嵌入式系統(tǒng)設計課件第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎

ARM9

嵌入式系統(tǒng)設計----基于S3C2410與LINUX主講教師：李建輝劉林泉白話1現(xiàn)代快節(jié)奏的生活2軍工航空航天航母發(fā)展3科學技術的發(fā)展第1章嵌入式系統(tǒng)基礎主要內容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的內核5嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢圖1.1智能化設備的處理流程1.1ARM處理器的應用產品LexmarkZ52ColorJetprinterSamsungML5100AJVC"Pixstar"GC-X1HPJornado820PsionRevoPlusHPCapShareSonyMZ-R90MiniDiscNokia8810NokiaMediamasterNintendo

Gameboy

AdvanceEricssonR380AlbaBushInternetTV3Com10/100PCINICIomegaHipZipDiamondMultimediaRio6001.1嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀表汽車電子網絡設備消費電子軍事國防電子商務工業(yè)控制圖1.22011筆記本的CPU架構占有率1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

一般定義以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪,應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。是將應用程序、操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術角度）嵌入式系統(tǒng)是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）術語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個嵌入式系統(tǒng)。廣義定義任何一個非計算機的計算系統(tǒng)IEE定義嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機器、設備或裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。通常執(zhí)行特定功能嵌入式系統(tǒng)的核心----嵌入式微處理器嚴格的時序和穩(wěn)定性要求全自動操作循環(huán)1．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史從單片機的出現(xiàn)到今天各種嵌入式微處理器、微控制器的廣泛應用，嵌入式系統(tǒng)的應用可以追溯到20世紀60年代中期，例如阿波羅飛船的導航控制系統(tǒng)AGC（ApolloGuidanceComputer）。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經歷了以下4個階段。圖1.3嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史（2）簡單操作系統(tǒng)階段20世紀80年代，出現(xiàn)了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等），芯片上集成有微處理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O設計的微控制器在嵌入式系統(tǒng)設計應用。一些簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展，程序設計人員也開始基于一些簡單的“操作系統(tǒng)”開發(fā)嵌入式應用軟件。此時的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡單，但已經初步具有了一定的兼容性和擴展性，內核精巧且效率高，大大縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。（3）實時操作系統(tǒng)階段20世紀90年代，面對分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大市場的需求，嵌入式系統(tǒng)飛速發(fā)展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，實時多任務操作系統(tǒng)（Real-timeOperationSystem，RTOS）逐漸形成，系統(tǒng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具備了文件和目錄管理、設備管理、多任務、網絡、圖形用戶界面GraphicUserInterface，GUI）等功能，并提供了大量的應用程序接口ApplicationProgrammingInterface，API），從而使應用軟件的開發(fā)變得更加簡單。（4）面向網絡階段進入21世紀，Internet技術與信息家電、工業(yè)控制技術等的結合日益緊密，嵌入式技術與Internet技術、無線傳輸技術結合正在推動著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件等幾大部分組成。嵌入式系統(tǒng)組成嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點在于嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中。它通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件廠商會推出自己的嵌入式處理器，因而現(xiàn)今市面上有1000多種嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有ARM，MIPS，PowerPC，MC68000，TI，高通等。外圍設備外圍設備是指在一個嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外的完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設備的功能可分為以下3類：存儲器：靜態(tài)易失型存儲器(RAM，SRAM)、動態(tài)存儲器(DRAM)和非易失型存儲器(Flash)。其中，F(xiàn)lash以可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、容量大及價格低等優(yōu)點在嵌入式領域得到了廣泛的應用。接口：應用最為廣泛的包括并口、RS-232串口、IrDA紅外接口、SPI串行外圍設備接口、I2C(InterIC)總線接口、USB通用串行總線接口、Ethernet網口等。人機交互：LCD、鍵盤和觸摸屏等人機交互設備。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是用來管理存儲器分配、中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等的軟件模塊集合。嵌入式操作系統(tǒng)常常有實時要求，所以嵌入式操作系統(tǒng)往往又是“實時操作系統(tǒng)”。

