51單片機(jī)課件第11章

第11章嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）是嵌入到應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括微控制器MCU(單片機(jī))、微處理器MPU、數(shù)字信號(hào)處理器DSP和嵌入式片上系統(tǒng)SOC等。它們都得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。11.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)是當(dāng)今最熱門的概念之一,單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)中重要組成部分。嵌入式系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年,1971年Intel公司推出了世界上第一塊微處理器4004,進(jìn)入微型機(jī)時(shí)代。從應(yīng)用角度,計(jì)算機(jī)形成兩大分支:一類是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、工作站等;一類是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入到應(yīng)用對(duì)象中的專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)硬件和軟件結(jié)合起來(lái),構(gòu)成一個(gè)專門的計(jì)算裝置，作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)或電子設(shè)備的一部分，嵌入在其中，以完成特定的功能或任務(wù)。11.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義根據(jù)IEEE定義,嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)

是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”(devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment.machineryorplants.）。普遍認(rèn)可的定義是：

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和硬件的綜合體,以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件、硬件可裁減,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的技術(shù),具有很強(qiáng)的專用性，它和具體的應(yīng)用密切相結(jié)合,而且大多數(shù)的最終結(jié)果是面向用戶的產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù),將微電子、電子、自動(dòng)化、儀器儀表、多媒體技術(shù)等集成在一起的系統(tǒng),

將這些技術(shù)融于應(yīng)用之中,不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展。嵌入式技術(shù)是將計(jì)算機(jī)的軟件和硬件緊密結(jié)合的技術(shù)。它根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)象,根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能、可靠性、成本、體積等要求,可以對(duì)軟硬件配置進(jìn)行合理剪裁。由于嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，涉及到越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，使它成為當(dāng)代非常熱門和發(fā)展很快的技術(shù)之一。

11.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.高度集成性是多種技術(shù)和知識(shí)高度集成的系統(tǒng)，是硬件和軟件高度集成的系統(tǒng),是將系統(tǒng)和應(yīng)用高度集成的技術(shù)。2.應(yīng)用專用性它為特定的應(yīng)用服務(wù)的,和具體應(yīng)用有結(jié)合一起。使得其應(yīng)用廣泛，種類繁多。3.軟件固化性軟件作為固件,固化在ROM中，程序直接在ROM芯片上運(yùn)行。是軟硬件一體化的系統(tǒng)，4.實(shí)時(shí)性支持實(shí)時(shí)的控制任務(wù)。強(qiáng)大的中斷處理機(jī)制,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，支持多任務(wù)實(shí)時(shí)操作。5.高可靠性。小型化和高可靠性。11.1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.工業(yè)控制2.交通管理3.信息家電4.智能家居管理5.電子商務(wù)6.機(jī)器人7.智能儀器儀表8.航空航天和軍事領(lǐng)域

從某種意義上看，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)是無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不有的設(shè)備了。11.2嵌入式系統(tǒng)的硬件11.2.1嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成11.2.2嵌入式系統(tǒng)的硬件嵌入式系統(tǒng)的硬件包括所有能實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),形式上可分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)和器件級(jí)產(chǎn)品。系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品包括各種總線方式的工控機(jī)、嵌入式工控PC機(jī)、PC-104標(biāo)準(zhǔn)嵌入式PC機(jī)及用作無(wú)盤工作站的瘦客戶機(jī)等及工業(yè)上可編程邏輯控制器PLC。板級(jí)系統(tǒng)典型產(chǎn)品是單板機(jī),包括各種帶CPU和程序存儲(chǔ)器的主板及配套OEM產(chǎn)品。板級(jí)產(chǎn)品采用小板結(jié)構(gòu),部件間用接插件連接,利用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,構(gòu)成體積小、可靠性高的一個(gè)嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快的是器件級(jí)的產(chǎn)品，它包括微控制器MCU（單片機(jī)）、微處理器MPU、數(shù)字信號(hào)處理器DSP和嵌入式片上系統(tǒng)SOC。11.2.3微控制器MCU

微控制器(MCU)技術(shù),即單片機(jī)(SingleChipMicrocomputer)技術(shù)。嵌入式應(yīng)用是從單片機(jī)開始。隨著VLSI技術(shù)發(fā)展,將CPU、一定容量存儲(chǔ)器和定時(shí)器、接口等集成在一個(gè)芯片中,就形成了單片機(jī)。只用單片機(jī)和少量外圍電路就構(gòu)成實(shí)用的嵌入式機(jī)系統(tǒng)。

