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文檔簡介
1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)及其軟件開發(fā)概述及其軟件開發(fā)概述陳香2006.5.17xlanchen2006.5.17embedded operating systems2主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念l嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen2006.5.17embedded operating systems3主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念嵌入式系統(tǒng)基本概念l嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen
2、2006.5.17embedded operating systems4嵌入式系統(tǒng)無處不在嵌入式系統(tǒng)無處不在xlanchen2006.5.17embedded operating systems5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)l嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)是微處理器、單片機、微處理器等的應(yīng)用技術(shù),包含硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)兩大部分。l嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)具有系統(tǒng)級應(yīng)用開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)級應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的基本特征。xlanchen2006.5.17embedded operating systems6什么是嵌入式系統(tǒng):什么是嵌入式系統(tǒng):來自來自ieee的定義的定義“embedded system
3、is devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”.ieeel上述定義主要從應(yīng)用上加以定義。可以看出:嵌入式系統(tǒng)是軟硬件的綜合體,還可以涵蓋機械等附屬裝置。xlanchen2006.5.17embedded operating systems7什么是嵌入式系統(tǒng):什么是嵌入式系統(tǒng):廣義上廣義上l嵌入式系統(tǒng)是一種應(yīng)用系統(tǒng),它至少包含一個可編程的計算機(通常是某種形式的微控制器、微處理器或數(shù)字信號處理芯片(dsp)且使用該系統(tǒng)的人一般并未意識到該系統(tǒng)是基于計算機
4、的。xlanchen2006.5.17embedded operating systems8什么是嵌入式系統(tǒng):什么是嵌入式系統(tǒng): 國內(nèi)的經(jīng)典定義國內(nèi)的經(jīng)典定義l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),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)”l一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等部分組成,用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 xlanchen2006.5.17embedded operating systems9l可以從以下幾個方面來理解國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義:1.嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品
5、、面向應(yīng)用的,它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的,它具有很強的專用性,必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。xlanchen2006.5.17embedded operating systems102.嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以,介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè),必須有一個正確的定位。例如lpalm os之所以在pda領(lǐng)域占有70以上的市場,就是因為其立足于個人電子消費品,著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理;l而風(fēng)河的vx
6、works之所以在火星車上得以應(yīng)用,則是因為其高實時性和高可靠性。xlanchen2006.5.17embedded operating systems113.嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對軟硬件進行裁剪,滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以,如果能建立相對通用的軟硬件基礎(chǔ),然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng),是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾kb到幾十kb的微內(nèi)核,需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減,但是由于微內(nèi)核的存在,使得這種擴展能夠非常順利地進行。xlanchen2006.5.17embedded operating systems124.
7、同時還應(yīng)該看到,嵌入式系統(tǒng)本身還是一個外延極廣的名詞。凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng),而且有時很難給它下一個準(zhǔn)確的定義。xlanchen2006.5.17embedded operating systems13嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)l一般而言,嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個部分:l處理器、存儲器、輸入輸出(i/o)、軟件l多數(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都緊密結(jié)合,在這里對其不加區(qū)分,這也是嵌入式系統(tǒng)和windows 系統(tǒng)的最大區(qū)別) 。軟件處理器存儲器輸入輸出xlanchen2006.5.17embedded operating syste
8、ms14嵌入式系統(tǒng)特點嵌入式系統(tǒng)特點l嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點:1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用面向特定應(yīng)用的。嵌入式cpu與通用型的最大不同就是嵌入式cpu大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中,它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點,能夠把通用cpu中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部,從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化,移動能力大大增強,跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。xlanchen2006.5.17embedded operating systems152.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率高效率地設(shè)計,量體裁衣、去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能,這
9、樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力3.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起,它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行,因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場,具有較長的生命周期具有較長的生命周期。xlanchen2006.5.17embedded operating systems164.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固化在存儲器芯片或單片機本身中,而不是存貯于磁盤等載體中5.嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力不具備自舉開發(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功能進行修改,必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。xlanchen2006.5.17embedded
10、 operating systems17主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念:定義、體系結(jié)構(gòu)、特點l嵌入式硬件的發(fā)展嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen2006.5.17embedded operating systems18嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式系統(tǒng)硬件l從硬件方面來講,各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分。l目前,世界上具有嵌入式功能特點的處理器已超過1000種,流行體系結(jié)構(gòu)包括mcu、mpu等30多個系列。l目前嵌入式處理器的尋址空間:可以從64kb到16mb,處理速度:最快可以達到20
11、00mips,封裝:從幾個引腳到幾百個引腳不等。xlanchen2006.5.17embedded operating systems19嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)硬件分類l目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型l嵌入式微處理器(mpu) l嵌入式微控制器(mcu)l嵌入式dsp處理器 l嵌入式片上系統(tǒng)(soc) xlanchen2006.5.17embedded operating systems20嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)硬件分類l目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型l嵌入式微處理器(嵌入式微處理器(mpu) l嵌入式微控制器(mcu) l嵌入式dsp處理器 l嵌入式片上系
12、統(tǒng)(soc) xlanchen2006.5.17embedded operating systems21嵌入式微處理嵌入式微處理mpulmpu(microprocessor unit)cpu lmpu是由通用計算機中的cpu演變而來的,在本質(zhì)上與通用計算機的cpu是一樣的,只是在具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)和功能上有所不同。l裝配在專門設(shè)計的電路板上,只保留跟嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能部件,去除其他冗余功能部件,從而大幅減小系統(tǒng)的體積和功耗。l為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊需求,mpu在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性方面一般都做了各種增強 ,在功能上會失去一些在嵌入式領(lǐng)域不常用的功能單元xlanchen2006.5.
