嵌入式微處理器系統(tǒng)讀書報告(共16頁)

1、嵌入式微處理器系統(tǒng)專題讀書報告姓名：全妤1、引言 隨著醫(yī)療電子、智能家居、物流管理和電力控制等方面的不斷風靡，嵌入式系統(tǒng)利用自身積累的底蘊經(jīng)驗，重視和把握這個機會，想辦法在已經(jīng)成熟的平臺和產(chǎn)品基礎上與應用傳感單元的結合，擴展物聯(lián)和感知的支持能力，發(fā)掘某種領域物聯(lián)網(wǎng)應用。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。  2、 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)被定義為以應用為中心、計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。2.1嵌入式系統(tǒng)的組成一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由和執(zhí)行裝置組成。嵌入式

2、計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控，它可以接受發(fā)出的控制，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務。2.1.1 硬件層 硬件層中包含、（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和（A/D、D/A、I/O等）。在一片基礎上添加電源、和電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中和都可以固化在ROM中。1）嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是，嵌入式微處理器與通用最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的和可靠性。2）嵌入式系統(tǒng)需要來存放

3、和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的包含Cache、主存和。3）通用設備接口和I/O接口嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備的或傳感器的連接來實現(xiàn)的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內(nèi)置芯片中。外設的種類很多，可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的無線設備。目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模/數(shù)轉換接口）、D/A（數(shù)/模轉換接口），I/O接口有（接口）、Ethernet（接口）、USB（接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（）、SPI（）和IrDA（）等。2.1.2 中間層硬件層與軟件層之間為

4、中間層，也稱為硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）或（Board Support Package，BSP），它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP 層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。BSP具有以下兩個特點。硬件相關性：因為的具有應用相關性，而作為上層軟 件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為提供操作和控制具體硬件的方法。相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。實際上，BSP

5、是一個介于和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能，設計硬件相關的。2.1.3 系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形（Graphic User Interface，GUI）、網(wǎng)絡系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式的基礎和開發(fā)平臺。2.2 嵌入式系統(tǒng)的特點 1）系統(tǒng)小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，相對有限，所以較之傳統(tǒng)的要小得多。比如Enea公司的OSE，只有5K，而的內(nèi)核？簡直沒有可比性。 2）專用性強

6、。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和的“升級”是完全兩個概念。 3）系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有和的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。 4）高實時性的系統(tǒng)軟件(OS)是的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度；要求高質(zhì)量和高可靠性。 5）要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的可以沒有直接在芯片上運行；但是為了合理地

7、調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源、以及和專家接口，用戶必須自行選配RTOS（RealTime Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障。 6）需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。 7）嵌入式系統(tǒng)與具體應用有機結合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場

8、，具有較長的生命周期。 8）為了提高運行速度和系統(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中。2.3 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 從20世紀七十年代單片機的出現(xiàn)到各式各樣的嵌入式微，微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史。 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些的，還談不上“系統(tǒng)”的概念。 最早的單片機是Intel公司的 8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時推

9、出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個8位并口、1個全雙工、兩個16位定 時 器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應用。 從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的開始用商業(yè)級的“”編寫嵌入式，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點說，這個時候的是一個實時核，這個實時核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括、任務間通訊、同步

10、與相互排斥、中斷支持、等功能。 其中比較著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等。這些都具有嵌入式的典型特點：它們均采用占先式的調(diào)度，響應的時間很短，任務執(zhí)行的時間可以確定；系統(tǒng)很小，具有可裁剪，可擴充和可移植性，可以移植到各種上；較強的實時和可靠性，適合嵌入式應用。這些嵌入式的出現(xiàn)，使得應用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應用空間。90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為（RTOS），并

11、作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Delta Os等。隨著的發(fā)展前景日益廣闊，相信會有更多的軟件出現(xiàn)。3、 嵌入式實時操作系統(tǒng) 嵌入式實時操作系統(tǒng)（Embedded Real-time Operation System，RTOS），是指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行

12、的。3.1 RTOS的分類3.1.1 TenuxTenux是一款開源免費的硬實時嵌入式操作系統(tǒng)，開發(fā)團隊來自大連，主要針對ARM Cortex M0-M4系列的微控制器。其內(nèi)核采用上世紀80年代就出現(xiàn)的T-Kernel。在全球嵌入式最發(fā)達的日本，T-Kernel擁有60%的占有率。同時tecoss中國開源社區(qū)還推出了Tenux，針對ARM Cortex的R系列和A系列。目前，悠龍軟件是世界知名公司ARM的合作伙伴，還是Ti、ATMEL、ST、T-Engine、Neusoft、Tianfusoftwarepark、TEG、Parasoft etc.芯片廠商的合作伙伴。目前，官方提供的Tenux穩(wěn)

