1.0嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用

嵌入式軟件工程中心

羅蕾

lluo@課程目的理論與實踐相結(jié)合以嵌入式硬件的核心嵌入式微處理器及嵌入式軟件的核心嵌入式實時操作系統(tǒng)為重點，以應(yīng)用為目的，全面介紹嵌入式系統(tǒng)。使大家既能對嵌入式系統(tǒng)及開發(fā)有一個全景的把握，又能深入理解嵌入式微處理器及嵌入式實時操作系統(tǒng)。配套嵌入式微處理器ARM及多平臺嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II實驗，提供豐富的實驗和手冊課程的主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論，約3學(xué)時什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式系統(tǒng)分類、發(fā)展歷程、特點、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢嵌入式硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)，約7學(xué)時基本組成，嵌入式微處理器：ARM、MIPS、X86、PPC、SH等，總線、存儲系統(tǒng)、輸入/輸出與典型接口，典型的嵌入式系統(tǒng)課程的主要內(nèi)容32位嵌入式微處理器ARM及應(yīng)用,約8學(xué)時ARM體系結(jié)構(gòu)、編程模型、指令集介紹、 異常處理嵌入式軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)，約3學(xué)時分類、特點、體系結(jié)構(gòu)、運行流程、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具；課程的主要內(nèi)容嵌入式實時內(nèi)核，約15學(xué)時任務(wù)管理與調(diào)度（任務(wù)、任務(wù)管理、調(diào)度算法）,約6學(xué)時同步、互斥與通信（信號量、信箱、隊列、事件、異步信號）,約4學(xué)時中斷和時間管理（中斷分類、處理過程、中斷管理機制、硬件時鐘設(shè)備、與OS的管理關(guān)系、時間管理機制）,約4學(xué)時內(nèi)存管理和I/O管理（特點和管理機制）,約3學(xué)時課程的主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā),約4學(xué)時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式軟件分析設(shè)計方法實驗系統(tǒng)的內(nèi)容嵌入式硬件開發(fā)環(huán)境建立、熟悉開發(fā)工具嵌入式微處理器編程基礎(chǔ)實驗ARM處理器工作模式實驗ARM匯編指令實驗Thumb匯編指令實驗異常處理實驗

ARM平臺接口編程與驅(qū)動開發(fā)實驗ARM基本接口編程串口驅(qū)動開發(fā)鍵盤驅(qū)動開發(fā)Timer與AIC控制七段數(shù)碼管驅(qū)動及應(yīng)用開發(fā)

實驗系統(tǒng)的內(nèi)容嵌入式實時操作系統(tǒng)實驗任務(wù)的基本管理優(yōu)先級反轉(zhuǎn)優(yōu)先級繼承信號量：哲學(xué)家就餐問題的實現(xiàn)消息隊列時鐘中斷μC/OS-II的內(nèi)存分配

教材及參考資料教材：嵌入式實時操作系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)(第三版)，羅蕾主編，北京航空航天大學(xué)出版社.參考資料:ARMLimited.ARMArchitectureReferenceManual.JeanJ.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版).北京航空航天大學(xué)出版社.及uC/OS-IIebook精品課程網(wǎng)站22/wlxt/ncourse/esa/web/index.aspx課程成績課程成績＝平時成績＋實驗成績＋期末考試成績平時成績15分，其中作業(yè)二次每次2.5分，中期課堂測驗10分實驗成績25分，平時10分，實驗報告15分期末考試：閉卷考試60分第一章

嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論主要內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢第一節(jié)

嵌入式系統(tǒng)概述無處不在的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的分類計算機發(fā)展的三大階段第一階段：始于五十年代的由IBM,Burroughs,Honeywell等公司率先研制的大型機。第二階段：始于七十年代的個人計算機。第三階段：計算機正邁入下一個充滿機遇的階段—“后PC時代”或“無處不在的計算機”階段。計算的發(fā)展過程

