嵌入式技術(shù)及應(yīng)用-8資料

1、嵌入式技術(shù)(jsh)及其應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)軟件及操作系統(tǒng)(co zu x tn)知識 共三十九頁嵌入式系統(tǒng)軟件的定義(dngy)和特點(diǎn) 嵌入式軟件是指應(yīng)用在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)(xtng)中當(dāng)中的各種軟件。它是嵌入式系統(tǒng)(xtng)極為重要的部分。 （1）規(guī)模較小，針對性強(qiáng)；（2）實(shí)時性和可靠性要求高；（3）要求固化存儲；共三十九頁嵌入式軟件分類(fn li) （1）系統(tǒng)軟件：控制和管理嵌入式系統(tǒng)資源，為嵌入式應(yīng)用提供支持的各種軟件，如設(shè)備驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式中間件等。 （2）應(yīng)用軟件：嵌入式系統(tǒng)(xtng)的上層軟件，它定義了嵌入式設(shè)備的主要功能和用途，并負(fù)責(zé)于用戶進(jìn)行交互。應(yīng)用軟件是嵌

2、入式系統(tǒng)(xtng)功能的體現(xiàn)，一般面向于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，如飛行控制軟件、手機(jī)軟件、MP3播放軟件、電子地圖軟件等。（3）支撐軟件：輔助軟件開發(fā)的工具軟件，如系統(tǒng)分析設(shè)計工具、在線仿真工具、交叉編譯器、源程序模擬器和配置管理工具等。共三十九頁嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)1.無操作系統(tǒng)(co zu x tn)特點(diǎn)：硬件配置低，應(yīng)用范圍有限，規(guī)模小循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 前后臺方式共三十九頁操作系統(tǒng)(co zu x tn)的優(yōu)點(diǎn)提高了系統(tǒng)的可靠性；提高系統(tǒng)開發(fā)效率(xio l)，降低了成本，縮短了開發(fā)周期；有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植；共三十九頁體系結(jié)構(gòu)的分布(fnb)設(shè)備驅(qū)動層：板級初始化、以太網(wǎng)、串行口、鍵盤操作系統(tǒng)

3、(co zu x tn)層：TCP/IP 、文件系統(tǒng)、調(diào)度內(nèi)核、嵌入式GUI中間件層：嵌入式JAVA,嵌入式DCOM應(yīng)用軟件層：WWW瀏覽器、MP3播放器、電子郵件共三十九頁設(shè)備(shbi)驅(qū)動層板級支持(zhch)包（Board Support Packet,BSP通常包含：引導(dǎo)加載程序+設(shè)備驅(qū)動程序 引導(dǎo)加載程序（BootLoader） 1片級初始化 2板級初始化 3加載內(nèi)核 設(shè)備驅(qū)動程序（Driver） 1硬件啟動 2硬件關(guān)閉 3硬件停用 4硬件啟用 5讀寫操作共三十九頁嵌入式中間件層是操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件之外的所有系統(tǒng)軟件。抽取(chu q)一些應(yīng)用軟件的功能，形成獨(dú)立

4、層，為系統(tǒng)設(shè)計提供方便；共三十九頁常見(chn jin)的嵌入式操作系統(tǒng) （1）VxWorks 高效的實(shí)時微內(nèi)核Wind：這是VxWorks的核心，它包括基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、同步和互斥、中斷處理、定時器和內(nèi)存管理機(jī)制等。 I/O處理系統(tǒng)：VxWorks提供了一個快速靈活的與ANSIC兼容的I/O系統(tǒng)，包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)的緩沖I/O和POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。 文件系統(tǒng)：VxWorks提供了適合于實(shí)時應(yīng)用的文件系統(tǒng)，主要(zhyo)包括與MS-DOS兼容的文件系統(tǒng)、與RT-11兼容的文件系統(tǒng)、Raw Disk文件系統(tǒng)和SCSI磁帶設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)處理模塊：能與許多運(yùn)行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)

