vC嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)講解學習

嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)——ARM與C/OS-Ⅱ第一講嵌入式系統(tǒng)概述周亦敏《嵌入式系統(tǒng)》課程開設的背景在當今后PC時代，無論通訊、工控、機械冶金、信息家電、儀器儀表、航空航天、軍工、船舶等領域都需要大量的嵌入式開發(fā)人員。為了為國家培養(yǎng)兼具軟硬件開發(fā)能力的人才，增加學生就業(yè)競爭力。嵌入式系統(tǒng)人才需求分析

學校教育中存在偏向極硬(hardwaredesign)，或偏向超軟(softwaredevelopment)，硬件設計人員作風通常非常保守，比較缺乏系統(tǒng)整合設計能力，而軟件設計人員只要遇到硬件問題就無能為力，對硬件知識缺少了解。因此，目前國內(nèi)非常缺乏嵌入式系統(tǒng)所需要的軟硬件系統(tǒng)整合人才，大部分都還是靠硬件設計人員兼職。嵌入式系統(tǒng)工程師既要精通一定的硬件技術、同時還要掌握嵌入式操作系統(tǒng)以及特定軟硬件平臺上的開發(fā)技術；另外，還需要有專門的開發(fā)調(diào)試設備、軟件和資料等特殊條件才能系統(tǒng)學習。企業(yè)大都不愿投入人力和財力去培養(yǎng)自己企業(yè)的嵌入式系統(tǒng)工程師，而是愿意招聘現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)工程師。嵌入式系統(tǒng)人才短缺！據(jù)估計，中國目前軟件人才缺口為42萬人，其中嵌入式軟件的人才缺口更大。國內(nèi)外大量需求嵌入式系統(tǒng)工程師Motorola、Ericsson、Lucent、Huawei、Intel、Legend等著名IT企業(yè)高薪聘請的技術人員，絕大多數(shù)都是嵌入式系統(tǒng)工程師。從最近的由中華英才網(wǎng)提供的行業(yè)薪酬調(diào)查報告顯示，通信、醫(yī)療設備、金融名列三甲。而通信、醫(yī)療設備就是嵌入式系統(tǒng)的典型應用領域。從國內(nèi)求職類權威網(wǎng)站51job、中華英才網(wǎng)的近期的工作搜索分類來看，嵌入式系統(tǒng)工程師的需求已成為熱門職業(yè)。結(jié)論：嵌入式系統(tǒng)的教學是大勢所趨且刻不容緩!!

《嵌入式系統(tǒng)》課程開設的目的從傳統(tǒng)的51、X86等低級的8、16位處理器平臺，向目前實用的32位高級RISC處理器平臺轉(zhuǎn)移；從純粹的CPU單任務控制向?qū)崟r多任務轉(zhuǎn)移；從傳統(tǒng)CPU教育的匯編語言、機器指令教學方式，上升到使用規(guī)范的C語言來進行條理的模塊化嵌入式開發(fā)；徹底解決傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課程，理論與實踐嚴重脫節(jié)的情況；學生更深入地理解硬件和底層軟件間的配合問題；

彌補學生動手能力差的問題，避免學生只會純粹在Windows平臺做一些簡單勞動的軟件編寫工作，真正去深入理解嵌入式系統(tǒng)。本節(jié)提綱嵌入式系統(tǒng)的定義與特點嵌入式微處理器的相關基本知識嵌入式實時操作系統(tǒng)的相關基本知識嵌入式系統(tǒng)的設計方法概述典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－硬件MPU微處理器電源模塊時鐘復位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外圍電路Other外設典型嵌入式系統(tǒng)基本組成－軟件處理器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)應用程序軟件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的MP3和一個PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認為是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。最早的單片機是Intel公司的4044，它出現(xiàn)在1971年Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定

時

器。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051。1981年ReadySystem發(fā)展了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VTRX32）包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務管理、任務間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX

等，PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。今天RTOS已經(jīng)在全球形成了1個產(chǎn)業(yè)，根據(jù)美國EMF（電子市場分析）報告，1999年全球RTOS市場產(chǎn)值達3.6億美元，而相關的整個嵌入式開發(fā)工具（包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調(diào)試器）則高達9億美元。IEEE定義

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：

嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。 可以看出此定義是從應用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。一般定義

“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?！鼻度胧较到y(tǒng)定義要素專用計算機系統(tǒng)(非PC智能電子設備)以應用為中心以計算機技術為基礎軟件硬件可裁剪適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗 等的嚴格要求知識集成應用系統(tǒng)（CSEA）技術密集資金密集高度分散不可壟斷面向應用不斷創(chuàng)新嵌入式系統(tǒng)的分類按表現(xiàn)形式分：（硬件范疇）芯片級嵌入（含程序或算法的處理器）模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊）系統(tǒng)級嵌入按實時性要求分：（軟件范疇）非實時系統(tǒng)（PDA）軟實時系統(tǒng)（電子消費類產(chǎn)品）硬實時系統(tǒng)（數(shù)控、航空航天等工業(yè)和軍工系統(tǒng)）嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征（1）系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。（２）專用性強嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。（３）系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。（４）高實時性OS這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實時性。（5）嵌入式軟件開發(fā)走向標準化嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行。為了合理地調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。（6）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。嵌入式處理器系統(tǒng)嵌入式處理器各種類型存儲器模擬電路及電源接口控制器及接插件嵌入式軟件系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)（RTOS）板級支持包（BSP）設備驅(qū)動（DeviceDriver）協(xié)議棧（ProtocolStack）應用程序（Application）嵌入式系統(tǒng)的分類本節(jié)提綱嵌入式系統(tǒng)的定義與特點嵌入式微處理器的相關基本知識嵌入式實時操作系統(tǒng)的相關基本知識嵌入式系統(tǒng)的設計方法概述馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)CISC與RICS影響CPU性能的因素存儲器系統(tǒng)硬件基礎馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2指令的執(zhí)行周期T1）取指令（InstructionFetch)：TF

2）指令譯碼（InstructionDecode）：TD3）執(zhí)行指令（InstructionExecute）：TE4）存儲（Storage）：TS每條指令的執(zhí)行周期：T=TF+TD+TE+TS馮·諾依曼體系的特點1）數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中2）被大多數(shù)計算機所采用3）ARM7——馮諾依曼體系哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開

2）提供了較大的數(shù)據(jù)存儲器帶寬3）適合于數(shù)字信號處理4）大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)5）ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)CISC和RISCCISC：復雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)8/2原則：80%的程序只使用20%的指令在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設計變得更為簡單CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道影響CPU性能的因素：流水線、超標量和緩存RISC流水線技術：幾個指令可以并行執(zhí)行 提高了CPU的運行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp超標量執(zhí)行超標量執(zhí)行：超標量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)

執(zhí)行1預取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)高速緩存（CACHE）1、為什么采用高速緩存微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。2、高速緩存的工作原理高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址總線和總線橋CPU低速設備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲器高速設備高速設備低速總線存儲器系統(tǒng)RAM：隨機存取存儲器SRAM：靜態(tài)隨機存儲器DRAM：動態(tài)隨機存儲器1）SRAM比DRAM快2）SRAM比DRAM耗電多3）DRAM存儲密度比SRAM高得多（容積）4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲器FLASH：閃存SRAM和DRAM1）SRAM2）DRAMCSR/WAddrDataCS（片選）R/WCAS（列刷新）DataRAS（行刷新）Addr輸入輸出接口1）I/O2）A/D、D/A3）鍵盤4）LCD5）存儲器接口6）設備接口

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷?？蓴U展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式處理器的發(fā)展趨勢經(jīng)濟性（成本）微型化（封裝、功耗）智能化（功能、速度）嵌入式處理器的分類和現(xiàn)狀微控制器（MCU）微處理器（MPU）數(shù)字信號處理器（DSP）混合處理器和片上系統(tǒng)（SOC）可編程片上系統(tǒng)（SOPC）硬件設計工具（EDA工具）系統(tǒng)級設計工具Cadence的SPWSystemView模擬電路系統(tǒng)仿真工具PspiceEWBPCB設計工具ProtelPADs

