第1章 嵌入式系統(tǒng)概念教案

1、1嵌入式技術(shù)是無(wú)處不在。在我們身邊就有各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，比如，MP3，PDA，手機(jī)，家里所使用的網(wǎng)絡(luò)家電（交換機(jī)），智能家電(全自動(dòng)洗衣機(jī)，電磁爐)，汽車電子產(chǎn)品。在工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域，比如工業(yè)控制，數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人工業(yè)等，都大量使用潛入式技術(shù)。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，是非常廣闊的，比如在通信設(shè)備，汽車電子，數(shù)字消費(fèi)類，工業(yè)控制，儀器儀表，數(shù)字醫(yī)療設(shè)備，信息家電，嵌入式系統(tǒng)都有廣泛的應(yīng)用。在高檔汽車中也有多達(dá)幾十個(gè)嵌入式系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，前門控制系統(tǒng)，后門控制系統(tǒng)，尾燈控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都是潛入式系統(tǒng)。從芯片和產(chǎn)品市場(chǎng)來(lái)看，每年只有2%左右的計(jì)算機(jī)芯片是用在臺(tái)式機(jī)和筆記本上。用于嵌入

2、式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造的CPU，每年大約有1020億片。每年有1萬(wàn)個(gè)新的潛入式系統(tǒng)投入生產(chǎn)。以前的計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)?，F(xiàn)在就分為兩種，通用計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)。2嵌入式系統(tǒng)的概念。1IEEE的定義：潛入式系統(tǒng)是“用于控制，監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置?！睆亩x可以看出，嵌入式系統(tǒng)是從應(yīng)用上考慮的，包括軟件和硬件的綜合體，2國(guó)內(nèi)普遍被認(rèn)同的定義：潛入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)。軟、硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從國(guó)內(nèi)的定義：潛入式系統(tǒng)是和具體的應(yīng)用相結(jié)合的，是面向用戶，面向產(chǎn)品，面向應(yīng)用的。潛入式系統(tǒng)必須能夠根

3、據(jù)要求對(duì)軟件、硬件進(jìn)行裁減，對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有較高的要求的。簡(jiǎn)單地講：潛入式系統(tǒng)有三要素：嵌入，專用，計(jì)算機(jī)嵌入：嵌入到對(duì)象體系中，有對(duì)象環(huán)境的要求。專用性：軟、硬件按對(duì)象要求裁減。計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能。3嵌入式系統(tǒng)的分類從硬件上，嵌入式系統(tǒng)可以分為四類：嵌入式微處理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP處理器，嵌入式片上系統(tǒng)SOC。1 嵌入式微處理器：嵌入式微處理的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU，在具體應(yīng)用時(shí)，在一塊電路板上，嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等共同組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。通常稱為單板計(jì)算機(jī)。Intel: x86（Am186/88、386EX） Motolora: P

4、owerPC Motolora 68K/ColdFire/Dragball MIPS: MIPS ARM: ARMIntel: XSCALE 2 嵌入式微控制器：嵌入式微控制器一般是以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成各種必要的功能模塊和外設(shè)。比如：ROM、RAM、定時(shí)器，看門狗，串口等。和微處理相比，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。Intel: 8051/96 Motolora: MC68HC08/12,MC9S08/12 Microchip: PIC Atmel: AVR TI: MSP430 3 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)

5、，使其適合于執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法，指令的執(zhí)行速度較高?，F(xiàn)在很多數(shù)字信號(hào)處理算法、FFT運(yùn)算、譜分析算法都可以在嵌入式DSP中直接運(yùn)行。TI: TMS320 C2000/C5000/C6000/OMAP/DaVinci Motorola: DSP56FADI：Blackfin，TigerSHARC，SHARC，ADSP-21xx4嵌入式片上系統(tǒng)（SOC），隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入納米加工時(shí)代?，F(xiàn)在可以單一的芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)。SoC定義，將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上,面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，比如說(shuō)，手機(jī)芯片，DVD