1974年美國(guó)仙童(Fairchild)公司首先推出8位單片機(jī)F8,1976年開始,Intel公司MCS-51為代表,相繼誕生了Intel公司8051系列、Motorola公司MC6801、MC6805系列、Zilog公司Z8系列等8位單片機(jī)。1982年以后,推出了16位單片機(jī)。90年代以來(lái),各大公司相繼發(fā)展成系列單片機(jī)產(chǎn)品,單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。11.2.4嵌入式微處理器EMPU嵌入式微處理器EMPU(EmbeddedMicroProcess

Unit)是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)形成。它能處理32位以上的數(shù)據(jù),但只保留了與嵌入式應(yīng)用密切相關(guān)的功能硬件,以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用的特殊要求。具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這類嵌入式系統(tǒng)一般都有良好的開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)支持。目前主要的32位、64位的嵌入式微處理器包括有：

ARM技術(shù)、MIPS技術(shù)、PowerPC技術(shù)、X86技術(shù)和MC68K/Coldfire技術(shù)等微處理器產(chǎn)品。1.ARM處理器技術(shù)

ARM的16位/32位嵌入式處理器技術(shù)是世界上應(yīng)用最為普遍的嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)。

ARM公司(AdvancedRISCMachines,Ltd.)是世界上最大的一家知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司,1990年11月在英國(guó)劍橋成立。它通過出售芯片技術(shù)的授權(quán),建立一種新型的微處理器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售的商業(yè)模式,取得極大的成功。采用ARM技術(shù)IP核的微處理器遍及各類電子產(chǎn)品。

ARM知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)的用戶眾多,包括Intel,IBM,LG半導(dǎo)體,NEC,SONY,PHILIPS和NS等大半導(dǎo)體公司，微軟等知名的軟件公司和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)開發(fā)商。也包括電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和工具供應(yīng)商、應(yīng)用軟件公司、晶片制造商和設(shè)計(jì)中心等。

ARM微處理器的特點(diǎn)：

體積小、低功耗、低成本、高性能；支持16位Thumb和32位ARM雙指令集,兼容8/16位

大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；指令長(zhǎng)度固定，尋址方式簡(jiǎn)單靈活，執(zhí)行效率高；

全球有眾多的合作伙伴?；贏RM處理器核的典型產(chǎn)品如下：

Intel公司的StrongARM的系列：SA-110等；

Philips公司的ARM產(chǎn)品：LPC2106/2105/2104等；

Samsung公司的ARM系列：S3C2400、S3C3410等

Atmel公司的AT91系列：AT91RM9200等；

CirrusLogic公司的ARM系列：EP7209、7211等；

Aplio公司的ARM系列：Aplio/TRIO；等等。ARM處理器目前有5個(gè)系列產(chǎn)品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11和Coretex系列。其中。ARM7為低功耗的32位核,最適于要求低成本低功耗的產(chǎn)品,又分為適用于實(shí)時(shí)環(huán)境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S,適用于開放平臺(tái)的ARM720T,以及適用于DSP運(yùn)算和支持Java的ARM7EJ等。采用ARM技術(shù)的IP核在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得或正在取得很大的成功。它們包括：無(wú)線通信/PDA（掌上電腦）、藍(lán)牙技術(shù)、寬帶聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、消費(fèi)電子（音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒等）、汽車電子、影像設(shè)備、安全產(chǎn)品、智能卡技術(shù)等。

2.MIPS

處理器技術(shù)

MIPS(MicroprocessorWithoutInterlockedPipelineStages)是MIPS公司開發(fā)的嵌入式32位和64位處理器內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)。MIPS公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能32位/64

位嵌入式微處理器的廠商。先后發(fā)布了MIPS32和

MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),陸續(xù)開發(fā)出高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核

MIPS645Kc,MIPS6420Kc系列和低端SmartMIPS.

