通過系統(tǒng)集成進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改錯誤。這階段的測試與調(diào)試主要是功能性的，即測試電路是否正常工作、軟件是否正常運行。在設(shè)計中，一次就成功的例子是很少的，往往需要反復(fù)多次，特別是開發(fā)設(shè)計大的系統(tǒng)更是這樣。測試的主要方法可以按階段組件架構(gòu)進(jìn)行，這樣可能更容易發(fā)現(xiàn)和識別簡單的錯誤。只有在早期修正這些簡單的錯誤，才能在以后的系統(tǒng)測試中發(fā)現(xiàn)那些只有在系統(tǒng)高負(fù)荷時才能確定的、比較復(fù)雜或是含混的錯誤。必須確保在體系結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件設(shè)計階段，盡可能容易地按階段組裝系統(tǒng)和相對獨立地測試系統(tǒng)功能。1.3.4系統(tǒng)測試

一般地，在系統(tǒng)集成階段發(fā)現(xiàn)的錯誤往往都屬于簡單的、單元性的錯誤，系統(tǒng)集成成功表明系統(tǒng)軟/硬件流程是可以正常執(zhí)行的，但并不一定表示能夠完全符合設(shè)計規(guī)格的要求。系統(tǒng)測試階段主要是進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)規(guī)格的測試，例如測試兆歐表的精度、分辨率、靈敏度、功耗等。這些指標(biāo)在系統(tǒng)集成階段一般是不測試的，只有系統(tǒng)完善后才能進(jìn)行有效的測試。系統(tǒng)測試前必須做好準(zhǔn)備、寫出詳細(xì)的測試方案，包括測試儀器、測試電路原理、測試的詳細(xì)步驟等。 1.4嵌入式操作系統(tǒng)概述

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)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、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，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，使開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、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)實時高效性、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。嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個比較明顯的階段。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系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口，比較適合于各類專用領(lǐng)域。

第二階段：以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(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；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；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)用程序運行。第三階段：通用的嵌入式實時操作系統(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。第四階段：以Internet為標(biāo)志的嵌入式實時操作系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)方向發(fā)展，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著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)合得日益密切，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嵌入式實時操作系統(tǒng)的定義

1.操作系統(tǒng)的定義

操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)是計算機系統(tǒng)中負(fù)責(zé)支撐應(yīng)用程序運行環(huán)境以及用戶操作環(huán)境的系統(tǒng)軟件，同時也是計算機系統(tǒng)的核心與基石。它的職責(zé)通常是合理地組織計算機工作流程，控制程序的執(zhí)行，對硬件直接進(jìn)行監(jiān)管，實現(xiàn)對各種計算資源(如內(nèi)存、處理器時鐘等)的管理，提供諸如作業(yè)管理之類的面向應(yīng)用程序的服務(wù)等。操作系統(tǒng)的理論是計算機科學(xué)中一個古老而又活躍的分支，而操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)則是軟件工業(yè)的基礎(chǔ)與核心。操作系統(tǒng)實際上是一個計算機系統(tǒng)中硬、軟件資源的總指揮部，主要有兩方面的作用：

(1)管理系統(tǒng)中的各種資源，包括硬件資源和軟件資源；

(2)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)則對命令進(jìn)行解釋，驅(qū)動硬件設(shè)備，實現(xiàn)用戶要求。操作系統(tǒng)分為如下四大部分：

(1)驅(qū)動程序：最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分。其職責(zé)是隱藏硬件的具體細(xì)節(jié)，并向其它部分提供一個抽象的、通用的接口。

(2)內(nèi)核：操作系統(tǒng)最核心的部分，通常運行在最高特權(quán)級，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)性、結(jié)構(gòu)性的功能。

(3)支承庫：也稱“接口庫”，是一系列特殊的程序庫。其職責(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。支承庫是最靠近應(yīng)用程序的部分。

(4)外圍：操作系統(tǒng)中除以上三類之外的所有其它部分，通常是用于提供特定高級服務(wù)的部件。例如，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中的大部分系統(tǒng)服務(wù)以及UNIX/Linux中的各種守護(hù)進(jìn)程通常都被劃歸此列。目前，用于通用計算機上的操作系統(tǒng)主要有兩個家族：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。