5、行通信，如TCP/IP、NFS、UDP、SNMP、FTP等。 虛擬內(nèi)存模塊VxVMI：主要用于對指定內(nèi)存區(qū)的保護(hù)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。 板級支持包BSP：是系統(tǒng)用來管理硬件的功能模塊。共三十九頁（2）嵌入式LinuxLinux是1991年由芬蘭人Linus Torvalds發(fā)明的，從誕生到現(xiàn)在短短十幾年的時間已經(jīng)發(fā)展成為一個功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)，不僅在通用操作系統(tǒng)領(lǐng)域與Windows等商業(yè)系統(tǒng)分庭抗?fàn)帲以谛屡d的嵌入式操作系統(tǒng)中也得到了飛速的發(fā)展。嵌入式Linux是指對標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)行小型化裁減(cijin)處理之后，可固化在存儲器或單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用Linu

6、x操作系統(tǒng)。共三十九頁（3）Windows CEWindows CE是微軟公司公布的嵌入式操作系統(tǒng)，主要用在個人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA）和智能電話（SmartPhone）等個人手持終端上。Windows CE是一個基于優(yōu)先級的多任務(wù)操作系統(tǒng)，提供了256個優(yōu)先級別，但它并不是硬實(shí)時系統(tǒng)。Windows CE操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM，它支持Win32 API子集、支持多種用戶界面硬件、支持多種串行和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。Windows CE操作系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是能提供與PC機(jī)類似的圖形界面和主要的應(yīng)用程序集成了大量的Windows XP

7、Professional的特性，包括桌面、任務(wù)欄、窗口、圖標(biāo)、控件和各種應(yīng)用程序。這樣(zhyng)，只要對PC機(jī)上的Windows操作系統(tǒng)比較熟悉的用戶，可以很快地使用基于Windows CE的嵌入式設(shè)備。共三十九頁（4）uC/OS-uC/OS是美國人Jean Labrosse在1992年開發(fā)的一個嵌入式操作系統(tǒng)，并于1998年推出了它的升級版本uC/OS-。uC/OS-是一種免費(fèi)。開放源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、基于可搶占優(yōu)先級調(diào)度的實(shí)時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、實(shí)踐管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。uC/OS-主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小。實(shí)時性能

8、優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2KB，一般情形下占用內(nèi)存在10KB數(shù)量級。它的內(nèi)核本身(bnshn)并不支持文件系統(tǒng)，但它具有良好的擴(kuò)展性能，如果需要的話可以自行加入。共三十九頁（5）PalmOSPalmOS是Palm公司開發(fā)一種(y zhn)32位的嵌入式操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用在PDA和手機(jī)等手持移動終端上，是市場上占有極高的PDA操作系統(tǒng)。PalmOS的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定。設(shè)計簡潔、效率高，而且第三方應(yīng)用程序豐富，到目前為止，亦有多達(dá)兩萬多個應(yīng)用軟件運(yùn)行在PalmOS操作系統(tǒng)上。 共三十九頁系統(tǒng)(xtng)的任務(wù)管理 單道程序設(shè)計 在任何時候，系統(tǒng)中只能有一個程序在運(yùn)行；多道程

9、序設(shè)計(shj)技術(shù) 在操作系統(tǒng)中允許多個程序同時運(yùn)行。共三十九頁進(jìn)程(jnchng)、線程和任務(wù)在多道系統(tǒng)中，允許多個程序同時存在，各個程序之間是并發(fā)執(zhí)行的，它們共享系統(tǒng)的資源，CPU需要(xyo)在各個運(yùn)行的程序之間來回地切換，不斷地從一個程序切換到另一個程序。這樣一來，僅僅依靠靜態(tài)的“程序”這個概念，要想正確地描述這些多道的并發(fā)活動進(jìn)程就變得非常困難。為此，必須提出一種新的概念實(shí)體，即進(jìn)程（process）。共三十九頁 相應(yīng)的程序：進(jìn)程既然是一個正在運(yùn)行的程序，當(dāng)然需要有相應(yīng)程序的代碼和數(shù)據(jù)。 CPU上下文：程序在運(yùn)行時，CPU中含有各種寄存器的當(dāng)前值，包括程序計數(shù)器（Program C