13、17embedded operating systems22l和工業(yè)控制計算機相比,lmpu具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點,但是在電路板上必須包括rom、ram、總線接口、各種外設(shè)等器件,從而降低了系統(tǒng)的可靠性,技術(shù)保密性也比較差。l由于mpu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。lmpu目前主要有:lintel x86、ibm powerpc、motorola 68k/coldfire、mips、arm、hitachi superh等系列xlanchen2006.5.17embedded operating systems23
14、典型嵌入式微處理器:典型嵌入式微處理器:arm系列系列l(wèi)arm(advanced risc machines)是arm公司的高性能、廉價、低功耗的risc處理器,適用于多種領(lǐng)域l如嵌入控制、消費/教育類多媒體、dsp和移動式應(yīng)用等。 larm公司將其硬件技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體廠商,包括intel,ibm,lg,nec,sony,philps這樣的大公司。關(guān)于軟件系統(tǒng)的合伙人,則包括microsoft、sun等一系列著名公司xlanchen2006.5.17embedded operating systems24larm公司提供一系列cpu內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。l由于
15、所有產(chǎn)品均采用一個通用的基本體系結(jié)構(gòu),所以相同的軟件理論上可在所有產(chǎn)品中運行l(wèi)目前,arm公司常見的處理器系列有:larm7、arm9、arm10、arm11等xlanchen2006.5.17embedded operating systems25典型嵌入式微處理器:典型嵌入式微處理器:mipslmips microprocessor without interlocked piped stages“無內(nèi)部互鎖流水線微處理器”l也是現(xiàn)在比較流行的一種risc處理器,其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題l最早是在20世紀(jì)80年代初由美國斯坦福大學(xué)hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組
16、研制出來的l在嵌入式方面,僅次于arml應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機,移動電話,數(shù)碼相機,atm,路由器,打印機,掌上電腦等等各個方面,非常廣泛xlanchen2006.5.17embedded operating systems26國內(nèi)的嵌入式微處理器:國內(nèi)的嵌入式微處理器:龍芯龍芯l中國科學(xué)院計算所研制l具有自主知識產(chǎn)權(quán) l龍芯1號:32位mips處理器l龍芯2號l龍芯3號l龍芯+linuxl我們希望:龍芯+minicore xlanchen2006.5.17embedded operating systems27手機的大概組成手機的大概組成 微處理器 bus rom or flash 鍵盤 無線電
17、信號發(fā)射與接收 lcd 部件 聲音設(shè)備 dsp 其他外設(shè) ram xlanchen2006.5.17embedded operating systems28嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)硬件分類l目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型l嵌入式微處理器(mpu) l嵌入式微控制器(嵌入式微控制器(mcu) l嵌入式dsp處理器 l嵌入式片上系統(tǒng)(soc) xlanchen2006.5.17embedded operating systems29嵌入式微控制器嵌入式微控制器mcu(1)lmcu = microcontroller unit 一般又稱為單片機,即將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中l(wèi)m
18、cu一般以某種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成rom/eprom,總線,總線邏輯,定時器,i/o單元,串口,a/d,d/a,flash等各種必要功能和外設(shè) l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)核基本都是一樣的,不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝xlanchen2006.5.17embedded operating systems30嵌入式微控制器嵌入式微控制器mcu(2)l與mpu相比,mcu的特點是單片化,體積大大減小,成本和功耗下降,可靠性提高l微控制器的片上資源一般比較豐富,適合于比較簡單的控制過程(得名的來由)xlanchen2006.5.