應用軟件嵌入式系統(tǒng)的應用軟件是針對特定的實際專業(yè)領域的，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的計算機軟件。

嵌入式軟件的特點如下：(1)軟件要求固態(tài)化存儲。(2)軟件代碼要求高質量、高可靠性。(3)系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。(4)多任務實時操作系統(tǒng)成為嵌入式應用軟件的必需。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點軟硬件一體化，集計算機技術、微電子技術、行業(yè)技術為一體；需要操作系統(tǒng)支持，代碼小、執(zhí)行速度快；專用緊湊，用途固定，成本敏感；可靠性要求高；多樣性，應用廣泛、種類繁多。

1.1.5實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指產生系統(tǒng)輸出的時間對系統(tǒng)至關重要的系統(tǒng)。從輸入到輸出的滯后時間必須足夠小到一個可以接受的時限內。

實時系統(tǒng)通常具備以下重要的特性：1．實時性2．并行性

3．多路性

4．獨立性

5．可預測性

6．可靠性

概念特性實時系統(tǒng)中主要通過3個指標來衡量系統(tǒng)的實時性，即：響應時間(ResponseTime)：指計算機從識別一個外部事件到做出響應的時間。生存時間(SurvivalTime)：指數(shù)據(jù)的有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是有效的。吞吐量(Throughput)：指在一段給定時間內，系統(tǒng)可以處理事件的總數(shù)。吞吐量通常比平均響應時間的倒數(shù)小一點。衡量實時性的指標實時系統(tǒng)的分類根據(jù)響應時間可分為3種類型：1．強實時系統(tǒng)2．弱實時系統(tǒng)3．一般實時系統(tǒng)根據(jù)確定性可分為2種類型：1．硬實時系統(tǒng)2．軟實時系統(tǒng)主要內容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的內核5嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢一、嵌入式處理器分類嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)

片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)

嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。與計算機處理器不同的是，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的擴展外圍電路，如存儲器的擴展電路、I/O的擴展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低的功耗和資源滿足嵌入式應用的特殊要求。嵌入式微處理器雖然在功能上與標準微處理器基本相同，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強。與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點。

目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Am186/88、386EX、PowerPC、68000系列等。

微控制器又稱單片機，這種８位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成Flash、RAM、總線邏輯、定時器/計數(shù)器、WatchDog、I/O，串行口、脈寬調制輸出、A/D，D/A等各種必要的功能模塊和外圍部件。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。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額。

DSP處理器DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。DSP處理器有兩個發(fā)展來源，一是DSP處理系統(tǒng)經過單片化、電磁兼容（EMC）改造以及增加片上外設，成為DSP處理器；二是在通用單片機或SoC中增加DSP協(xié)處理器。DSP處理器比較有代表性的產品是TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSP21XX系列和Motorola公司的DSP56000系列。片上系統(tǒng)SoC就是SystemonChip，SoC是一種基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系統(tǒng)設計技術。它結合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，ARMRISC、MIPSRISC、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、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。嵌入式片上系統(tǒng)設計的關鍵是IP核的設計。IP核分為硬核、軟核和固核，是嵌入式技術的重要支持技術。二、典型的嵌入式處理器1．ARM處理器2．MIPS處理器3．PowerPC處理器4．MC68K/Coldfire處理器5．x86處理器ARM處理器

ARM（AdvancedRISCMachines）公司是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產權設計供應商。

ARM處理器有3大特點：小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。圖1.4ARM發(fā)展歷程MIPS處理器

MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages）技術公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。

