嵌入式開發(fā)01 20070404 嵌入式開發(fā)概論

1、0嵌入式開發(fā)概論嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式智能電腦將是PC和因特網(wǎng)后的最偉大的發(fā)明。尼葛洛龐帝訪華時的預言2嵌入式系統(tǒng)概念IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)可知：嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。3嵌入式系統(tǒng)定義目前國內被普遍認同的定義是

2、：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件、硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)包括構成軟件運行環(huán)境的嵌入式計算機和嵌入式操作系統(tǒng)、應用軟件兩部分。4嵌入式系統(tǒng)的特點通常及其關注成本通常對實時性有要求一般采用EOS或者RTOS軟件故障造成的后果通常較通用計算機更嚴重多為低功耗系統(tǒng)經常在極端惡劣的環(huán)境下運行系統(tǒng)資源相對通用計算機非常少通常在ROM中存放所有程序的目標代碼可采用多種類型的處理器和體系結構需要專用的開發(fā)工具和方法進行設計嵌入式微處理器包含專用調試電路5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展近年來，嵌入式實時系統(tǒng)在個人數(shù)據(jù)處理、多媒體通信、在線事務處理、

3、生產過程控制、交通控制等各個領域內得到了廣泛的應用，各種相關的嵌入式產品紛紛涌現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)越來越引起人們的重視。 6嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展就嵌入式系統(tǒng)的技術和市場來說，國外發(fā)展速度極快，技術日趨成熟，市場格局基本形成。而國內發(fā)展也增長很快，市場潛力很大。在國外，嵌入式系統(tǒng)硬件，特別是嵌入式 CPU 的處理能力提升較快，由 8 位、16 位升級到 32 位與 64 位，掌上電腦、PDA、電腦手機、電腦汽車等新產品層出不窮，產業(yè)規(guī)模日益壯大。在國內，嵌入式系統(tǒng)關鍵硬件主要靠國外引進，技術基礎比較薄弱。然而國內的PDA市場火爆，聯(lián)想掌上電腦、海信機頂盒、數(shù)源機頂盒等產品進入市場后也獲得用戶好評，手機電腦

4、市場前景看好。7嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)的應用前景是非常廣泛的，人們將會無時無處不接觸到嵌入式產品。嵌入式計算機在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。一臺通用計算機的外部設備中就包含了 510 個嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標、軟驅、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、USB 集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、信息家電類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。 8嵌入式移動數(shù)據(jù)庫所謂的移動數(shù)據(jù)庫是支持移動計算的數(shù)據(jù)庫，它有兩層含義：用戶在移動的過程中可以聯(lián)機訪問數(shù)據(jù)庫資源用戶可以帶著數(shù)據(jù)庫

5、移動典型的應用場合如在行駛中的救護車上查詢最近的醫(yī)院。該系統(tǒng)由前臺移動終端、后臺同步服務器組成，移動終端上有嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫。9智能家居網(wǎng)絡智能家居網(wǎng)絡（E-Home）指在一套住宅中建立一個通信網(wǎng)絡，為家庭信息提供必要的通路；在家庭網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的控制下，通過相應的硬件和執(zhí)行機構，實現(xiàn)對所有家庭網(wǎng)絡上家電和設備的控制和監(jiān)測。其網(wǎng)絡結構的組成必然有家庭網(wǎng)關。家庭網(wǎng)關主要實現(xiàn)控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的信號綜合并與外界接口，以便作遠程控制和信息交換。不論是網(wǎng)關還是各家電上的控制模塊，都需有嵌入式操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)必須具有內嵌式、實時性好、多用戶的特點。10嵌入式語音芯片 嵌入式語音芯片基

6、于嵌入式操作系統(tǒng)，采用語音識別與合成、語音學層次結構體系和文本處理模型等技術；可以應用在手持設備、智能家電等多個領域，賦予這些設備人性化的交互方式和便利的使用方法；也可應用于玩具中，如聲控玩具、仿真寵物、能與人對話的玩具；也能應用于車載通信設備實現(xiàn)人機交流。該芯片應用在移動通信設備中，例如，手機上短消息來時，我們不必費力地去看其中的內容，而是可以聽到聲音11基于小范圍無線通信的嵌入式產品 以藍牙為代表的小范圍無線接入?yún)f(xié)議與嵌入式系統(tǒng)的結合，必將推動嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用。近來，基于這些協(xié)議的嵌入式產品層出不窮，包括各種電話系統(tǒng)、無線公文包、各類數(shù)字電子設備及其在電子商務中的應用。這些產品以其微型