19、17embedded operating systems31嵌入式微控制器嵌入式微控制器mcu(3)l代表性的通用系列l(wèi)intel 8051,p51xa,mcs系列,motorola 68300等等l半通用系列l(wèi)支持usb接口的mcu 8xc930/932、c540、c541l支持i2c、can-bus、lcd的mcul等等 xlanchen2006.5.17embedded operating systems32嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)硬件分類l目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型l嵌入式微控制器(mcu) l嵌入式微處理器(mpu) l嵌入式嵌入式dsp處理器處理器 l嵌入式片上
20、系統(tǒng)(soc) xlanchen2006.5.17embedded operating systems33嵌入式嵌入式dsp處理器處理器edspledsp = embedded digital signal processor ldsp在運算量較大(特別是向量運算、指針線性尋址很多)的場合發(fā)揮重要作用 l對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計,使其適合與執(zhí)行dsp算法,編譯效率較高,指令執(zhí)行速度也較高 l除了數(shù)字濾波,fft等之外,dsp處理器在各種帶有智能邏輯的產(chǎn)品,生物信息識別終端,實時語音編碼解碼系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用l代表性的產(chǎn)品是texas instruments公司的tms320系列和m
21、otorola的dsp56000系列 xlanchen2006.5.17embedded operating systems34嵌入式系統(tǒng)硬件分類嵌入式系統(tǒng)硬件分類l目前來講,嵌入式處理器可以分成這樣一些類型l嵌入式微控制器(mcu) l嵌入式微處理器(mpu) l嵌入式dsp處理器 l嵌入式片上系統(tǒng)(嵌入式片上系統(tǒng)(soc) xlanchen2006.5.17embedded operating systems35嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)soc(1)lsoc = system on chip l隨著vlsi技術(shù)的發(fā)展,在一個硅片上可以包括cpu,各種外設(shè)控制器(如網(wǎng)絡(luò)控制器、lcd控制器
22、等)等多個功能單元,構(gòu)成一個完整的復(fù)雜硬件系統(tǒng),這就是嵌入式片上系統(tǒng) l嵌入式處理器內(nèi)核可以作為soc的一種標(biāo)準(zhǔn)庫,與其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣,成為vlsi設(shè)計中的一種標(biāo)準(zhǔn)器件,用vhdl等語言描述,存儲在器件庫中l(wèi)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xlanchen2006.5.17embedded operating systems36嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)soc(2)l這樣,整個嵌入式系統(tǒng)大部分都可以集成到一塊或幾塊芯片中去,系統(tǒng)電路板將變得很簡潔,對減小體積和功耗,提高可靠性非常有利lsoc可以分為通用和專用兩類,市場份額比較小 xlanche
23、n2006.5.17embedded operating systems37主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念l嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen2006.5.17embedded operating systems38嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件l簡單的嵌入式應(yīng)用l若嵌入式系統(tǒng)的功能需求比較簡單,如電動玩具、空調(diào)、冰箱等,則嵌入式系統(tǒng)軟件只需完成較簡單的功能,就不需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。l如:基于8051的應(yīng)用l兒童玩具、汽車系統(tǒng)等等l復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用l若功能比較復(fù)雜,需要網(wǎng)絡(luò)功
24、能、存儲器管理、進程/線程管理等,則通過嵌入式操作系統(tǒng)的幫助,可以加快嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)進度和可靠性。xlanchen2006.5.17embedded operating systems39簡單的嵌入式應(yīng)用簡單的嵌入式應(yīng)用l簡單的嵌入式應(yīng)用不需要使用操作系統(tǒng)l當(dāng)系統(tǒng)上電后,main函數(shù)將被調(diào)用,首先初始化,然后進入循環(huán)直到系統(tǒng)停電或者出現(xiàn)重大錯誤。l超級循環(huán)void main(void)/prepare for function xx_init();while(1) x();xlanchen2006.5.17embedded operating systems40簡單的嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程
25、簡單的嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程l簡單的嵌入式應(yīng)用的開發(fā)過程l在個人電腦上配置交叉開發(fā)環(huán)境、安裝仿真器,編寫程序,交叉編譯,在仿真器上運行測試并修改直到軟件滿足需求;l利用面包板開發(fā)和調(diào)試軟、硬件l利用編程器將軟件燒到開發(fā)好的系統(tǒng)中進行現(xiàn)場運行測試xlanchen2006.5.17embedded operating systems41主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念l嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen2006.5.17embedded operating systems42嵌入式操作