MIPS的定位很廣。在高端市場它有64位的20Kc系列，在低端市場有SmartMIPS。

PowerPC體系結構的特點是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有微控制器和內核。其應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費類電子產品到大型通信設備，無所不包。基于PowerPC架構的處理器有IBM公司開發(fā)的PowerPC405GP，它是一個集成10/100Mbps以太網控制器、串行和并行端口、內存控制器以及其它外設的高性能嵌入式處理器。PowerPC處理器Apple機以前使用的就是Motorola68000(68K)，比Intel公司的8088還要早。但現(xiàn)在，Apple、Motorola公司已放棄68K而專注于ARM了。MC68K/Coldfire處理器x86系列處理器是最常用的，它起源于Intel架構的8080，發(fā)展到現(xiàn)在Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。486DX是當時和ARM、68K、MIPS、SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一?，F(xiàn)有基于x86的STPC高度集成系統(tǒng)。x86處理器主要內容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的內核5嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.3.1操作系統(tǒng)的概念和分類

操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)OS(OperatingSystem)是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調度，并為用戶提供方便的應用接口。它為應用支持軟件提供運行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。

操作系統(tǒng)的功能處理器管理存儲器管理設備管理文件管理用戶接口對處理器進行分配，并對其運行進行有效地控制和管理。處理器的分配和運行都是以進程為基本單位進行的，因此對處理器的管理可以歸結為對進程的管理，包括進程控制、進程同步、進程通信、作業(yè)調度和進程調度等。為多道程序的運行提供良好的環(huán)境，包括內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充等。包括緩沖管理、設備分配、設備處理、形成虛擬邏輯設備等。

文件管理的主要任務就是對系統(tǒng)文件和用戶文件進行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。文件管理包括對文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護等。用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能方便地使用操作系統(tǒng)的關鍵所在。計算機操作系統(tǒng)的分類按程序運行調度的方法分類：1．順序執(zhí)行系統(tǒng)即系統(tǒng)內只有一個運行程序，它獨占CPU時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。DOS操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。2．分時操作系統(tǒng)系統(tǒng)內同時可有多道程序運行。所謂同時，只是從宏觀上說；實際上系統(tǒng)把CPU的時間按順序分成若干時間片，每個時間片內執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多用戶，當今廣泛用于商業(yè)、金融領域。UNIX操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。3．實時操作系統(tǒng)系統(tǒng)內同時有多道程序運行，每道程序各有不同的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運行。當多個事件發(fā)生時，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低確定哪道程序在此時此刻占有CPU，以保證優(yōu)先級高的事件先運行，從而實現(xiàn)實時信息及時被采集。Vxwork操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng).嵌入式操作系統(tǒng)的分類從實時性的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：具有強實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)；具有弱實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)；沒有實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)。從應用的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：面向低端信息家電IA（InternetAppliance，如智能電話、家庭網關等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向高端信息家電（如數(shù)字電視等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向個人通信終端（如手機、PDA、PocketPC等）的嵌入式操作系統(tǒng)；面向通信設備的嵌入式操作系統(tǒng)；面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)；面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念任務、進程和線程

任務：任務是指一個程序分段，這個分段被操作系統(tǒng)當作一個基本工作單元來調度。任務是在系統(tǒng)運行前已設計好的。進程：進程是指任務的一次運行過程，它是動態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務和進程等同看待，認為任務是一個動態(tài)過程，即執(zhí)行任務體的動態(tài)過程。線程：20世紀80年代中期，人們提出了比進程更小的能獨立運行和調度的基本單位——線程，并以此來提高程序并發(fā)執(zhí)行的程度。近些年，線程的概念已被廣泛應用。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念多用戶及多任務多用戶的含義是，允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺主機，共享同一個操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。每個用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任務可以并發(fā)執(zhí)行。用戶及多任務系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念任務的事件驅動嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念中斷與中斷優(yōu)先級