10、ounter，PC）用于記錄將要取出的指令的地址；程序狀態(tài)字（Program Status Word，PSW），用于記錄處理器的運(yùn)行狀態(tài)信息；通用寄存器，用于存放數(shù)據(jù)或地址；段寄存器，用于存放程序中各個段的地址；棧指針寄存器，用于記錄棧頂?shù)漠?dāng)前位置。 一組系統(tǒng)資源：包括操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)程的內(nèi)存地址空間、進(jìn)程正在使用(shyng)的文件等。共三十九頁進(jìn)程(jnchng)的三個特性 動態(tài)性：進(jìn)程是一個正在運(yùn)行(ynxng)的程序，而程序的運(yùn)行(ynxng)狀態(tài)是在不斷變化的。例如，當(dāng)一個程序正在運(yùn)行(ynxng)的時候，每執(zhí)行完一條指令，PC寄存器的值就會增加，指向下一條即將執(zhí)行

11、的指令。而CPU中用來存放數(shù)據(jù)和地址的那些通用寄存器，它們的值肯定會不斷變化。另外，堆和棧的內(nèi)容也在不斷變化，每當(dāng)發(fā)生一次函數(shù)調(diào)用時，就會在棧中分配一塊空間，用來存放此次函數(shù)調(diào)用的參數(shù)和局部變量，而當(dāng)函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，這塊棧空間就會被釋放掉?？傊?，一切都在變化當(dāng)中，不變的只有一些只讀的內(nèi)容，如程序的代碼。 獨(dú)立性：一個進(jìn)程時一個獨(dú)立的實(shí)體，是計算機(jī)系統(tǒng)資源的使用單位。每個進(jìn)程都有自己的運(yùn)行上下文和內(nèi)部狀態(tài)，在它運(yùn)行的時候獨(dú)立于其他進(jìn)程。 并發(fā)性：從宏觀上來看，在系統(tǒng)中同時有多個進(jìn)程存在，它們相互獨(dú)立地運(yùn)行。共三十九頁線程 所謂(suwi)的線程，就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。 一個進(jìn)程中，可以同時

12、存在多個線程；線程是CPU的基本調(diào)度單位；各個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行；同一個進(jìn)程當(dāng)中各個線程可以共享該進(jìn)程的各種資源。共三十九頁任 務(wù) 能夠獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體稱為“任務(wù)” ；一般認(rèn)為，在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中，它的“任務(wù)”其實(shí)就是線程。從任務(wù)的創(chuàng)建過程來看，它所需要的參數(shù)就是任務(wù)的優(yōu)先級、?？臻g的大小和函數(shù)名。換言之，任務(wù)具有(jyu)獨(dú)立的優(yōu)先級和?？臻g，這些都是創(chuàng)建一個線程必需的資源，而CPU上下文一般也是放在?？臻g當(dāng)中的。 共三十九頁 任務(wù)(rn wu)的創(chuàng)建 任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)-父子關(guān)系；任務(wù)的創(chuàng)建與終止：系統(tǒng)(xtng)初始化、任務(wù)運(yùn)行過程中、用戶提出請求；任務(wù)創(chuàng)建的兩種規(guī)范：fork/exec和

13、spawn； ISO POSIX 1003.1標(biāo)準(zhǔn)，有繼承能力；共三十九頁OS_STK TaskStk1000;Void main(void) int err; OSInit(); OSTaskCreate(MyTask,0,&TaskStk999,&err); OSStart();Void MyTask(void *pdata)共三十九頁void main() int pid; pid = fork(); if(pid0) printf(“parent task”); else if(pid=0) printf(“child task”); execvp(“MyTask”,NULL)共三十九

14、頁任務(wù)(rn wu)的終止正常(zhngchng)退出；錯誤退出；被其它任務(wù)踢出；共三十九頁任務(wù)(rn wu)的狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)(zhungti)；就緒狀態(tài)；阻塞狀態(tài)；狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換： 運(yùn)行就緒； 運(yùn)行阻塞； 就緒-運(yùn)行； 阻塞-就緒；共三十九頁任務(wù)(rn wu)控制塊 任務(wù)管理就是通過對各個任務(wù)地任務(wù)控制塊（Task Control Block, TCB）的操作來實(shí)現(xiàn)的。所謂TCB，就是在操作系統(tǒng)當(dāng)中，用來描述和管理一個任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)為每一個任務(wù)維護(hù)了一個相應(yīng)的TCB，用來保護(hù)該任務(wù)的各種相關(guān)信息。TCB的內(nèi)容主要包括(boku)以下幾項。 任務(wù)的管理信息：包括任務(wù)的標(biāo)識ID、任務(wù)的狀態(tài)、

