嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用1緒論ppt課件

1、.,1,嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用,.,2,參考教材：,ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程，第2版 邱鐵 編著，清華大學(xué)出版社，2013.8,理論課學(xué)時(shí)：40 實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)：8 學(xué)分：3,嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用,.,3,課程主要內(nèi)容,1.緒論 2.ARM體系結(jié)構(gòu) 3.ARM指令集 4.匯編程序設(shè)計(jì) 5.嵌入式C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 6.ARM開發(fā)工具的使用 7.ARM硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),.,4,第 一 講 緒論 主要內(nèi)容：,(1)嵌入式系統(tǒng)的概念 (2)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，分類及應(yīng)用領(lǐng)域 (3)主流嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) (4)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,.,5,目錄,1 概述 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特

2、點(diǎn)及分類 2 嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) 2.1 嵌入式微處理器 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 3.1 需求分析 3.2 規(guī)格說明 3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4 設(shè)計(jì)硬件和軟件構(gòu)件 3.5 系統(tǒng)集成 3.6 系統(tǒng)測試,.,6,目錄,1 概述 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類 2 嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) 2.1 嵌入式微處理器 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 3.1 需求分析 3.2 規(guī)格說明 3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4 設(shè)計(jì)硬件和軟件構(gòu)件 3.5 系統(tǒng)集成 3.6 系統(tǒng)測試,.,7,1.1 什么是嵌入式系統(tǒng),簡介,經(jīng)過幾十年

3、的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。,.,8,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中也有多達(dá)幾十個嵌入式系統(tǒng)。 在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電（全自動洗衣機(jī)、

4、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。,.,9,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),.,10,嵌入式系統(tǒng)的概念,目前，對嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、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)。 從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)

5、。,.,11,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程,世紀(jì)年年代單片機(jī) 世紀(jì)年代實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核 世紀(jì)年代實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),.,12,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),.,13,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),尾燈控制系統(tǒng),后車門控制系統(tǒng),前車門控制系統(tǒng),座椅控制系統(tǒng),發(fā)動器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng),.,14,嵌入式系統(tǒng)的未來,早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡單的且具有很長的產(chǎn)品生命周期的自主設(shè)備。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革。 產(chǎn)品市場窗口現(xiàn)在預(yù)計(jì)翻番的周期狂熱到69個月。 全球重新定義市場的機(jī)會和膨脹的應(yīng)用空間。 互聯(lián)現(xiàn)在是一個需求而不是輔助性的，包括用有線和剛剛顯露頭角

6、的無線技術(shù)。 基于電子的產(chǎn)品更復(fù)雜化。 互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。 微處理器的處理能力按莫爾定律（Moores L aw）預(yù)計(jì)的速度在增加。該定律認(rèn)為集成電路和晶體管個數(shù)每18個月翻一番。,.,15,目錄,1 概述 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類 2 嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) 2.1 嵌入式微處理器 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 3.1 需求分析 3.2 規(guī)格說明 3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4 設(shè)計(jì)硬件和軟件構(gòu)件 3.5 系統(tǒng)集成 3.6 系統(tǒng)測試,.,16,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)的分類 嵌

7、入式系統(tǒng)的應(yīng)用,.,17,嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,系統(tǒng)內(nèi)核小 專用性強(qiáng) 系統(tǒng)精簡 高實(shí)時(shí)性 多任務(wù)的操作系統(tǒng) 專門的開發(fā)工具和環(huán)境,.,18,嵌入式系統(tǒng)的分類,由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，所以其分類也可以從硬件和軟件進(jìn)行劃分。,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,.,19,嵌入式系統(tǒng)的分類,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,-嵌入式系統(tǒng)的硬件,嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式DSP處理器 ( DSP),嵌入式微處理器（MPU）,嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）,嵌入式處理器,.,20,嵌入式處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)

8、計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。 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(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。,嵌入式微處理器(MPU),.,21,嵌入式處理器,嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它是將整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，

9、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(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市

10、場份額。,嵌入式微控制器(MCU),.,22,嵌入式處理器,DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。 嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展

11、成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。,嵌入式DSP處理器,.,23,嵌入式處理器,隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實(shí)現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計(jì)中一種

12、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(jì)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)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，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Smart XA，它將XA單片機(jī)

13、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。,嵌入式片上系統(tǒng)(SOC),.,24,嵌入式系統(tǒng)的分類,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,-嵌入式系統(tǒng)的軟件,嵌入式系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng),分時(shí)系統(tǒng),硬實(shí)時(shí)系統(tǒng),軟實(shí)時(shí)系統(tǒng),.,25,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類,國防武器設(shè)備。 通信信息設(shè)備。 過程控制。 智能儀器。 消費(fèi)產(chǎn)品。 生物微電子技術(shù)。,.,26,基于RTLinux的仿人機(jī)器人,高 48 cm重: 6 kg靈活性：20 DOF 操作系統(tǒng): RT-Linux接口形式: U