中斷是計算機中軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同提供的功能。它包括中斷源、中斷優(yōu)先級、中斷處理程序及中斷任務等相關概念。實時操作系統(tǒng)充分利用中斷來改變CPU執(zhí)行程序的順序，達到實時處理目的。系統(tǒng)中所有中斷控制器一共可以連接幾個外部信號，則稱系統(tǒng)有幾個中斷源。操作系統(tǒng)對每個中斷級指定了優(yōu)先級，稱之為中斷優(yōu)先級。在多個中斷源同時發(fā)出申請時，CPU按優(yōu)先級的高低順序處理。這種總是保證優(yōu)先級最高的任務占用CPU的方式，稱為按優(yōu)先級搶占式調度。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念同步與異步實時系統(tǒng)中常用同步或異步來說明事件發(fā)生的時序或任務執(zhí)行的順序關系。由于事件1停止而引起事件2發(fā)生，或者必須有事件2發(fā)生，事件3才可能發(fā)生，如此類推，這一系列與時間相關的事件稱為同步事件。由同步事件驅動的任務稱為同步任務。使任務同步的目的是使相關任務在執(zhí)行順序上協(xié)調，不至于發(fā)生時間相關的差錯，以保證任務互斥地訪問系統(tǒng)的內存、外設等共享資源。

異步事件是指隨機發(fā)生的事件。異步事件發(fā)生的因素很復雜，往往與工業(yè)現(xiàn)場有關，難以預測其發(fā)生的時間，因此異步事件又稱隨機事件。由異步事件驅動的任務稱為異步任務。中斷任務都是異步任務，優(yōu)先級高于同步任務。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念資源與臨界資源程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。主要包括CPU的可利用時間、系統(tǒng)可提供的中斷源、內存空間與數(shù)據(jù)、通用外部設備等等。沒有指派給具體任務的資源屬于系統(tǒng)所有，是共享資源。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)2個以上任務可能同時訪問的共享資源，則稱為臨界資源。系統(tǒng)中的公共數(shù)據(jù)區(qū)、打印機等都是臨界資源。系統(tǒng)內任務應采取互斥的方式訪問共享資源。在實時多任務系統(tǒng)中，當異步任務被激活時，容易出現(xiàn)資源的臨界狀態(tài)。實時多任務操作系統(tǒng)中應保證任何時刻臨界資源內只有一個任務在訪問。資源臨界問題解決不好，執(zhí)行任務交不出資源的控制權，將引起系統(tǒng)死鎖。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念容錯與安全

容錯是指這樣一種性能或措施，當系統(tǒng)內某些軟、硬件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能正常運轉，完成預定的任務或某些重要的不允許間斷的任務。容錯能力包括系統(tǒng)自診斷、自恢復、自動切換等多方面能力，由軟、硬件共同采取措施才能實現(xiàn)。容錯是實時系統(tǒng)提高可靠性的手段。

安全性控制是操作系統(tǒng)對自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。在實時操作系統(tǒng)中安全性極為重要，必須保證系統(tǒng)工作的高度可靠和安全，防止對應用系統(tǒng)有意或無意的破壞。通常采用一些軟件控制方法來保證系統(tǒng)的安全性，如標記檢查、多級口令設置、加密等等。1.3.2實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)(RTOS)是具有實時性且能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。RTOS與通用計算機OS的區(qū)別：實時性。響應速度快，只有幾微秒；執(zhí)行時間確定、可預測；代碼尺寸小。10～100KB，節(jié)省內存空間，降低成本；應用程序開發(fā)較難；需要專用開發(fā)工具：仿真器、編譯器和調試器等。實時操作系統(tǒng)的發(fā)展實時操作系統(tǒng)的研究是從20世紀60年代開始的。從系統(tǒng)結構上看，實時操作系統(tǒng)經歷了以下3個發(fā)展階段。（1）早期的實時操作系統(tǒng)不能稱為真正的實時操作系統(tǒng)。它只是一個小而簡單、具有一定專用性的軟件，其功能較弱，可以認為是一種實時監(jiān)控程序。它一般為用戶提供對系統(tǒng)的初始管理以及簡單的實時時鐘管理。（2）專用實時操作系統(tǒng)在國外稱為Real-TimeOperatingSystemDevelopedinHouse。它是早期用戶為滿足自身開發(fā)需要而研制的，一般只能用于特定的硬件環(huán)境，且缺乏嚴格的評測，移植性也不太好。（3）通用實時操作系統(tǒng)大多采用軟組件結構，以“標準組件”構成通用的實時操作系統(tǒng)。一方面，在實時操作系統(tǒng)內核的最底層將不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，對不同的應用環(huán)境提供了標準的、可剪裁的系統(tǒng)服務軟組件。

