《嵌入式系統(tǒng)引論》PPT課件.ppt

1、2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,1,參考資料,ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 周立功，北京航空航天大學(xué)出版社 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用 馬維華，北京郵電大學(xué)出版社 ARM7TDMI Data Sheet S3C44B0 Data Sheet,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,2,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,3,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 1.2 嵌入式處理器 1.3 嵌入式操作系統(tǒng) 1.4 嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,4,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1. 嵌入式系統(tǒng)的基本概念,2008,華東師范

2、大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,5,1.1 嵌入式系統(tǒng)的基本概念,概述,經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個(gè)性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個(gè)嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,6,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)無處不在。在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動(dòng)化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中都含有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中也有多達(dá)幾十個(gè)嵌入

3、式系統(tǒng)。 在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。事實(shí)上，幾乎所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電（全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場(chǎng)所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,7,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,8,嵌入式系統(tǒng)的概念,目前，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義： 從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算 機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用 系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán) 格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的

4、角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成 復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在 一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些 系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分， 稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多 個(gè)嵌入式系統(tǒng)。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,9,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,10,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),尾燈控制系統(tǒng),后車門控制系統(tǒng),前車門控制系統(tǒng),座椅控制系統(tǒng),發(fā)動(dòng)器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,11,嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),和通用計(jì)算機(jī)相比所具有的特點(diǎn)： P4 面向特定應(yīng)用，有較強(qiáng)生命

5、周期 技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新，市場(chǎng)難以壟斷 軟硬件高效設(shè)計(jì)，量體裁衣，去除冗余 軟件固化 不具備自開發(fā)能力,嵌入式微處理器特點(diǎn)： 支持實(shí)時(shí)多任務(wù) 具有存儲(chǔ)保護(hù)功能 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu) 低功耗,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,12,嵌入式系統(tǒng)的未來,1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡(jiǎn)單的自主設(shè)備，且具有很長的產(chǎn)品生命周期。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革。 產(chǎn)品市場(chǎng)窗口現(xiàn)在預(yù)計(jì)翻番的周期狂熱到69個(gè)月。 全球重新定義市場(chǎng)的機(jī)會(huì)和膨脹的應(yīng)用空間。 互聯(lián)現(xiàn)在是一個(gè)需求而不是輔助性的，包括采用有線 和無線技術(shù)。 基于電子的產(chǎn)品更復(fù)雜化。 互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。 微處理

6、器的處理能力按莫爾定律（Moores Law）預(yù) 計(jì)的速度在增加。該定律認(rèn)為集成電路和晶體管個(gè)數(shù) 每18個(gè)月翻一番。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,13,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1. 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 1.2. 嵌入式處理器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,14,嵌入式處理器,早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的處理器。 這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類： 注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用于PDA等 不注重計(jì)算的設(shè)備； 注重嵌入式

7、處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計(jì)算密集型 的設(shè)備； 注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價(jià)格。應(yīng)用于 蜂窩電話等設(shè)備；,概述,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,15,1.2 嵌入式處理器,分類,嵌入式處理器可以分為以下幾大類： 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）。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,16,嵌入式處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微

8、處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，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)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。,嵌入式微處理器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,17,嵌入式處理器,嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總

9、線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 嵌入式微控制器目前品種和數(shù)量最多、比較有代表

10、性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場(chǎng)份額。,嵌入式微控制器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,18,嵌入式處理器,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)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、屏譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。 嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas I

11、nstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。,嵌入式DSP處理器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,19,嵌入

12、式處理器,System On Chip(SOC)在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng) 各種通用處理器內(nèi)核作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語言描述，存儲(chǔ)在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Mot

13、orola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048 位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。,嵌入式片上系統(tǒng)(SOC),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,20,嵌入式處理器,目前應(yīng)用的嵌入式處理器主要有8位、16位、32位，包括嵌入式控制器和嵌入式處理器。例： ARM系列 Microchip系列 Philips： LPC系列 Motorola：MC68HC08

14、系列 MCS-51系列 Atmel：AVR系列 80C186系列 Power PC系列 ColdFire系列,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,21,嵌入式處理器,國產(chǎn)嵌入式處理器： 方舟系列 方舟科技公司 方舟1號(hào)：32位、166MHz、272個(gè)管腳 方舟2號(hào): 32位、400MHz、304各管腳 龍芯系列 神州龍芯公司 32位MIPS指令、200-266MHz,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,22,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1. 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 1.2. 嵌入式處理器 1.3. 嵌入式操作系統(tǒng),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,23,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),概述

