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1、嵌入式系统ppt汇总04:472第1章嵌入式系统基础知识1.1 1.1 嵌入式系统的定义和组成嵌入式系统的定义和组成1.2 1.2 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构1.3 1.3 嵌入式微处理器的结构和类型嵌入式微处理器的结构和类型04:4731.1 嵌入式系统的定义和组成1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1.1.2 1.1.2 嵌入式系统发展趋势嵌入式系统发展趋势1.1.3 1.1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成1.1.4 1.1.4 实时系统（实时系统（RTOSRTOS）04:4741.1.1 嵌入式系统的定义IEEEIEEE的嵌入式系统定义的嵌入式
2、系统定义:根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为（原文为devices used to controldevices used to control，monitormonitor，or assist the or assist the operation of equipmentoperation of equipment，machinery or plantsmachinery or plants）。）。国内的嵌
3、入式系统定义国内的嵌入式系统定义:目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。04:4751.1.2 嵌入式系统发展趋势1 1嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史从单片机的出现到各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应从单片机的出现到各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到用，嵌入式系统的应用可以追溯到2020世
4、纪世纪6060年代中期，嵌入式年代中期，嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下系统的发展历程，大致经历了以下4 4个阶段。个阶段。（1 1）无操作系统阶段）无操作系统阶段 单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。作系统的支持，程序设计采用汇编语言。04:476嵌入式系统发展历史（2 2
5、）简单操作系统阶段）简单操作系统阶段 20 20世纪世纪8080年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPUCPU（如（如Power PCPower PC等），芯片上集成有微处理器、等），芯片上集成有微处理器、I/OI/O接口、串接口、串行接口及行接口及RAMRAM、ROMROM等部件，面向等部件，面向I/OI/O设计的微控制器在嵌入式系设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“
6、操作系统操作系统”开发开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。大大缩短了开发周期，提高了开发效率。04:477嵌入式系统发展历史（3 3）实时操作系统阶段）实时操作系统阶段 2020世纪世纪9090年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。
7、随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处任务操作系统逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面图形用户界面(GUI)(GUI)等功能，并提供了大量的应用程序接口等功能，并提供了大量的应用程序接口(API)(API)，从而使应用软件的开发变得更加简单。，从而使应用软件的开发变得更加简单。（4 4）面向）面向InternetInternet阶段阶段进
8、入进入2121世纪，世纪，InternetInternet技术与信息家电、工业控制技术等的技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与结合日益紧密，嵌入式技术与InternetInternet技术的结合正在推动着技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。嵌入式系统的飞速发展。04:4782.嵌入式系统发展趋势 面对嵌入式技术与面对嵌入式技术与InternetInternet技术的结合，嵌入式系统的研究技术的结合，嵌入式系统的研究和应用在飞速发展。和应用在飞速发展。（1 1）新的微处理器层出不穷新的微处理器层出不穷，精简系统内核，优化关键算法，精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和
9、软硬件成本。更加友好的多媒体人机交互界面。降低功耗和软硬件成本。更加友好的多媒体人机交互界面。（2 2）LinuxLinux、Windows CEWindows CE等嵌入式操作系统迅速发展等嵌入式操作系统迅速发展。嵌入式。嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系操作系统自身结构的设计更加便于移植，具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能在短时间内统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点，能在短时间内支持更多的微处理器。计算机的新技术、新观念逐步移植到嵌支持更多的微处理器。计算机的新技术、新观念逐步移植到嵌入式系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。入式