實時操作系統(tǒng)的組成根據(jù)面向實際應用領域的不同,實時操作系統(tǒng)的組成也有所不同。但一般都包括以下幾個重要組成部分：

(1)實時內核實時內核一般都是多任務的。它主要實現(xiàn)任務管理、定時器管理、存儲器管理、任務間通信與同步、中斷管理等功能。

(2)網絡組件

網絡組件實現(xiàn)了鏈路層的ARP/RARP協(xié)議、PPP及SLIP協(xié)議，網絡層的IP協(xié)議，傳輸層的TCP和UDP協(xié)議。網絡組件為應用層提供服務,它本身是可裁減的。(3)文件系統(tǒng)對于比較復雜的文件操作應用來說，文件系統(tǒng)是必不可少的。它也是可裁減的。(4)圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)為用戶提供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入。它同樣是可裁減的。實時操作系統(tǒng)的特點(1)支持異步事件的響應實時操作系統(tǒng)為了對外部事件在規(guī)定的時間內進行響應，要求具有中斷和異步處理的能力。

(2)中斷和調度任務的優(yōu)先級機制為區(qū)分用戶的中斷以及調度任務的輕重緩急，需要有中斷和調度任務的優(yōu)先級機制。

(3)支持搶占式調度為保證高優(yōu)先級的中斷或任務的響應時間，實時操作系統(tǒng)必須提供一旦高優(yōu)先級的中斷或任務準備好，就能馬上搶占低優(yōu)先級任務的CPU使用權的機制。(4)確定的任務切換時間和中斷延遲時間確定的任務切換時間和中斷延遲時間是實時操作系統(tǒng)區(qū)別于普通操作系統(tǒng)的一個重要標志，是衡量實時操作系統(tǒng)實時性的重要標準。(5)支持同步提供同步和協(xié)調共享數(shù)據(jù)的使用。1.3.3常見的嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksμC/OSμC/OS-ⅡWindowsCE嵌入式LinuxPalmOS

QNXDeltaOS

HopenOSpSOS

VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點是： －可靠性、實時性和可裁減性。 －它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如火星探測器（1997年7月4日登陸火星表面）。μC/OS和μC/OS-Ⅱ

C/OS—MicroControllerOSC/OS簡介美國人JeanLabrosse1992年完成，已應用于數(shù)百種產品中。應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.722000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器中是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼采用ANSIC寫的，移植性好。高校教學可免費使用。μC/OS-II的系統(tǒng)結構μC/OS-II的任務狀態(tài)轉移圖

WindowsCEWindowsCE：一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)（縮減的Win95）。針對掌上設備、無線設備的動態(tài)應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，屬于軟實時操作系統(tǒng)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認可?？梢允褂么蠖鄶?shù)Windows開發(fā)工具（如VB，VC等），大多數(shù)Windows應用程序經過移植后就可以運行在WinCE平臺上。操作系統(tǒng)的基本內核需要至少200K的ROM。嵌入式LinuxLinux是開放源碼和免費使用的，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強大技術后盾。嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領域的一個熱點。主要有RTLinux和CLinuxLinux的內核小、功能強大、API豐富，系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。近幾年Linux在嵌入式領域異軍突起，過去的一年中有13%的用戶已經開始使用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā)工作；有52%的用戶決定在未來24個月內開始使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)原型。