14、SB 1.0 (12Mbps) 響應(yīng)周期: 1ms能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通,.,27,2004年“勇氣號”再次登陸火星,.,28,目錄,1 概述 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類 2 嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) 2.1 嵌入式微處理器 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 3.1 需求分析 3.2 規(guī)格說明 3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4 設(shè)計(jì)硬件和軟件構(gòu)件 3.5 系統(tǒng)集成 3.6 系統(tǒng)測試,.,29,2.1 嵌入式微處理器,嵌入式微處理器有許多種流行的處理器核，芯片生產(chǎn)廠家一般都基于這些處理器核生產(chǎn)不同型號的芯片。本節(jié)將

15、主要介紹以下幾種嵌入式處理器的架構(gòu)，以及典型芯片制造商生產(chǎn)的芯片型號。,嵌入式微處理器,.,30,2.1 嵌入式微處理器,ARM已成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。 ARM處理器有三大特點(diǎn)： 小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球的合作伙伴眾多。,嵌入式微處理器,-ARMStrongARM,.,31,ARM,.,32,2.1 嵌入式微處理器,MIPS是Microprocessor without Inter-locked Pipeline Stages的縮寫，是一種處理器內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)，它是由MIPS技術(shù)公司開發(fā)的。,嵌入式微處理器,- MIPS

16、,.,33,MIPS,.,34,2.1 嵌入式微處理器,PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，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)備等各個方面。 由IBM(國際商用機(jī)器公司)、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司共同開發(fā),嵌入式微處理器,- PowerPC,.,35,2.1 嵌入式微處理器,x86系列處理器是我們最熟悉的了，它起源于Intel架構(gòu)的8080,再發(fā)展出286、386、486，直到現(xiàn)在的Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。從嵌入式市場來看，486DX

17、是當(dāng)時(shí)和ARM、68K、MIPS和SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一，8080是第一款主流的處理器。,嵌入式微處理器,- x86,.,36,2.1 嵌入式微處理器,Motorola 68000(68K) 是出現(xiàn)得比較早的一款嵌入式處理器，68K采用的是CISC結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)在的PC指令集保持了二進(jìn)制兼容。,嵌入式微處理器,- 68K/Cold fire,.,37,目錄,1 概述 1.1 什么是嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類 2 嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng) 2.1 嵌入式微處理器 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 3.1 需求分析 3.2 規(guī)格說明 3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)

18、計(jì) 3.4 設(shè)計(jì)硬件和軟件構(gòu)件 3.5 系統(tǒng)集成 3.6 系統(tǒng)測試,.,38,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),概述,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。,.,39,概述,時(shí) 間 先 后,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,40,概述,監(jiān) 控 程 序,操 作 系 統(tǒng),實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),分時(shí)操

19、作系統(tǒng),多道批處理操作系統(tǒng),時(shí) 間 先 后,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn),2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,41,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn),IEEE 的實(shí)時(shí)UNIX分委會認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn): 異步的事件響應(yīng) 切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定 優(yōu)先級中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,42,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn),總的來說實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性, 與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用, 由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時(shí)系

20、統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,43,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn),一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級上)的特點(diǎn) 。,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,44,基本概念,對基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個無限的循環(huán)，可稱為前后臺

21、系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。 在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成。,前后臺系統(tǒng),2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,45,基本概念,中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為，前臺也叫中斷級。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。,循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為，后臺也可以叫做任務(wù)級。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要差。,前后臺系統(tǒng),.,46,基本概念,操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資

22、源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。,操作系統(tǒng),2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,47,基本概念,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲器、外設(shè)等)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實(shí)時(shí)性的要求。,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,48,基本概念,代碼的臨界區(qū)也稱為

23、臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個中斷可能可以執(zhí)行）。 為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。,代碼的臨界區(qū),2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,49,基本概念,程序運(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。,資源,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,50,基本概念,可以被一個以上任務(wù)使用的資源叫做共享資源。為了防止

24、數(shù)據(jù)被破壞，每個任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。,共享資源,訪問共享資源之前申請信號量,其它任務(wù)訪問受阻 而不能使用共享資源,得到允許后，才能使用共享資源,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,51,基本概念,一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程，包括如何把問題分割成多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間。,任務(wù),2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,52,基本概念,當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部

25、內(nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個任務(wù)的運(yùn)行。這個過程就稱為任務(wù)切換。這個過程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。,任務(wù)切換,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,53,基本概念,多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核

26、來管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如25的CPU運(yùn)行時(shí)間、RAM和ROM等。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、消息隊(duì)列、延時(shí)等。,內(nèi)核,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,54,基本概念,調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的。每個任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法指CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。,調(diào)度,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,55,基本概念,非占先式內(nèi)核要求每個任

27、務(wù)自動棄CPU 的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時(shí)，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。,非占先式內(nèi)核,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,56,基本概念,當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運(yùn)行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，