分時系統(tǒng)批處理系統(tǒng)單用戶系統(tǒng)大型機分布式計算小型機基于網(wǎng)絡(luò)的個人計算

微型機協(xié)同計算基于開放系統(tǒng)的客戶/服務(wù)器普適計算

普適計算終端資源使用的靈活性計算的自由性無處不在的計算機施樂公司PaloAlto研究中心主任MarkWeiser認為：“從長遠來看，PC機和計算機工作站將衰落，因為計算機變得無處不在：例如在墻里、在手腕上、在手寫電腦中(象手寫紙一樣)等等，隨用隨取、伸手可及”。無處不在的計算機全世界的計算機科學(xué)家正在形成一種共識:

計算機不會成為科幻電影中的那種貪婪的怪物,而是將變得小巧玲瓏,無處不在.他們藏身在任何地方,又消失在所有地方,功能強大,確有無影無蹤.人們將這種思想命名為:“無所不在的計算機”。

嵌入式系統(tǒng)無處不在彼此互連即使遠在火星面對6萬年才有一次的機會，科學(xué)家們積極行動起來———從6月開始，先后有歐洲的“火星快車”、美國“勇氣號”和“機遇號”等三顆火星探測器飛往火星，而日本一顆本已在太空“迷失方向”的火星探測器也在關(guān)鍵時刻及時“醒”來，開始了久違的火星之旅。火星與地球，這一對在星空中遙遙相望的“兄弟”，迎來6萬年來“最親密的接觸”，在2003年8月27日這一天，火星距離地球最近達到55756622(5千多萬)公里。勇氣號WearableComputing嵌入式設(shè)備無處不在，但桌面系統(tǒng)還依然有用無處不在的計算機是計算機與使用者的比率達到和超過100:1的階段無處不在的計算機包括通用計算機和嵌入式計算機系統(tǒng)在100:1比例中95%以上都是嵌入式計算機系統(tǒng)，并非通用計算機通用計算機－看得見的計算機如：PC機、服務(wù)器、大型計算機等。顯示器主機鼠標(biāo)鍵盤硬件諸如主機、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等看得見部件軟件應(yīng)用程序可按用戶需要隨時改變,即重新編制。通用計算機－看得見的計算機嵌入式系統(tǒng)定義看不見的計算機，一般不能被用戶編程,它有一些專用的I/O設(shè)備,對用戶的接口是應(yīng)用專用的。Anembeddedsystemisacomputersystemcontainedwithinsomelargerdeviceorproductwiththeintentpurposeofprovidingmonitoringandcontrolservicestothatdevice.“Anysortofdevicewhichincludesaprogrammablecomputerbutitselfisnotintendedtobeageneral-purposecomputer.”通常將嵌入式計算機系統(tǒng)簡稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)定義IEEE:“Deviceusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants”.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)、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)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(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)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。

