北京航空航天大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課件Cha

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1、 嵌 入 式 系 統(tǒng) 基 于 32位 微 處 理 器 與 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng)2006年 春 季北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 計(jì) 算 機(jī) 學(xué) 院 2 課 程 目 的n 本 課 程 介 紹 了 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 前 沿 技 術(shù) 和 發(fā) 展 趨 勢(shì) ，重 點(diǎn) 講 述 了 基 于 ARM微 處 理 器 的 嵌 入 式 硬 件 平 臺(tái) 、嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) （ RTlinux） 和 嵌 入 式 軟 硬 件 系 統(tǒng)開(kāi) 發(fā) 技 術(shù) 。n 采 用 理 論 學(xué) 習(xí) 和 實(shí) 踐 并 重 的 教 學(xué) 方 法 ， 著 重 培 養(yǎng)學(xué) 生 的 實(shí) 際 動(dòng) 手 能 力 ， 通 過(guò) 熟 悉 開(kāi) 發(fā) 環(huán) 境

2、 與 開(kāi) 發(fā)流 程 、 編 程 實(shí) 踐 等 基 礎(chǔ) 實(shí) 驗(yàn) ， 使 學(xué) 生 能 夠 掌 握 嵌入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 基 本 方 法 。 此 外 還 增 加 了 嵌 入 式多 媒 體 應(yīng) 用 、 游 戲 開(kāi) 發(fā) 等 開(kāi) 放 式 實(shí) 驗(yàn) ， 使 得 基 礎(chǔ)較 好 的 同 學(xué) 能 夠 獲 得 進(jìn) 一 步 的 嵌 入 式 開(kāi) 發(fā) 實(shí) 踐 機(jī)會(huì) 。 3 需 要 的 基 礎(chǔ) 知 識(shí)n 先 導(dǎo) 課 程計(jì) 算 機(jī) 操 作 系 統(tǒng)微 機(jī) 原 理C 語(yǔ) 言n 需 要 了 解 的 基 礎(chǔ) 知 識(shí)了 解 操 作 系 統(tǒng) 、 單 片 機(jī) 和 微 機(jī) 原 理 的 基 本 概 念 ，能 夠 熟 練 使 用 C 語(yǔ) 言

3、 。 4 學(xué) 時(shí) 分 配n 課 程 屬 性 ： 專(zhuān) 業(yè) 基 礎(chǔ) 課n 總 學(xué) 時(shí) 數(shù) ： 48 n 課 內(nèi) 學(xué) 時(shí) ： 48n 講 課 學(xué) 時(shí) 數(shù) ： 30n 實(shí) 驗(yàn) 學(xué) 時(shí) 數(shù) ： 18n 學(xué) 分 ： 3 5 課 程 大 綱 （ 約 30學(xué) 時(shí) ）課 次 學(xué) 時(shí) 形 式 內(nèi) 容第 2周 3 講 課 緒 論第 3周 3 講 課 嵌 入 式 硬 件 基 礎(chǔ)第 4周 3 講 課 ARM微 處 理 器 體 系 結(jié) 構(gòu)第 5周 3 講 課 ARM指 令 集第 6周 3 講 課 基 于 ARM的 嵌 入 式 硬 件 接 口 設(shè) 計(jì)第 8周 3 講 課 嵌 入 式 硬 件 設(shè) 計(jì) 工 具 使 用 Cade

4、nce第 10周 3 講 課 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 概 述第 12周 3 講 課 嵌 入 式 Linux 第 14周 3 講 課 嵌 入 式 軟 件 開(kāi) 發(fā) 方 法 概 述第 16周 3 講 課 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 分 析第 19周 2 考 試時(shí) 間 ： 周 五 晚 8:00-11:00 地 點(diǎn) ： 4號(hào) 樓 315 6 專(zhuān) 題 實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容 （ 18學(xué) 時(shí) ）地 點(diǎn) ： 2號(hào) 樓 機(jī) 房 （ 上 午 9:00 12:00）課 次 學(xué) 時(shí) 形 式 內(nèi) 賓第 7周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 一 ： 熟 悉 基 本 開(kāi) 發(fā) 環(huán) 境 及 軟 硬 件 平 臺(tái) C和 ARM匯 編 程

5、序 混 合 設(shè) 計(jì) （ 整 數(shù) 排 序 算 法 ）第 9周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 二 ： 嵌 入 式 Linux程 序 設(shè) 計(jì) （ 串 口 通 信 程 序 ）第 11周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 三 ： 嵌 入 式 linux內(nèi) 核第 13周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 四 ： 嵌 入 式 Linux圖 形 程 序 設(shè) 計(jì)第 15周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 五 ： 觸 摸 屏 及 LED驅(qū) 動(dòng) 程 序 設(shè) 計(jì) （ 大 作 業(yè) ）第 17周 3 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 六 ： 觸 摸 屏 及 LED驅(qū) 動(dòng) 程 序 設(shè) 計(jì) （ 大 作 業(yè) ）注 ： 1、 實(shí) 驗(yàn) 1-6在 實(shí) 驗(yàn) 室 統(tǒng) 一 講 解 輔 導(dǎo) ， 要 求 在

6、課 內(nèi) 18個(gè) 學(xué)時(shí) 內(nèi) 完 成 7 開(kāi) 放 式 項(xiàng) 目 實(shí) 驗(yàn) （ 約 20學(xué) 時(shí) ）地 點(diǎn) ： 開(kāi) 放 實(shí) 驗(yàn) 室內(nèi) 容 ： 學(xué)生可以單獨(dú)或者合作（最多3人）開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，可從下面的命題中選取，也可自己設(shè)計(jì)題目。MP3播放器MP4播放器基于Linux的PDA（記事本、通訊錄、備忘錄等功能）基于Linux的可視電話(huà)便攜式旅游信息終端簡(jiǎn)單Email編輯、收發(fā)器（具有RJ45和Wi-fi接口）簡(jiǎn)單游戲（游戲桿控制） 8 n 掌 握 一 種 學(xué) 習(xí) 方 法 -理 論 學(xué) 習(xí) 和 實(shí) 踐 并 重n 學(xué) 習(xí) 嵌 入 式 軟 硬 件 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 、 基 本 原 理和 設(shè)