μClinux

PalmOSPalmOS是著名的網絡設備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產品。PalmOS是一套專門為掌上電腦編寫的操作系統(tǒng)，充分考慮到了掌上電腦內存相對較小的情況，所以Palm操作系統(tǒng)本身所占的內存很小，基于Palm操作系統(tǒng)編寫的應用程序所占的空間也很小，通常只有幾十KB，因此基于Palm操作系統(tǒng)的掌上電腦雖然只有幾兆內存卻可以運行眾多的應用程序。PalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額，目前主要與WINCE進行激烈競爭。代表性的產品有Palmm505、Palmm500、PalmIII等。

QNX加拿大QNX公司的產品。其內核僅提供4種服務：進程調度、進程間通信、底層網絡通信和中斷處理，其進程在獨立的地址空間中運行。QNX內核非常小巧(QNX4.x大約為12KB)，而且運行速度極快。

QNX是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關標準，由于QNX具有強大的圖形界面功能，因此很適合作為機頂盒、手持設備（手掌電腦、手機）、GPS設備的實時操作系統(tǒng)使用。

DeltaOSDeltaOS是電子科技大學嵌入式實時教研室和科銀公司聯(lián)合研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng)。提供強實時和嵌入式多任務的內核，任務響應時間快速、確定，不隨任務負載大小改變。絕大部分的代碼由C語言編寫，具有很好的移植性。適用于內存要求較大、可靠性要求較高的嵌入式系統(tǒng)。主要包括嵌入式實時內核DeltaCORE、嵌入式TCP/IP組件DeltaNET、嵌入式文件系統(tǒng)DeltaFILE以及嵌入式圖形用戶界面DeltaGUI等。提供一整套的嵌入式開發(fā)套件LamdaTOOL和一整套嵌入式開發(fā)應用解決方案，已成功應用于通信、網絡、信息家電等多個應用領域。

HopenOSHopenOS是凱思集團自主研制開發(fā)的實時操作系統(tǒng)。由一個體積很小的內核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。其核心HopenKernel的規(guī)模一般為10KB左右，占用空間小。具有實時、多任務、多線程的系統(tǒng)特征。

pSOS

pSOS是ISI(IntegratedSystemsInc．)公司研發(fā)的產品，是世界上最早的實時系統(tǒng)之一，也是最早進入中國市場的實時操作系統(tǒng)。

pSOS是一個模塊化、高性能、完全可擴展的實時操作系統(tǒng)。專為嵌入式微處理器設計，提供了一個完全多任務環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上提供高性能和高可靠性。包含單處理器支持模塊(pSOS+)、多處理器支持模塊(pSOS+m)、文件管理器模塊(pHILE)、TCP/IP通信包(pNA)、流式通信模塊(OpEN)、圖形界面、Java，HTTP等。主要內容1324嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的內核5嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在實時操作系統(tǒng)中最關鍵的部分是實時多任務內核。它主要實現(xiàn)的功能包括：任務管理任務間通信與同步存儲器管理定時器管理中斷管理1.4實時操作系統(tǒng)的內核1.4.1任務管理任務實時操作系統(tǒng)中的任務與操作系統(tǒng)中的進程相似。它是具有獨立功能的無限循環(huán)的程序段的一次運行活動。任務的狀態(tài)運行態(tài)(Executing)：獲得CPU控制權。就緒態(tài)（Ready）：進入任務等待隊列，通過調度轉為運行狀態(tài)。掛起態(tài)（Suspended）：任務發(fā)生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生而喚醒，從而轉為就緒或運行態(tài)。休眠態(tài)（Dormant）：任務完成或錯誤等原因被清除的任務，也可以認為是系統(tǒng)中不存在的任務。