2.嵌入式實時操作系統(tǒng)的定義

1)實時系統(tǒng)的定義

一般地說，實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)在限定的時間內(nèi)能夠提供所需要的服務(wù)水平的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)根據(jù)對于實時性要求的不同，可以分為軟實時和硬實時兩種類型。軟實時系統(tǒng)要求各個任務(wù)運行得越快越好，但并不苛求任務(wù)運行的時限。如果系統(tǒng)特定的時序得不到滿足，只會引起性能的嚴(yán)重下降，并不產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

硬實時系統(tǒng)不僅要求各個任務(wù)執(zhí)行無誤，而且要求執(zhí)行準(zhǔn)時，如果特定的時序得不到滿足，將會引起災(zāi)難性的后果。

軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)又分別稱為弱實時系統(tǒng)和強實時系統(tǒng)，其特性對比如圖1.6所示。圖1.6兩種實時系統(tǒng)特性對比

2)實時系統(tǒng)的重要特征

在實時系統(tǒng)中，系統(tǒng)的正確性不僅取決于系統(tǒng)計算結(jié)果的正確性，而且還取決于正確結(jié)果產(chǎn)生的時間(在分時系統(tǒng)中，只要滿足前者即可)，即時序。如果出現(xiàn)時序和邏輯的偏差，將會引起嚴(yán)重的后果。

高速系統(tǒng)往往能完成實時運算，但高速系統(tǒng)不等于實時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)強調(diào)的不僅僅是運算速度快，更多的是運算時序和邏輯的準(zhǔn)確、及時。因此，為了滿足運算的準(zhǔn)確和及時，系統(tǒng)行為的可預(yù)測性和可確定性是實時系統(tǒng)的重要特征。大多數(shù)實時系統(tǒng)是軟、硬兩種實時系統(tǒng)的結(jié)合，它們的應(yīng)用涵蓋廣泛的領(lǐng)域，而多數(shù)實時系統(tǒng)又是嵌入式的。這意味著計算機建在系統(tǒng)內(nèi)部，用戶看不到，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)動機控制系統(tǒng)、數(shù)字電視、數(shù)碼相機等。

3)嵌入式操作系統(tǒng)的定義

實時操作系統(tǒng)泛指所有具有一定實時資源調(diào)度和通信能力，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)(Real-TimeEmbeddedOperatingSystem，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)都是實時系統(tǒng)，而且多是硬實時多任務(wù)系統(tǒng)，這就要求相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實時操作系統(tǒng)。所以通常認(rèn)為實時操作系統(tǒng)就是嵌入式操作系統(tǒng)，有時也統(tǒng)稱為嵌入式實時操作系統(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)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。目前，嵌入式操作系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計，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WindowsCE、PalmOS、Real-TimeLinux、VxWorks、μC/OS-Ⅱ、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)實時高效性、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。實時操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個重要分支已成為研究的一個熱點，主要探討實時多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死鎖解除等問題。

3.嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

通常嵌入式操作系統(tǒng)由內(nèi)核(Kernel)、文件系統(tǒng)、存儲器管理系統(tǒng)、I/O管理系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等部分組成，如圖1.7所示。圖1.7嵌入式操作系統(tǒng)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時間，提供任務(wù)管理與調(diào)度、時間管理、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。實時內(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)分成多個獨立的任務(wù)，每個任務(wù)處理程序的一部分，從而簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程。一個好的實時內(nèi)核需要具備以下功能和特點：①任務(wù)管理；②任務(wù)間可以進(jìn)行同步和通信；③實時時鐘服務(wù)；④中斷管理服務(wù)；⑤操作系統(tǒng)的行為是可知的和可預(yù)測的。

操作系統(tǒng)行為的可知性和可預(yù)測性是實時操作系統(tǒng)的本質(zhì)特征。系統(tǒng)的實時性強調(diào)的不是系統(tǒng)運行速率的快和慢，而是強調(diào)能否在規(guī)定的時間內(nèi)完成所需完成的任務(wù)。因此，只有每個行為執(zhí)行的時間都能預(yù)測，才能使系統(tǒng)設(shè)計的實時性指標(biāo)得到可靠的保證。1.4.3評價嵌入式操作系統(tǒng)的幾個重要指標(biāo)

一個實時操作系統(tǒng)的實時性能的主要評測標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)時間、任務(wù)切換時間、中斷延遲、中斷響應(yīng)時間、調(diào)度抖動、調(diào)度延遲等，具體的含義如下：