26、系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)l簡單的說,嵌入式操作系統(tǒng)就是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。在本質(zhì)上與通用的操作系統(tǒng)沒有太大的區(qū)別,一般用于比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,例如l手機、pda等電子類消費產(chǎn)品l機頂盒、路由器等l對嵌入式系統(tǒng)的硬件有較高的要求xlanchen2006.5.17embedded operating systems43基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)發(fā)1.確定需求2.根據(jù)需求選擇合適的硬件l硬實時/軟實時系統(tǒng)?l什么處理器?哪些輔助硬件?3.選擇嵌入式操作系統(tǒng)4.選擇開發(fā)平臺l編程語言、軟件開發(fā)工具l實際的開發(fā)平臺包括硬件開發(fā)平臺、操作系統(tǒng)、編程語言以及軟
27、件開發(fā)工具xlanchen2006.5.17embedded operating systems445.編寫并優(yōu)化代碼l一般在主機系統(tǒng)上進行開發(fā)和優(yōu)化工作。l代碼優(yōu)化主要在軟件執(zhí)行速度和軟件尺寸之間取得平衡,滿足嵌入式系統(tǒng)對速度和存儲空間的限制。在嵌入式開發(fā)中,一般需要避免使用大型的軟件庫,避免使用遞歸編程,減少堆棧的消耗。6.在模擬器或者開發(fā)板上調(diào)試xlanchen2006.5.17embedded operating systems45嵌入式軟件系統(tǒng)的指標(biāo)嵌入式軟件系統(tǒng)的指標(biāo)l尺寸l滿足硬件限制l實時性l硬實時,軟實時和非實時系統(tǒng) l網(wǎng)絡(luò)能力l人機交互能力xlanchen2006.5.17
28、embedded operating systems46嵌入式系統(tǒng)的實時性嵌入式系統(tǒng)的實時性l嵌入式系統(tǒng)一般具有實時的特點。所謂實時系統(tǒng)是指在這種系統(tǒng)中,l一個優(yōu)先級高的任務(wù)能夠得到立即的、沒有延遲的服務(wù),不需要等待任何其他優(yōu)先級低的任務(wù),一旦它得到cpu的使用權(quán),將一直執(zhí)行直到工作結(jié)束或者出現(xiàn)更高級別的進程。l為了滿足這樣的需求,嵌入式操作系統(tǒng)必須具有高效的中斷處理能力和高效的io能力xlanchen2006.5.17embedded operating systems47嵌入式操作系統(tǒng)分類嵌入式操作系統(tǒng)分類l硬實時系統(tǒng)l確保系統(tǒng)中的關(guān)鍵任務(wù)在確定的時間得到響應(yīng),不能有失敗的情況,否則會出現(xiàn)
29、嚴(yán)重后果 l軟實時系統(tǒng)l設(shè)計的時候是有響應(yīng)時間要求的,但是偶爾某些任務(wù)的響應(yīng)時間超過這個限制也不會有嚴(yán)重的后果 l非實時系統(tǒng)l無響應(yīng)時間的要求xlanchen2006.5.17embedded operating systems48實時系統(tǒng)的幾個指標(biāo)實時系統(tǒng)的幾個指標(biāo)l預(yù)測反應(yīng)時間l可調(diào)度性l強負(fù)載下的穩(wěn)定性xlanchen2006.5.17embedded operating systems49預(yù)測反應(yīng)時間預(yù)測反應(yīng)時間l在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實時可定義為系統(tǒng)對某事件響應(yīng) 時間的可預(yù)測性。l一個事件發(fā)生后,系統(tǒng)須在一個可準(zhǔn)確預(yù)見的時間范圍內(nèi)作出反應(yīng)。 xlanchen2006.5.17embedd
30、ed operating systems50可調(diào)度性可調(diào)度性l實時任務(wù)具有時限要求,調(diào)度實時任務(wù)時,需要判斷是否每個任務(wù)的執(zhí)行都能夠在其截止期限內(nèi)完成。l如果每個任務(wù)的執(zhí)行都能夠在其截止期限內(nèi)完成,則稱該調(diào)度是可行的l可調(diào)度性判定(或稱調(diào)度可行性判定)就是判定給定的n個實時任務(wù)在應(yīng)用某種調(diào)度算法的前提下能否產(chǎn)生一個可行的調(diào)度。l調(diào)度算法的設(shè)計要盡可能滿足任務(wù)可調(diào)度性的要求 xlanchen2006.5.17embedded operating systems51強負(fù)載下的穩(wěn)定性強負(fù)載下的穩(wěn)定性l實時穩(wěn)定性隨著系統(tǒng)的負(fù)載有所不同l當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載變得很大時,如果系統(tǒng)不能保證所有任務(wù)的時間要求,應(yīng)當(dāng)能
31、使其中一部分關(guān)鍵任務(wù)始終滿足時限要求xlanchen2006.5.17embedded operating systems52主要內(nèi)容主要內(nèi)容l嵌入式系統(tǒng)基本概念l嵌入式硬件的發(fā)展l嵌入式軟件及其開發(fā)l嵌入式操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)l典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹典型嵌入式操作系統(tǒng)介紹l嵌入式操作系統(tǒng)選型xlanchen2006.5.17embedded operating systems53嵌入式操作系統(tǒng)一覽嵌入式操作系統(tǒng)一覽xlanchen2006.5.17embedded operating systems54常見嵌入式實時操作系統(tǒng)常見嵌入式實時操作系統(tǒng)lrtlinux及其他嵌入式實時linuxluc