的PowerPCB&ToolKitMentor的Expedition&ToolKit可編程邏輯器件設計工具MentorFPGAAdvantage&ModelSimXilinxFoundationISE&ToolKit各種綜合和仿真第三方工具嵌入式處理器的發(fā)展——Intel4004MicroprocessorIntroducedin1970Firstmicroprocessor4bitarchitecture!2,250transistors（晶體管）12mm2Clock:108kHzIntel8085MicroprocessorIntroducedin19748-bitarchitectureStillusedinsomemicrocontrollerapplications!Intel8086MicroprocessorIntroducedin197929,000transistors33mm2Clock:5MHz16bitarchitectureIntel386MicroprocessorIntroducedin1985275,000transistors43mm2Clock:16MHz32bitarchitectureIntel486MicroprocessorIntroducedin19891,200,000transistors81mm2Clock:25MHz32bitarchitectureIntelPentiumMicroprocessorIntroducedin19933,100,000transistors296mm2Clock:60MHz32bitarchitecturePentiumProcessorDetailsStateRegistersMemoryControlROMCombinationallogicREG嵌入式微處理器分類（1）、嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微控制器的典型代表是單片機這種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(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設。微控制器的最大特點是單片化，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資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。由于MCU低廉的價格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。近來Atmel推出的AVR單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發(fā)展。（2）、嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）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(jié)構(gòu)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的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。目前最為廣泛應用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。MPU嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的，80386－80387與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，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，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求。（3）、嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit)和工業(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、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等SOC就是SystemonChip，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，像是ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像是萬用串行端口（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。（4）、嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他的好處可以分為下列幾種：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對外管腳數(shù)，簡化制造過程。減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)雜訊。典型的嵌入式微處理器（MPU）1．ARM/StrongARM（INTEL）ARM（AdvancedRISCMachines）公司是全球領先的16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權設計供應商。ARM公司通過轉(zhuǎn)讓它的高性能、低成本、功耗低的RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設計技術給合作伙伴來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司已成為移動通信、手持設備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標準。ARM處理器有三大特點：1).小體積、低功耗、低成本而高性能；2).16/32位雙指令集；3).全球眾多的合作伙伴。

ARMARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。其中ARM7是低功耗的32位核，最適合應用于對價位和功耗敏感的產(chǎn)品，它又分為應用于實時環(huán)境的ARM7TDMI、ARM7TDMI-S，以及適用于開放平臺的ARM720T和適用于DSP運算及支持Java的ARM7EJ等。ARM7主要在PDA、手持儀器儀表，ARM9、ARM10主要在通信、音視頻多媒體。MIPSMIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStagesMIPS技術公司它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，在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS公司設計RISC處理器始于80年代初，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標準，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎。PowerPCPowerPC架構(gòu)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，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，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(chǎn)品到大型通信設備，無所不包。基于PowerPC架構(gòu)的處理器有：IBM公司開發(fā)的PowerPC405GP是一個集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其它外設的高性能嵌入式處理器。MotorolaMPC823e微處理器是一個高度綜合的片上系統(tǒng)（SOC）設備，Apple是唯一采用RISC架構(gòu)的PC。通信處理器和單硅成分內(nèi)的顯示控制器，低能源、便攜式、圖象捕捉和個人通信設備。x86x86系列處理器是我們最熟悉的了，它起源于intel架構(gòu)的8080。直到現(xiàn)在Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。486DX是當時和AMR，68K，MIPS和SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。68K68K/ColdfireMotorola68000(68K)是Apple2以前使用的就是68000，比INTEL的8088還要早。但現(xiàn)在，Apple、Motorola已放棄68k專注于ARM了。CISC是個人電腦CPU常用的，Intel、AMD、VIA都采用了CISC指令集只有Apple電腦中的PowePC使用了RISC架構(gòu)。因為CISC指令數(shù)量少，執(zhí)行效率更高，而且當時的CPU時鐘頻率不同，沒有牽涉到現(xiàn)在的超標量和超流水線的問題。RISC是精減指令集，它每條指令長度都一樣，有利于減化譯碼結(jié)構(gòu)，減少處理器的晶體管數(shù)量，本節(jié)提綱嵌入式系統(tǒng)的定義與特點嵌入式微處理器的相關基本知識嵌入式實時操作系統(tǒng)的相關基本知識嵌入式系統(tǒng)的設計方法概述操作系統(tǒng)的分類（1）順序執(zhí)行系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)只含有一個程序，獨占CPU的運行時間，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。如DOS操作系統(tǒng)。（2）分時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)同時可以有多個程序運行，把CPU的時間分按順序分成若干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。如UNIX（3）實時操作系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有多個程序運行，每個程序有不同的優(yōu)先級，只有最高優(yōu)先級的任務才能占有CPU的控制權?！窬哂袕妼崟r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)按實時性分類1.強實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間在毫秒或微秒級（數(shù)控機床）；2.一般實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間在毫秒－幾秒的數(shù)量級上，其實時性的要求比強實時系統(tǒng)要差一些（電子菜譜的查詢）；3.弱實時系統(tǒng)，其系統(tǒng)響應時間約為數(shù)十秒或更長（工程機械控制器）。（1）循環(huán)輪詢系統(tǒng)：（PollingLoop）最簡單的軟件結(jié)構(gòu)是循環(huán)輪詢，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應的處理。Initialize()While(true){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();……if(condition_n)acition_n();}按軟件結(jié)構(gòu)分類（2）事件驅(qū)動系統(tǒng)：（Event-Drivensystem）事件驅(qū)動系統(tǒng)是能對外部事件直接響應的系統(tǒng)。它包括前后臺、實時多任務、多處理器等，是嵌入式實時系統(tǒng)的主要形式。應用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應的函數(shù)完成相應的操作，這部分可以看成后臺行為（background）。中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為（foreground)。后臺也可以叫做任務級，前臺也叫中斷級。例如，很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺系統(tǒng)設計，如微波爐、電話機、玩具等。從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有的事都靠中斷服務來完成。實時操作系統(tǒng)（RTOS）RTOS的基本特征：高效的任務管理

1.支持多任務

2.優(yōu)先級管理

3.任務調(diào)度：基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的算法

4.支持快速而確定的上下文切換快速靈活的任務間通信

1.信號量：二進制、互斥、計數(shù)器

2.通信機制：消息隊列、管道等高度的可剪裁性動態(tài)鏈接與部件增量加載快速有效的中斷和異常事件處理優(yōu)化的浮點支持動態(tài)內(nèi)存管理系統(tǒng)時鐘和定時器幾種最常見的RTOS軟實時RTOS嵌入式LinuxWinCE硬實時RTOSVxWorksOSENuclear著名的openRTOSucOS/IIRTEMS自主知識產(chǎn)權的RTOSHOPENDeltaOS嵌入式軟件開發(fā)工具開發(fā)工具編譯器（Compiler）調(diào)試器（InCircuitEmulator）軟仿真（Simulator）集成開發(fā)環(huán)境（IDE）典型的商業(yè)開發(fā)工具及供應商Windriver公司的TornadoforVxWorksMontVisa公司的HardHatLinux開發(fā)工具包AMC公司的SuperTAP調(diào)試器免費開發(fā)工具GNU系列開發(fā)工具Wiggler調(diào)試器

實時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種，商用型和免費型。商用型的實肘操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Linux和μC/OS，穩(wěn)定性與服務性存在挑戰(zhàn)。

RTOS與通用計算機OS的區(qū)別實時性。響應速度快，幾微秒，執(zhí)行時間確定、可預測代碼尺寸小。10KB到100KB，節(jié)省內(nèi)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、調(diào)試器等VxWorks