(1)系統(tǒng)響應(yīng)時間(SystemResponseTime)是系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的時間。這是RTOS一個比較綜合的性能指標(biāo)。

(2)任務(wù)切換時間(Context-SwitchingTime)指運行多任務(wù)時，系統(tǒng)發(fā)生任務(wù)切換、保存和恢復(fù)CPU寄存器內(nèi)容的時間。任務(wù)切換所需要的時間取決于CPU有多少寄存器要出入棧。實時內(nèi)核的性能不應(yīng)該以每秒鐘能做多少次任務(wù)切換來評價。

(3)中斷延遲(InterruptLatency)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間。

(4)中斷響應(yīng)時間定義為從中斷發(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間，它包括開始處理這個中斷前的全部開銷。

(5)調(diào)度抖動(Jitter)是指一個周期性任務(wù)的周期間隔的變化。通常，實時應(yīng)用以周期性任務(wù)的形式被調(diào)度，并且在硬件定時器產(chǎn)生一個中斷喚醒調(diào)度器時開始執(zhí)行。雖然定時器中斷可能發(fā)生得跟時鐘一樣有規(guī)律，但是許多不確定因素會導(dǎo)致調(diào)度器的運行時間變得不確定，導(dǎo)致接下來的任務(wù)的開始時間就會相應(yīng)地變化，這個影響就叫調(diào)度抖動。抖動跟具體的應(yīng)用緊密相關(guān)。

(6)調(diào)度器延遲是指進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，調(diào)度器所花費的時間。精簡的調(diào)度程序和較短的任務(wù)切換間將會獲得較好的實時性能。1.4.4嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點

1.使用嵌入式操作系統(tǒng)的必要性

早期嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備一般都很簡單，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)試起來較為麻煩，應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件密切相關(guān)，一般不講移植，每個系統(tǒng)軟件都要從頭開發(fā)。隨著嵌入式技術(shù)逐步地向深層次發(fā)展，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，已經(jīng)無法滿足高效率開發(fā)的需求。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，為了實現(xiàn)這種思想，人們想到像使用通用計算機平臺一樣，使應(yīng)用程序從硬件的關(guān)聯(lián)中脫離出來，把硬件驅(qū)動交給專用的程序來完成，同時還需要降低程序間的耦合度、解決程序之間相互通信問題，這些工作都可以由操作系統(tǒng)來完成。

首先，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的可靠性。在一個性能良好的控制系統(tǒng)中，出于安全方面的考慮，要求系統(tǒng)至少不能崩潰，進(jìn)一步地還要求系統(tǒng)具有自愈能力。這不僅對硬件電路的可靠性提出了很高的要求，而且還要求在軟件設(shè)計上盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。過去，在前后臺系統(tǒng)模式下，常常采用串行編程的方法設(shè)計軟件，程序模塊之間的耦合度往往較高，一旦系統(tǒng)遇到強干擾，就會使運行的程序產(chǎn)生異常、出錯、跑飛，甚至死循環(huán)，致使系統(tǒng)崩潰。而在嵌入式操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)中，任務(wù)與任務(wù)之間的通信和控制都通過內(nèi)核來實現(xiàn)，相互之間很少有直接的聯(lián)系，在一般情況下，系統(tǒng)受到干擾后可能只是引起若干任務(wù)中的一個被破壞，而這個被破壞的任務(wù)可以通過專門的系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)對其進(jìn)行修復(fù)，如把有問題的任務(wù)刪除掉等。從理論上講，在前后臺系統(tǒng)中也可以設(shè)計專門的系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)來監(jiān)控系統(tǒng)，但是這在實現(xiàn)上往往是很困難的，軟件工作量巨大。引入嵌入式操作系統(tǒng)后，這種監(jiān)控程序的編寫就要簡單得多了，因為很多業(yè)務(wù)都可以交給操作系統(tǒng)來管理。其次，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個復(fù)雜的應(yīng)用程序，通常可以按照軟件工程中的解耦原則將整個程序分解為多個任務(wù)模塊。每個任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提供了良好的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境。再次，嵌入式實時操作系統(tǒng)為并發(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。嵌入式操作系統(tǒng)本來就是為運行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計的，特別適于運行多任務(wù)實時系統(tǒng)。一方面多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行可以極大地提高系統(tǒng)運行效率，降低整體成本；另一方面，多任務(wù)設(shè)計有利于提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆棧和用戶堆棧分開，以及實時地給出CPU的運行狀態(tài)等，允許用戶在系統(tǒng)設(shè)計中從硬件和軟件兩方面對實時內(nèi)核的運行實施保護(hù)。在前后臺模式環(huán)境下，這是一件不可想象的事情。從某種意義上說，沒有操作系統(tǒng)的計算機(裸機)是沒有用的。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計算機嵌入式應(yīng)用。開發(fā)人員一旦使用操作系統(tǒng)，就會對操作系統(tǒng)產(chǎn)生很大的依賴性。