MIPS芯片廣泛應(yīng)用于高性能低功耗片上系統(tǒng)等,如:

掌上電腦、信息家電、數(shù)字信息管理等；智能電話、可視電話、手機(jī)、3G手機(jī)等；數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝象機(jī)、機(jī)頂盒、DVD播放器等；打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀等；自動(dòng)化系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、圖形系統(tǒng)、ATM終端等。MIPS公司32位嵌入式微處理器MIPS32的特性:

與ISA的MIPSI、N和MIPSⅡYM指令體系兼容增強(qiáng)的狀態(tài)傳送和數(shù)據(jù)預(yù)取指令；標(biāo)準(zhǔn)的DSP操作：乘(MUL)、乘加(MADD)及

CountleadingI/O(CLI/O)；優(yōu)先的CacheLoad/Control操作；

穩(wěn)定的3操作數(shù)Load/StoreRISC指令體系；

可選的浮點(diǎn)數(shù)支持，可選的存儲(chǔ)器管理單元，可選的Cache；

向上與MIPS64N體系兼容；

增強(qiáng)的JTAG(EJTAG)提供不受干擾的調(diào)試支持3.PowerPC處理器技術(shù)

PowerPC架構(gòu)特點(diǎn)是可伸縮性好,應(yīng)用靈活方便.PowerPC處理器的品種很多，既有通用的微處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核。

PowerPC微處理器的應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備等各個(gè)方面?；赑owerPC嵌入式處理器有：

IBM公司的PowerPC405和PowerPC440。

Motorola公司的MPC823e等。

IBM公司PowerPC405是集成了10M/100M以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其它外設(shè)接口的高性能嵌入式處理器。它是專門用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高性能嵌入式處理器；應(yīng)用程序源代碼兼容其它PowerPC處理器；最高可達(dá)133MHz外頻的

64位CoreConnect體系結(jié)構(gòu)；提供具有創(chuàng)新意義的

CodePack代碼壓縮技術(shù)；可定制SoC設(shè)計(jì)等特性縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

Motorola公司MPC823e

是一個(gè)高度綜合的片上系統(tǒng),它結(jié)合了PowerPC核心、通信處理器、顯示控制器等功能。使用帶有大量數(shù)據(jù)和指令高速緩存的雙處理器結(jié)構(gòu),使用RISC整數(shù)處理器和特殊的32位標(biāo)量RISC通信處理器來(lái)提供高性能。4.X86系列處理器技術(shù)

X86系列處理器起源于Intel公司8080架構(gòu),基于X86

處理器核的嵌入式微處理器是以嵌入式應(yīng)用為目標(biāo)，形成了嵌入式微處理器EMPU。包括有：

GeodeSP1SC10

它具有非妥協(xié)網(wǎng)絡(luò)訪問、硬件

MPEG-2音頻和視頻解碼器,TV解碼器,Modem,10M/100Mbps以太網(wǎng)、各種固化的通信和外設(shè)接口。高度集成的X86SOC系列。

ST微電子公司的STPC系列,最新的3個(gè)產(chǎn)品為：

STPCElite:應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“服務(wù)器產(chǎn)品引擎”;

STPCConstumer-Ⅱ：“TV產(chǎn)品引擎”;

STPCArias：“網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品/終端引擎”。5.MC68K/Coldfire處理器技術(shù)

Motorola公司的MC68K/Coldfire技術(shù)也是應(yīng)用很多的產(chǎn)品。其中,Motorola公司的68000是出現(xiàn)比較早的一款嵌入式處理器,最初曾用于Apple公司的Machitosh計(jì)算機(jī)上,SUN公司也把它用在其早期的工作站上。現(xiàn)在,該款芯片已完全用于嵌入式系統(tǒng)了。

1994年Motorola公司推出了基于RISC結(jié)構(gòu)的68K/ColdFire系統(tǒng)微處理器。目前,基于該架構(gòu)的嵌入式微處理器主要有MCF5272，它基于第2代的ColdfireV2核心，是迄今速度最高的V2性能芯片。MCF5272共用68K的編程模式，并為通信外圍設(shè)備組的需要提供了更高性能的選擇。11.2.5嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器DSP

DSP處理器(DigitalSignalProsessor)是專門用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的處理器。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，采用哈佛結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器；提供快速的離散時(shí)間的信號(hào)處理指令，使得具有很高的編譯效率和非?？斓闹噶顖?zhí)行速度。嵌入式DSP數(shù)據(jù)處理速度快、良好的實(shí)時(shí)特性、方便的硬件軟件接口。在通信,聲音,圖像處理方面,在數(shù)字濾波,頻譜分析等儀器上，得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用的有德州儀器公司TI的TMS320系列和