包含有計算機，但又不是通用計算機的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。通用計算機與嵌入式系統(tǒng)對比特征通用計算機嵌入式系統(tǒng)形式和類型看得見的計算機。按其體系結(jié)構(gòu)、運算速度和結(jié)構(gòu)規(guī)模等因素分為大、中、小型機和微機?？床灰姷挠嬎銠C。形式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，按應(yīng)用來分。組成通用處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線和外設(shè)。軟件和硬件相對獨立。面向應(yīng)用的嵌入式微處理器，總線和外部接口多集成在處理器內(nèi)部。軟件與硬件是緊密集成在一起的。開發(fā)方式開發(fā)平臺和運行平臺都是通用計算機采用交叉開發(fā)方式，開發(fā)平臺一般是通用計算機，運行平臺是嵌入式系統(tǒng)。二次開發(fā)性應(yīng)用程序可重新編制一般不能再編程嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和軟件組成硬件以包含微處理器的SoC為核心集成存儲器和系統(tǒng)專用的輸入/輸出設(shè)備軟件包括：初始化代碼及驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等，這些軟件有機地結(jié)合在一起，形成系統(tǒng)特定的一體化軟件。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起（1960-1970）嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮，軟件和硬件日臻完善（1971-1989）嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深（1990年-現(xiàn)在）嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起出現(xiàn)：20世紀(jì)60年代以晶體管、磁芯存儲為基礎(chǔ)的計算機開始用于航空等軍用領(lǐng)域。第一臺機載專用數(shù)字計算機是奧托內(nèi)蒂克斯公司為美國海軍艦載轟炸機“民團團員”號研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。同時嵌入式計算機開始應(yīng)用于工業(yè)控制。1962年一個美國乙烯廠實現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個直接數(shù)字控制(DDC)。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起興起：在1965～1970年，當(dāng)時計算機已開始采用集成電路，即第三代計算機。在軍事、航空航天領(lǐng)域、工業(yè)控制的需求推動下。第一次使用機載數(shù)字計算機控制的是1965年發(fā)射的Gemini3號，第一次通過容錯來提高可靠性是1968年的阿波羅4號、土星5號。1963年DEC公司推出PDP8并發(fā)展成PDP11系列，成為工業(yè)生產(chǎn)集中控制的主力軍。在軍用領(lǐng)域中，為了可靠和滿足體積、重量的嚴(yán)格要求，還需為各個武器系統(tǒng)設(shè)計五花八門的專用的嵌入式計算機系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮嵌入式系統(tǒng)大發(fā)展是在微處理器問世之后1973年至1977年間各廠家推出了許多8位的微處理器，包括Intel8080/8085，Motorola的6800/6802，Zilog的Z80和Rockwell的6502。微處理器不單用來組成微型計算機，而且用來制造儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機器人、家用電器等嵌入式系統(tǒng)。僅8085/Z80微處理器的銷售就超過7億片,其中大部分是用于嵌入式工業(yè)控制應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個廣闊的嵌入式應(yīng)用市場，計算機廠家除了要繼續(xù)以整機方式向用戶提供工業(yè)控制計算機系統(tǒng)外，開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要構(gòu)成專用的工業(yè)控制微型計算機，嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。為了靈活兼容，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的單板機系列。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。由于兼容的要求，這就導(dǎo)致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮1976年Intel推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/S的MultibusⅡ。1978年P(guān)rolog設(shè)計簡單的STD總線廣泛用于小型嵌入式系統(tǒng)。1981年Motorola推出的VME_Bus則與MultibusⅡ瓜分高端市場。目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式PC、PC104、CPCI（CompactPCI）總線已廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮單片機、DSP出現(xiàn)隨著微電子工藝水平的提高,集成電路設(shè)計制造商開始把嵌入式應(yīng)用所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM通通集成到一個VLSI中,制造出面向I/O設(shè)計的微控制器，就是我們俗稱的單片機。專門用于高速實時信號處理的數(shù)字信號處理器DSP。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮軟件技術(shù)的進步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善在微處理器出現(xiàn)的初期，為了保障嵌入式軟件的時間、空間效率，軟件只能用匯編語言編寫。由于微電子技術(shù)的進步，對軟件的時空效率的要求不再那么苛刻了，嵌入式計算機的軟件開始使用PL/M、C等高級語言。對于復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)來說除了需要高級語言開發(fā)工具外，還需要嵌入式實時操作系統(tǒng)的支持。嵌入式系統(tǒng)開始走向繁榮80年代初開始出現(xiàn)了一批軟件公司，推出商品化的嵌入式實時操作系統(tǒng)和各種開發(fā)工具。ReadySystem(后來的MicrotecResearch、后來又被MentorGraphic收購)公司:VRTX操作系統(tǒng)及Xray,Spectra工具IntegratedSystemIncorporation(ISI，后被WindRiver公司合并):pSOS操作系統(tǒng)及pRISM工具WindRiver公司:VxWorks操作系統(tǒng)及Tornado工具QNX公司:QNX操作系統(tǒng)及工具商用嵌入式實時操作系統(tǒng)和開發(fā)工具的出現(xiàn)和推廣應(yīng)用，使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)從作坊式向分工協(xié)作規(guī)模化的方向發(fā)展，促使嵌入式應(yīng)用擴展到更廣闊的領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深進入20世紀(jì)90年代,在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和數(shù)字化家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件技術(shù)進一步加速發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。手機、數(shù)碼相機、VCD、數(shù)字電視、路由器、交換機等都是嵌入式系統(tǒng)。大多數(shù)豪華轎車每輛擁有約50個嵌入式微處理器。最新的波音777寬體客機上約有1000個微處理器。在不久的將來你會在你的家里發(fā)現(xiàn)幾十到上百的嵌入系統(tǒng)在為你服務(wù)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深嵌入式系統(tǒng)的硬件4位、8位、16位微處理器芯片已逐步讓位于32位嵌入式微處理器芯片。面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的（Application-Specific）、功能強大、集成度高、種類繁多、價格低廉、低功耗的32位芯片已大量應(yīng)用于各種各樣的軍用和民用設(shè)備。DSP向高速、高精度、低功耗發(fā)展。DSP與通用嵌入式微處理器集成（SoC）已成為現(xiàn)實，并已大量應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，如手機、IP電話等。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式PC及32位嵌入式SoC大量應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。PC104、CPCI（CompactPCI）總線因其成本低、兼容性化也已被廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)的軟件隨著微處理器性能的提高，嵌入式軟件的規(guī)模也隨著發(fā)生指數(shù)型增長。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深低價位的RISC/32-位微處理器日益復(fù)雜的應(yīng)用產(chǎn)品推向市場的時間壓力開發(fā)成本的提高嵌入式軟件危機32位芯片將能夠執(zhí)行由上百萬行C代碼構(gòu)成的復(fù)雜程序，使得嵌入式應(yīng)用具備高度復(fù)雜和智能化的功能軟件的實現(xiàn)從某種意義上說決定了產(chǎn)品的功能，已成為新產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵因素。