15、,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個(gè)概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(Operating System)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三類操作系統(tǒng)即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)。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,24,概述,時(shí) 間 先 后,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,25,概述,時(shí) 間 先 后,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,26,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

16、,IEEE 的實(shí)時(shí)UNIX分委會(huì)認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn): 異步的事件響應(yīng) 切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定 優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度 搶占式調(diào)度 內(nèi)存鎖定 連續(xù)文件 同步,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,27,總的來說實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性, 與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用, 由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種： 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,28,一般

17、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開發(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)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K幾十K 內(nèi))、可固化使用、實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上)的特點(diǎn) 。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,29,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用 程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要 大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用 程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程 序的設(shè)計(jì)

18、過程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求 苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通 過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使 得系統(tǒng)資源得到更好的利用。 缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外 的ROM/RAM開銷，25%的CPU額外負(fù)荷，以及 內(nèi)核的費(fèi)用。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,30,uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對(duì)沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDM

19、I。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。,常見的嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式Linux,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,31,常見的嵌入式操作系統(tǒng),Windows CE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡(jiǎn)的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Win CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。Win CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，

20、并且在Win CE平臺(tái)上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用。,Win CE,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,32,常見的嵌入式操作系統(tǒng),VxWorks,VxWorks操作系統(tǒng)是美國 公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精

21、尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測(cè)器上也使用到了VxWorks。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,33,常見的嵌入式操作系統(tǒng),OSE主要是由ENEA Data AB 下屬的ENEA OSE Systems AB負(fù)責(zé)開發(fā)和技術(shù)服務(wù)的，一直以來都充當(dāng)著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及分布式和容錯(cuò)性應(yīng)用的先鋒，并保持良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 OSE的客戶深入到電信，數(shù)據(jù)，工控，航空等領(lǐng)域，尤其在電信方面，該公司已經(jīng)有了十余年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同諸如愛立信，諾基亞，西門子等知名公司確定了良好的關(guān)系。, OSE,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科

22、學(xué)技術(shù)系,34,常見的嵌入式操作系統(tǒng),Nucleus PLUS是為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95的代碼是用ANSIC寫成的，因此非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的處理器。 Nucleus PLUS采用了軟件組件的方法。每個(gè)組件具有單一而明確的目的，通常由幾個(gè)C及匯編語言模塊構(gòu)成，提供清晰的外部接口，對(duì)組件的引用就是通過這些接口完成的。由于采用了軟件組件的方法，使Nucleus PLUS 的各個(gè)組件非常易于替換和復(fù)用。,Nucleus,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,35,常見的嵌入式操作系統(tǒng),eCos是RedHat公司開發(fā)的源代碼開放的嵌入式RTOS產(chǎn)品，是

23、一個(gè)可配置、可移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的運(yùn)行環(huán)境為RedHat的GNUPro和GNU開發(fā)環(huán)境。eCOS的所有部分都開放源代碼，可以按照需要自由修改和添加。eCOS的關(guān)鍵技術(shù)是操作系統(tǒng)可配置性，允許用戶組和自己的實(shí)時(shí)組件和函數(shù)以及實(shí)現(xiàn)方式，特別允許eCOS的開發(fā)則定制自己的面向應(yīng)用的操作系統(tǒng)，使eCos能有更廣泛的應(yīng)用范圍。,eCos,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,36,常見的嵌入式操作系統(tǒng),C/OS-II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼是用ANSI C寫的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器。C/OS-II通過了聯(lián)邦航空

24、局（FAA）商用航行器認(rèn)證。自1992年問世以來，C/OS-II已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品中。C/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，并且在高校教學(xué)使用是不需要申請(qǐng)?jiān)S可證。,C/OS-II,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,37,常見的嵌入式操作系統(tǒng),TRON是指“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（The Real-time Operating system Nucleux）”,它是在1984年由東京大學(xué)的Sakamura博士提出的，目的是為了建立一個(gè)理想的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過工業(yè)界和大學(xué)院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中。 uITRON是TRON的一個(gè)子方案，它具有標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核