使用嵌入式實時操作系統(tǒng)最大的缺點是增加了額外的ROM/RAM開銷、2%～5%的CPU額外負(fù)荷以及內(nèi)核的費用。

2.嵌入式操作系統(tǒng)的特點

與通用操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點：

(1)體積小。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用閃存和RAM作為存儲介質(zhì)。這就要求嵌入式操作系統(tǒng)只能存儲和運行在有限的空間中，不能使用虛擬內(nèi)存，中斷的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊，體積微小。

(2)實時性強。大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)工作在實時性要求很高的場合。比如，用于控制火箭發(fā)動機的嵌入式系統(tǒng)，它所發(fā)出的指令不僅要求速度快，而且對多個發(fā)動機之間的時序要求也非常嚴(yán)格，否則就會失之毫厘，謬以千里。而一般的通用操作系統(tǒng)主要用于數(shù)值求解，所接受的指令主要是鍵盤輸入和鼠標(biāo)點擊，沒有很嚴(yán)格的時間性要求。即使我們所開發(fā)的并不是那么生命攸關(guān)，或者控制這樣那樣的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)，例如洗衣機、空調(diào)、電冰箱等消費電子產(chǎn)品，但設(shè)備的高可靠性可以有效地降低維護(hù)成本，軟件運行效率高也會降低對CPU的要求，從而降低硬件成本。對于此類價格十分敏感的產(chǎn)品，實時性、可靠性仍然是非常值得重視的問題。因此，實時性強是嵌入式系統(tǒng)最大的優(yōu)點，在嵌入式軟件中最核心的莫過于嵌入式實時操作系統(tǒng)。

(3)可裁剪。首先，從硬件環(huán)境來看，通用計算機系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU存儲和I/O架構(gòu)，而嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境只有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU，沒有標(biāo)準(zhǔn)的存儲、I/O和顯示器單元。

其次，從應(yīng)用環(huán)境來看，通用操作系統(tǒng)面向復(fù)雜多變的應(yīng)用，而嵌入式操作系統(tǒng)面向單一設(shè)備的固定的應(yīng)用。最后，從開發(fā)界面來看，通用操作系統(tǒng)給開發(fā)者提供一個“黑箱”，讓開發(fā)者通過一系列標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用來使用操作系統(tǒng)的功能，而嵌入式操作系統(tǒng)試圖為開發(fā)者提供一個“白箱”，讓開發(fā)者可以自主控制系統(tǒng)的所有資源。通用系統(tǒng)研究開發(fā)的目標(biāo)是盡可能在不改變自身的前途下具有廣泛的適應(yīng)性，而應(yīng)用于嵌入式環(huán)境的RTOS，在研發(fā)的時候就必須立足于面向?qū)ο?，改變自身、開放自身，讓開發(fā)者可以根據(jù)硬件環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境的不同而對操作系統(tǒng)進(jìn)行靈活的裁剪和配置。由于對于任何一個具體的嵌入式設(shè)備，它的功能是確定的，因此只要從原有操作系統(tǒng)中把這個特定應(yīng)用所需的功能拿來即可?？刹眉粜栽谲浖こ屉A段是利用軟件配置方法實現(xiàn)軟件構(gòu)建的“即插即用”。

(4)可靠性高。在大多數(shù)情況下，嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要人的過多干預(yù)，這就要求負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，而通用操作系統(tǒng)則無需具備這種特點。這導(dǎo)致桌面操作環(huán)境與嵌入式環(huán)境在設(shè)計思路上有重大的不同。