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），具有良好的持續(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。大多數(shù)的VxWorksAPI是專有的，火星機器人。WindowsEmbedded

WindowsCE3.0：一種針對小容量、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)。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，WindowsCE嵌入但不夠?qū)崟r，屬于軟實時操作系統(tǒng)，目前也開始中文手機的研究開發(fā)。由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認可。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。pSOS

pSOS原屬ISI公司的產(chǎn)品，但ISI已經(jīng)被WinRiver公司兼并，現(xiàn)在pSOS屬于WindRiver公司的產(chǎn)品。該系統(tǒng)是一個模塊化、高性能的實時操作系統(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)功能。PalmOSPalmOS是著名的網(wǎng)絡設備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品。3COM、CISCO競爭PalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額，PalmOS的市場份額占到將近90%，最近下降70％，目前主要與WINCE進行激烈競爭。OS-9Microwave的OS-9是為微處理器的關鍵實時任務而設計的操作系統(tǒng)。廣泛應用于包括消費電子產(chǎn)品、工業(yè)自動化、無線通訊產(chǎn)品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視/多媒體設備等領域。LynxOSLynxReal-timeSystems的LynxOS是一個分布式、嵌入式、可規(guī)模擴展的實時操作系統(tǒng)。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(diào)用需求的虛擬內(nèi)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)以及應用開發(fā)工具。QNX

加拿大QNX公司的產(chǎn)品。QNX是在X86體系上面開發(fā)出來的，這和別的RTOS不一樣，別的好多RTOS都是從68K的CPU上面開發(fā)成熟，然后再移植到X86體系上面來的。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。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。嵌入式Linux嵌入式系統(tǒng)越來越追求數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。因此原來在某些設備或領域中占主導地位的軟件系統(tǒng)越來越難以為繼，整個系統(tǒng)必須是開放的、提供標準的API，并且能夠方便地與眾多第三方的軟硬件溝通。Linux是開放源碼的，不存在黑箱技術，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(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、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。Linux還不過是個10歲的小孩子，它源于一位芬蘭大學生——LinusTorvalds的課余作品。當時，LinusTorvalds正在學習計算機科學家AndrewS.Tanenbaum開發(fā)的Minix操作系統(tǒng)，但發(fā)現(xiàn)Minix的功能很不完善，于是就編寫了一個保護模式下的操作系統(tǒng)，這就是Linux的原型。最開始，Linux被定位于黑客用的操作系統(tǒng)，并被放至FTP服務器上供人們自由下載。嵌入式實時內(nèi)核C/OSC/OS與Linux一樣，是一款公開源代碼的免費實時內(nèi)核；C/OS已在各個領域得到了廣泛的應用C/OS的特點：——具有RTOS的具有的基本性能；——代碼尺寸小，結(jié)構(gòu)簡明；——易學、易移植；μCOS不但提供了一個完整的嵌入式實時內(nèi)核的源代碼，而且對這些代碼的細節(jié)作了詳盡的解釋，它不僅告訴讀者這個實時內(nèi)核是怎么寫的，還解釋了為什么要這樣寫。而商業(yè)上的實時操作系統(tǒng)軟件不但價格昂貴（一般都在5千到2萬美元的價位上），而且其中很多都是所謂黑盒子，即不提供源代碼。源代碼的絕大部分是用C語言寫的，經(jīng)過簡單的編譯，讀者就能在PC機上運行，邊讀書、邊實踐。由于用匯編語言寫的部分只有200行左右，該實時內(nèi)核可以方便地移植到幾乎所有的嵌入式應用類CPU上。移植范例的源代碼可以從因特網(wǎng)上下載。從最老版本的實時內(nèi)核μCOS，以及后來的μC/OS，到新版本的μC/OS-II，已經(jīng)有10余年的歷史。這些年來，許多行業(yè)上都有成功應用該實時源代碼.實時內(nèi)核移植.內(nèi)核實時內(nèi)核的實例，這些應用的實踐是該內(nèi)核實用性、無誤性的最好證據(jù)。80年代末，我設計了一個基于Intel80C188的產(chǎn)品，需要一個實時內(nèi)核。使用一個知名的內(nèi)核太貴了，廉價的內(nèi)核B（當時大約1000美元以下)讓我總給該廠商打電話求援。該廠商聲稱內(nèi)核B是用C語言寫的，可我還得用匯編語言初始化程序的每個對象，實在是煩透了，產(chǎn)品的開發(fā)也耽誤了。后來我得知我是該廠商的第一個客戶……JeanJ.Labrosse的故事