25、，適用于任何小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，日本國內(nèi)現(xiàn)有很多基于該內(nèi)核的產(chǎn)品，其中消費(fèi)電器較多。目前已成為日本事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。,uITRON,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,38,TRON明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)使其甚至比Linux更適合于做嵌入式應(yīng)用，內(nèi)核小，啟動(dòng)速度快，即時(shí)性能好，也很適合漢字系統(tǒng)的開發(fā)。另外，TRON的成功還來源于如下兩個(gè)重要的條件： 1.它是免費(fèi)的 2.它已經(jīng)建立了開放的標(biāo)準(zhǔn)，形成了較完善 的軟硬件配套開發(fā)環(huán)境，較好地形成了產(chǎn) 業(yè)化。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,39,第1章 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1. 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 1.2. 嵌入式處理器 1.3. 嵌入式操作系

26、統(tǒng) 1.4 嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,40,1.4 嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法,通用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境的差異: 通用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng): 調(diào)試器與被調(diào)試的程序位于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，使用同一操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)： 開發(fā)主機(jī)和目標(biāo)機(jī)處于不同的機(jī)器 程序在開發(fā)機(jī)上進(jìn)行開發(fā)（編輯、交叉編譯等） 然后下載到目標(biāo)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,41,交叉開發(fā)： 交叉開發(fā)是指在一臺(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)備中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試的開發(fā)方式。 開發(fā)計(jì)算機(jī)：宿主機(jī) 嵌入式設(shè)備：目標(biāo)機(jī) 在宿主機(jī)上編譯好的程序，下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。交

27、叉開發(fā)環(huán)境提供調(diào)試工具對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的程序進(jìn)行調(diào)試。 交叉開發(fā)環(huán)境： 運(yùn)行于宿主機(jī)的交叉開發(fā)軟件最少必須包含編譯調(diào)試模塊，其編譯器為交叉編譯器。一般為一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，包括編輯、編譯匯編連接、調(diào)試及函數(shù)庫等。,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,42,問題： 位于不同操作系統(tǒng)之上的調(diào)試器與被調(diào)試程序之間如何進(jìn)行通信？ 被調(diào)試程序的異?，F(xiàn)象如何告知調(diào)試器 調(diào)試器如何訪問和控制調(diào)試程序 調(diào)試方法： monitor方式 片上調(diào)試方式 在線仿真器ICE（IN-Circuit Emulator),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,43,monitor方式 在目標(biāo)操作系統(tǒng)與調(diào)試器內(nèi)部分別添加功能

28、模塊（調(diào)試監(jiān)控軟件），通過指定的通信端口及遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議，兩者相互通信實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能 目標(biāo)操作系統(tǒng)的異常處理通過通信模塊告知調(diào)試器 異常號(hào)，調(diào)試器再依據(jù)該異常號(hào)告知用戶被調(diào)試程 序所出現(xiàn)的異常情況 調(diào)試器訪問和控制目標(biāo)機(jī)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)調(diào)試程序 的地址空間或寄存器的訪問 要求： 目標(biāo)操作系統(tǒng)必須提供支持遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議的通信模塊和多任務(wù)調(diào)試接口,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,44,片上調(diào)試方式 在處理器內(nèi)部嵌入額外的硬件控制模塊，當(dāng)滿足一定的觸發(fā)條件使處理器進(jìn)入某種指定狀態(tài)，在該種狀態(tài)下，主機(jī)上的調(diào)試軟件可以通過特定的通信接口訪問目標(biāo)系統(tǒng)上的各種資源，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。 整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)

29、、仿真器和目標(biāo)系統(tǒng)三部分組成。主機(jī)系統(tǒng)通過仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)連接并實(shí)現(xiàn)同步，仿真器通過目標(biāo)系統(tǒng)上的調(diào)試接口將目標(biāo)代碼下載到RAM或FLASH中，并根據(jù)特定指令集完成調(diào)試任務(wù)。 主流片上調(diào)試技術(shù)： BDM方式 JTAG方式,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,45,在線仿真ICE 在線仿真器ICE 是一種模擬CPU的設(shè)備，ICE提供自己的處理器和存儲(chǔ)器，調(diào)試時(shí)使用仿真頭完全取代目標(biāo)系統(tǒng)上的處理器工作。 ICE可通過串行接口、并行接口、網(wǎng)口、USB口和宿主機(jī)通信 價(jià)格比較昂貴 常用于硬件開發(fā),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,46,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 一、基于主機(jī)的調(diào)試 可先在計(jì)