通用計算機的應(yīng)用環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)相比而言是不可靠的，而嵌入式環(huán)境假定應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)一樣可靠。這種設(shè)計思路對應(yīng)用開發(fā)人員提出了更高的要求，同時也要求操作系統(tǒng)自身足夠開放。通用操作系統(tǒng)比較龐大復(fù)雜，而嵌入式操作系統(tǒng)提供的資源有限，由于硬件的限制，嵌入式操作系統(tǒng)必須小巧簡捷。對于系統(tǒng)來說，組成越簡單，性能越可靠，組成越復(fù)雜，故障概率越大。局部的不足會導(dǎo)致整體的缺陷，系統(tǒng)中任何部分的不可靠都會導(dǎo)致系統(tǒng)整體的不可靠。

(5)特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。一個完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境一般需要提供的工具是編譯/連接器、內(nèi)核調(diào)試/跟蹤器和集成圖形界面開發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等。1.4.5嵌入式操作系統(tǒng)的分類

目前，嵌入式操作系統(tǒng)總數(shù)超過150個。國外嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟。國內(nèi)嵌入式操作系統(tǒng)的研究開發(fā)有兩種類型，一類是基于國外操作系統(tǒng)二次開發(fā)完成的，如海信集團(tuán)的基于WindowsCE的機頂盒系統(tǒng)；另一類是中國自主開發(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)HopenOS(女媧計劃)、北京科銀京成技術(shù)有限公司開發(fā)的DeltaOS(道系統(tǒng))等。從應(yīng)用面來分類，嵌入式操作系統(tǒng)可分為面向低端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)和面向高端設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)兩類。低端設(shè)備如各種工業(yè)控制系統(tǒng)、計算機外設(shè)、民用消費品的微波爐、洗衣機、冰箱等，其典型的操作系統(tǒng)是μC/OS-Ⅱ。高端設(shè)備如信息化家電、掌上電腦、機頂盒、WAP手機、路由器，常用的操作系統(tǒng)有WindowsCE、Linux等。

從專業(yè)化程度來分類，嵌入式操作系統(tǒng)可分為通用型嵌入式操作系統(tǒng)和專用型嵌入式操作系統(tǒng)兩類。常見的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、VxWorks、WindowsCE、μC/OS-Ⅱ等。常用的專用型嵌入式操作系統(tǒng)有SmartPhone、PocketPC、Symbian等。按實時性要求來分類，嵌入式操作系統(tǒng)可分為強(硬)實時性嵌入式操作系統(tǒng)和弱(軟)實時性嵌入式操作系統(tǒng)兩類。強實時性嵌入式操作系統(tǒng)主要面向控制、通信等領(lǐng)域，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等。弱實時性嵌入式操作系統(tǒng)主要面向消費類電子產(chǎn)品(包括PDA、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等)，如微軟面向手機應(yīng)用的SmartPhone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)的一個分支，嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，但它們的區(qū)別也是很明顯的，主要表現(xiàn)在設(shè)計目標(biāo)不同、調(diào)度原則不同、內(nèi)存管理機制不同、實時性不同、穩(wěn)定性及交互性不同等幾個方面。

(1)設(shè)計目標(biāo)不同。通用操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是追求最大的吞吐率，強調(diào)系統(tǒng)整體性能最佳。通用操作系統(tǒng)多數(shù)由分時操作系統(tǒng)發(fā)展而來，大部分支持多用戶和多進(jìn)程。而分時操作系統(tǒng)的基本設(shè)計目標(biāo)是：盡量縮短系統(tǒng)平均響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的吞吐率，在單位時間內(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)計原則，但也因此喪失了系統(tǒng)行為的可確定性和可預(yù)測性。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)用的各種實時性要求。而實時性目標(biāo)是采用各種算法和策略，始終保證系統(tǒng)行為的可預(yù)測性?？深A(yù)測性是指在系統(tǒng)運行的任何時刻、任何情況下，嵌入式操作系統(tǒng)都能為爭奪資源(包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等)的多個實時任務(wù)合理地分配資源，使每個實時任務(wù)的實時性要求都能得到滿足。系統(tǒng)行為的可預(yù)測性是嵌入式操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的根本區(qū)別。

由于通用操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計原則不同，導(dǎo)致二者在資源調(diào)度策略的選擇上、操作系統(tǒng)實現(xiàn)的方法上都有較大差異。

(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；而嵌入式操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的實時性要求，多數(shù)采用的是基于優(yōu)先級的可剝奪的調(diào)度策略。