15、任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)的調(diào)度信息、任務(wù)的時間統(tǒng)計信息、各種隊列指針等。 CPU上下文信息：各種CPU寄存器的當(dāng)前值，包括通用寄存器、PC寄存器、程序狀態(tài)字、棧指針等。所謂的邏輯寄存器，實(shí)際上就是TCB當(dāng)中的相應(yīng)字段，是一些內(nèi)存變量。在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中，CPU上下文信息不一定直接存放在TCB中，而是存放在任務(wù)的棧當(dāng)中，可以通過相應(yīng)的棧指針來訪問。 資源管理信息：如果在操作系統(tǒng)中，任務(wù)表示的是進(jìn)程，則還應(yīng)包含一些資源管理方面的信息，如段表地址、頁表地址等存儲管理方面的信息，根目錄、文件描述等文件管理方面的信息。 共三十九頁任務(wù)(rn wu)切換 進(jìn)行一次任務(wù)切換（context switching）

16、的過程是，把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行上下文保存起來，并恢復(fù)新任務(wù)的上下文。具體步驟如下： 將處理器的運(yùn)行上下文保存在當(dāng)前任務(wù)的TCB中。 更新當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)(zhungti)，從運(yùn)行狀態(tài)(zhungti)變?yōu)榫途w狀態(tài)(zhungti)或阻塞狀態(tài)(zhungti)。 按照一定的策略，從所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)當(dāng)中選擇一個去運(yùn)行。 修改新任務(wù)的狀態(tài)，從就緒狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)。 根據(jù)新任務(wù)的TCB的內(nèi)容，恢復(fù)它的運(yùn)行上下文環(huán)境。共三十九頁任務(wù)(rn wu)隊列 由操作系統(tǒng)來維護(hù)一組隊列，用來表示(biosh)系統(tǒng)當(dāng)中所有任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)。不同的狀態(tài)用不同的隊列來表示(biosh)。 處于運(yùn)行狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了運(yùn)行

17、隊列，處于就緒狀態(tài)的所有任務(wù)構(gòu)成了就緒隊列而對于處于阻塞狀態(tài)的任務(wù)，則要根據(jù)它們阻塞的原因，分別構(gòu)成相應(yīng)的阻塞隊列。然后，對于一個系統(tǒng)當(dāng)中的每一個任務(wù)，根據(jù)它的狀態(tài)把它的TCB加入到相應(yīng)的隊列中去。如果一個任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生變化，就要把它的TCB從一個狀態(tài)隊列中脫離出來，加入到另一個隊列當(dāng)中去。共三十九頁任務(wù)(rn wu)的調(diào)度 在多道程序操作系統(tǒng)中，經(jīng)常會出現(xiàn)多個任務(wù)同時去競爭CPU的情況。即是在系統(tǒng)的就緒隊列中，有兩個或多個任務(wù)同時處于就緒狀態(tài)(zhungti)。在操作系統(tǒng)中，對于就緒隊列中的那些任務(wù)應(yīng)該選擇哪一個去運(yùn)行？負(fù)責(zé)去做出這個選擇的那一部分程序，就稱為是調(diào)度器（scheduler），

18、而調(diào)度器在決策過程中所采用的算法，就稱為調(diào)度算法。 共三十九頁調(diào)度(diod)算法實(shí)時操作系統(tǒng)大都采用了可搶占的調(diào)度方式，使一些比較重要的關(guān)鍵任務(wù)能夠打斷那些不太重要的非關(guān)鍵任務(wù)的執(zhí)行，以確保關(guān)鍵任務(wù)的截止(jizh)實(shí)踐能夠得到滿足。共三十九頁調(diào)度算法(sun f)的評價在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中，存在著許多的調(diào)度算法，每一個算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。調(diào)度算法的性能指標(biāo)，即如何來評價一個調(diào)度算法的好壞，包含以下幾個方面：響應(yīng)時間（response time）：調(diào)度器為一個就緒任務(wù)進(jìn)行上下文切換時所需的實(shí)踐，以及任務(wù)在就緒隊列的等待時間。 周轉(zhuǎn)時間（turnaround time）：一個任務(wù)從提交到完成