7、計(jì) 方 法n 獲 得 嵌 入 式 開(kāi) 發(fā) 設(shè) 計(jì) 的 實(shí) 踐 經(jīng) 驗(yàn)n 獲 得 學(xué) 分 n 為 未 來(lái) 職 場(chǎng) 的 發(fā) 展 奠 定 技 術(shù) 基 礎(chǔ)大 家 能 夠 期 望 的 收 獲 9 您 的 期 望 合 理 嗎 ？通 過(guò) 本 門(mén) 課 程 的 學(xué) 習(xí) ， 你 將 獲 得 以 下 知 識(shí) ：n 了 解 嵌 入 式 軟 件 開(kāi) 發(fā) 流 程 （ 期 望 值 ： ）n 學(xué) 會(huì) 使 用 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) ， 了 解 多 任 務(wù) （ 期 望 值 ： ）n 掌 握 基 本 嵌 入 式 硬 件 知 識(shí) （ 期 望 值 ： ）n 提 高 C語(yǔ) 言 編 程 能 力 （ 期 望 值 ： ）n 獨(dú) 立 或 合

8、作 開(kāi) 發(fā) 出 嵌 入 式 應(yīng) 用 軟 件 （ 期 望 值 ： ）n 掌 握 嵌 入 式 軟 件 編 程 （ 期 望 值 ： ） n 掌 握 硬 件 設(shè) 計(jì) 知 識(shí) （ 期 望 值 ： ）n 學(xué) 會(huì) 操 作 系 統(tǒng) 移 植 （ 期 望 值 ： ）n 成 為 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 高 手 （ 期 望 值 ： ） 10 1. 符 意 德 編 著 . 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 原 理 與 應(yīng)用 . 北 京 ： 清 華 大 學(xué) 出 版 社 ， 20042.孫 玉 芳 等 譯 . 嵌 入 式 計(jì) 算 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 原 理（ computers as components, principles

9、 of embedded computing system design, wayne wolf） .北 京 ： 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2002參 考 教 材 11 n 考 核 方 式n 平 時(shí) 作 業(yè) 和 表 現(xiàn) （ 占 20%） +大 作 業(yè) （ 占30%） +筆 試 （ 50%）考 核 方 式 和 評(píng) 分 標(biāo) 準(zhǔn) 121 C H A P T E R 緒 論 13 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 典 型 應(yīng) 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 14 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 計(jì) 算

10、機(jī) 系 統(tǒng) 的 三 大 領(lǐng) 域n 服 務(wù) 器 市 場(chǎng)n 功 能 強(qiáng)n 利 潤(rùn) 最 大 的 市 場(chǎng)n 可 用 性 強(qiáng)n 可 擴(kuò) 展 性n 桌 面 市 場(chǎng) n 最 廣 闊 的 市 場(chǎng)n 嵌 入 式 市 場(chǎng)n 潛 力 最 大 的 市 場(chǎng) 15 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 以 往 計(jì) 算 機(jī) 分 類(lèi) ：n 大 型 計(jì) 算 機(jī) 、 中 型 機(jī) 、 小 型 機(jī) 和 微 計(jì) 算 機(jī)n 目 前 計(jì) 算 機(jī) 分 類(lèi) ：n 超 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) ， 大 型 計(jì) 算 機(jī) 、 工 作 站 、 微 計(jì) 算 機(jī) 、亞 微 計(jì) 算 機(jī)亞 微 計(jì) 算 機(jī) (嵌 入 式 計(jì) 算 機(jī) ) 是 以 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的形 式 隱

11、 藏 在 各 種 裝 置 、 產(chǎn) 品 和 系 統(tǒng) 中 16 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介 17 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 一 般 定 義n 以 應(yīng) 用 為 中 心 、 以 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 為 基 礎(chǔ) ， 軟 硬 件 可 裁 剪 ,應(yīng) 用 系 統(tǒng) 對(duì) 功 能 、 可 靠 性 、 成 本 、 體 積 、 功 耗 和 應(yīng) 用環(huán) 境 有 特 殊 要 求 的 專(zhuān) 用 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 是 將 應(yīng) 用 程 序 、操 作 系 統(tǒng) 和 計(jì) 算 機(jī) 硬 件 集 成 在 一 起 的 系 統(tǒng) （ 技 術(shù) 角 度 ）n 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

12、 使其 緊 密 耦 合 在 一 起 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 （ 系 統(tǒng) 角 度 ） n 術(shù) 語(yǔ) 嵌 入 式 反 映 了 這 些 系 統(tǒng) 通 常 是 更 大 系 統(tǒng) （ 被 稱(chēng) 之 為 嵌 入 的 系 統(tǒng) ）的 一 個(gè) 完 整 子 系 統(tǒng) 。 嵌 入 式 的 系 統(tǒng) 可 以 包 含 多 個(gè) 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。n 廣 義 定 義n 任 何 一 個(gè) 非 計(jì) 算 機(jī) 的 計(jì) 算 系 統(tǒng) 18 n IEEE定 義n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 “ 用 于 控 制 、 監(jiān) 視 或 者 輔 助 操 作的 機(jī) 器 、 設(shè) 備 或 裝 置 ” （ 原 文 為 devices used to control,

13、 monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。n 通 常 執(zhí) 行 特 定 功 能 n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 核 心 -嵌 入 式 微 處 理 器n 嚴(yán) 格 的 時(shí) 序 和 穩(wěn) 定 性 要 求n 全 自 動(dòng) 操 作 循 環(huán)嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介 19 n 微 機(jī) 學(xué) 會(huì) 定 義n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 以 嵌 入 式 應(yīng) 用 為 目 的 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) ?？?分 為 系 統(tǒng) 級(jí) 、 板 級(jí) 、 片 級(jí)n 系 統(tǒng) 級(jí) ： 各 種 類(lèi) 型 的 工 控 機(jī) 、 PC104模 塊n 板 級(jí) ：

14、各 種 類(lèi) 型 的 帶 CPU的 主 板 及 OEM產(chǎn) 品 n 片 級(jí) ： 各 種 以 單 片 機(jī) 、 DSP、 微 處 理 器 為 核 心 的 產(chǎn) 品嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介 20 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 廣 義 上 講 ， 凡 是 帶 有 微 處 理 器 的 專(zhuān) 用 軟 硬 件 系 統(tǒng) 都 可 稱(chēng) 為嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 如 各 類(lèi) 單 片 機(jī) 和 DSP系 統(tǒng) 。 這 些 系 統(tǒng) 在 完 成 較為 單 一 的 專(zhuān) 業(yè) 功 能 時(shí) 具 有 簡(jiǎn) 潔 高 效 的 特 點(diǎn) 。 但 由 于 他 們 沒(méi)有 操 作 系 統(tǒng) ， 管 理 系 統(tǒng) 硬 件 核 軟 件 的 能 力 有 限 ， 在