(3)內(nèi)存管理機制不同。通用計算機系統(tǒng)為了存儲和運行海量程序，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)，為用戶提供一個功能強大的虛擬機，但因虛存機制引起的缺頁掉頁現(xiàn)象會給系統(tǒng)帶來不確定性。而嵌入式系統(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，因此嵌入式實時操作系統(tǒng)很少或有限地使用虛存技術(shù)。

(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)針對的通用計算機系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)化的CPU、存儲和I/O架構(gòu)。為了最大限度地兼容各種軟/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，而且通用操作系統(tǒng)通過屏蔽底層資源，為開發(fā)者提供了一系列標(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)一般都具有人機友好的開發(fā)界面。嵌入式操作系統(tǒng)的硬件資源則相對比較苛刻，通常沒有標(biāo)準(zhǔn)化的存儲、I/O和顯示器架構(gòu)，內(nèi)存容量一般都比較小，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)，控制邏輯相對固定。嵌入式系統(tǒng)的工作過程是在高度自動化和高度專業(yè)化的前提下完成的，通常很少出現(xiàn)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)具有較強的穩(wěn)定性。

(5)實時性不同。通用操作系統(tǒng)一般是根據(jù)用戶利用鍵盤和鼠標(biāo)發(fā)出的命令來進(jìn)行工作的，在時序上并不十分嚴(yán)格。嵌入式操作系統(tǒng)主要是對儀器設(shè)備的動作進(jìn)行監(jiān)測控制，有很大一部分都具有嚴(yán)格的時序要求，特別是在像航空航天器那樣的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中，實時性的要求可能達(dá)到微秒量級。在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，非實時的通用操作系統(tǒng)無法勝任。

1.5μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)概述

μC/OS-Ⅱ是1992年美國人JeanLabrosse編寫的適合于小巧控制器的嵌入式實時操作系統(tǒng)，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機控制、航空器、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等，其中μ是指Micro，C是指Control。2000年下半年，中國電力出版社購得μC/OS-Ⅱ一書中譯本的版權(quán)，譯者是清華大學(xué)教授邵貝貝先生和他的研究生們。μC/OS-Ⅱ一進(jìn)入中國，就受到了中國嵌入式系統(tǒng)工程師、高校師生的極大關(guān)注。

μC/OS-Ⅱ是專門為單片機嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的，主體代碼用標(biāo)準(zhǔn)的ANSIC語言編寫而成，十分易于移植。目前μC/OS-Ⅱ已經(jīng)成功地移植到了40多種CPU上，涵蓋8位、16位、32位和64位等多種機型，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就提供了μC/OS-Ⅱ的移植代碼，如Motorola的16位56800系列單片機。μC/OS-Ⅱ有良好應(yīng)用環(huán)境和相當(dāng)大的應(yīng)用群體，在現(xiàn)在中國的嵌入式領(lǐng)域，幾乎到處都可以見到μC/OS-Ⅱ的影子。1.5.1μC/OS-Ⅱ的特點

μC/OS-Ⅱ主要有一個內(nèi)核，只有任務(wù)管理和任務(wù)調(diào)度，無文件系統(tǒng)、界面系統(tǒng)、外設(shè)管理系統(tǒng)等。其特點是小巧、源代碼公開、注解詳細(xì)、實時性強、可移植性好、多任務(wù)、基于優(yōu)先級的可剝奪型調(diào)度。

(1)源代碼公開。許多商業(yè)實時內(nèi)核的軟件都提供源代碼，但是μC/OS-Ⅱ注解更詳盡，組織更有序，內(nèi)核結(jié)構(gòu)更清晰，工作原理更容易理解，代碼寫得干凈漂亮、和諧一致。

(2)可移植(Portable)。μC/OS-Ⅱ的絕大部分源代碼是用ANSIC編寫的，具有很強的可移植性，只有與微處理器硬件相關(guān)的那部分代碼是用匯編語言寫的，而且已經(jīng)壓到了最低限度。μC/OS-Ⅱ可以在絕大多數(shù)8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器上運行。μC/OS-Ⅱ移植到其它微處理器上只需要改寫很少的代碼，通常移植的全部工作只需要一兩個小時到一兩周的時間即可完成。μC/OS-Ⅱ移植的條件是：CPU必須有堆棧指針、有內(nèi)部寄存器入棧和出棧指令，使用的C編譯器必須支持內(nèi)嵌匯編(InlineAssembly)或者該C語言可擴展、可連接匯編模塊，使得關(guān)中斷、開中斷能在C語言程序中實現(xiàn)。