實時內核的任務管理實現(xiàn)在應用程序中建立任務，刪除任務，掛起任務，恢復任務，以及對任務的響應、切換和調度等功能。1.4.1任務管理任務管理常用的任務調度算法基于優(yōu)先級的調度算法非搶占式調度搶占式調度同一優(yōu)先級的時間片輪轉調度算法單調速率調度算法基于優(yōu)先級的調度算法實時系統(tǒng)為每個任務賦予一個優(yōu)先級。實時系統(tǒng)允許多個任務共享一個優(yōu)先級，通過同一優(yōu)先級的時間片輪轉調度算法，完成任務間的調度。優(yōu)先級調度原則是讓高優(yōu)先級的任務在得到資源運行的事件上比低優(yōu)先級任務更有優(yōu)先權。實時操作系統(tǒng)都采用基于優(yōu)先級的任務調度算法。按照任務在運行過程中是否能被搶占，可以分為搶占式調度和非搶占式調度兩種?；趦?yōu)先級的調度算法——非搶占式調度

非搶占式（Non-preemptive）調度算法也稱作合作型多任務（CooperativeMultitasking）。中斷服務可以使一個高優(yōu)先級的任務由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，但中斷服務以后控制權還是回到原來被中斷的任務，直到該任務主動放棄CPU的使用權時，高優(yōu)先級的任務才能獲得CPU的使用權。基于優(yōu)先級的調度算法——搶占式調度

搶占式（preemptive）調度算法確保最高優(yōu)先級的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制權。優(yōu)先級反轉問題基于優(yōu)先級的調度算法——搶占式調度

實例簡要說明：任務1：優(yōu)先級較高。要使用資源S，使用完畢程序結束。任務2：優(yōu)先級中等。不使用資源S。任務3：優(yōu)先級最低。要使用資源S，使用完畢程序結束。S：具有互斥機制保護的同一共享資源。3個任務的就緒順序為：任務3首先進入就緒狀態(tài)。在任務3運行過程中，任務1和任務2都進入就緒狀態(tài)。其中任務1比任務2先進入就緒狀態(tài)?；趦?yōu)先級的調度算法——搶占式調度

優(yōu)先級反轉問題解決優(yōu)先級反轉問題的方法：優(yōu)先級繼承(PriorityInheritance)優(yōu)先級封頂(PriorityCeiling)

優(yōu)先級繼承設C為正占用著某項共享資源的進程P以及所有正在等待占用此項資源的進程的集合。找出這個集合中的優(yōu)先級最高者P_h，其優(yōu)先級為p’。把進程P的優(yōu)先級設置成p’。優(yōu)先級繼承通過提高任務3的優(yōu)先級達到與任務1相同的優(yōu)先級，來避免優(yōu)先級反轉問題的出現(xiàn)。使用優(yōu)先級繼承后任務的運行流程基于優(yōu)先級的調度算法——搶占式調度

優(yōu)先級封頂設C為所有可能競爭使用某項共享資源的進程的集合。事先為這個集合規(guī)定一個優(yōu)先級上限p’，使得這個集合中所有進程的優(yōu)先級都小于p’。注意p’并不一定是整個系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級。在創(chuàng)建保護該項資源的信號量或互斥量時，將p’作為一個參數(shù)。每當有進程通過這個信號量或互斥量取得對共享資源的獨占使用權時，就將此進程的優(yōu)先級暫時提高到p’，一直到釋放該項資源的時候才恢復其原有的優(yōu)先級。使用優(yōu)先級封頂后任務的運行流程優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級封頂?shù)谋容^基于優(yōu)先級的調度算法——搶占式調度

兩種算法都改變了任務3的優(yōu)先級，但改變優(yōu)先級的時間和改變的范圍有所不同。優(yōu)先級繼承只在占有資源的低優(yōu)先級任務阻塞了高優(yōu)先級的任務運行時，才動態(tài)更改低優(yōu)先級的任務到高優(yōu)先級。這種算法對應用中任務的流程影響比較小。優(yōu)先級封頂則不管任務是否阻塞了高優(yōu)先級任務的運行，只要任務訪問該資源，都會提升任務的優(yōu)先級到可訪問這個資源的所有任務的最高優(yōu)先級。這兩種