至今，μC/OS的書已售出了15，000多冊。μC/OS已被移植到以下一些CPU上。Analog設備公司AD21xxARM公司ARM6,ARM7日立公司64180，H8/3xx，SH系列Intel公司80x86（RealandPM),Pentium,PentiumII,8051,8052,MCS-251,80196,8096三菱公司M16和M32摩托羅拉公司PowerPC，68K,CPU32,CPU32＋,68H11，68HC16飛利浦公司XA西門子公司80C166和TriCoreTI公司TMS320Zilog公司Z—80和Z—180μC/OS-II讀做“microCOS2”，意為“微控制器操作系統(tǒng)版本2”。世界上已有數(shù)千人在各個領域使用μC/OS，例如，照相機行業(yè)、醫(yī)療器械、音響設施、發(fā)動機控制、網(wǎng)絡設備、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機、工業(yè)機器人等等。很多高等院校將μC/OS用于實時系統(tǒng)教學。μC/OS的幾個典型應用1）.NSA2010便攜式電話，在日本大約有15000臺投入市場。使用μC/OS實時操作系統(tǒng)。2）.CYCLONE移動電話，HitachiH8S/2318k微程序控制器，256K閃存和8KRam，μC/OS實時操作系統(tǒng)。選擇μC/OS的原因：INFEAR&D的職員從1996年以來開始應用Micriμm實時操作系統(tǒng)。通過比較，還沒有發(fā)現(xiàn)比μC/OS更好的實時操作系統(tǒng)。我們將繼續(xù)應用μC/OS以及Micriμm的其它產(chǎn)品包括下一代μC/OS-IIV2.52的產(chǎn)品。

3)三軸運動控制卡

——HitachiSH2微處理器；——7個任務；——時鐘頻率10Hz；用于加工眼鏡的塑料鏡片的計算機控制車床的運動控制。選擇μC/OS-II的原因：

主要原因是它與其它市場上的實時操作系統(tǒng)相比的相對低廉的費用。另一個主要原因是資源和內(nèi)設的可獲得性。最后一點，μC/OS-II有足夠的能力使我們能夠順利完成工作。SH-2快速，有效的執(zhí)行與μC/OS-II的實時內(nèi)核是使工作順利完成的最重要的條件。4)MB-20-M信用卡處理裝置TCP/IP協(xié)議；20MHzAm188ES；10項任務；時鐘頻率100Hz；MB-20-M被用于對很多的教學和商務設備的控制使用和收費,包括身份證，安全卡和圖書館借閱卡，現(xiàn)在只要應用標準磁條的用戶卡都可以在MB-20-M終端上使用。選擇μC/OS-II的原因：

價格便宜，代碼尺寸小，縮短開發(fā)周期5）獨立靜態(tài)交換機HitachiH8S/2357CPU4個任務時鐘頻率1000Hz

獨立靜態(tài)交換機（SIEL交換機）是一個可以連續(xù)的瞬時改變電源的裝置從而控制兩條電線的狀態(tài)，最終保證負載的最佳電力供給。這種機器同樣可以保護負載以防短路。選擇μC/OS—II的原因：與其它實時方案相比低廉的價格，與很多微處理器可以進行數(shù)據(jù)傳輸，對源代碼的完全控制。嵌入式操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)的分類嵌入式實時操作系統(tǒng)前臺與后臺多任務，任務優(yōu)先級，調(diào)度非占先式與占先式、可重入型函數(shù)HardwareIndependentSoftwareApplicationsTCP/IPStackI/OSystemRTOSlibrariesRTOSKernelFileSystemHardwareAbstractionLayer：BSP&DeviceDriverSCSI