6、芯片。4嵌入式操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)是由軟件和硬件組成，在發(fā)展的初期是沒(méi)有操作系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件資源和硬件資源越來(lái)越豐富，監(jiān)控程序已不能適用計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在60年代，監(jiān)控軟件就發(fā)展形成操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在廣泛使用的操作系統(tǒng)有：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)。多道批處理操作系統(tǒng)一般用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)：多個(gè)用戶共享系統(tǒng)的資源。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：嵌入式設(shè)備等有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中。批處理操作系統(tǒng)，用戶將作業(yè)提交給系統(tǒng)操作員，操作員將多個(gè)用戶的作業(yè)組成一批作業(yè)，輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)依次處理完之后，再由操作員將作業(yè)結(jié)果交給用戶。分時(shí)操作系統(tǒng)，一

7、臺(tái)主機(jī)上連接了若干個(gè)終端，每個(gè)終端上有一個(gè)用戶在使用。操作系統(tǒng)將CPU的時(shí)間分成若干個(gè)片段，每個(gè)用戶輪流使用一個(gè)時(shí)間片，但是并不感到有其他的用戶存在。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，并在規(guī)定的嚴(yán)格時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理。同時(shí)控制實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致工作的操作系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的要求如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足就會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，它并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤或崩潰硬實(shí)時(shí)，一般用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)及時(shí)測(cè)量出被控系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，并及時(shí)作出處理，對(duì)響應(yīng)速度和可靠性有很

8、高的要求。軟實(shí)時(shí)：一般用于諸如，飛機(jī)定票系統(tǒng)，銀行管理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)對(duì)用戶的請(qǐng)求及時(shí)作出回答，并能及時(shí)修改，處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。5.嵌入式操作系統(tǒng)的一些概念總的說(shuō)來(lái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠?qū)ν饨绲淖饔煤托盘?hào)在限定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性，可靠性和靈活性。從應(yīng)用的特點(diǎn)來(lái)看，可以分為一般的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)。一般的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上微機(jī)和實(shí)時(shí)性很弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供開(kāi)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)性要求較高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)是通過(guò)交叉編譯來(lái)完成的，開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境是不一致的，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般只有幾K到幾十的范圍。交叉開(kāi)

9、發(fā)：在一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行軟件的編輯、編譯，然后下載到嵌入式設(shè)備中運(yùn)行調(diào)試的開(kāi)發(fā)方式。用來(lái)開(kāi)發(fā)軟件的通用計(jì)算機(jī)稱為宿主機(jī)，用來(lái)運(yùn)行軟件的嵌入式設(shè)備稱為目標(biāo)機(jī)。所使用的編譯器稱為交叉編譯器。6嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念。前后臺(tái)系統(tǒng)；基于芯片的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，可稱為前后臺(tái)系統(tǒng)。不帶操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用程序都是前后臺(tái)系統(tǒng)。在前后臺(tái)系統(tǒng)中，后臺(tái)是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，在循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，后臺(tái)的處理及時(shí)性比實(shí)際可以做到的要差前臺(tái)是各種中斷服務(wù)程序，實(shí)時(shí)性要求較高的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證的。7操作系統(tǒng)的一些技術(shù)方面的概念。操作系統(tǒng)是通用計(jì)算機(jī)中的基本程序，操作系統(tǒng)

10、負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟硬資源的管理，提供多任務(wù)的功能，以及為用戶提供API接口和軟件平臺(tái)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)首先啟動(dòng)的背景程序。用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上的一個(gè)任務(wù)。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)切換各個(gè)任務(wù)。保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。代碼的臨界態(tài)，是指運(yùn)行這些代碼時(shí)，不允許被打斷，為保證臨界區(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)行完成之后要立即開(kāi)中斷。資源的概念，程序運(yùn)行時(shí)可以使用的軟件，硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備，比如光驅(qū)，鍵盤，打印機(jī)。也可以是一個(gè)變量，一個(gè)數(shù)組。共享資源是被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源。為了防