32、/os iilwind river systems公司的vxworkslqnx software systems公司的qnx。 lpsoslos/9lvrtxlecosxlanchen2006.5.17embedded operating systems55常見嵌入式非實時操作系統(tǒng)常見嵌入式非實時操作系統(tǒng) lmicrosoft公司的windows ce、embedded windows xp lpalm公司的palm os lsymbian公司的epoc l一些嵌入式linux系統(tǒng)xlanchen2006.5.17embedded operating systems56幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)
33、介紹幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式linuxxlanchen2006.5.17embedded operating systems57幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式linuxxlanchen2006.5.17embedded operating systems58uc/os iil免費的公開源碼實時操作系統(tǒng) l內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度和管理、時鐘管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能
34、l最多支持64個任務(wù),分別對應(yīng)優(yōu)先級063,其中0為最高優(yōu)先級 l可剝奪實時多任務(wù)內(nèi)核 l調(diào)度工作的內(nèi)容分為兩部分:最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換 xlanchen2006.5.17embedded operating systems59l內(nèi)核是針對實時系統(tǒng)的要求來設(shè)計實現(xiàn)的,相對比較簡單,可以滿足較高的實時性要求 l但是沒有網(wǎng)絡(luò)功能和文件系統(tǒng),對于像媒體播放、需要網(wǎng)絡(luò)和圖形界面支持的應(yīng)用就比較差xlanchen2006.5.17embedded operating systems60幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列
35、的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式linuxxlanchen2006.5.17embedded operating systems61threadx操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) l只需要很小的存儲器容量(最低5k) l硬實時的處理能力 l有功能強大的專門的開發(fā)調(diào)試支持工具 l支持了市場上絕大部分的cpu l同樣也是商業(yè)化的操作系統(tǒng) xlanchen2006.5.17embedded operating systems62幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)系列的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式linuxx
36、lanchen2006.5.17embedded operating systems63更強的功能筆記本筆記本pc 復(fù)雜的文檔編輯和讀寫 桌面鍵盤輸入 鍵盤和鼠標(biāo)輸入法 完整的.net framework 支持平板電腦平板電腦 復(fù)雜的文檔編輯和讀寫 桌面鍵盤輸入 支持?jǐn)?shù)字墨水 可以支持鍵盤,也可以把鍵盤拿走 鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字墨水和語音輸入 完整的 .net framework支持 提供筆,數(shù)字墨水,手寫和語音識別api小型個人產(chǎn)小型個人產(chǎn)品品 單向網(wǎng)絡(luò) 信息消費smartphone 信息消費 基本數(shù)據(jù)瀏覽 把pda融入電話 可以與exchange交互 .net compact framewor
37、k asp.net 移動控件pocket pc 信息消費 瀏覽和輸入數(shù)據(jù) 把電話融入pda 可以與office, exchange和sql server交互 .net compact framework asp.net 移動控件微軟的移動平臺微軟的移動平臺xlanchen2006.5.17embedded operating systems64windows embedded 家族家族xlanchen2006.5.17embedded operating systems65windows cel主要用于pda,smartphone等個人手持終端上 l支持多線程 l支持多種軟硬件l最大的特點就是
38、能提供與pc 機類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序 l地道的商業(yè)操作系統(tǒng)xlanchen2006.5.17embedded operating systems66windows ce(2)l主要模塊 l內(nèi)核模塊:支持進程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務(wù) l內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊:運行應(yīng)用程序訪問操作系統(tǒng)提供的服務(wù)l文件系統(tǒng)模塊:支持dos,fat等格式的文件系統(tǒng)l圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊:控制圖形顯示,并提供windows gui界面l通信模塊:運行同其他設(shè)備進行信息交換xlanchen2006.5.17embedded operating systems67幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹幾款典型的嵌入
39、式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式linuxxlanchen2006.5.17embedded operating systems68vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng) lvxworks 是風(fēng)河(windriver)公司開發(fā)的一款商用硬實時操作系統(tǒng)l支持主流的32位cpu,包括lx86、 68k、powerpc、mips、arm等l基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu),由400多個相對獨立的,短小精悍的目標(biāo)模塊組成,可裁剪性和可配置性相當(dāng)出色xlanchen2006.5.17embedded operating systems