30、算機(jī)上進(jìn)行模擬開發(fā)和調(diào)試，然后略作修改移植到目標(biāo)系統(tǒng)中 支持嵌入式軟件、硬件并行開發(fā) 需解決的問題：特定外設(shè) 字長、字節(jié)排序（大、小端問題） 只能作為初步調(diào)試的一個(gè)手段 實(shí)例： ATI公司的MNI仿真開發(fā)平臺(tái) 基于C/OSII的應(yīng)用開發(fā),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,47,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 二、遠(yuǎn)程調(diào)試器與調(diào)試內(nèi)核 調(diào)試器功能分離，大部分駐留主機(jī)，小部分駐留目標(biāo)系統(tǒng)（調(diào)試代理monitor），通過串口或網(wǎng)口相互通信 P13圖1-2 一些嵌入式處理器的制造商提供調(diào)試代理的協(xié)議，包括部分代碼 實(shí)例： VRTX86操作系統(tǒng)的monitor提供了調(diào)試代理生成器, 生成的monit

31、or可根據(jù)目標(biāo)板要求修改 ARM公司的angel調(diào)試代理（一組運(yùn)行在目標(biāo)板上 的程序）,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,48,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 三、ROM仿真器 由RAM以及附加電路制成，連接開發(fā)系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)，調(diào)試時(shí)代替目標(biāo)板上的ROM工作 P15圖1-4 使用JTAG方式或monitor方式則不需ROM仿真器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,49,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 四、在線仿真ICE P18圖1-6 概述 ICE提供自己的處理器和存儲(chǔ)器，調(diào)試時(shí)代替目標(biāo)系統(tǒng)的處理器工作。 仿真器內(nèi)存和用戶內(nèi)存，兩者可切換。 當(dāng)用戶或仿真器決定停止執(zhí)行用戶目標(biāo)代碼并進(jìn)入

32、 調(diào)試器時(shí)。發(fā)NMI 阻塞來自目標(biāo)系統(tǒng)的NMI，完成存儲(chǔ)器切換 轉(zhuǎn)非屏蔽中斷處理,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,50,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 在線仿真器的實(shí)時(shí)跟蹤功能 圖1-7 用邏輯分析儀觀測(cè)總線信號(hào)即可實(shí)時(shí)跟蹤 ICE與目標(biāo)系統(tǒng)的連接方法 圖1-8 用ICE中的處理器代替目標(biāo)系統(tǒng)的處理器 直接連接 DIP插座 目標(biāo)板CPU去除，由ICE中的CPU代替 間接連接 CPU同時(shí)插有，但目標(biāo)板CPU引腳完全關(guān)閉（輸出 為三態(tài)），有的CPU帶有“禁止一切”的控制引 腳，可關(guān)閉目標(biāo)處理器,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,51,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： ICE特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：具有

33、實(shí)時(shí)跟蹤能力 缺點(diǎn)：價(jià)格貴 高速處理器系統(tǒng)的ICE成本更高 適用于：低速、中速系統(tǒng),2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,52,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： 五、BDM 概述 BDM（Background Debug Mode,背景調(diào)試模式） Motorola專用調(diào)試接口 從68K系列到ColdFire及PowPC系列都延用了該技術(shù) BDM和JTAG接口是當(dāng)前兩大主流片上調(diào)試技術(shù) 片上調(diào)試技術(shù)是指在嵌入式處理器內(nèi)部添置控制模塊，當(dāng)滿足一定的觸發(fā)條件時(shí)，處理器便進(jìn)入某種指定狀態(tài)，在該種狀態(tài)下，主機(jī)上的調(diào)試軟件可以通過特定的通信接口訪問目標(biāo)系統(tǒng)上的各種資源，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。 調(diào)試連接方式： 圖1-9,2008,華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系,53,常用調(diào)試方法和調(diào)試手段介紹： BDM的原理和功能 主要完成讀寫內(nèi)部存儲(chǔ)器，配置芯片資源和工作方 式，燒寫、下載代碼以及調(diào)試程序等功能。 BDM接口為26針連接 圖1-10 基本調(diào)試功能使用了5種信號(hào)線： DSCLK-串行時(shí)鐘信號(hào) DSI-數(shù)據(jù)輸入信號(hào) DSO-調(diào)試模塊應(yīng)答信號(hào) PST3：0-輸出處理器狀態(tài)