DriverFlashDriverMMU

DriverCache

DriverSerial

DriverEthernet

DriverDevice

DriversHardware嵌入式系統(tǒng)軟件前后臺系統(tǒng)（后臺循環(huán)、前臺中斷）ISRISR后臺前臺ISR時間嵌入式實時操作系統(tǒng)多任務1、多任務CPU寄存器任務控制塊1任務控制塊2任務控制塊n休眠、就緒、運行、掛起、被中斷任務1任務2任務n……CPU寄存器一個任務，也稱作一個線程，是一個簡單的運行程序。每個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。多任務運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個，輪番服務于一系列任務中的某一個。多任務運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應用程序模塊化。在實際應用中，多任務的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的應用程序?qū)哟位C合實驗（時鐘、位圖、USB、KEY）。非占先式與占先式非占先式（non-preemptive）非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務（cooperativemultitasking），各個任務彼此合作共享一個CPU。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了的那個任務，直到改任務主動放棄CPU的使用權時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得CPU的使用權。非占先式內(nèi)核的一個特點是幾乎不需要使用信號量保護共享數(shù)據(jù)。運行著的任務占有CPU，而不必擔心被別的任務搶占。非占先式內(nèi)核的最大缺陷在于其響應高優(yōu)先級的任務慢，任務已經(jīng)進入就緒態(tài)，但還不能運行，也許要等很長時間，直到當前運行著的任務釋放CPU。內(nèi)核的任務級響應時間是不確定的，不知道什么時候最高優(yōu)先級的任務才能拿到CPU的控制權，完全取決于應用程序什么時候釋放CPU。非占先式(Non-Preemptive)低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒低優(yōu)先級任務釋放CPU使用權TIME占先式（preemptive）當系統(tǒng)響應時間很重要時，要使用占先式（preemptive）內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務一旦就緒，總能得到CPU的控制權。當一個運行著的任務使一個比它優(yōu)先級高的任務進入了就緒態(tài)，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到了CPU的控制權。使用占先式內(nèi)核時，應用程序不應直接使用不可重入型函數(shù)。如果調(diào)入可重入型函數(shù)時，低優(yōu)先級的任務CPU的使用權被高優(yōu)先級任務剝奪，不可重入型函數(shù)中的數(shù)據(jù)有可能被破壞。占先式(Preemptive)低優(yōu)先級任務ISR高優(yōu)先級任務（1）（2）（3）（4）（5）（6）中斷服務程序使高優(yōu)先級任務就緒高優(yōu)先級任務得到CPU使用權TIME可以被一個以上的任務調(diào)用，而不必擔心數(shù)據(jù)的破壞?？芍厝胄秃瘮?shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運行，而相應數(shù)據(jù)不會丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中。一個不可重入型函數(shù)的例子intTemp;Voidswap(int*x,int*y){Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}可重入型函數(shù)一個可重入型函數(shù)的例子Voidswap(int*x,int*y){intTemp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;}代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入。在進入臨界區(qū)之前要關中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完以后要立即開中斷（在任務切換時，地址、指令、數(shù)據(jù)等寄存器堆棧保護）。代碼的臨界區(qū)任務實時任務非實時任務事件驅(qū)動時間驅(qū)動內(nèi)部事件：運算結(jié)果、設備請求等外部事件：開關量輸入等絕對時間驅(qū)動相對時間驅(qū)動任務的事件驅(qū)動中斷與中斷優(yōu)先級CPU中斷控制器1中斷控制器2外部事件一系列時間相關事件稱為同步事件，驅(qū)動的任務為同步任務隨機發(fā)生的事件稱為異步事件，驅(qū)動的任務為異步任務，如中斷同步與異步程序進行時可使用的軟硬件環(huán)境稱為資源，2個以上任務可同時訪問的共享資源稱為臨界資源。任何任務所占用的實體都可稱為資源。資源可以是輸入輸出設備，例如打印機、鍵盤、顯示器，資源也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。任務1共享內(nèi)存任務2任務N資源與臨界資源容錯：當系統(tǒng)軟、硬件發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常運轉(zhuǎn)，完成預定的任務或某些重要的不允許間斷的任務。包括系統(tǒng)自診斷、自恢復、自動切換等功能。安全性：是指系統(tǒng)對自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。如口令、加密。容錯與安全實時系統(tǒng)是面向具體應用，對外來事件在限定時間內(nèi)能做出反應的系統(tǒng)。限定時間的范圍很廣可以從微秒級（如信號處理）到分級（如聯(lián)機查詢系統(tǒng)）。在實時系統(tǒng)中主要有三個指標來衡量系統(tǒng)的實時性，即響應時間（ResponseTime）、生存時間（SurvivalTime）、吞吐量（Throughput）。響應時間（ResponseTime）：是計算機識別一個外部事件到作出響應的時間，在控制應用中它是最重要的指標，如果事件不能及時的處理，系統(tǒng)可能就會崩潰。生存時間（SurvivalTime）：是數(shù)據(jù)有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是有效的。吞吐量（Throughput）：是在一給定時間內(nèi)（秒），系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù)。例如通訊控制器用每秒鐘處理的字符數(shù)來表示吞吐量，吞吐量是平均響應時間的倒數(shù)。實時系統(tǒng)的評價指標－系統(tǒng)響應時間（Systemresponsetime）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求，到系統(tǒng)給出應答信號的時間。－任務切換時間（Context-switchingtime）：任務之間切換而使用的時間。－中斷延遲（Interruptlatency）：計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務程序的時間。多任務系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務是任務切換。內(nèi)核本身也增加了應用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。系統(tǒng)內(nèi)核這是操作系統(tǒng)的主要職責之一，它決定該輪到哪個任務運行了。往往調(diào)度是基于優(yōu)先級的，根據(jù)其重要不同被賦予任務不同的優(yōu)先級。CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務先運行。何時讓高優(yōu)先級任務掌握CPU的使用權，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。調(diào)度（Dispatcher）