40、69vxworksl主要思想:在嵌入式系統(tǒng)中最大限度地實現(xiàn)內(nèi)核的時間可預(yù)測性,根據(jù)用戶定義的任務(wù)優(yōu)先級對任務(wù)實現(xiàn)調(diào)度。l給用戶最大的控制權(quán)xlanchen2006.5.17embedded operating systems70vxworkslvxworks的基本構(gòu)成模塊包括以下部分 :l高效實時微內(nèi)核wind:vxworks實時微內(nèi)核wind以靈活性和可配置性為設(shè)計目標(biāo),它主要包括l基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度l任務(wù)同步和通信l中斷處理l定時器l內(nèi)存管理 l兼容posix實時系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)xlanchen2006.5.17embedded operating systems71li/o處理系統(tǒng):vxwor
41、ks提供與ansic兼容的i/o處理系統(tǒng),主要包括lunix緩沖i/o處理系統(tǒng),和l面向?qū)崟r的異步i/o處理系統(tǒng)l本機文件系統(tǒng)l網(wǎng)絡(luò)處理模塊:vxworks網(wǎng)絡(luò)處理模塊能與許多運行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進行通信,如tcp/ip、nfs、udp、snmp、ftp等xlanchen2006.5.17embedded operating systems72 l虛擬內(nèi)存模塊vxvmi:vxvmi主要用于對指定內(nèi)存區(qū)的保護,如內(nèi)存塊只讀等 l共享內(nèi)存模塊vxmp:主要用于多處理器行運行任務(wù)之間的共享信號量、消息隊列、內(nèi)存塊管理 l板級支持包bsp:提供各種硬件的初始化、中斷的建立、定時器、內(nèi)存映象 xlanch
42、en2006.5.17embedded operating systems73vxworks的評價的評價lvxworks是一款非常出色的嵌入式實時操作系統(tǒng),但是它是不公開源碼的商業(yè)化操作系統(tǒng),價格比較高l為追求系統(tǒng)的實時性而設(shè)計的,并不是以通用os為設(shè)計目標(biāo)。l去掉了一些os模塊,因為這些模塊在某種程度上會影響系統(tǒng)的實時性 (如在內(nèi)存管理中沒有采用頁面管理模式,采用的是平板式內(nèi)存)。xlanchen2006.5.17embedded operating systems74l任務(wù)調(diào)度采用的是基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度模式,優(yōu)先級分256級(0-255)l用戶可以動態(tài)的改變優(yōu)先級,但是這種做法不提
43、倡l用戶可以鎖定一個任務(wù)使它不被更高的任務(wù)或中斷搶占l允許使用固定優(yōu)先級響應(yīng)時間來檢查任務(wù)調(diào)度的性能xlanchen2006.5.17embedded operating systems75l資源共享和優(yōu)先級繼承機制l采用最優(yōu)化的上下文切換和中斷返回機制.l內(nèi)核從不禁止非屏蔽中斷 nmi (non-maskable interrupts)xlanchen2006.5.17embedded operating systems76vxworks缺點缺點l缺少某些os特性l保證時限要求是設(shè)計者自己的任務(wù)(系統(tǒng)的靈活性帶來的弊端)l不支持很多應(yīng)用和apis(只支持部分posix標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)集)l盡管采用
44、了平板式內(nèi)存管理,但是由于內(nèi)存的動態(tài)分配,仍然存在內(nèi)存段,這樣仍然存在時間上的不可預(yù)測性xlanchen2006.5.17embedded operating systems77l應(yīng)用領(lǐng)域主要局限在對實時性要求較嚴(yán)格的硬實時系統(tǒng)中l(wèi)帶給用戶最大的控制權(quán)的同時,用戶對系統(tǒng)的實時性調(diào)度責(zé)任也更大xlanchen2006.5.17embedded operating systems78tornado 集成開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境 xlanchen2006.5.17embedded operating systems79gdb 調(diào)試工具調(diào)試工具xlanchen2006.5.17embedded opera
45、ting systems80windview 多任務(wù)多任務(wù)跟蹤和跟蹤和觀察觀察工具工具xlanchen2006.5.17embedded operating systems81幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹幾款典型的嵌入式操作系統(tǒng)介紹luc/os iilthreadxlwindows系列的嵌入式操作系統(tǒng)lvxworksl嵌入式嵌入式linux xlanchen2006.5.17embedded operating systems82將將linux嵌入到嵌入到xlanchen2006.5.17embedded operating systems83xlanchen2006.5.17embedded
46、 operating systems84linux簡介簡介l什么是linuxllinux發(fā)展簡史llinux系統(tǒng)的好處llinux系統(tǒng)組成llinux版本xlanchen2006.5.17embedded operating systems85什么是什么是linux?llinux是一個類似unix(unix-like)的操作系統(tǒng),在1991年發(fā)行了它的第一個版本l在不同的語境下,“l(fā)inux”具有不同的內(nèi)涵,例如:llinux內(nèi)核、linux系統(tǒng)或linux開發(fā)套件等術(shù)語。l嚴(yán)格來說,linux指的是linux torvalds維護的(及通過主要和鏡像網(wǎng)站發(fā)布的)內(nèi)核。lgnu/linuxlg
