微處理器與嵌入式操作系統(tǒng)

微處理器與嵌入式操作系統(tǒng)微處理器即CPU是用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器，它能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算核心和控制核心。80836是INTEL1985年推出的CPU芯片，它是80x86系列中的第一種32位微處理器，其數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的，直接尋址內(nèi)存空間達到4GB，虛擬地址空間未64TB,其內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz,后提高到20MHz,25MHz,33MHz。它除具有實模式和保護模式外，還增加了一種叫虛擬86的工作方式，可以通過同時模擬多個80x86處理器來提供多任務能力。ColdFire系列的32位微控制器MCF52233內(nèi)部含有以太網(wǎng)模塊，即ColdFireV2內(nèi)核上集成了10/100M快速以太網(wǎng)控制器(FastEthernetController,FEC)與以太網(wǎng)物理層(EthernetPhysicalTransceiver,EPHY)模塊。主要常規(guī)模塊和特點總結(jié)如下：(1)靜態(tài)RAM(SRAM)：32KB；Flash存儲器：128KB/256KB,10萬次擦寫周期，10年數(shù)據(jù)保持；支持后臺調(diào)試模式(BackgroundDebugMode,BDM)；支持對集成電路提供串行的外部測試訪問，符合JTAG(JointTestActionGroup)標準；(5)用于常規(guī)標準串行通信的通用異步收發(fā)器(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART)；隊列式串行外圍設備接口(QueuedSerialPeripheralInterface,QSPI)；集成電路互連總線(Inter-IntegratedCircuit,I2C)；4通道具有直接存儲器訪問(DirectMemoryAccess,DMA)功能的32位定時器；圖1-1MCF5223x方框圖通道16位或8通道8位的脈寬調(diào)制器(Pulse-WidthModulator,PWM)生成器；可編程中斷定時器(ProgrammableInterruptTimers,PIT)、4通道DMA控制器；8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-DigitalConverter,ADC)；系統(tǒng)集成模塊包含鎖相環(huán)(Phase-LockedLoop,PLL)和看門狗(ComputerOperatingProperly,COP)等功能；32位ARM內(nèi)核微處理器W90N740是臺灣Winbond公司開發(fā)的基于32位ARM核的高性能、低功耗微處理器。W90N740采用ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)建兩個10/100MbMACs以太網(wǎng)絡控制器，并采用Winbond獨家專利的網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換加速器NATAccelerator。該器件用硬件方式加速網(wǎng)絡封包的轉(zhuǎn)換，不僅減少了中央處理器的負擔，同時也大幅提高了寬頻的整體系統(tǒng)效能。而芯片方式集成的USB控制器則可透過USB界面連結(jié)各種電腦周邊設備，以增添產(chǎn)品附加值。此外，W90N740內(nèi)部還集成了EBI(externalbusinterface)控制器、系統(tǒng)管理器、GDMA控制器等。因而在許多應用領域，用該器件設計的系統(tǒng)成本比目前同類產(chǎn)品要低。加上ARM公司開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、C和C++，其軟件開發(fā)也十分方便。嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem,簡稱：EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)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。目前在嵌入式領域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：Linux、VxWorks、WindowsCE、瓦/0SII等。嵌入式Linux是嵌入式操作系統(tǒng)的一個新成員，其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點，據(jù)IDG預測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50%。由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用，并且查錯也很容易。遵從GPL，無須為每例應用交納許可證費。有大量的應用軟件可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的?？梢陨约有薷暮髴糜谟脩糇约旱南到y(tǒng)。有大量的免費的優(yōu)秀的開發(fā)工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發(fā)和維護成本很低。優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能，這在Internet時代尤其重要。穩(wěn)定一一這是Linux本身具備的一個很大優(yōu)點。內(nèi)核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應用。支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動程序帶來很大方便。在嵌入式系統(tǒng)上運行Linux的一個缺點是Linux體系提供實時性能需要添加實時軟件模塊。而這些模塊運行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實時軟件模塊是在內(nèi)核空間運行的，因此代碼錯誤可能會破壞操作系統(tǒng)從而影響整個系統(tǒng)的可靠性，這對于實時應用將是一個非常嚴重的弱點。VxWorks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）,是Tornado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，在嵌人式實時操作系統(tǒng)領域逐漸占據(jù)一席之地。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務管理；靈活的任務間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX1003.1b實時擴展標準；支持多種物理介質(zhì)及標準的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議等。然而其價格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發(fā)環(huán)境，對每一個應用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護，所以軟件的開發(fā)和維護成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限。WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。其中WinCE3.0是一種針對小容量、移動式、智能化、32位、了解設備的模塊化實時嵌人式操作系統(tǒng)。為建立針對掌上設備、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，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運行，并且通常適用于那些對內(nèi)存占用空間具有一定限制的設備。它是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務的操作系統(tǒng)。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式產(chǎn)品的體積、成本等方面有較嚴格的要求，所以處理器部分占用空間應盡可能的小。系統(tǒng)的可用內(nèi)存和外存數(shù)量也要受限制，而嵌入式操作系統(tǒng)就運行在有限的內(nèi)存（一般在ROM或快閃存儲器）中，因此就對操作系統(tǒng)的規(guī)模、效率等提出了較高的要求。從技術(shù)角度上講，WindowsCE作為嵌入式操作系統(tǒng)有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應用開發(fā)人員很難實現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過的系統(tǒng)內(nèi)存，運用程序龐大；版權(quán)許可費也是廠商不得不考慮的因素。MC/OS一II是著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，是專為嵌入式應用設計的，可用于8位，16位和32位單片機或數(shù)字信號處理器（DSP）。它是在原版本MC/OS的基礎上做了重大改進與升級，并有了近十年的使用實踐，有許多成功應用該實時內(nèi)核的實例。它的主要特點如下：公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；可固化；可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務，以減少斗所需的存儲空間；占先式，完全是占先式的實時內(nèi)核，即總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務；多任務，可管理64個任務，任務的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時間片輪