15、實(shí) 現(xiàn) 復(fù)雜 多 任 務(wù) 功 能 時(shí) ， 往 往 困 難 重 重 ， 甚 至 無(wú) 法 實(shí) 現(xiàn) 。n 從 狹 義 上 講 ， 我 們 更 加 強(qiáng) 調(diào) 那 些 使 用 嵌 入 式 微 處 理 器 構(gòu) 成獨(dú) 立 系 統(tǒng) ， 具 有 自 己 操 作 系 統(tǒng) ， 具 有 特 定 功 能 ， 用 于 特 定場(chǎng) 合 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 本 課 程 中 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 指 狹 義 上 的嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 21 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 發(fā) 展 歷 史 嵌 入 式 系 統(tǒng) 本 身 是 一 個(gè) 相 對(duì) 模 糊 的 定 義 。 一 個(gè) 手 持 的MP3和 一 個(gè) PC104的 微 型

16、工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 都 可 以 認(rèn) 為 是 嵌 入式 系 統(tǒng) 。 嵌 入 式 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 有 了 近 30年 的 發(fā) 展 歷 史 ， 它 是 硬 件 和 軟件 交 替 發(fā) 展 的 雙 螺 旋 式 發(fā) 展 。 最 早 的 單 片 機(jī) 是 Intel公 司 的 8048， 它 出 現(xiàn) 在 1976年Motorola同 時(shí) 推 出 了 68HC05， Zilog公 司 推 出 了 Z80系 列 ，這 些 早 期 的 單 片 機(jī) 均 含 有 256字 節(jié) 的 RAM、 4K的 ROM、 4個(gè) 8位并 口 、 1個(gè) 全 雙 工 串 行 口 、 兩 個(gè) 16位 定 時(shí) 器 。 之 后 在 80

17、年 代 初 ， Intel又 進(jìn) 一 步 完 善 了 8048， 在 它 的基 礎(chǔ) 上 研 制 成 功 了 8051。 22 1981年 Ready System開(kāi) 發(fā) 了 世 界 上 第 1個(gè)商 業(yè) 嵌 入 式 實(shí) 時(shí) 內(nèi) 核 （ VTRX32） ， 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 訊 、 同 步 與 相 互 排 斥 、 中 斷 支 持 、 內(nèi)存 管 理 等 功 能 。隨 后 ， 出 現(xiàn) 了 如 Integrated System Incorporation (ISI)的 PSOS、 IMG的 VxWorks、QNX公 司

18、的 QNX 等 ， Palm OS， WinCE， 嵌 入 式Linux， Lynx， uCOS、 Nucleux， 以 及 國(guó) 內(nèi) 的Hopen、 Delta OS等 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 也 相 繼 出現(xiàn) 。 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介 23 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 基 于 8位 ， 16位 ， 32位 的 嵌 入 式 系 統(tǒng)n 微 處 理 器 飛 速 發(fā) 展 的 結(jié) 果 是 嵌 入 式 計(jì) 算 成 為 一 門(mén)學(xué) 科 。 在 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 早 期 階 段 ， 所 有 基 本 硬件 構(gòu) 件 相 對(duì) 較 小 也 較 簡(jiǎn) 單 ， 如 ： 8位 的 CPU、 74系 列 的

19、芯 片 及 晶 體 管 等 ， 其 軟 件 子 系 統(tǒng) 是 采 用 一體 化 的 監(jiān) 控 程 序 ， 不 存 在 操 作 系 統(tǒng) 平 臺(tái) 。 而 今 天組 成 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 硬 件 構(gòu) 件 已 較 復(fù) 雜 ， 如 ：16位 、 32位 CPU或 特 殊 功 能 的 微 處 理 器 、 特 定 功能 的 集 成 芯 片 、 FPGA或 CPLD等 ， 其 軟 件 設(shè) 計(jì) 的復(fù) 雜 性 成 倍 增 長(zhǎng) 。 因 此 研 究 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 原理 及 技 術(shù) ， 提 供 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 方 法 和 開(kāi) 發(fā) 工 具 是 嵌入 式 計(jì) 算 學(xué) 科 的 關(guān) 鍵 技 術(shù)

20、。 24 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 典 型 的 8位 微 處 理 系 統(tǒng)n MCS-51系 列 的 單 片 機(jī) 是 低 端 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 用 得 最 多的 微 處 理 器 。 25 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 典 型 的 16位 微 處 理 系 統(tǒng)n MCS-96系 列 單 片 機(jī) 和 16位 DSP芯 片 26 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 典 型 的 32位 微 處 理 系 統(tǒng)n ARM系 列 是 應(yīng) 用 較 廣 泛 的 32位 微 處 理 器 。 實(shí) 際 上 該 系列 的 MCU芯 片 很 多 ， 但 大 都 是 已 ARM微 內(nèi) 核 為 核 心 的 。32位 的 DSP

21、應(yīng) 用 的 也 很 廣 泛 。 27 n 特 點(diǎn)n 功 耗 限 制n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 ， 尤 其 是 在 用 電 池 供 電 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 ， 這 是 一個(gè) 主 要 考 慮 的 因 素 。 大 耗 電 量 直 接 影 響 到 硬 件 費(fèi) 用 ， 并 影 響 電源 壽 命 以 及 帶 來(lái) 散 熱 問(wèn) 題 。n 低 成 本n 包 含 硬 件 成 本 和 軟 件 成 本 。 硬 件 成 本 主 要 決 定 于 所 使 用 的 微 處理 器 、 所 需 的 內(nèi) 存 及 相 應(yīng) 的 外 圍 芯 片 ； 軟 件 成 本 通 常 難 于 預(yù) 測(cè) ，但 一 個(gè) 好 的 設(shè) 計(jì) 方 法 有

22、 利 于 降 低 軟 件 成 本 。n 多 速 率 n 系 統(tǒng) 同 時(shí) 運(yùn) 行 多 個(gè) 實(shí) 時(shí) 性 任 務(wù) ， 系 統(tǒng) 必 須 同 時(shí) 控 制 這 些 動(dòng) 作 ，但 這 些 動(dòng) 作 有 些 速 度 慢 ， 有 些 速 度 快 。n 環(huán) 境 相 關(guān) 性n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 不 是 獨(dú) 立 的 ， 而 是 與 其 被 嵌 入 的 設(shè) 備 緊 密 相 關(guān) 聯(lián) 。嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介 28 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 特 點(diǎn)n 系 統(tǒng) 內(nèi) 核 小n 由 于 嵌 入 式 系 統(tǒng) 一 般 是 應(yīng) 用 于 小 型 電 子 裝 置 的 ， 系 統(tǒng) 資 源 相 對(duì)有 限 ， 所 以 內(nèi) 核 較 之 傳