任務優(yōu)先級(priority)每個任務都有其優(yōu)先級（priority），靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級。應用程序執(zhí)行過程中諸任務優(yōu)先級不變，則稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。應用程序執(zhí)行過程中，如果任務的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級.宏觀方面發(fā)展趨勢： —經(jīng)濟性（POS開發(fā)失敗，幾十萬、幾萬、5千、5百） 計算機要很便宜，讓更多的人能買得起； —小型化（筆記本、PDA） 人們攜帶方便； —可靠性（汽車VCD的挑動問題,火星探測器） 能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運行； —高速度（飛機剎車系統(tǒng)） 能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計算或數(shù)據(jù)傳輸； —智能性（知識推理、模糊查詢、識別、感知運動） 使人們用起來更習慣，對人們更有使用價值。

嵌入式技術的發(fā)展趨勢硬件芯片結(jié)構(gòu)方面以FPGA為核心的硬件可重構(gòu)技術以嵌入式軟件組件為核心的通用平臺以EDA\SOC為核的集成設計技術,其中SOC(SystemOnChip,嵌入式片上系統(tǒng))是真正意義上的軟硬件集成芯片,是人們的追求,目前研發(fā)的高端技術.芯片技術能降低電子產(chǎn)品成本的速度，就連當代電子學革命之父，2000年諾貝爾物理獎得者杰克·基爾比也沒有想到，他在1959年發(fā)明的芯片技術，會將電子產(chǎn)品的成本降低到了百分之一的地步。難怪盡管發(fā)展芯片技術的耗資是驚人的巨大，發(fā)達國家還是力爭在芯片技術的競爭中要永遠保持領先的地位，以便能主宰世界信息技術的發(fā)展。嵌入式軟件行業(yè)的標準目前，嵌入式操作系統(tǒng)沒有國際標準，有些行