13、定版代碼為V1.5.00r160。3.1.2 DJYOS是一個嵌入式實時操作系統(tǒng)，沒有考慮在通用計算機/服務器上與、競爭。操作系統(tǒng)是以事件為核心進行調(diào)度的，這種調(diào)度策略使程序員可以按人類認知事物的習慣而不是計算機的習慣來編程。普通操作系統(tǒng)中，調(diào)度是以線程為核心的，事件被作為線程的數(shù)據(jù)，標榜為“事件觸發(fā)”的軟件模型，也是由線程在一旁候著，待特定事件發(fā)生時線程恢復運行并把它作為輸入數(shù)據(jù)加以處理。以事件為核心的調(diào)度，則像設備和內(nèi)存一樣，把線程虛擬機作為處理事件所需要的資源看待，當某事件需要處理時，分配或者創(chuàng)建一個線程虛擬機給該事件，并啟動該線程虛擬機處理事件。在嵌入式領域，要與非實時操作系統(tǒng)如、競爭

14、，以及實時操作系統(tǒng)如、等競爭。的目標，是改變中國無（有影響力的）操作系統(tǒng)局面，在不久的將來，世界上流行的操作系統(tǒng)中，有一個來自中國。3.1.3 VxWorks是WindRiver公司的產(chǎn)品，是目前領域中應用很廣泛，市場占有率比較高的。VxWorks由400多個相對獨立、短小精悍的目標模塊組成，用戶可根據(jù)需要選擇適當?shù)哪K來裁剪和配置系統(tǒng)；提供基于優(yōu)先級的任務調(diào)度、任務間同步與通信、和等功能，內(nèi)建符合POSIX(可移植)規(guī)范的內(nèi)存管理，以及多處理器控制程序；并且具有簡明易懂的，在核心方面甚至可以微縮到8 KB。3.1.4 C/OS-IIC/OS-II是在C-OS的基礎上發(fā)展起來的，是專家Jean

15、 JLabrosse用C語言編寫的一個結構小巧、的多任務實時內(nèi)核。C/OS-II能管理64個任務，并提供任務調(diào)度與管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。3.1.5 Clinux是一種優(yōu)秀的嵌入式，其全稱為micro-control Linux，從字面意思看是指微控制Linux。同標準的Linux相比，Clinux的內(nèi)核非常小，但是它仍然繼承了的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、強大的網(wǎng)絡功能、出色的文件系統(tǒng)支持、標準豐富的API，以及等。因為沒有MMU單元，所以其多任務的實現(xiàn)需要一定技巧。3.1.6 eCoseCos(e

16、mbedded Configurable operating system)，即嵌入式可配置。它是一個開放的可配置、可移植、面向深度嵌入式應用的。最大特點是配置靈活，采用，核心部分由小同的組件構成，包括內(nèi)核、C語言庫和底層運行包等。每個組件可提供大量的配置選項(實時內(nèi)核也可作為可選配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通過不同的配置使得eCos能夠滿足不同的嵌入式應用要求。3.1.7 RTXCRTXC是C語言的實時執(zhí)行體(RealTime eXecutive in C)的縮寫。它是一種靈活的、經(jīng)過工業(yè)應用考驗的多任務實時內(nèi)核，可以廣泛用于各種采用8/16位、16/32位、DSP

17、處理器的嵌入式應用場合。單片機公共實驗室“經(jīng)過幾年的考察，認為比較適合中國的國情后，引入的”嵌入式兩者之一。3.2 RTOS的發(fā)展歷史 從1981年Ready System發(fā)展了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VRTX32），到今天已經(jīng)有近20年的歷史。20世紀80年代的產(chǎn)品還只支持一些16位的，如68k,8086等。這時候的RTOS還只有內(nèi)核，以銷售為主。當時的產(chǎn)品除VRTX外，還有IPI公司的MTOS和80年代末ISI公司的PSOS。產(chǎn)品主要用于軍事和電信設備。進入20世紀90年代，的設計思想，如設計技術和思想，開始滲入RTOS領域。老牌的RTOS廠家如Ready System（在1995

18、年與Microtec Research合并），也推出新一代的 VRTXsa實時內(nèi)核，新一代的RTOS廠家Windriver推出了Vxwork。另外在這個時期，各家公司都有力求擺脫完全依賴第三方工具的制約，而通過自己收購、授權或使用免費工具鏈的方式，組成1套完整的開發(fā)環(huán)境。例如，ISI公司的Prismt、著名的Tornado(Windriver)和老牌的Spectra(VRTX開發(fā)系統(tǒng))等。進入20世紀90年代中期，互聯(lián)網(wǎng)之風在日漸風行。網(wǎng)絡設備制造商、終端產(chǎn)品制造商都要求RTOS有網(wǎng)絡和圖形界面的功能。為了方便使用大量現(xiàn)存的，他們希望RTOS廠家都支持標準的API，如POSIX， Win32等