47、nu/linux的擁護者們認(rèn)為,linux僅僅是指linux內(nèi)核,而整個linux系統(tǒng)的大部分都建立在gnu軟件之上。xlanchen2006.5.17embedded operating systems86linux發(fā)展簡史發(fā)展簡史l1991年11月,芬蘭赫爾辛基大學(xué)的學(xué)生 linus torvalds寫了個小程序,取名為linux,放在互聯(lián)網(wǎng)上。他表達了一個愿望,希望借此搞出一個操作系統(tǒng)的“內(nèi)核”來,這完全是一個偶然事件l1993,在一批高水平黑客的參與下,誕生了linux 1.0 版 l1994年,linux 的第一個商業(yè)發(fā)行版 slackware 問世xlanchen2006.5.17
48、embedded operating systems87 l1996年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的計算機系統(tǒng)實驗室確認(rèn) linux 版本 1.2.13(由 open linux 公司打包)符合 posix 標(biāo)準(zhǔn)l2001年,linux2.4版內(nèi)核發(fā)布 l2003年,linux2.6版內(nèi)核發(fā)布lxlanchen2006.5.17embedded operating systems88名詞解釋名詞解釋lposixportable operating system interface standard中文:可移植操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)由ieee制訂,并由iso接受為國際標(biāo)準(zhǔn)。lieeeinstitute for
49、 electrical and electronic engineers中文:電氣電子工程師學(xué)會美lisointernational organization for standardization中文:國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定各行各業(yè)各種產(chǎn)品和服務(wù)的技術(shù)規(guī)范(國際標(biāo)準(zhǔn))xlanchen2006.5.17embedded operating systems89linux操作系統(tǒng)的主要內(nèi)容操作系統(tǒng)的主要內(nèi)容 llinux是免費的、源代碼開放的、符合posix標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作系統(tǒng) l擁有現(xiàn)代操作系統(tǒng)具有的所有內(nèi)容,例如 l搶占式多任務(wù)處理,支持多用戶l內(nèi)存保護,l支持smp,支持tcp/ip,l支持絕大多
50、數(shù)的32位和64位cpu 等l還有一些其他操作系統(tǒng)沒有的特色,比如 lnfs,vfs,高效的ext系列文件系統(tǒng)等xlanchen2006.5.17embedded operating systems90linux版本版本llinux的內(nèi)核版本l幾種流行的linux發(fā)行版本xlanchen2006.5.17embedded operating systems91linux的內(nèi)核版本的內(nèi)核版本llinux內(nèi)核版本是由linus torvalds作為總體協(xié)調(diào)人的linux開發(fā)小組(分布在各個國家的近百位高手)開發(fā)出的系統(tǒng)內(nèi)核的版本號 llinux內(nèi)核采用的是雙樹系統(tǒng)l一棵是穩(wěn)定樹,主要用于發(fā)行l(wèi)另一
51、棵是非穩(wěn)定樹或稱為開發(fā)樹,用于產(chǎn)品開發(fā)和改進 llinux內(nèi)核版本號由3位數(shù)字組成l r.x.y第1位數(shù)字r為主版本號 第2位數(shù)字x為說明版本類型的次版本號,如果x為偶數(shù),則表示為產(chǎn)品化版本,為奇數(shù)時表示為實驗版本 第3位數(shù)字y為修改號,表示錯誤修補的次數(shù) xlanchen2006.5.17embedded operating systems92幾種流行的幾種流行的linux發(fā)行版本發(fā)行版本xlanchen2006.5.17embedded operating systems93linux系統(tǒng)的好處系統(tǒng)的好處l支持多種cpulx86, arm, mips, sh, i960, ppc, etc
52、.l開放源代碼(open source)l強大的網(wǎng)絡(luò)功能l可移植性l使用gnu toolsxlanchen2006.5.17embedded operating systems94l一個新潮,非常穩(wěn)定,多用戶,多任務(wù)的環(huán)境 l標(biāo)準(zhǔn)的平臺 l無法超越的計算能力,可移動性和適應(yīng)性 l先進的圖形用戶界面 l幾十個異常出色而且免費的桌面應(yīng)用程序 l成千上萬個免費的工具和應(yīng)用小程序 l幾百上千個專業(yè)程序由全世界的無數(shù)研究人員編制,覆蓋了天文,信息技術(shù),化學(xué),物理,工程,語言,生物等各個學(xué)科領(lǐng)域xlanchen2006.5.17embedded operating systems95l一個真正杰出的學(xué)習(xí)系
53、統(tǒng) l很多頂級的系統(tǒng)開發(fā)平臺,友好的編程語言及編程工具都免費包含在操作系統(tǒng)里面 l病毒入侵,計算機的“后門”,軟件提供商的“特別要求”,強迫性的軟件升級,專有的文件格式,軟件使用許可證和市場策略,產(chǎn)品注冊登記,高得驚人的軟件價格,等等 -linux都沒有l(wèi)linux操作系統(tǒng)平臺保證它的“永久性”l一個技術(shù)快速更新的平臺xlanchen2006.5.17embedded operating systems96嵌入式嵌入式linux介紹介紹l什么是嵌入式linuxl嵌入式linux的典型應(yīng)用l嵌入式linux的分類l常見的嵌入式linuxxlanchen2006.5.17embedded oper