23、 統(tǒng) 的 操 作 系 統(tǒng) 要 小 得 多 。 n 比 如 ENEA公 司 的 OSE實(shí) 時(shí) OS， 內(nèi) 核 只 有 5K， 而 Windows的 內(nèi) 核 則要 大 得 多 。n 專(zhuān) 用 性 強(qiáng)n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 個(gè) 性 化 很 強(qiáng) ， 其 中 的 軟 件 系 統(tǒng) 和 硬 件 的 結(jié) 合 非 常緊 密 ， 一 般 要 針 對(duì) 硬 件 進(jìn) 行 系 統(tǒng) 的 移 植 。n 同 時(shí) 針 對(duì) 不 同 的 任 務(wù) ， 往 往 需 要 對(duì) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 較 大 更 改 ， 程 序 的編 譯 下 載 要 和 系 統(tǒng) 相 結(jié) 合 ， 這 種 修 改 和 通 用 軟 件 的 “ 升 級(jí) ” 是完 全 不

24、同 的 概 念 。 29 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 特 點(diǎn)n 不 可 壟 斷 性n PC有 WinTel壟 斷n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 工 業(yè) 的 基 礎(chǔ) 是 以 應(yīng) 用 為 中 心 的 “ 芯 片 ”設(shè) 計(jì) 和 面 向 應(yīng) 用 的 軟 件 產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā) 。n 產(chǎn) 品 相 對(duì) 穩(wěn) 定 性 n 普 通 處 理 器 18月n 嵌 入 式 處 理 器 8 10年 30 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 實(shí) 時(shí) 性n 實(shí) 時(shí) 性 的 本 質(zhì) 是 任 務(wù) 處 理 所 化 費(fèi) 時(shí) 間 的 可 預(yù) 測(cè) 性 ， 即任 務(wù) 需 要 在 規(guī) 定 的 時(shí) 限 內(nèi) 完 成 。n 任 務(wù) 執(zhí) 行 的 時(shí) 間 可 以 根

25、 據(jù) 系 統(tǒng) 的 軟 硬 件 的 信 息 而 進(jìn) 行 確 定 性的 預(yù) 測(cè) 。 也 就 是 說(shuō) ， 如 果 硬 件 可 以 做 這 件 工 作 ， 那 么 基 于 實(shí)時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 的 軟 件 將 可 以 確 定 性 的 做 這 件 工 作 。 n 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng)n 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng) 的 正 確 性 依 賴(lài) 于 運(yùn) 行 結(jié) 果 的 邏 輯 正 確 性 和 運(yùn) 行 結(jié) 果產(chǎn) 生 的 時(shí) 間 正 確 性 ， 即 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng) 必 須 在 規(guī) 定 的 時(shí) 間 范 圍 內(nèi) 正確 地 響 應(yīng) 外 部 物 理 過(guò) 程 的 變 化 。n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng)n 有 些 嵌 入 式 系 統(tǒng)

26、沒(méi) 有 實(shí) 時(shí) 性 要 求 31 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 硬 實(shí) 時(shí) 軟 實(shí) 時(shí)n “ 軟 ” 意 味 著 如 果 沒(méi) 有 滿(mǎn) 足 指 定 的 時(shí) 間 約 束 并不 會(huì) 導(dǎo) 致 災(zāi) 難 性 的 后 果 ， 而 對(duì) 于 硬 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng) 來(lái)說(shuō) 卻 是 災(zāi) 難 性 的 n 從 實(shí) 踐 上 說(shuō) ， 軟 實(shí) 時(shí) 和 硬 實(shí) 時(shí) 之 間 的 區(qū) 別 通 常（ 隱 含 的 和 錯(cuò) 誤 的 ） 與 系 統(tǒng) 的 時(shí) 間 精 度 有 關(guān) ：由 于 這 個(gè) 原 因 ， 典 型 的 ， 軟 實(shí) 時(shí) 任 務(wù) 的 調(diào) 度 精度 必 須 大 于 千 分 之 一 秒 ， 而 硬 實(shí) 時(shí) 任 務(wù) 為 微 秒級(jí) 。 3

27、2 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 實(shí) 時(shí) 頻 譜 圖 33 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 市 場(chǎng)n 2001年 嵌 入 式 系 統(tǒng) 國(guó) 際 會(huì) 議 年 會(huì) Jim Turley的 報(bào)告 中 ， 統(tǒng) 計(jì) 得 到 PC的 數(shù) 量 只 占 CPU 總 耗 量 的0.1%。n 據(jù) CCID2003年 的 數(shù) 據(jù) 顯 示 ， 2000年 嵌 入 式 軟 件市 場(chǎng) 規(guī) 模 為 70.33億 元 ， 2001年 為 95.43億 元 ，2002年 118.56億 元 ， 三 年 平 均 增 長(zhǎng) 38.85%。 n 2002年 中 國(guó) 軟 件 市 場(chǎng) 為 345.0億 元 ， 嵌 入 式 軟 件約 占 軟 件

28、 總 市 場(chǎng) 的 34.37 。 34 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 市 場(chǎng)n 2004年 ， 軟 件 統(tǒng) 計(jì) 數(shù) 據(jù) 為 ：n 套 裝 軟 件 共 計(jì) 478億 元 ， 為 具 有 獨(dú) 立 產(chǎn) 品 形 態(tài) 的 軟 件 。n 其 中 包 括 系 統(tǒng) 軟 件 89億 元 （ 操 作 系 統(tǒng) 44.19億 元 、 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 管 理 系統(tǒng) 20.06億 元 、 支 撐 軟 件 25.71億 元 ） 、 n 中 間 件 軟 件 6.98億 元 、n 應(yīng) 用 軟 件 304.53億 元 （ 包 括 通 用 應(yīng) 用 軟 件 （ 安 全 軟 件 、 辦 公 軟件 、 管 理 軟 件 、 游 戲 軟 件 、

29、 教 育 軟 件 等 ） 與 行 業(yè) 應(yīng) 用 軟 件 （ 金融 、 電 信 、 政 府 等 ） ） 、n 嵌 入 式 軟 件 （ 673.62億 元 ）n 相 關(guān) 軟 件 服 務(wù) （ 937.48億 元 ） ： 除 生 產(chǎn) 產(chǎn) 品 化 軟 件 之 外的 所 有 的 軟 件 研 發(fā) 及 相 關(guān) 活 動(dòng) ， 包 括 系 統(tǒng) 集 成 、 軟 件 外包 、 咨 詢(xún) 、 數(shù) 據(jù) 加 工 和 處 理 等 。 35 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介處 理 器存 儲(chǔ) 器輸 入 接 口 操 作 系 統(tǒng)(協(xié) 議 棧 )應(yīng) 用 程 序 軟 件 子 系 統(tǒng)硬 件 子 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 組 成 輸 出 接 口外 圍