28、或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個任務(wù)開始運(yùn)行。,占先式內(nèi)核,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,57,基本概念,任務(wù)的優(yōu)先級是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個任務(wù)都具有優(yōu)先級。 任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。,任務(wù)優(yōu)先級,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,58,基本概念,中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)子程序做

29、事件處理，處理完成后，程序回到： 1. 在前后臺系統(tǒng)中，程序回到后臺程序； 2. 對非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)； 3. 對占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行。,中斷,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,59,基本概念,中斷,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,60,基本概念,時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。,時(shí)鐘節(jié)拍,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),

30、.,61,使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素： 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。 提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,62,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。 通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的

31、任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡化；而且對實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。 通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。 缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,63,uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7

32、TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。,常見的嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式Linux,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,64,常見的嵌入式操作系統(tǒng),Windows CE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Win CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。Win CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在

33、Win CE平臺上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續(xù)使用。,Win CE,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,65,常見的嵌入式操作系統(tǒng),VxWorks,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,66,常見的嵌入式操作系統(tǒng),OSE(OperatingSystemEmbedded)主要是由ENEA Data AB 下屬的ENEA OSE Systems AB負(fù)責(zé)開發(fā)和技術(shù)服務(wù)的，一直以來都充當(dāng)著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及分布式和容錯性應(yīng)用的先鋒，并保持良好的發(fā)展態(tài)勢。 OSE的客戶深入

34、到電信，數(shù)據(jù)，工控，航空等領(lǐng)域，尤其在電信方面，該公司已經(jīng)有了十余年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同諸如愛立信，諾基亞，西門子等知名公司確定了良好的關(guān)系。,OSE,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,67,常見的嵌入式操作系統(tǒng),Nucleus PLUS是為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95的代碼是用ANSI C寫成的，因此非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的處理器。 Nucleus PLUS采用了軟件組件的方法。每個組件具有單一而明確的目的，通常由幾個C及匯編語言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對組件的引用就是通過這些接口完成的。 由于采用了軟件組件的方法，使Nucleus PLUS 的各個組件非常

35、易于替換和復(fù)用。,Nucleus,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,68,常見的嵌入式操作系統(tǒng),eCos是RedHat公司開發(fā)的源代碼開放的嵌入式RTOS產(chǎn)品，是一個可配置、可移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境為RedHat的GNUPro和GNU開發(fā)環(huán)境。eCOS的所有部分都開放源代碼，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的關(guān)鍵技術(shù)是操作系統(tǒng)可配置性，允許用戶組和自己的實(shí)時(shí)組件和函數(shù)以及實(shí)現(xiàn)方式，特別允許eCOS的開發(fā)則定制自己的面向應(yīng)用的操作系統(tǒng)，使eCos能有更廣泛的應(yīng)用范圍。,eCos,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,69,常見的嵌入式操作系統(tǒng),C/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、

36、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSI C寫的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器。C/OS-II通過了聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證。自1992年問世以來，C/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品中。C/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，并且在高校教學(xué)使用是不需要申請?jiān)S可證。,C/OS-II,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,70,常見的嵌入式操作系統(tǒng),TRON是指“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（The Real-time Operating system Nucleux）”,它是在1984年由東京大學(xué)的Sakamura博士提出的，目的是為了建立一個理想的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過工

37、業(yè)界和大學(xué)院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中。 uITRON是TRON的一個子方案，它具有標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，適用于任何小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，日本國內(nèi)現(xiàn)有很多基于該內(nèi)核的產(chǎn)品，其中消費(fèi)電器較多。目前已成為日本事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。,uITRON,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,71,常見的嵌入式操作系統(tǒng),TRON明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)使其甚至比Linux更適合于做嵌入式應(yīng)用，內(nèi)核小，啟動速度快，即時(shí)性能好，也很適合漢字系統(tǒng)的開發(fā)。 另外，TRON的成功還來源于如下兩個重要的條件： 1.它是免費(fèi)的 2.它已經(jīng)建立了開放的標(biāo)準(zhǔn)，形成了較完善的軟硬件配套開發(fā)環(huán)境，較好地形成了產(chǎn)業(yè)化。,uITRON,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,72,常見的嵌入式操作系統(tǒng),一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)，用于掌上電腦。 3Com公司的Palm Computing 部開發(fā)的。（Palm Computing已經(jīng)獨(dú)立成一家公司。） Palm OS與同步軟件HotSync結(jié)合可以使掌上電腦與PC機(jī)上的信息實(shí)現(xiàn)同步，把PC的 功能擴(kuò)展到了手掌上。一些其他的公司也獲得了生產(chǎn)基于Palm OS的PDA的許可，如SONY公司，Handspring公司。,Palm OS,2.2 嵌入式操作系統(tǒng),.,73,幾種嵌入式操作系統(tǒng)的比較,嵌入式系統(tǒng)的選擇,2.2 嵌入式操