Motorola公司的DSP56000系列等產(chǎn)品。

Intel公司的MCS-296和Siemens的TriCore等。6.嵌入式片上系統(tǒng)SOC

嵌入式片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip),是在單一硅芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。有時(shí)也特指一些具有專門功能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的VLSI芯片。

SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可大量使用已有的IP核,大大縮短開發(fā)周期。由于IC工藝發(fā)展,使得芯片體積縮小,功耗、可靠性也得到提高。

SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件、硬件無(wú)縫連接。它不僅將絕大部分系統(tǒng)在芯片內(nèi)構(gòu)成。而且芯片內(nèi)直接嵌入操作系統(tǒng)代碼模塊，軟硬件密切配合，

SOC產(chǎn)品是專用的,有少量的通用系列產(chǎn)品。

Altera、Xilinx等公司提出了基于PLD、FPGA的

SoPC(SystemonProgrammableChip)。11.3嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件包括有嵌入式操作系統(tǒng)、一系列的支撐軟件等系統(tǒng)軟件，和在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的各種應(yīng)用軟件。從其功能上劃分，嵌入式系統(tǒng)的軟件可分為:

處于軟件和硬件之間的中間層(硬件抽象層)、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用平臺(tái)最外層的應(yīng)用程序。11.3.1硬件抽象層又稱板級(jí)支持包BSP(BoardSupportPackage),是操作系統(tǒng)與目標(biāo)硬件環(huán)境的中間接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的支持，它具有很強(qiáng)的對(duì)硬件的相關(guān)性，包含大量的與處理器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。開發(fā)一個(gè)性能穩(wěn)定可靠、可移植性強(qiáng)、可配置性好、規(guī)范化的板級(jí)支持程序包將大大提高嵌入式操作系統(tǒng)的功能，并將極大地縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本。

BSP的功能包括有：⑴.在系統(tǒng)啟動(dòng)之初，完成系統(tǒng)加電復(fù)位、初始化各種設(shè)備、對(duì)設(shè)備的中斷、CPU的寄存器和內(nèi)存區(qū)的分配、裝入操作系統(tǒng)等。對(duì)硬件系統(tǒng)初始化時(shí),應(yīng)完成如下的工作：把系統(tǒng)程序代碼定位到CPU跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的內(nèi)存入口處.

根據(jù)啟動(dòng)時(shí)硬件要求，將CPU設(shè)定為特定狀態(tài)。內(nèi)存初始化,分別安排代碼、數(shù)據(jù)、堆棧等不同區(qū)域.

如果有嵌入式操作系統(tǒng)，需要將操作系統(tǒng)的代碼或有關(guān)數(shù)據(jù)加載到RAM中。在操作系統(tǒng)初始化前，將硬件置為原始靜止?fàn)顟B(tài)。⑵.為上層軟件訪問硬件提供驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)包，使其能與硬件更好地配合運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常要訪問設(shè)備的寄存器，并對(duì)其進(jìn)行操作。

為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件手段,要完成以下工作：將中斷服務(wù)程序和向量表掛載,以正確完成中斷響應(yīng).創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，將硬件設(shè)備描述為包含硬件主要參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得上層軟件可以直接訪問它。為驅(qū)動(dòng)程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)和可重用性措施。11.3.2嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)EOS(EmbeddedOperatingSystem)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件。包括有與硬件有關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)的內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面等。作用是負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)全部軟件、硬件資源的分配、進(jìn)程的調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)并發(fā)的活動(dòng)。具有通用操作系統(tǒng)基本特點(diǎn),能有效地管理系統(tǒng)資源,提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集及應(yīng)用程序等。能夠通過剪裁和裝卸某些模塊達(dá)到應(yīng)用系統(tǒng)要求的功能。在實(shí)時(shí)性、和硬件的密切相關(guān)性、軟件的固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)：小巧：軟件固化在ROM中,小巧以滿足硬件限制。實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)工作要求實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，大部分是使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS?？裳b卸：能夠根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行裝配裝卸和剪裁，提供一個(gè)開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。代碼固化：系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都被固化于ROM中。交互性弱：人機(jī)交互功能比較弱,不提供操作命令.