30、設(shè) 備 36 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 軟 /硬 件 框 架 37 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 硬 件 子 系 統(tǒng) 38 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 嵌 入 式 外 圍 設(shè) 備n 在 嵌 入 式 硬 件 系 統(tǒng) 中 ， 除 了 嵌 入 式 處 理 器 之 外 的 完 成 存儲(chǔ) 、 通 信 、 I/O、 調(diào) 試 等 功 能 的 其 它 部 件 。n 分 類(lèi)n 存 儲(chǔ) 器 類(lèi) 型 ： 靜 態(tài) 易 失 型 存 儲(chǔ) 器 (RAM/SRAM)， 動(dòng) 態(tài) 存儲(chǔ) 器 (DRAM)， 非 易 失 型 存 儲(chǔ) 器 (ROM、 EPROM、EEPROM、 FLASH)。 其 中 ， FLASH(閃 存 )以 可

31、 擦 寫(xiě) 次 數(shù)多 ， 存 儲(chǔ) 速 度 快 ， 容 量 大 及 價(jià) 格 便 宜 等 有 點(diǎn) 在 嵌 入 式 領(lǐng)域 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 n 接 口 類(lèi) 型 ： 目 前 存 在 的 所 有 接 口 在 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 都 有 其廣 泛 的 應(yīng) 用 ， 但 是 以 下 幾 種 接 口 的 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 ， 包 括RS-232接 口 (串 口 )、 IrDA(紅 外 )、 SPI(串 行 設(shè) 備 接 口 )、I2C、 USB、 Ethernet和 普 通 并 口 。n 顯 示 類(lèi) 型 ： CRT、 LCD和 觸 摸 屏 等 外 圍 顯 示 設(shè) 備 。 39 嵌 入 式 系

32、 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 最 小 硬 件 系 統(tǒng) 40 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介n 嵌 入 式 軟 件 子 系 統(tǒng) 41 嵌 入 式 系 統(tǒng) 與 單 片 機(jī) 、 PC相 比 的 優(yōu) 勢(shì)n 采 用 32位 RISC嵌 入 式 微 處 理 器 和 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 組 成 的嵌 入 式 控 制 系 統(tǒng) ， 與 傳 統(tǒng) 基 于 單 片 機(jī) 的 控 制 系 統(tǒng) 和 基于 PC的 控 制 方 式 相 比 ， 具 有 以 下 突 出 優(yōu) 點(diǎn) ：u 性 能 方 面 ： 采 用 32位 RISC結(jié) 構(gòu) 微 處 理 器 ， 主 頻 從 30MHz到624MHz以 上 ， 處 理 能 力 大 大 超 出 單 片 機(jī)

33、 系 統(tǒng) ， 接 近 PC機(jī) 的 水平 ， 但 體 積 更 小 ， 能 夠 真 正 地 “ 嵌 入 ” 到 設(shè) 備 中 ； u 實(shí) 性 性 方 面 ： 嵌 入 式 機(jī) 控 制 器 內(nèi) 嵌 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) （ RTOS） ，能 夠 完 全 保 證 控 制 系 統(tǒng) 的 強(qiáng) 實(shí) 時(shí) 性 ；u 人 機(jī) 交 互 方 面 ： 嵌 入 式 控 制 器 可 支 持 大 屏 幕 的 液 晶 顯 示 器 ，提 供 功 能 強(qiáng) 大 的 圖 形 用 戶(hù) 界 面 ； 輸 入 方 法 多 種 多 樣 ；u 系 統(tǒng) 升 級(jí) 方 面 ： 嵌 入 式 控 制 器 可 為 控 制 系 統(tǒng) 專(zhuān) 門(mén) 設(shè) 計(jì) ， 其 功能 專(zhuān)

34、 一 ， 成 本 較 低 ， 而 且 開(kāi) 放 的 用 戶(hù) 程 序 接 口 （ API） 保 證 了系 統(tǒng) 能 夠 快 速 升 級(jí) 和 更 新 。 42 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 典 型 應(yīng) 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 43 嵌 入 式 處 理 器 分 類(lèi)n 微 處 理 器 (Microprocessor Unit, MPU) n 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) n 嵌 入 式 DSP (Embedded Digital Signal Processor

35、, EDSP) n 片 上 系 統(tǒng) (System On Chip) 44 嵌 入 式 微 處 理 器 45 n 目 前 主 要 的 嵌 入 式 處 理 器 類(lèi) 型 有 Am186/88、 386EX、 SC-400、 PowerPC、 68000、 MIPS、 ARM/StrongARM系 列 等嵌 入 式 微 處 理 器 46 嵌 入 式 微 控 制 器n 又 稱(chēng) 單 片 機(jī) ， 這 種 位 的 電 子 器 件 目 前 在 嵌 入 式 設(shè)備 中 仍 然 有 著 極 其 廣 泛 的 應(yīng) 用 。n 單 片 機(jī) 芯 片 內(nèi) 部 集 成 ROM/EPROM、 RAM、 總 線(xiàn) 、 總 線(xiàn)邏 輯 、

36、 定 時(shí) /計(jì) 數(shù) 器 、 看 門(mén) 狗 、 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) 。n 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 。 n 另 外 還 有 許 多 半 通 用 系 列 如 ： 支 持 USB接 口 的 MCU 8XC930/931、 C540、 C541； 支 持 I2C、 CAN-Bus、LCD及 眾 多 專(zhuān) 用 MCU和 兼 容

37、系 列 。 目 前 MCU占 嵌 入 式系 統(tǒng) 約 70 的 市 場(chǎng) 份 額 。 47 嵌 入 式 微 控 制 器n 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 。n 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(chēng) 為 微 控 制 器 。 48 嵌 入 式 DSP處 理 器n DSP處 理 器 是 專(zhuān) 門(mén) 用 于 信 號(hào) 處 理 方 面 的 處 理 器 ， 其在 系