軟件體現(xiàn)價值DVD播放機功能：視頻+音頻（incl.MP3）價格：200–600元iPodMP3播放機功能：MP3價格：iPodnano1GB1400元iPodnano4GB2200元iPod30GB2800元iPod60GB3800元

兩者的硬件差異？兩者的價格差異？核心價值在于：好的軟件帶給消費者最好的使用體驗嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深為此，嵌入式系統(tǒng)已大量采用嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)功能不斷的擴大和豐富，由80年代只有內(nèi)核、發(fā)展為包括內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)、文件、圖形接口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式處理等豐富功能的集合。此外，嵌入式開發(fā)工具更加豐富，其集成度和易用性不斷提高，目前不同廠商已開發(fā)出不同類型的嵌入式開發(fā)工具，可以覆蓋嵌入式軟件開發(fā)過程各個階段，提高嵌入式軟件開發(fā)效率。嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)通常是形式多樣、面向特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)得到多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)的支持嵌入式系統(tǒng)通常極其關(guān)注成本嵌入式系統(tǒng)有實時性和可靠性的要求嵌入式系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)一般是適應(yīng)多種處理器、可剪裁、輕量型、實時可靠、可固化的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門工具和特殊方法形式多樣、面向特定應(yīng)用一般用于特定的任務(wù)，其硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，而通用計算機則是一個通用的計算平臺。它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用微處理器中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部。嵌入式軟件是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)兩種軟件的一體化程序。處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)類型多通用計算機采用少數(shù)的處理器類型和體系結(jié)構(gòu)，而且主要掌握在少數(shù)大公司手里。嵌入式系統(tǒng)可采用多種類型的處理器和處理器體系結(jié)構(gòu)。在嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)鏈上，IP設(shè)計、面向應(yīng)用的特定嵌入式微處理器的設(shè)計、芯片的制造已相成巨大的產(chǎn)業(yè)。大家分工協(xié)作，形成多贏模式。有上千種的嵌入式微處理器和幾十種嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)可以選擇。198019901996199868000Z80808680x86CPU32680x0i960MIPSSPARCColdFIREAlphaSH1/2/3ARMSPARCi960MIPSPentium80x86PowerPCCPU32680x0100-500Kips

2

10mHz1-2Mips

1.0

25mHz10-25Mips

.5-.8

50-100mHz10-200Mips

.2-.5

100-300mHzSH4/5SH-DSPSH1/2/3ARMSPARCi960MIPSPentium80x86PowerPCCPU32680x0SA1500MAP1000AltiVECMercedMCORESHARC563xxLucent