穩(wěn)定性強(qiáng)：連續(xù)運(yùn)行，有較高的穩(wěn)定性。接口統(tǒng)一：接口有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為嵌入式應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供和操作系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)關(guān)的環(huán)境。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)RTOS和非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS面向工業(yè)控制、通信等應(yīng)用。這類實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)有：美國(guó)風(fēng)河公司(WindRiver)設(shè)計(jì)開發(fā)的VxWorks，

ISI公司pSOS，QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX，

ATI公司的Nucleus等。非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用消費(fèi)電子產(chǎn)品中,有個(gè)人數(shù)字助理PDA,移動(dòng)通信(手機(jī)),機(jī)頂盒,電子圖書等.

這類非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)有:

微軟公司的WindowsEmbedded

產(chǎn)品家族，嵌入式操作系統(tǒng)μcLinux等。實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTOS

兩個(gè)重要特性：實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)常用“系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間”來(lái)衡量?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)常用平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBF衡量。主要功能是任務(wù)(進(jìn)程)管理,任務(wù)間同步和通信,存儲(chǔ)器管理,實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù),中斷管理和外設(shè)的管理。

RTOS多任務(wù).任務(wù)可并發(fā)執(zhí)行。常用的任務(wù)調(diào)度算法為:優(yōu)先級(jí)加輪詢,非搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度,按優(yōu)先級(jí)搶占的調(diào)度算法。任務(wù)間通信與同步機(jī)制為:郵箱,隊(duì)列,信號(hào)量,事件標(biāo)志.基于任務(wù)的設(shè)計(jì)可擴(kuò)展,可管理,提高可性.RTOS一般可裁減、移植，適用于多種硬件環(huán)境，可以和應(yīng)用程序一起固化到應(yīng)用程序中。1.WindowsCE

WindowsCE是微軟公司開發(fā)的開放,可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)。先后推出了

CE1.0、

CE3.0、WindowsNTEmbedded4.0、帶有ServerApplianceKit的Windows2000、WindowsCE.NET等。

WindowsCE的優(yōu)勢(shì),因?yàn)槿藗儗?duì)Windows的熟悉。

WindowsCE建立在流行的X86結(jié)構(gòu)，可以很靈活地設(shè)計(jì)硬件，可供選擇的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序相當(dāng)多。微軟公司提供了有WindowsEnbeddedStudio開發(fā)工具。許多軟件開發(fā)商可以提供現(xiàn)成的應(yīng)用程序。

WindowsCE系統(tǒng)代碼量大,價(jià)格高,實(shí)時(shí)響應(yīng)差等缺點(diǎn)。需要購(gòu)買開發(fā)軟件,產(chǎn)品還要交納專利使用費(fèi)。

2.VxWorks

VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司(WindRiverSystem公司)

開發(fā)的高性能、可裁減的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng).

它以高性能的內(nèi)核、良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)中。美國(guó)的F-16、F-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2轟炸機(jī)和愛國(guó)者導(dǎo)彈,以及美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室研制的兩次在火星表面登陸的著名“索杰納”火星車都采用了該操作系統(tǒng)。基本組成包括Wind內(nèi)核、I/O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、板級(jí)支持包BSP、高級(jí)網(wǎng)絡(luò)支持及系統(tǒng)應(yīng)用等部分。它占用很小的存儲(chǔ)空間,支持高度裁減,保證系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。

VxWorks主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：支持的CPU：PowerPC、68K、CPU32、Space、

i960、X86、MIPS等，也支持RISC、DSP技術(shù)。它的微內(nèi)核Wind支持快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、多樣化的任務(wù)間通信等。較好的可剪裁能力,可剪裁的組件超過80個(gè)。用戶可根據(jù)目標(biāo)功能要求,通過交叉開發(fā)環(huán)境進(jìn)行配置。支持應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)連接和動(dòng)態(tài)下載,縮短調(diào)試周期。較好的兼容性。和POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容,提供1003.1b標(biāo)準(zhǔn)接口。POSIX是ISO/IEEE標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)操作系統(tǒng)的軟件標(biāo)準(zhǔn)。高可靠性、高可用性和高安全性。

3.其它商用嵌入式操作系統(tǒng)

QNX是加拿大QNX軟件系統(tǒng)公司的一個(gè)實(shí)時(shí),微核,

基于優(yōu)先級(jí),消息傳遞,搶占式多任務(wù),多用戶,具有容錯(cuò)能力的、可擴(kuò)充的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。

pSOS是IntergratedSystem公司提供的模塊化,高性能的RTOS.提供基于開放系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)多任務(wù)環(huán)境。

PalmOS是著名網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM下的Palm掌上電腦公司產(chǎn)品—Palm使用的一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng).