10、系统中，嵌入式软件平台得到进一步完善。（3 3）嵌入式系统的开发成了一项系统工程嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发商不仅提供，开发商不仅提供嵌入式软硬件系统本身，同时还提供强大的硬件开发工具和软嵌入式软硬件系统本身，同时还提供强大的硬件开发工具和软件支持包。件支持包。04:4793.IP核(Intellectual Property Core知识产权核)SOC SOC（System On ChipSystem On Chip，片上系统）是，片上系统）是9090年代中期出现的一年代中期出现的一个概念，并成为现代集成电路设计的发展方向。个概念，并成为现代集成电路设计的发展方向。SOCSOC是指
11、是指在单芯在单芯片上集成数字信号处理器片上集成数字信号处理器、微控制器微控制器、存储器存储器、数据转换器数据转换器、接口电路等电路模块接口电路等电路模块，可以直接实现信号采集可以直接实现信号采集、转换转换、存储存储、处理等功能处理等功能。IP IP核核是指具有是指具有知识产权的知识产权的、功能具体功能具体、接口规范接口规范、可在多个、可在多个集成电路设计中集成电路设计中重复使用重复使用的的功能模块功能模块，是实现系统芯片（，是实现系统芯片（SOCSOC）的的基本构件基本构件。04:4710IP核 IP IP核分为核分为:1)1)用硬件描述语言用硬件描述语言（hardware Descripti
12、on Languagehardware Description Language，HDLHDL）文本形式提交给用户文本形式提交给用户，经过，经过RTLRTL级设计优化和功能验证，级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息的软核（但其中不含有任何具体的物理信息的软核（Soft IP CoreSoft IP Core）；）；2)2)完成软核所有的设计外，还完成了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序门级电路综合和时序仿真等设计环节仿真等设计环节，一般以，一般以门级电路网表门级电路网表的形式提供给用户的固的形式提供给用户的固核（核（Firm IP CoreFirm IP Core
13、）；）；3)3)基于物理描述基于物理描述，并经过，并经过工艺验证工艺验证，具有可保证的性能，具有可保证的性能，提供给用户的形式是提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图电路物理结构掩模版图和和全套工艺文件全套工艺文件的的硬核硬核（Hard IP CoreHard IP Core）。）。04:4711IP核 IPIP软核软核以源代码的形式以源代码的形式提供的，提供的，IPIP知识产权知识产权不易保护不易保护。IPIP硬核易于实现硬核易于实现IPIP保护保护，缺点是，缺点是灵活性和可移植性差灵活性和可移植性差。目前全球目前全球IPIP核市场处于核市场处于快速成长的阶段快速成长的阶段，EDAEDA联盟
14、、联盟、RAPIDRAPID联盟、联盟、VCXVCX联盟与联盟与VSIAVSIA联盟等都在积极推动联盟等都在积极推动IPIP核的开发、核的开发、应用及推广。其中，应用及推广。其中，EDAEDA联盟主要是以如何提供更好的联盟主要是以如何提供更好的EDAEDA软软件工具件工具为主，为主，VSIAVSIA联盟主要针对联盟主要针对IPIP核的定义核的定义、开发开发、授权授权及及测试测试等建立一个公开的共性规范。等建立一个公开的共性规范。ARMARM、RambusRambus和和MIPSMIPS在十在十大大IPIP供应商排行中居前供应商排行中居前3 3位。位。04:47121.1.3 嵌入式系统的组成
15、嵌入式系统通常由包含有嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器嵌入式处理器、嵌入式操作系嵌入式操作系统统、应用软件应用软件和和外围设备接口外围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为的核心，可以分为硬件层硬件层、中间层中间层、系统软件层系统软件层和和应用软件应用软件层层。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。所规定的操作或任务。04:4713嵌入式系统组成04:4714典型的嵌入式系
16、统组成应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口中间层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMDRAMSRAM内存04:47151.嵌入式计算机系统的硬件层 硬件层中包含嵌入式硬件层中包含嵌入式微处理器微处理器、存储器存储器（SDRAMSDRAM、ROMROM、FlashFlash等）、等
17、）、通用设备接口通用设备接口和和I/OI/O接口接口（A/DA/D、D/AD/A、I/OI/O等）。等）。硬件层通常是一个以硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心嵌入式处理器为中心的，包含有电源电的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的用程序都固化在模块的ROMROM中。中。04:4716（1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用器将通用PCPC机中的机中的CPUCPU和各种接口集成到芯片内部，有利于系统和各