38、 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 和 指 令 算 法 方 面 進(jìn) 行 了 特 殊 設(shè) 計(jì) ， 在 數(shù)字 濾 波 、 FFT、 譜 分 析 等 各 種 儀 器 上 DSP獲 得 了 大 規(guī)模 的 應(yīng) 用 。n 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 也 較 高 。n DSP的 理 論 算 法 在 70年 代 就 已 經(jīng) 出 現(xiàn) ， 但 是 由 于 專(zhuān)門(mén) 的 DSP處 理 器 還 未 出 現(xiàn) ， 所 以 這 種 理 論 算 法 只 能通 過(guò) MPU等 由 分 立 元 件 實(shí) 現(xiàn) 。

39、1982年 世 界 上 誕 生 了首 枚 DSP芯 片 。 在 語(yǔ) 音 合 成 和 編 碼 解 碼 器 中 得 到 了廣 泛 應(yīng) 用 。 DSP的 運(yùn) 算 速 度 進(jìn) 一 步 提 高 ， 應(yīng) 用 領(lǐng) 域也 從 上 述 范 圍 擴(kuò) 大 到 了 通 信 和 計(jì) 算 機(jī) 方 面 。 49 嵌 入 式 DSP處 理 器n 有 代 表 性 的 產(chǎn) 品 是 Texas Instruments的 TMS320系 列 和Motorola的 DSP56000系 列 。n TMS320系 列 處 理 器 包 括 用 于 控 制 的 C2000系 列 ， 移 動(dòng) 通 信 的C5000系 列 ， 以 及 性 能 更

40、高 的 C6000和 C8000系 列 。n Motorola公 司 的 DSP56000已 經(jīng) 發(fā) 展 成 為 DSP56000， DSP56100, DSP56200和 DSP56300等 幾 個(gè) 不 同 系 列 的 處 理 器 。n PHILIPS公 司 今 年 來(lái) 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 DSP處 理 器 ， 特 點(diǎn) 是 具 備 雙 Harvard結(jié) 構(gòu) 和 雙 乘 /累 加 器 單 元 ， 應(yīng) 用 目 標(biāo) 是 大 批 量 消 費(fèi) 類(lèi) 電 子 產(chǎn) 品 。 50 n SoC就 是 System on

41、Chip， SoC是 一 種 基 于 IP（ Intellectual Property） 核 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 。n 它 結(jié) 合 了 許 多 功 能 區(qū) 塊 ， 將 功 能 做 在 一 個(gè) 芯 片 上 ， ARM RISC、 MIPS RISC、 DSP或 是 其 他 的 微 處 理 器 核 心 ， 加 上通 信 的 接 口 單 元 ， 例 如 通 用 串 行 端 口 （ USB） 、 TCP/IP通信 單 元 、 GPRS通 信 接 口 、 GSM通 信 接 口 、 IEEE1394、 藍(lán)牙 模 塊 接 口 等 等 ， 這 些 單 元 以 往 都 是 依 照 各 單 元

42、的 功 能 做成 一 個(gè) 個(gè) 獨(dú) 立 的 處 理 芯 片 。n SOC可 以 分 為 通 用 和 專(zhuān) 用 兩 類(lèi) 。 n 通 用 系 列 包 括 Infineon(Siemens)的 TriCore， Motorola的 M-Core，Echelon和 Motorola聯(lián) 合 研 制 的 Neuron芯 片 等 。n 專(zhuān) 用 SOC一 般 專(zhuān) 用 于 某 個(gè) 或 某 類(lèi) 系 統(tǒng) 中 。 有 代 表 性 的 產(chǎn) 品 是 Philips的 Smart XA嵌 入 式 片 上 系 統(tǒng) (SoC) 51 SOC體 系 結(jié) 構(gòu)ASIC Core MemoryEmbedded ProcessorCoreA

43、nalogFunctions CommunicationSensorInterface 52 知 識(shí) 產(chǎn) 權(quán) 53 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡(jiǎn) 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 典 型 應(yīng) 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 54 操 作 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展n 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 由 硬 件 和 軟 件 構(gòu) 成 ， 在 發(fā) 展 初 期 并 沒(méi) 有 操 作 系 統(tǒng)這 個(gè) 概 念 ， 用 戶(hù) 使 用 監(jiān) 控 程 序 來(lái) 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 越

44、 來(lái) 越 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 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 形 成 了 操 作 系 統(tǒng) 。 到 目 前 為 止 ， 主 流 的 操作 系 統(tǒng) 有 三 種 ： 多 道 批 處 理 、 分 時(shí) 和 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 。 55 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)n 操 作 系 統(tǒng) 分 類(lèi)n 微 內(nèi) 核 （ micro-kernel）n 單 晶 內(nèi) 核 （ monolithic kernel）n 混 合 內(nèi) 核 （ hybrid kernel） 56 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實(shí) 時(shí) 操 作

45、 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) IEEE 的 實(shí) 時(shí) UNIX分 委 會(huì) 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(jí) 中 斷 和 調(diào) 度 搶 占 式 調(diào) 度 內(nèi) 存 鎖 定 連 續(xù) 文 件 同 步 57 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 總 的 來(lái) 說(shuō) 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 是 事 件 驅(qū) 動(dòng) 的 ， 能 對(duì) 來(lái) 自外 界 的 作 用 和 信 號(hào) 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

46、 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(lái) 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(kāi) 發(fā)環(huán) 境 。 從 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 特 點(diǎn) 來(lái) 看 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 可 以 分為 兩 種 ： 和 。 58 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn)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(xún) 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(kāi) 發(fā) 、 調(diào) 試 、 運(yùn) 用 一 致 的

47、 環(huán) 境 。 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(kāi) 發(fā) 過(guò) 程 是 通 過(guò) 交 叉 開(kāi) 發(fā)來(lái) 完 成 的 ， 即 開(kāi) 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(jí) 上 )的 特 點(diǎn) 。 59 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念對(duì) 基 于 芯 片 的 開(kāi) 發(fā) 來(lái) 說(shuō) ， 應(yīng) 用 程 序 一 般 是 一 個(gè) 無(wú)限 的 循 環(huán) ， 可 稱(chēng) 為 前 后 臺(tái) 系

48、 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(tái) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) ，例 如 微 波 爐 、 電 話(huà) 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(lái) 完 成 。前 后 臺(tái) 系 統(tǒng) 60 n 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(tái) 行 為 ， 前 臺(tái)也 叫 中 斷 級(jí) 。 時(shí)間 相 關(guān) 性 很 強(qiáng) 的關(guān) 鍵 操 作 一 定 是靠 中 斷

49、 服 務(wù) 程 序來(lái) 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(tái) 行 為 ， 后 臺(tái) 也可 以 叫 做 任 務(wù) 級(jí) 。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 。 ISRISR ISR ISR后 臺(tái) 前 臺(tái)中 斷 服 務(wù) 程 序 時(shí)間 前 后 臺(tái) 系 統(tǒng)嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 61 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 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 源 的 分 配 與 回 收