19、，并希望RTOS的開發(fā)環(huán)境與他們已經(jīng)熟悉的UNIX，Windows一致。這個時期代表性的產(chǎn)品有Vxwork，QNX, Lynx和WinCE等。3.3 RTOS的技術發(fā)展和未來應用 進入20世紀90年代后，RTOS在中的主導地位已經(jīng)確定，越來越多的工程師使用RTOS，更多的新用戶愿意選擇購買而不是自己開發(fā)。我們注意到，RTOS的技術發(fā)展有以下一些變化： 1）因為新的處理器越來越多，RTOS自身結構的設計更易于移植，以便在短時間內(nèi)支持更多種微處理器。 2）開放源碼之風已波及RTOS廠家。數(shù)量相當多的RTOS廠家出售RTOS時，就附加了源程序代碼并含生產(chǎn)版稅。 3）后PC時代更多的產(chǎn)品使用RTOS，

20、它們對實時性要求并不高，如手持設備等。的WinCE,Plam OS, Java OS等RTOS產(chǎn)品就是順應這些應用而開發(fā)出來的。 4）電信設備、要求的高可靠性，對RTOS提出了新的要求。Enea公司的OSE和WindRiver 新推出的Vxwork AE對支持HA（高可用性）和等特點都下了一番功夫。 5）Windriver收購了ISI，在RTOS市場形成了相當程度的壟斷，但是由于Windriver決定放棄PSOS，轉為開發(fā)Vxwork與PSOS合二為一版本，這便使得PSOS用戶再一次走到重新選擇RTOS的路口，給了其他RTOS廠家1次機會。 6）嵌入式Linux已經(jīng)在消費電子設備中得到應用。和

21、的一些企業(yè)都推出了基于嵌入式Linux的手持設備。嵌入式Linux得到了相當廣泛的半導體廠商的支持和投資，如Intel和 Motorola。 未來RTOS可能劃分為3個不同的領域： 1）系統(tǒng)級：指RTOS運行在1個小型的中完成實時的控制作用。這個領域?qū)⒅饕桥cSun競爭之地，傳統(tǒng)上Unix在這里占有絕對優(yōu)勢。Sun通過收購，讓他的Solaris與 Chrous os（原的1種RTOS）結合，力推NT的嵌入式版本"Embedded NT"。此外，嵌入式Linux將依托源程序碼開放和資源豐富的優(yōu)勢，進入系統(tǒng)級RTOS的市場。 2）板級：傳統(tǒng)的RTOS的主要市場。如Vxwork,

22、 PSOS, QNX, Lynx和VRTX的應用將主要集中在航空航天、電話電訊等設備上。 3）SOC級（即）：新一代RTOS的領域：主要應用在消費電子、互聯(lián)網(wǎng)絡和手持設備等產(chǎn)品上。代表的產(chǎn)品有Symbian 的Epoc、ATI 的Nucleus, Express logic 的Threadx。老牌的RTOS廠家的產(chǎn)品VRTX和Vxwork 也很注意這個市場。從某種程度講，不會出現(xiàn)1個標準的RTOS（像的Windows在桌面系統(tǒng)中的地位一樣），因為嵌入式應用本身就極具多樣性。在某個時間段以及某種行業(yè)，會出現(xiàn)1種絕對領導地位的RTOS，比如今天在的數(shù)據(jù)通信設備中的Vxwork和在亞洲手持設備市場上

23、的WinCE就是一例子。但是，這種壟斷地位也并不是牢不可破的，因為在某種程度上用戶和合作伙伴更愿意去培養(yǎng)1個新的競爭對手。比如，Intel投資的Montivista和Motorola投資的Lineo，這兩家嵌入式Linux系統(tǒng)，就是說明半導體廠商更愿意看到1個經(jīng)濟適用的、開放的RTOS環(huán)境。4、 嵌入式軟件的應用PDAPDA是Personal Digital Assistant的縮寫，字面意思是“個人數(shù)字助理”。它最早出現(xiàn)于1993年，是由Apple公司推出的Newton Message Pad。此后，各種各樣的PDA產(chǎn)品就大量涌現(xiàn)。4.1 PDA的軟件配置4.1.1 操作系統(tǒng)掌上電腦的核心是

24、，市場上的掌上電腦主要采用兩類操作系統(tǒng)：一類是日趨完善的Palm操作系統(tǒng)，使用Palm系統(tǒng)的掌上電腦在世界市場份額中占到65%以上，主要有Palm、IBM的Workpad、的Clie和TRGpro、handspring等palm電腦，另一類則是Win CE系列，雖然起步晚，但已經(jīng)打破了Palm OS一統(tǒng)天下的局面，而且由于Win CE授權比較廣泛，國內(nèi)大部分掌上電腦都是使用Win CE系統(tǒng)，包括國內(nèi)的、方正以及國外的HP、等公司都有Win CE掌上電腦推出。作為兩大操作系統(tǒng)，采用PalmOS的產(chǎn)品電池使用時間比采用Win CE的產(chǎn)品長；配置彩色顯示屏的產(chǎn)品沒有單色顯示屏產(chǎn)品的電池使用時間長；在性能上，Win CE要比Palm好