NucleusPLUS是美國(guó)最大源代碼操作系統(tǒng)商ATI公司(現(xiàn)為MentorGraphicsESD)推出的新一代RTOS.

實(shí)時(shí)響應(yīng),搶先,多任務(wù),源代碼開放特性,廣泛應(yīng)用。我國(guó)“女媧”計(jì)劃推出自主版權(quán)的Hopen實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)等。源代碼開放（C代碼）的嵌入式操作系統(tǒng):4.嵌入式操作系統(tǒng)μcos/Ⅱ

嵌入式操作系統(tǒng)μcos/Ⅱ全文為“microCOS2”，即微控制器操作系統(tǒng)版本2。它是由J·Labrosse先生編寫的一個(gè)免費(fèi)的源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，它提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需要的基本功能，是一個(gè)完整的、可移植的、可固化的、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)的內(nèi)核。其核心代碼短小精悍，如果針對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化，還可以獲得更高的執(zhí)行效率。

μcos/Ⅱ內(nèi)核主要功能是解決任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理,

時(shí)間管理、任務(wù)間的通信與同步、內(nèi)存管理等。

μC/OS—Ⅱ主要特點(diǎn)是：源代碼公開.很容易應(yīng)用于不同的硬件平臺(tái)上?？梢浦残?大部分代碼用ANSIC寫成,可移植性強(qiáng),

可在大多數(shù)處理器、數(shù)字信號(hào)處理器上運(yùn)行?？勺约壕帉懸浦泊a,網(wǎng)站可下載處理器的移植代碼。可裁剪性.可針對(duì)自己的硬件優(yōu)化代碼,實(shí)際代碼最少2.7KB.用戶可以自己添加所需要的各種服務(wù)。支持搶占式多任務(wù),最多管理優(yōu)先級(jí)不同的64個(gè)任務(wù).

按搶占式多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。提供時(shí)間管理服務(wù),提供四種同步對(duì)象：信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列和事件?？晒袒?把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)管理。其包含全部功能的核心部分代碼只占用8.3KB。實(shí)用和可靠性。μC/OS—Ⅱ是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，只提供了基本功能。沒有提供API函數(shù)接口，需要用戶自己添加所需要的各種工作。目前已有第三方為μC/OS-Ⅱ開發(fā)的文件系統(tǒng)、

TCP/IP協(xié)議棧、用戶顯示接口等。目前移植實(shí)例包括：

Intel公司的80x86、8051、80196等，

Motorola公司的PowerPC、68K、CPU32等，

TI公司的TMS320系列，Zilog公司的Z-80、Z-180，

及AnalogDevice公司,ARM公司,日立公司,三菱公司,

飛立浦公司和西門子公司的各種微處理器。5.嵌入式操作系統(tǒng)μcLinux

μcLinux(Micro-Control-Linux)是對(duì)微控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng),源代碼開放并且遵循GPL協(xié)議。它從Linux移植過來(lái),現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。

μcLinux是專門面向MCU的,高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux.體積小,保持了Linux的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定,良好的移植性,優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能,完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持,以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。包含豐富的功能,包括文件系統(tǒng)、各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、通信模塊、TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB服務(wù)器的代碼。已經(jīng)移植在幾乎所有的硬件平臺(tái)上。

μcLinux的代碼可以從網(wǎng)上獲得，進(jìn)行模塊移植。

μcLinux的主要特點(diǎn)有：源代碼開放,遵循GPL協(xié)議,眾多開發(fā)人員和愛好者.

內(nèi)核精小,是高度優(yōu)化的,代碼緊湊的嵌入式操作系統(tǒng).內(nèi)核小于512KB,內(nèi)核加文件系統(tǒng)小于900KB。豐富的軟件支持,保持了Linux標(biāo)準(zhǔn)豐富的API函數(shù)，功能包括文件系統(tǒng),各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序,通信模塊、

TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB服務(wù)器的代碼。優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能.支持TCP/IP和其它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。穩(wěn)定可靠而且高效。應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要用于信息家電、PDA、機(jī)頂盒、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療電子、交通運(yùn)輸、各種計(jì)算機(jī)外設(shè)、工業(yè)控制、航空/航天領(lǐng)域等。11.3.3應(yīng)用程序位于嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的最頂層。由基于嵌入式操作系統(tǒng)之上開發(fā)的應(yīng)用程序組成,完成對(duì)被控對(duì)象控制功能。直接與最終用戶交互,需要一個(gè)友好的人機(jī)交互界面.