50、、 控 制 與協(xié) 調(diào) 等 并 發(fā) 的 活 動(dòng) ； 操 作 系 統(tǒng) 提 供 用 戶(hù) 接 口 ， 使 用 戶(hù)獲 得 良 好 的 工 作 環(huán) 境 ； 操 作 系 統(tǒng) 為 用 戶(hù) 擴(kuò) 展 新 的 系 統(tǒng)功 能 提 供 軟 件 平 臺(tái) 。 操 作 系 統(tǒng) 硬 件硬 件 驅(qū) 動(dòng)操 作 系 統(tǒng)用 戶(hù) 程 序 62 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 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(dòng) 后 首 先 執(zhí)行 的 背 景 程 序 ， 用 戶(hù) 的 應(yīng) 用 程 序 是 運(yùn) 行 于 RTOS之 上 的各 個(gè) 任 務(wù) ， RTOS根 據(jù) 各 個(gè) 任 務(wù) 的 要 求 ， 進(jìn) 行 資 源

51、 (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 RTOS支 持 的 系 統(tǒng) 中 ， 每 個(gè) 任 務(wù) 均 有一 個(gè) 優(yōu) 先 級(jí) ， RTOS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 。 實(shí) 時(shí) 操 作 系 統(tǒng) （ RTOS） 63 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念代 碼 的 臨 界 區(qū) 也 稱(chēng) 為 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

52、碼 開(kāi) 始 執(zhí) 行 ， 則 不 允 許 任 何 中 斷 打 入 （ 這 不 是 絕 對(duì) 的 ，如 果 中 斷 不 調(diào) 用 任 何 包 含 臨 界 區(qū) 的 代 碼 ， 也 不 訪(fǎng) 問(wèn) 任何 臨 界 區(qū) 使 用 的 共 享 資 源 ， 這 個(gè) 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(kāi) 中 斷 。 代 碼 的 臨 界 區(qū) 64 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念程 序 運(yùn) 行 時(shí) 可 使 用 的 軟 、 硬 件 環(huán) 境 統(tǒng) 稱(chēng) 為 資

53、 源 。資 源 可 以 是 輸 入 輸 出 設(shè) 備 ， 例 如 打 印 機(jī) 、 鍵 盤(pán) 、 顯 示器 。 資 源 也 可 以 是 一 個(gè) 變 量 、 一 個(gè) 結(jié) 構(gòu) 或 一 個(gè) 數(shù) 組 等 。資 源 65任 務(wù) A 共 享 資 源任 務(wù) B任 務(wù) C信 號(hào) 量 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念可 以 被 一 個(gè) 以 上 任 務(wù) 使 用 的 資 源 叫 做 共 享 資 源 。為 了 防 止 數(shù) 據(jù) 被 破 壞 ， 每 個(gè) 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(fǎng) 問(wèn) 共 享 資 源 之前 申 請(qǐng) 信 號(hào)

54、量其 它 任 務(wù) 訪(fǎng) 問(wèn) 受 阻而 不 能 使 用 共 享 資 源 得 到 允 許 后 ， 才能 使 用 共 享 資 源 66 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念一 個(gè) 任 務(wù) ， 也 稱(chēng) 作 一 個(gè) 線(xiàn) 程 ， 是 一 個(gè) 簡(jiǎn) 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(guò) 程 ， 包 括 如 何 把 問(wèn) 題 分 割 成 多 個(gè) 任 務(wù) ，每 個(gè) 任 務(wù) 都 是 整 個(gè) 應(yīng) 用 的 某 一 部 分 ， 每 個(gè) 任 務(wù) 被 賦 予一 定 的 優(yōu) 先 級(jí) ， 有 它 自 己 的 一 套 CPU寄 存 器

55、和 自 己 的棧 空 間 。任 務(wù) 67 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 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 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(gè) 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 予 存 器 ， 并 開(kāi) 始 下 一 個(gè) 任 務(wù) 的 運(yùn) 行 。

56、 這 個(gè) 過(guò) 程 就稱(chēng) 為 任 務(wù) 切 換 。 這 個(gè) 過(guò) 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 68 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念多 任 務(wù) 系 統(tǒng) 中 ， 內(nèi) 核 負(fù) 責(zé) 管 理 各 個(gè) 任 務(wù) ， 或 者 說(shuō)為 每 個(gè) 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)

57、 內(nèi) 核 可 以大 大 簡(jiǎn) 化 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ， 是 因 為 實(shí) 時(shí) 內(nèi) 核 允 許 將 應(yīng)用 分 成 若 干 個(gè) 任 務(wù) ， 由 實(shí) 時(shí) 內(nèi) 核 來(lái) 管 理 它 們 。 內(nèi) 核 需要 消 耗 一 定 的 系 統(tǒng) 資 源 ， 比 如 2 5 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(hào) 量 、 消 息隊(duì) 列 、 延 時(shí) 等 。內(nèi) 核 69 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 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(gè) 任 務(wù) 運(yùn) 行 了 。 多 數(shù)

58、實(shí) 時(shí) 內(nèi) 核 是 基 于 優(yōu) 先 級(jí) 調(diào) 度法 的 。 每 個(gè) 任 務(wù) 根 據(jù) 其 重 要 程 序 的 不 同 被 賦 予 一 定 的優(yōu) 先 級(jí) 。 基 于 優(yōu) 先 級(jí) 的 調(diào) 度 法 指 CPU總 是 讓 處 在 就 緒態(tài) 的 優(yōu) 先 級(jí) 最 高 的 任 務(wù) 先 運(yùn) 行 。 然 而 究 竟 何 時(shí) 讓 高 優(yōu)先 級(jí) 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(lèi) 型 的 內(nèi) 核 ， 是 非 占 先 式 的 還 是 占 先式 的 內(nèi) 核 。 調(diào) 度 70 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念非 占 先 式 內(nèi) 核 要 求

59、 每 個(gè) 任 務(wù) 自 我 放 棄 CPU 的 所 有權(quán) 。 非 占 先 式 調(diào) 度 法 也 稱(chēng) 作 合 作 型 多 任 務(wù) ， 各 個(gè) 任 務(wù)彼 此 合 作 共 享 一 個(gè) CPU。 異 步 事 件 還 是 由 中 斷 服 務(wù) 來(lái)處 理 。 中 斷 服 務(wù) 可 以 使 一 個(gè) 高 優(yōu) 先 級(jí) 的 任 務(wù) 由 掛 起 狀態(tài) 變 為 就 緒 狀 態(tài) 。 但 中 斷 服 務(wù) 以 后 控 制 權(quán) 還 是 回 到 原來(lái) 被 中 斷 了 的 那 個(gè) 任 務(wù) ， 直 到 該 任 務(wù) 主 動(dòng) 放 棄 CPU的使 用 權(quán) 時(shí) ， 那 個(gè) 高 優(yōu) 先 級(jí) 的 任 務(wù) 才 能 獲 得 CPU的 使 用權(quán) 。非 占