7、化和低成本的特點為它們在家庭和辦公室自動化、電子商務、工業(yè)控制、智能化建筑物和各種特殊場合的應用開辟了廣闊的前景。 12嵌入式互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡產品具有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡功能的內嵌產品將得到越來越廣泛的應用，此類產品的開發(fā)將成為一個發(fā)展熱點13嵌入式系統(tǒng)的體系結構14嵌入式系統(tǒng)的軟件的特點嵌入式系統(tǒng)的軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，對嵌入式系統(tǒng)軟件的要求與對通用計算機是不同的。嵌入式系統(tǒng)的軟件運行在獨一無二的硬件上，最后的機器語言始終都要依賴于實際機器。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須控制開發(fā)工具為特定的硬件編譯源代碼、定義整個運行環(huán)境及軟件怎樣被打包或調度。因此，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須對執(zhí)行環(huán)境、開發(fā)工具、運行時的軟

8、件包有更多的了解。15嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程編程編譯鏈接定址調試16嵌入式操作系統(tǒng)一般操作系統(tǒng)至少被劃分為內核層和應用層兩個層次。內核只提供基本的功能，如建立和管理進程、提供文件系統(tǒng)、管理設備等，這些功能以系統(tǒng)調用方式提供給用戶。一些桌面操作系統(tǒng)，如Windows、Linux等，將許多功能引入內核，操作系統(tǒng)的內核變得越來越大。內核變大使得占用的資源增多，剪裁起來很麻煩。嵌入式操作系統(tǒng)最關鍵的部分是內核，內核只提供基本的功能，比如：任務管理、定時器管理、存儲器管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、信號量管理、消息郵箱/隊列管理和異常處理等工作，這些管理功能是通過內核服務函數(shù)形式交給用戶調用的，也

9、就是嵌入式操作系統(tǒng)的API。其他的應用組件，比如網(wǎng)絡功能、文件系統(tǒng)、GUI（Graphical User Interface，GUI圖形用戶界面）等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進程或函數(shù)調用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應的組件。嵌入式操作系統(tǒng)負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺，是一段嵌入在目標代碼中的軟件，嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行嵌入式操作系統(tǒng)，用戶的應用程序是運行于其上的各個任務。大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務。多

10、任務運行的實現(xiàn)實際上是依靠處理器在多個任務之間切換、調度。如嵌入式操作系統(tǒng)支持實時多任務，即可稱為RTOS。17嵌入式操作系統(tǒng)特點可裝卸性好。嵌入式操作系統(tǒng)具有開放性、可伸縮性的體系結構強實時性。RTOS實時性較強，可用于各種設備控制當中統(tǒng)一的接口。嵌入式操作系統(tǒng)能以統(tǒng)一的接口方式提供各種設備驅動接口操作簡便。嵌入式操作系統(tǒng)能提供簡便的操作方法，如提供友好的GUI，嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調用向用戶程序提供服務強大的網(wǎng)絡支持功能。嵌入式操作系統(tǒng)能提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種

11、移動計算設備預留接口固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。硬件多使用各種內存文件系統(tǒng)，輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用。因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸更好的硬件適應性。這一點也反映了嵌入式操作系統(tǒng)具有良好的移植性。18典型嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國Wind River公司于1983年設計開發(fā)的一種實時嵌入式操作系統(tǒng)，具有高性能的系統(tǒng)內核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境。美國JPL實驗室研制的“索杰納”火星車采用的就是采用VxWorks操作系統(tǒng)VxWorks 的突出特點是：可靠性、實時性和可裁減性它是目前嵌

12、入式操作系統(tǒng)領域中使用最廣泛、市場占有率最高的操作系統(tǒng)它支持多種處理器，如 x86、i960、Sun Spare、Motorola公司的MC68xxx、MIPS RX000、Power PC等。大多數(shù)的VxWorks API是專有的，采用GNU的編譯和調試器。19典型嵌入式操作系統(tǒng)pSOSpSOS原屬ISI（Integrated System Inc.）公司的產品，但ISI公司已經被Wind River公司兼并該系統(tǒng)是一個模塊化、高性能的實時操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設計，提供了一個完全的多任務環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以讓開發(fā)者根據(jù)操作系統(tǒng)的功能和內存需求定制