54、ating systems97什么是嵌入式什么是嵌入式linuxl嵌入式linux內(nèi)核l為特殊的硬件配置、或為了支持特別的應(yīng)用而經(jīng)過特別的裁剪的修改過的linux內(nèi)核l通常具有不同于工作站與服務(wù)器的內(nèi)核配置l嵌入式linux系統(tǒng)l基于linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)l嵌入式linux發(fā)行套件l開發(fā)嵌入式linux系統(tǒng)的平臺l各種為了在嵌入式系統(tǒng)中使用而剪裁過的應(yīng)用軟件xlanchen2006.5.17embedded operating systems98嵌入式嵌入式linux的典型應(yīng)用的典型應(yīng)用xlanchen2006.5.17embedded operating systems99嵌入式嵌入式l
55、inux的分類的分類l分類依據(jù)包括:l應(yīng)用的市場l嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模l時限(即實時)要求l網(wǎng)絡(luò)能力l與用戶交互能力l等xlanchen2006.5.17embedded operating systems100嵌入式嵌入式linux的分類的分類1市場市場l根據(jù)應(yīng)用的市場來劃分l航空航天、汽車系統(tǒng)、消費性電子產(chǎn)品、電信等l無法為所指的系統(tǒng)提供額外的信息xlanchen2006.5.17embedded operating systems101嵌入式嵌入式linux的分類的分類2規(guī)模規(guī)模l嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模由一些不同的因素來決定,首先實際的尺寸大小l有些系統(tǒng)的尺寸可能相當(dāng)大,例如那些用來構(gòu)建集群的產(chǎn)品
56、l有些卻非常小,例如ibm制造的linux手表l最重要的是,嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模與系統(tǒng)中各個電子原件的屬性有關(guān),如cpu的運算速度、ram容量、永久性存儲器的容量xlanchen2006.5.17embedded operating systems102嵌入式嵌入式linux的分類的分類2電子元件的規(guī)模電子元件的規(guī)模l根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的電子元件的規(guī)模分類,包括l小型、中型、大型l小型系統(tǒng)的特性是:低運算能力的cpu,并且可以使用至少2mb的rom和4mb的ram。對于更小的系統(tǒng),你會發(fā)現(xiàn)也許不用操作系統(tǒng)或者使用其他的操作系統(tǒng)更加合適,因為將linux嵌入到這樣的系統(tǒng)中比較費功夫xlanchen200
57、6.5.17embedded operating systems103嵌入式嵌入式linux的分類的分類2電子元件的規(guī)模電子元件的規(guī)模l中型系統(tǒng)的特性是:中等運算能力的cpu,并且可以使用大約32mb的rom和64mb的ram。l大多數(shù)以linux構(gòu)建的消費性產(chǎn)品皆屬此類,包括pda、mp3播放器,娛樂系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。l有些產(chǎn)品可能會包含如下形式的輔助存儲器:固態(tài)硬盤(以ram芯片制成的硬盤)、快閃存儲卡甚至是傳統(tǒng)的硬盤。xlanchen2006.5.17embedded operating systems104嵌入式嵌入式linux的分類的分類2電子元件的規(guī)模電子元件的規(guī)模l大型系統(tǒng)的特性
58、是:使用運算能力強大的cpu,或是使用多個cpu并且可以使用大量的ram和永久性存儲器通常,這類系統(tǒng)需要進行大量計算來完成特定的任務(wù)。l例如大型的電信交換機以及飛行仿真器。xlanchen2006.5.17embedded operating systems105嵌入式嵌入式linux的分類的分類3實時要求實時要求l根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的時限要求,可以分為l嚴(yán)格時限的要求:系統(tǒng)必須在預(yù)定的時間之內(nèi)作出反應(yīng),否則會發(fā)生災(zāi)難事件。即硬實時系統(tǒng)l軟實時系統(tǒng)像音頻、視頻流系統(tǒng)往往是軟實時系統(tǒng),因為該系統(tǒng)一時的失誤并不會造成無法彌補的災(zāi)難。但仍然應(yīng)當(dāng)被設(shè)計為具備嚴(yán)格的時間要求l寬松的時限的要求比較泛,不過他們
59、一般會被應(yīng)用在需要及時(或適時)作出響應(yīng)但不必立即完成的系統(tǒng)上。這樣的系統(tǒng)雖然比較慢,但是不會影響最后結(jié)果xlanchen2006.5.17embedded operating systems106基于基于linux的嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)luclinuxlarmlinuxlrt-linux/rtailembedixlblue cat linuxlhard hat linuxl等等xlanchen2006.5.17embedded operating systems107基于基于linux的嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)luclinux(以后專門介紹)(以后專門介紹)larmlinux
60、(以后專門介紹)(以后專門介紹)lrt-linux/rtailembedixlblue cat linuxlhard hat linuxl等等xlanchen2006.5.17embedded operating systems108基于基于linux的嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)luclinuxlarmlinuxlrt-linux/rtailembedixlblue cat linuxlhard hat linuxl等等xlanchen2006.5.17embedded operating systems109支持硬實時的支持硬實時的linux:rt-linux/rtailrt-linux
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