16000C6xSI20TriCore微處理器的演變關(guān)注成本嵌入式系統(tǒng)通常需要注意的成本是系統(tǒng)成本，特別是量大的消費類數(shù)字化產(chǎn)品，其成本是產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵因素之一。嵌入式的系統(tǒng)成本包括:一次性的開發(fā)成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本產(chǎn)品成本:硬件BOM、外殼包裝和軟件版稅等批量產(chǎn)品的總體成本=NRE成本+每個產(chǎn)品成本*產(chǎn)品總量每個產(chǎn)品的最后成本=總體成本/產(chǎn)品總量=NRE成本/產(chǎn)品總量+每個產(chǎn)品成本實時性和可靠性的要求一方面大多數(shù)實時系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)另一方面嵌入式系統(tǒng)多數(shù)有實時性的要求，軟件一般是固化運行或直接加載到內(nèi)存中運行，具有快速啟動的功能。并對實時的強度要求各不一樣，可分為硬實時和軟實時。嵌入式系統(tǒng)一般要求具有出錯處理和自動復(fù)位功能，特別是對于一些在極端環(huán)境下運行的嵌入式系統(tǒng)而言，其可靠性設(shè)計尤其重要。在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的軟件中一般都包括一些機制，比如硬件的看門狗定時器，軟件的內(nèi)存保護和重啟動機制。適應(yīng)多種處理器、可剪裁、輕量型、

實時可靠、可固化的嵌入式操作系統(tǒng)由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的特點，像嵌入式微處理器一樣，嵌入式操作系統(tǒng)也是多姿多彩的。大多數(shù)商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)可同時支持不同種類的嵌入式微處理器?？筛鶕?jù)應(yīng)用的情況進行剪裁、配置。嵌入式操作系統(tǒng)規(guī)模小，所需的資源有限如內(nèi)核規(guī)模在幾十KB，能與應(yīng)用軟件一樣固化運行。一般包括一個實時內(nèi)核，其調(diào)度算法一般采用基于優(yōu)先級的可搶占的調(diào)度算法。高可靠嵌入式操作系統(tǒng)：時、空、數(shù)據(jù)隔離開發(fā)需要專門工具和特殊方法多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)意味著軟件與硬件的并行設(shè)計和開發(fā)，其開發(fā)過程一般分為幾個階段：產(chǎn)品定義軟件與硬件設(shè)計與實現(xiàn)軟件與硬件集成產(chǎn)品測試與發(fā)布維護與升級

開發(fā)需要專門工具和特殊方法由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，一般不具備自主開發(fā)能力，產(chǎn)品發(fā)布后用戶通常也不能對其中的軟件進行修改，必須有一套專門的開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境包括專門的開發(fā)工具（包括設(shè)計、編譯、調(diào)試、測試等工具），采用交叉開發(fā)的方式進行，交叉開發(fā)環(huán)境如圖所示。嵌入式系統(tǒng)的分類按嵌入式處理器的位數(shù)來分類按應(yīng)用來分類按速度分類按確定性來分類按嵌入式系統(tǒng)軟件復(fù)雜程度來分類按嵌入式處理器的位數(shù)來分類4位嵌入式系統(tǒng)8位嵌入式系統(tǒng)16位嵌入式系統(tǒng)32位嵌入式系統(tǒng)64位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢高度復(fù)雜的、高速的嵌入式系統(tǒng)已開始采用目前已大量應(yīng)用按應(yīng)用來分類信息家電類移動終端類通信類汽車電子類工業(yè)控制類按速度分類強實時系統(tǒng),其系統(tǒng)響應(yīng)時間在毫秒或微秒級。一般實時系統(tǒng),其系統(tǒng)響應(yīng)時間在幾秒的數(shù)量級上,其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些。弱實時系統(tǒng),其系統(tǒng)響應(yīng)時間約為數(shù)十秒或更長。這種系統(tǒng)的響應(yīng)時間可能隨系統(tǒng)負載的輕重而變化。按確定性來分類根據(jù)確定性的強弱，可將嵌入式系統(tǒng)分為硬實時、軟實時系統(tǒng)：硬實時：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求，如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，就要引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。軟實時：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。按嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)來分類循環(huán)輪詢系統(tǒng)有限狀態(tài)機系統(tǒng)前后臺系統(tǒng)單處理器多任務(wù)系統(tǒng)多處理器多任務(wù)系統(tǒng)循環(huán)輪詢系統(tǒng)initialize()while(true){ if(condition_1)action_1(); if(condition_2)action_2();