(3)可固化(ROMable)。μC/OS-Ⅱ是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的，只要具備合適的系列軟件(C編譯、連接、下載/固化)，μC/OS-Ⅱ就可以嵌入到嵌入式計算機系統(tǒng)的ROM中成為其一部分。

(4)可裁剪(Scalable)。μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)定義了條件編譯開關(guān)量，對不需要的服務(wù)可以通過條件編譯予以裁剪，只使用μC/OS-Ⅱ中應(yīng)用程序需要的那些系統(tǒng)服務(wù)。代碼最小可以裁剪到2KB左右，這樣就可以最大限度地減少產(chǎn)品中的μC/OS-Ⅱ所需的存儲空間(RAM和ROM)。

(5)可剝奪(Preemptive)。μC/OS-Ⅱ完全是可剝奪型的實時內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)總是可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)。這種內(nèi)核的實時性比不可剝奪型內(nèi)核要好。大多數(shù)商業(yè)內(nèi)核也是可剝奪型的，μC/OS-Ⅱ在性能上和它們類似。

(6)多任務(wù)。μC/OS-Ⅱ可以管理64個任務(wù)，然而目前這一版本(μC/OS-ⅡV2.52)需保留8個給μC/OS-Ⅱ。μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用程序最多可以有56個任務(wù)，賦予每個任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，這意味著μC/OS-Ⅱ不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法(Round-RobinScheduling)，該調(diào)度法適用于調(diào)度優(yōu)先級平等的任務(wù)。

(7)可確定性。μC/OS-Ⅱ的絕大部分函數(shù)的執(zhí)行時間具有可確定性，除了函數(shù)OSTimeTick()和某些事件標(biāo)志服務(wù)外，μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少，用戶總是能知道μC/OS-Ⅱ的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長時間。

(8)任務(wù)棧。μC/OS-Ⅱ允許每個任務(wù)都有自己單獨的棧，不同的任務(wù)有不同的棧空間，而且每個棧空間的大小可以根據(jù)實際需要單獨定義，以便壓低系統(tǒng)對RAM的需求量。應(yīng)用μC/OS-Ⅱ的堆棧校驗函數(shù)，可以確定每個任務(wù)到底需要多少?？臻g。

(9)系統(tǒng)服務(wù)。μC/OS-Ⅱ可以提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、互斥性信號量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放及時間管理函數(shù)等。

(10)中斷管理。μC/OS-Ⅱ的中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層，中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時掛起，如果中斷使更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則高優(yōu)先級的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行。

(11)穩(wěn)定性與可靠性。μC/OS-Ⅱ是μC/OS的升級版，自1992年以來就已經(jīng)有了好幾百種商業(yè)應(yīng)用。μC/OS-Ⅱ的每一種功能、每一個函數(shù)及每一行代碼都經(jīng)過了考驗與測試。2000年7月，μC/OS-Ⅱ在一個航空項目中得到了美國聯(lián)邦航空管理局(FederalAviationAdministration)對于商用飛機、符合RTCADO-178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，能用于性命攸關(guān)、安全條件極為苛刻的系統(tǒng)中。1.5.2μC/OS-Ⅱ內(nèi)核文件組成

如圖1.8所示，μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核總共有16個文件，其中11個文件與微處理器類型無關(guān)，移植后無需修改，可直接使用；3個文件與CPU類型相關(guān)，在移植時需要根據(jù)CPU情況進(jìn)行修改；2個文件與具體應(yīng)用有關(guān)。圖1.8μC/OS-Ⅱ內(nèi)核文件組成1.5.3如何學(xué)好μC/OS-Ⅱ

相比其它嵌入式實時操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ的特點在于源代碼小、源代碼公開、有詳盡的解釋、科研和教學(xué)可免費使用。正因為其小，所以便于學(xué)習(xí)、研究、理解和掌握；也因為其小，所以更便于廣大的低端用戶和小系統(tǒng)使用。那么我們?nèi)绾螌W(xué)好μC/OS-Ⅱ呢？學(xué)習(xí)μC/OS-Ⅱ可以簡單概述為以下幾