開發(fā)過程:首先在通用計(jì)算機(jī)(PC機(jī))集成開發(fā)環(huán)境中編程,通過交叉編譯和鏈接,轉(zhuǎn)換成可運(yùn)行的二進(jìn)制目標(biāo)代碼。通過調(diào)試系統(tǒng)驗(yàn)證和調(diào)試無(wú)誤后，將程序下載固化到目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行，完成程序設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，合理地安排各個(gè)層次之間的功能。對(duì)實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng),要嚴(yán)格控制各層間響應(yīng)時(shí)間。要優(yōu)化使用硬件資源,按照軟件工程的規(guī)律,遵循并各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，滿足系統(tǒng)的要求。11.4嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

兩種方法：自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法。自頂向下的設(shè)計(jì)方法是從系統(tǒng)的需求開始,提出規(guī)格要求,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上構(gòu)造硬件和軟件模塊,完成所需要的完整的系統(tǒng)。它可以觀察系統(tǒng)的全貌,符合軟件工程的設(shè)計(jì)方法。自底向上的設(shè)計(jì)方法從構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件開始入手,在設(shè)計(jì)的每個(gè)階段是根據(jù)對(duì)后面要發(fā)生的情況進(jìn)行估計(jì)來(lái)確定設(shè)計(jì)。如果分析的不夠充分,那么還會(huì)需要回頭來(lái)修改原先的設(shè)計(jì),把新的內(nèi)容考慮進(jìn)去。以下，介紹自頂向下的設(shè)計(jì)過程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了功能實(shí)現(xiàn)外,還要解決以的問題：硬件的開銷,關(guān)乎系統(tǒng)成本。系統(tǒng)總體的速度和時(shí)限，它是整個(gè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。系統(tǒng)的功耗,對(duì)便攜式設(shè)備尤為重要,也和可靠性有關(guān)。友好界面，友好的用戶交互界面、可視性、可控性是嵌入式系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。系統(tǒng)的可靠性和升級(jí)能力等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程1.需求分析在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)之前,必須搞清楚是要設(shè)計(jì)什么。設(shè)計(jì)的最初階段,首先要從用戶那里收集系統(tǒng)的非形式描述，即用戶的需求信息。然后，根據(jù)這些進(jìn)行提煉、截取,以此來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部分構(gòu)件。由于用戶通常不是嵌入式系統(tǒng)專業(yè)人士,他們對(duì)系統(tǒng)需求的描述和設(shè)計(jì)人員所需信息之間會(huì)有較大的距離,這就需要設(shè)計(jì)人員做工作。要將用戶的需求描述中獲取一組一致性的需求，以結(jié)構(gòu)化的方法，從中整理出設(shè)計(jì)人員所需要的描述信息。

2.規(guī)格說明根據(jù)用戶提供的需求信息,整理出正式的規(guī)格說明。規(guī)格說明書起到技術(shù)合同的作用,要力求準(zhǔn)確地反映出用戶的需求,并作為設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循的要求。用戶需求包括功能和非功能部分,在規(guī)格說明中，要包括系統(tǒng)的基本功能,還要有非功能的需求,包括有：性能。系統(tǒng)的處理速度必須加以考慮。價(jià)格。銷售價(jià)格或產(chǎn)品最終成本也是主要因素。系統(tǒng)的尺寸和重量。特別是手持設(shè)備有嚴(yán)格限制。功耗。對(duì)于電池供電的設(shè)備，電源、電池壽命是十分重要的，必須加以規(guī)定。規(guī)格說明必須明晰,不能有歧義,以便其他人員也可以來(lái)驗(yàn)證是否符合系統(tǒng)需求。3.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在規(guī)格說明基礎(chǔ)上完成,是設(shè)計(jì)的第一階段。作用是描述系統(tǒng)怎樣去實(shí)現(xiàn)那些