if(condition_n)acition_n();}CheckforInputDoSomething優(yōu)點對于簡單的系統(tǒng)而言，便于編程和理解。沒有中斷的機制，程序運行良好，不會出現(xiàn)隨機的問題。缺點有限的應(yīng)用領(lǐng)域。對于大量的I/O服務(wù)的應(yīng)用，不容易實現(xiàn)。大的程序不便于調(diào)試。適合于慢速和非?？焖俚暮唵蜗到y(tǒng)循環(huán)輪詢系統(tǒng)前后臺系統(tǒng)是中斷驅(qū)動系統(tǒng)的一種后臺是一個循環(huán)輪詢系統(tǒng)一直在運行。前臺是由一些中斷處理過程組成的。當(dāng)有一前臺事件(外部事件)發(fā)生時，引起中斷,進行前臺處理,處理完成后又回到后臺(通常又稱主程序)。中斷1中斷2主程序中斷1中斷1中斷2初始化處理1事件1處理2事件2NYYNISR1ISR2前臺處理后臺處理ISR3前后臺系統(tǒng)需要考慮的是中斷的現(xiàn)場保護和恢復(fù)，中斷嵌套，中斷處理過程與主程序的協(xié)調(diào)(共享資源)問題。系統(tǒng)的性能主要由中斷延遲時間(Interruptlatencytime),響應(yīng)時間(responsetime)和恢復(fù)時間(recoverytime)來刻畫。

中斷請求

數(shù)據(jù)傳送

←

響應(yīng)時間

→

主程序

━━━━━━━━━現(xiàn)場保護

━━━━和恢復(fù)中斷服務(wù)

━━━━━━━

→

←→|←

中斷延遲時間

恢復(fù)時間前后臺系統(tǒng)單處理器多任務(wù)系統(tǒng)對于一個復(fù)雜的嵌入式實時系統(tǒng)來說，當(dāng)采用中斷處理程序加一個后臺主程序這種軟件結(jié)構(gòu)難以實時的、準(zhǔn)確的、可靠的完成時存在一些互不相關(guān)的過程需要在一個計算機中同時處理時需要采用實時多任務(wù)系統(tǒng)！結(jié)構(gòu)由多個任務(wù)，多個中斷處理過程，實時操作系統(tǒng)組成的有機的整體。每個任務(wù)是順序執(zhí)行的，并行性通過操作系統(tǒng)來完成，任務(wù)間的相互通信和同步也需要操作系統(tǒng)的支持。單處理器多任務(wù)系統(tǒng)流程并發(fā)多任務(wù)：：：：：：后臺前臺ISRsTasks多任務(wù)系統(tǒng)多個順序執(zhí)行的程序并行運行。宏觀上看，所有的程序同時運行，每個程序運行在自己獨立的CPU上。實際上，不同的程序是共享同一個CPU和其它硬件。因此，需要RTOS來對這些共享的設(shè)備和數(shù)據(jù)進行管理。每個程序都被編制成無限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)等。這種程序模型將系統(tǒng)分成相對簡單的，相互合作的模塊。單處理器多任務(wù)系統(tǒng)優(yōu)點將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為相對獨立的多個線程，達到“分而制之”的目的，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。保證系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的模塊化好，提高系統(tǒng)的可維護性。缺點需要采用一些新的軟件設(shè)計方法。需要增加功能：線程間的協(xié)調(diào)，同步和通信功能。需要對每一個共享資源互斥。導(dǎo)致線程間的競爭。需要使用RTOS，RTOS要增加系統(tǒng)的開銷。單處理器多任務(wù)系統(tǒng)多處理器多任務(wù)系統(tǒng)多任務(wù)可運行在多個處理器上，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，處理。宏觀上看是并發(fā)的，微觀上看也是并發(fā)的。多處理機系統(tǒng)分為緊耦合系統(tǒng)(tightly-coupledsystem)和松耦合系統(tǒng)(loosely-coupledsystem)兩種。第二節(jié)