13、每一個應用所需的系統(tǒng)開發(fā)者可以利用它來實現(xiàn)從簡單的單個獨立設備到復雜的、網(wǎng)絡化的多處理器系統(tǒng)20典型嵌入式操作系統(tǒng)Windows CEWindows Embedded產品家族主要用于建立支持具有豐富應用程序和服務的32位嵌入式系統(tǒng)，從而針對廣泛的用戶需求提供靈活解決方案。此外，通過支持更快的“產品上市速度”并降低開發(fā)成本，Windows Embedded 產品家族還能保證開發(fā)人員立于競爭前沿。21典型嵌入式操作系統(tǒng)Palm OSPalm OS是3COM公司旗下的Palm Computing掌上電腦公司的產品，是專門為掌上電腦開發(fā)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，在PDA市場上占有很大的市場份額。它具有開

14、放的API，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應用程序。Palm OS 的優(yōu)勢在于可以讓用戶靈活方便地定制適合自己應用的操作系統(tǒng)，而且其市場運作經驗豐富，資本雄厚，目前也正在通過第三方軟件商進行軟件的漢化。從全球范圍來看，由于Handspring公司和 SONY公司也被授權使用Palm OS，所以Palm OS的市場份額占到將近90。22典型嵌入式操作系統(tǒng)OS-9 Microwave 公司的 OS-9 是為微處理器執(zhí)行關鍵實時任務而設計的操作系統(tǒng)，廣泛應用于高科技產品中，包括消費電子產品、工業(yè)自動化產品、無線通信產品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視/多媒體設備等。它提供了很好的安全性和容錯性。與其他的嵌入

15、式操作系統(tǒng)相比，它的靈活性和可升級性非常突出23典型嵌入式操作系統(tǒng)LynxOSLynx Real-time Systems公司的LynxOS是一個分布式、嵌入式、規(guī)?？蓴U展的實時操作系統(tǒng)，它遵循PosIX.1a、PosIX.1b和PosIX.1c標準。LynxOS支持線程概念，提供256個全局用戶線程優(yōu)先級；提供一些傳統(tǒng)的、非實時系統(tǒng)的服務特征，包括基于調用需求的虛擬內存、一個基于Motif的用戶圖形界面、與工業(yè)標準兼容的網(wǎng)絡系統(tǒng)和應用開發(fā)工具24典型嵌入式操作系統(tǒng)QNXQNX是加拿大QNX公司的產品，是直接在X86體系上開發(fā)出來的，只是近年才在68 K等CPU上使用。其他RTOS都是從68

16、K的CPU上開發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上的。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，如PosIX.1b實時擴展。它提供了一個很小的微內核及一些可選的配合進程；其內核僅提供 4 種服務：進程調度、進程間通信、底層網(wǎng)絡通信和中斷處理；其進程在獨立的地址空間運行。所有其他 OS服務，都為協(xié)作的用戶進程，因此QNX內核非常小巧（QNX4.X大約為12 KB），而且運行速度極快。這個靈活的結構可以使用戶根據(jù)實際的需求，將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系統(tǒng)或是包括幾百個處理器的超級虛擬機操作系統(tǒng)。由于QNX具有強大的GUI，因此很適合作為機頂盒、手持設備（掌上電腦、手機）、G

17、PS設備的實時操作系統(tǒng)使用25典型嵌入式操作系統(tǒng)C/OSC/OS是源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)，C/OS-是C/OS升級版本C/OS-的主要特點如下公開源代碼可移植性可固化可裁剪占先式多任務可確定性穩(wěn)定性與可靠性26典型嵌入式操作系統(tǒng)Linux。Linux 從 1991 年問世到現(xiàn)在，短短10 余年的時間內已發(fā)展成為一個功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡技術進步而發(fā)展起來的 Linux OS 已成為 Windows 的強勁對手27Linux特點Linux是開放源碼的，不存在黑箱技術，易于定制剪裁，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強大技術后盾Linux 的內核小、功能強大、運行穩(wěn)定、系統(tǒng)健壯、效率高、多任務，針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案Linux不僅支持x86 CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片，如ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等有大量的且不斷增加的開發(fā)工具和 SDK，這些工具為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的開發(fā)環(huán)境，同時提供PC上的開發(fā)版本Linux沿用了Unix的發(fā)展方式，遵循國際標準，可以方便地獲得眾多第三