11、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。具體的做法是為每個(gè)共享資源創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，只有得到該信號(hào)量的任務(wù)才能訪問(wèn)該共享資源，沒(méi)有得到信號(hào)量的任務(wù)就不能訪問(wèn)該資源。一個(gè)任務(wù)，也稱為一個(gè)進(jìn)程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序認(rèn)為CPU完全屬于自己。每個(gè)任務(wù)都被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，都有自己的一套CPU寄存器和自己的堆?？臻g。任務(wù)切換，當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它把當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的狀態(tài)和CPU寄存器保存在當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，把下一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)從任務(wù)的堆棧中重新裝入CPU，然后開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程叫做任務(wù)切換，任務(wù)切換是要占用CPU時(shí)間。在多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，包括

12、任務(wù)的切換，任務(wù)之間的通信，如信號(hào)量，消息隊(duì)列，延遲等。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，如2%5%CPU時(shí)間，RAM，ROM。調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一，調(diào)度就是決定該輪到那個(gè)任務(wù)運(yùn)行?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法總是讓處于就緒狀態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行。根據(jù)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)先運(yùn)行的方式不同，分為占先式內(nèi)核和非占先式內(nèi)核。非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的使用權(quán)。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?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(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)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。占先式內(nèi)核的響應(yīng)時(shí)間很重要，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，就立刻得到CPU

13、的使用權(quán)，當(dāng)前的任務(wù)被掛起，如果中斷使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，中斷完成，中斷的了的低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。優(yōu)先級(jí)表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度，任務(wù)越重要，被賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。中斷是一種硬件機(jī)制，中斷一旦被識(shí)別，CPU保存上下文和寄存器，跳轉(zhuǎn)到專門的中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，處理完成后，1 如果前后臺(tái)系統(tǒng)，程序回到后臺(tái)程序2 對(duì)非占先式內(nèi)核，程序回到被中斷了的任務(wù)3 對(duì)占先式內(nèi)核，讓就緒了的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)先運(yùn)行。時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，可以看做是操作系統(tǒng)的心臟，一般在10MS到200MS之間。為任務(wù)提供延遲和超時(shí)的時(shí)間依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍越快，系統(tǒng)的額外

14、開(kāi)銷越快。隨著嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜，嵌入式操作操作系統(tǒng)的使用，顯得越來(lái)越重要。1 它提高了系統(tǒng)的可靠性2 提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期3 充分發(fā)揮了32CPU的多任務(wù)功能，如果你學(xué)習(xí)ARM但是不懂嵌入式操作系統(tǒng)，那么你的ARM學(xué)習(xí)，才剛剛開(kāi)始。但是同時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)也增加了額外的開(kāi)銷，比如RAM/ROM，以及2%-5%的CPU的額外開(kāi)銷。LINUX是開(kāi)源的一個(gè)操作系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)中主要使用有兩種，一種是UCLINUX，在不帶MMU的處理器上使用，比如ARM7TDMI一種是嵌入式LINUX，必須在帶MMU的處理器上才可以使用，比如ARM720T。LINUX在移植，網(wǎng)絡(luò)，文件系統(tǒng)方面都有很高的性能，同時(shí)源代碼完全公開(kāi)，在國(guó)內(nèi)用得叫廣泛。W90P710。WINCE，是微軟專門為嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的一個(gè)操作系統(tǒng)，他的開(kāi)發(fā)和WINDOWS上開(kāi)發(fā)類似，有相應(yīng)的VC，VB的開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)很多的應(yīng)用程序只需要簡(jiǎn)單的修改就可以在WINCE上使用。VXWORKS是美國(guó)WIND RIVER公司設(shè)計(jì)的一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，他有非常高的可靠性和實(shí)時(shí)性，廣泛應(yīng)用于通信，軍事，航天等高精堅(jiān)領(lǐng)域。OSE：OSE主