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于消費電子、通信、汽車、國防、航空航天、工業(yè)控制、儀表、辦公自動化等領(lǐng)域。據(jù)歐盟的統(tǒng)計：2003年全球大概有80億片嵌入式微處理器，到2010年，預(yù)計會達到160億片，地球上的人平均擁有3個嵌入式微處理器；在航空電子中，嵌入式軟件的開發(fā)成本占整個飛機研制成本的50%；對于汽車工業(yè)，汽車電子在整車價值中的比例逐年提高，將從1997年的20%提升到2010年的33-40%；消費電子數(shù)量越來越大，據(jù)預(yù)測，到2010年，僅數(shù)字家庭在美國的銷售額就將達到2000億歐元。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域AndthelistgoesonandonAnti-lockbrakesAuto-focuscamerasAutomatictellermachinesAutomatictollsystemsAutomatictransmissionAvionicsystemsBatterychargersCamcordersCellphonesCell-phonebasestationsCordlessphonesCruisecontrolCurbsidecheck-insystemsDigitalcamerasDiskdrivesElectroniccardreadersElectronicinstrumentsElectronictoys/gamesFactorycontrolFaxmachinesFingerprintidentifiersHomesecuritysystemsLife-supportsystemsMedicaltestingsystemsModemsMPEGdecodersNetworkcardsNetworkswitches/routersOn-boardnavigationPagersPhotocopiersPoint-of-salesystemsPortablevideogamesPrintersSatellitephonesScannersSmartovens/dishwashersSpeechrecognizersStereosystemsTeleconferencingsystemsTelevisionsTemperaturecontrollersThefttrackingsystemsTVset-topboxesVCR’s,DVDplayersVideogameconsolesVideophonesWashersanddryersA“shortlist”ofembeddedsystems嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域消費電子領(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展，消費電子產(chǎn)品正向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。高清晰度數(shù)字電視將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電視。數(shù)碼相機將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片相機。固定電話今后會被IP電話所替代。各種家用電器（電視機、冰箱、微波爐、電話等）將通過家庭通信、控制中心與Internet連接，實現(xiàn)遠程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂、遠程醫(yī)療和遠程教育等。轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)家電，還可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療，遠程教育等。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域通信領(lǐng)域通信領(lǐng)域大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機、路由器、IP交換機、傳輸設(shè)備等。據(jù)預(yù)測，由于互聯(lián)的需要，特別是寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將會出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如：ADSLModem/Router等，其數(shù)量將遠遠高于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它們基于32位的嵌入式系統(tǒng)、價格低廉，將為企業(yè)、家庭提供更為廉價的、方便的、多樣的網(wǎng)絡(luò)方案。就寬帶上網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ADSLRouter而言，國外現(xiàn)在每月需要600K的數(shù)量。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域工控、汽車電子、仿真、醫(yī)療儀器等隨著工業(yè)、汽車、醫(yī)療衛(wèi)生等各部門對智能控制需求的不斷增長，需要對設(shè)備進行智能化、數(shù)字化改造，為嵌入式系統(tǒng)提供了很大的市場。就汽車電子系統(tǒng)而言，目前的大多數(shù)高檔轎車每輛擁有約50個嵌入式微處理器。如BMW7系列轎車，則平均安裝有63個嵌入式微處理器。據(jù)預(yù)測，21世紀(jì)初美國接入Internet的汽車將有一億輛。ICInsights報道2001年車載計算系統(tǒng)的市場規(guī)模是30億美元，而2004年將達到46億美元，屆時這些系統(tǒng)將成為所有新型轎車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域國防、航空航天領(lǐng)域雷達、電子對抗、坦克、戰(zhàn)艦航天器(火箭、衛(wèi)星、航天飛機等)飛機(民用和軍用飛機)第四節(jié)

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以信息家電、移動終端、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等為代表的互聯(lián)網(wǎng)時代的嵌入式系統(tǒng)，不僅為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命，同時也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，提出新的挑戰(zhàn)：支持日趨增長的功能密度靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接輕便的移動應(yīng)用多媒體的信息處理、低功耗、人機界面友好互動支持二次開發(fā)和動態(tài)升級等嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著航空、汽車電子、工業(yè)、醫(yī)療等實時、安全關(guān)鍵領(lǐng)域（Safety-CriticalSystem）應(yīng)用復(fù)雜度和可靠性的提高，也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，提出新的挑戰(zhàn)：高可靠的嵌入式實時操作系統(tǒng)基于模型，正確構(gòu)造的高可靠嵌入式開發(fā)工具高可靠的認證體系高可信要求ReliabilityMaintainabilityAvailabilitySafetySecurity嵌入