60、先 式 內(nèi) 核 71 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 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(xiāo) 售 的 實(shí) 時(shí) 內(nèi) 核 都 是 占 先 式 內(nèi) 核 。最 高 優(yōu) 先 級(jí) 的 任 務(wù) 一 旦 就 緒 ， 總 能 得 到 CPU的 控 制 權(quán) 。當(dāng) 一 個(gè) 運(yùn) 行 著 的 任 務(wù) 使 一 個(gè) 比 它 優(yōu) 先 級(jí) 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 ， 或者 說(shuō) 被 掛 起 了 ， 那 個(gè) 高 優(yōu) 先 級(jí) 的 任 務(wù) 立 刻 得 到 了 CP

61、U的 控 制 權(quán) 。 如 果 是 中 斷 服 務(wù) 子 程 序 使 一 個(gè) 高 優(yōu) 先 級(jí) 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(jí) 高 的 那 個(gè) 任 務(wù) 開(kāi) 始 運(yùn) 行 。占 先 式 內(nèi) 核 72 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念任 務(wù) 的 優(yōu) 先 級(jí) 是 表 示 任 務(wù) 被 調(diào) 度 的 優(yōu) 先 程 度 。 每個(gè) 任 務(wù) 都 具 有 優(yōu) 先 級(jí) 。 任 務(wù) 越 重 要 ， 賦 予 的 優(yōu) 先 級(jí) 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(jí) 73 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n

62、 基 本 概 念中 斷 是 一 種 硬 件 機(jī) 制 ， 用 于 通 知 CPU有 個(gè) 異 步 事件 發(fā) 生 了 。 中 斷 一 旦 被 識(shí) 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(zhuān) 門(mén) 的 子 程序 ， 稱(chēng) 為 中 斷 服 務(wù) 子 程 序 （ ISR） 。 中 斷 服 務(wù) 子 程 序 做事 件 處 理 ， 處 理 完 成 后 ， 程 序 回 到 ：1. 在 前 后 臺(tái) 系 統(tǒng) 中 ， 程 序 回 到 后 臺(tái) 程 序 ；2. 對(duì) 非 占 先 式 內(nèi) 核 而 言 ， 程 序 回 到 被 中 斷 了 的 任 務(wù) ；3.

63、 對(duì) 占 先 式 內(nèi) 核 而 言 ， 讓 進(jìn) 入 就 緒 態(tài) 的 優(yōu) 先 級(jí) 最 高的 任 務(wù) 開(kāi) 始 運(yùn) 行 。中 斷 74前 后 臺(tái) 系 統(tǒng) 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念中 斷ISR 任 務(wù) ISR 非 占 先 操 作 系 統(tǒng)任 務(wù)A任 務(wù)B任 務(wù)C ISR占 先 操 作 系 統(tǒng)任 務(wù)A任 務(wù)B任 務(wù)C 75 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念時(shí) 鐘 節(jié) 拍 是 特 定 的 周 期 性 中 斷 。 這 個(gè) 中 斷 可 以 看作 是 系 統(tǒng) 心 臟 的 脈 動(dòng) 。 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

64、 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(gè) 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(kāi) 銷(xiāo) 就 越 大 。時(shí) 鐘 節(jié) 拍 76 使 用 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 缺 點(diǎn)n 優(yōu) 點(diǎn)n 使 程 序 的 設(shè) 計(jì) 和 擴(kuò) 展 變 得 容 易 ， 大 大 提 高 了 開(kāi)發(fā) 效 率 。n 充 分 發(fā) 揮 32位 CPU多 任 務(wù) 的 潛 力 ， 實(shí) 現(xiàn) 多 任 務(wù) 設(shè)計(jì) ， 能 夠 充 分 利 用 硬 件 資 源 和

65、實(shí) 現(xiàn) 資 源 共 享 。n 實(shí) 時(shí) 性 和 健 壯 性 能 夠 得 到 更 好 的 保 證 。n 缺 點(diǎn) n 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 增 加 ROM/RAM等 額 外 開(kāi) 銷(xiāo) ， 510 的 CPU額 外 負(fù) 荷 。 77 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 分 類(lèi)n 按 收 費(fèi) 模 式 劃 分n 商 用 型n Vxworks, Nucleux ， PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OSn 免 費(fèi) 型 n Linux, CLinux, C/OS- ,eCos,uITRONn 按 實(shí) 時(shí) 性 劃 分n 硬 實(shí)

66、時(shí)n Vxworksn 軟 實(shí) 時(shí)n WinCE,RTLinuxn 無(wú) 實(shí) 時(shí) n Embedded Linux 78 n Linux是 開(kāi) 放 源 碼 和 免 費(fèi) 使 用 的 ， 遍 布 全 球 的 眾 多 Linux愛(ài) 好者 又 是 Linux開(kāi) 發(fā) 的 強(qiáng) 大 技 術(shù) 后 盾 。n 嵌 入 式 Linux(Embedded Linux)是 指 對(duì) Linux經(jīng) 過(guò) 小 型 化 裁 剪后 ， 能 夠 固 化 在 容 量 只 有 幾 百 K字 節(jié) 或 幾 兆 字 節(jié) 的 存 儲(chǔ) 器 芯片 或 單 片 機(jī) 中 ， 應(yīng) 用 于 特 定 嵌 入 式 場(chǎng) 合 的 專(zhuān) 用 Linux操 作 系統(tǒng) 。 嵌 入 式 Linux的 開(kāi) 發(fā) 和 研 究 是 目 前 操 作 系 統(tǒng) 領(lǐng) 域 的 一 個(gè)熱 點(diǎn) 。 主 要 有 RTLinux和 CLinuxn Linux的 內(nèi) 核 小 、 功 能 強(qiáng) 大 、 API豐 富 ， 系 統(tǒng) 健 壯 、 效 率 高 ，易 于 定 制 剪 裁 ， 在 價(jià) 格 上 極 具 競(jìng) 爭(zhēng) 力 。n Linux不 僅 支 持 x86 CPU， 還 可 以 支 持 其 他 數(shù) 十