19、所經(jīng)歷的時間。 調(diào)度開銷（overhead）：調(diào)度器在做出調(diào)度決策時所需的時間和空間(kngjin)開銷。 公平性（fairness）：大致相當(dāng)?shù)膬蓚€任務(wù)所得到的CPU時間也應(yīng)該時大致相同的。 均衡性（balance）：要盡可能使整個系統(tǒng)的各個部分都忙起來，提高系統(tǒng)資源的使用效率。 吞吐量（throughput）：單位時間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量。 共三十九頁優(yōu)先級算法(sun f) 在一個實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中，并不是每個任務(wù)都是同等重要的，不同的任務(wù)對響應(yīng)時間的要求也是不一樣的，所以對它們的處理也應(yīng)該有所區(qū)別。優(yōu)先級調(diào)度算法（priority）的基本思路是：給每一個任務(wù)都設(shè)置一個優(yōu)先級，然后在任務(wù)調(diào)度

20、的時候，在所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中選擇優(yōu)先級最高的那個任務(wù)去運(yùn)行，運(yùn)行時間越短，優(yōu)先級越高。優(yōu)先級算法可以分為兩種：可搶占方式和不可搶占方式。它們的區(qū)別在于：當(dāng)一個任務(wù)正在運(yùn)行的時候，如果這時來了一個新的任務(wù)，其優(yōu)先級更高，那么在這種情況下，是立即搶占CPU去運(yùn)行新任務(wù)，還是(hi shi)等當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行完后再決定。 共三十九頁任務(wù)(rn wu)間的同步與互斥 相互獨(dú)立：任務(wù)之間沒有任何的關(guān)聯(lián)關(guān)系，互不干預(yù)，互不往來。唯一的相關(guān)性就是它們都需要去競爭CPU資源。任務(wù)互斥：除了CPU之外，這些任務(wù)還需要共享其他的一些硬件和軟件資源，而這些資源由于種種原因，在某一時刻只允許一個或幾個任務(wù)去訪問。因

21、此當(dāng)這些任務(wù)在訪問共享資源的時候可能會互相妨礙。 任務(wù)同步：任務(wù)之間存在某種依存關(guān)系，需要協(xié)調(diào)彼此的運(yùn)行步調(diào)。 任務(wù)通信：任務(wù)之間存在著協(xié)作與分工，需要互相傳遞各種( zhn)數(shù)據(jù)和信息，才能完成各自的功能。 共三十九頁實(shí)現(xiàn)互斥訪問(fngwn)的四個條件 在任何時候最多只能有一個任務(wù)位于它的臨界區(qū)當(dāng)中。 不能事先假定CPU的個數(shù)和系統(tǒng)(xtng)的運(yùn)行速度。 如果某一個任務(wù)沒有位于它的臨界區(qū)當(dāng)中，它不能妨礙其他任務(wù)去訪問臨界資源。 任何一個任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)的請求必須在有限的時間內(nèi)得到滿足，不能無限期等待。共三十九頁任務(wù)(rn wu)互斥的解決方法 （1）關(guān)閉中斷(zhngdun)法（2）繁忙等待法共三十九頁任務(wù)(rn wu)同步 一個任務(wù)相對于另一個任務(wù)的運(yùn)行速度是不確定的，也就是說，任務(wù)是在異步環(huán)境下運(yùn)行的。每個任務(wù)都可以獨(dú)自的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)(tujn)。但是在某些時候，在兩個或多個任務(wù)中執(zhí)行的某些代碼片斷之間，可能存在著某種時序關(guān)系或先后關(guān)系，所以這些任務(wù)必須協(xié)同合作。相互配合，使各個任務(wù)按一定的速度運(yùn)行，以共同完成某一項工作。這就是任務(wù)之間的同步。 共三十九頁死鎖 在一組任務(wù)當(dāng)中，由于每個任務(wù)都占用若干個資源，同時又在等待其他任務(wù)所占用的資源，從而造成所有任務(wù)都無法(wf)進(jìn)