18、种接口集成到芯片内部，有利于系统设计趋于设计趋于微型化微型化、高效率高效率和和高可靠性高可靠性。为特定用途专门设计。为特定用途专门设计。嵌入式微处理器的体系结构可采用嵌入式微处理器的体系结构可采用冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构或或哈哈佛体系结构佛体系结构，指令系统可选用，指令系统可选用精简指令系统精简指令系统（RISCRISC）或）或复杂指复杂指令集系统令集系统（CISCCISC）。）。嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过理器已经超过10001000多种，体系结构有多种，体系结构有3030多个系列，其中主流的多个
19、系列，其中主流的体系有体系有ARMARM、MIPSMIPS、PowerPCPowerPC、X86X86和和SHSH等。即使在同一体系中，等。即使在同一体系中，也可以具有不同的也可以具有不同的时钟频率时钟频率、数据总线宽度数据总线宽度、接口接口和和外设外设。嵌。嵌入式微处理器的选择是根据入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定具体的应用而决定的。的。04:4717（2）存储器 嵌入式系统的存储器包含嵌入式系统的存储器包含CacheCache、主存储器主存储器和和辅助存储器辅助存储器。CacheCache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存
20、储器阵列快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。使处理速度更快，实时性更强。程序代码和数据。使处理速度更快，实时性更强。CacheCache集成在集成在嵌入式微处理器内，可分嵌入式微处理器内，可分数据数据CacheCache、指令指令CacheCache或混合或混合CacheCache。主存储器主存储器存放存放系统系统、用户程序用户程序和和数据数据。主存储器有。主存储器有ROMROM和和RAMRAM类，位于微处理器的内部或外部。常用的类，位于微处理器的内部或外部。常用的ROMROM类存储器有类存储器有NOR NOR Flas
21、hFlash、EEPROMEEPROM等，等，RAMRAM类存储器有类存储器有SRAMSRAM、DRAMDRAM和和SDRAMSDRAM等，容量等，容量为为256KB256KB1GB1GB。辅助存储器辅助存储器指指硬盘硬盘、NAND FlashNAND Flash、CFCF卡卡、MMCMMC和和SDSD卡卡等，等，存放大容量的程序代码或信息，容量较大，但读取速度较慢。存放大容量的程序代码或信息，容量较大，但读取速度较慢。04:4718（3）通用设备接口和I/O接口嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的各种通用设备接嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的各种通用设备接口，如口，如GPIOGPIO（通
22、用（通用I/OI/O接口）、接口）、A/DA/D（模（模/数转换接口）、数转换接口）、D/AD/A（数（数/模转换接口）、模转换接口）、RS-232RS-232接口接口（串行通信接口）、（串行通信接口）、EthernetEthernet（以太网接口）、（以太网接口）、USBUSB（通用串行总线接口）、（通用串行总线接口）、I I2 2C C、IISIIS（音频接口）、（音频接口）、VGAVGA视频输出接口视频输出接口、CANCAN（现场总线）、（现场总线）、SPISPI（串行外围设备接口）和（串行外围设备接口）和IrDAIrDA（红外线接口）等。（红外线接口）等。04:47192中间层 中间层
23、也称为中间层也称为硬件抽象层硬件抽象层（HALHAL）或）或板级支持包板级支持包（BSPBSP），位），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开。于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开。BSPBSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，软件层次结构，BSPBSP需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。形式。BSPBSP使上层软件开发人员无需关心底层
24、硬件的具体情况，使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据根据BSPBSP层提供的接口即可进行开发。层提供的接口即可进行开发。BSP BSP是一个介于是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。BSPBSP一般包含相关一般包含相关底层底层硬件的初始化硬件的初始化、数据的、数据的输入输入/输出操作输出操作和硬件和硬件设备的配置设备的配置等等功能。功能。04:4720（1）嵌入式系统硬件初始化系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可系统初始化过程按照自底向上
25、、从硬件到软件的次序依次可分为分为片级初始化片级初始化、板级初始化板级初始化和和系统级初始化系统级初始化3 3个主要环节。个主要环节。片级初始化片级初始化是一个是一个纯硬件的初始化过程纯硬件的初始化过程，包括设置微处，包括设置微处理器的核心寄存器和控制寄存器、工作模式、局部总线模式等，理器的核心寄存器和控制寄存器、工作模式、局部总线模式等，把微处理器设置成系统所要求的工作状态；把微处理器设置成系统所要求的工作状态；板级初始化板级初始化包含包含软、硬件的初始化过程软、硬件的初始化过程，完成微处理器，完成微处理器以外以外硬件设备硬件设备的初始化，设置软件的的初始化，设置软件的数据结构和参数数据结构
26、和参数，为系统，为系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境；级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境；系统级初始化系统级初始化主要是主要是操作系统初始化操作系统初始化。BSPBSP将控制权将控制权转交转交给嵌入式操作系统给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化，包含加载，由操作系统完成余下的初始化，包含加载和初始化与硬件无关的和初始化与硬件无关的设备驱动程序设备驱动程序，建立系统，建立系统内存区内存区，加载，加载并初始化如并初始化如网络系统网络系统、文件系统文件系统文件系统文件系统等等等等系统软件模块系统软件模块。最后，操作。最后，操作。最后，操作。最后，操作系统创建应用程序环境，
27、并将控制权系统创建应用程序环境，并将控制权系统创建应用程序环境，并将控制权系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序交给应用程序交给应用程序交给应用程序的入口。的入口。的入口。的入口。04:4721（2）硬件相关的设备驱动程序BSPBSPBSPBSP中包含硬件相关的中包含硬件相关的中包含硬件相关的中包含硬件相关的设备驱动程序设备驱动程序设备驱动程序设备驱动程序，但是这些设备驱动，但是这些设备驱动，但是这些设备驱动，但是这些设备驱动程序通常不直接由程序通常不直接由程序通常不直接由程序通常不直接由BSPBSPBSPBSP使用，而是在系统初始化过程中由使用，而是在系统初始化过程中由使用，而是在系统
28、初始化过程中由使用，而是在系统初始化过程中由BSPBSPBSPBSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。操作。操作。操作。04:47223.系统软件层 系统软件层通常包含有系统软件层通常包含有实时多任务操作系统实时
29、多任务操作系统（Real-time Real-time Operation SystemOperation System，RTOSRTOS）、）、文件系统文件系统、图形用户接口图形用户接口（Graphic User InterfaceGraphic User Interface，GUIGUI）、）、网络系统网络系统及及通用组件模块通用组件模块组成。组成。RTOSRTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。是嵌入式应用软件的基础和开发平台。04:4723（1）嵌入式操作系统 嵌入式操作系统（嵌入式操作系统（Embedded Operating SystemEmbedded Operating Sy
30、stem，EOSEOS）负责）负责系统的系统的软、硬件资源分配软、硬件资源分配、任务调度任务调度，控制协调控制协调。EOS EOS除具备了一般操作系统最基本的功能外，还具有：除具备了一般操作系统最基本的功能外，还具有：实时实时性性；支持；支持开放性开放性和和可伸缩性的体系结构可伸缩性的体系结构，可裁减性可裁减性；提供设备；提供设备驱动接口；操作方便、简单的图形驱动接口；操作方便、简单的图形GUIGUI和界面；支持和界面；支持TCP/IPTCP/IP协议协议及其他协议，提供统一的及其他协议，提供统一的MACMAC访问层接口，提供强大的网络功能；访问层接口，提供强大的网络功能；嵌入式操作系统的用户
31、接口通过嵌入式操作系统的用户接口通过系统的调用命令向用户程序提系统的调用命令向用户程序提供服务供服务；嵌入式系统一旦开始运行就；嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预不需要用户过多的干预；嵌入式操作系统和应用软件被嵌入式操作系统和应用软件被固化固化在嵌入式系统在嵌入式系统ROMROM中中；具有良；具有良好的硬件适应性（可移植性）。好的硬件适应性（可移植性）。04:4724（2）文件系统 嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同不完全相同，主，主要提供要提供文件存储文件存储、检索检索和和更新更新等功能，一般不提供保护和加密等功能，一般不提供保护
32、和加密等安全机制。嵌入式文件系统通常等安全机制。嵌入式文件系统通常支持支持FAT32FAT32、JFFS2JFFS2、YAFFSYAFFS等等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统，可根据要求选择所需的时文件系统，可根据要求选择所需的文件系统文件系统、存储介质存储介质和配和配置同时置同时打开的最大文件数打开的最大文件数等。嵌入式文件系统可方便的挂接不等。嵌入式文件系统可方便的挂接不同存储设备的驱动程序，同存储设备的驱动程序，支持多种存储设备支持多种存储设备。嵌入式文件系统以嵌入式文件系统以系统调用系统调用和和命令方
33、式命令方式提供提供文件的各种操作文件的各种操作，如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供变和删除目录等服务，提供创建创建、打开打开、读写读写、关闭关闭和和撤销撤销文文件等服务。件等服务。04:4725（3）图形用户接口（GUI）GUI GUI使用户可使用户可通过窗口通过窗口、菜单菜单、按键按键等方式来方便地等方式来方便地操作操作计计算机或算机或嵌入式系统嵌入式系统。嵌入式。嵌入式GUIGUI与与PCPC机的机的GUIGUI不同，嵌入式不同，嵌入式GUIGUI具具有有轻型轻型、占用、占用资源少资源少、高性
34、能、高可靠性、便于移植、可配置、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点。等特点。实现嵌入式系统中的图形界面一般采用下面的几种方法：实现嵌入式系统中的图形界面一般采用下面的几种方法：1)1)针对针对特定的图形设备特定的图形设备输出接口输出接口,自行开发相应的功能函数；自行开发相应的功能函数；2)2)购买购买针对特定嵌入式系统的针对特定嵌入式系统的图形中间软件包图形中间软件包；3)3)采用采用源码开放源码开放的嵌入式的嵌入式GUIGUI系统；系统；4)4)使用使用独立软件独立软件开发商提供的嵌入式开发商提供的嵌入式GUIGUI产品。产品。04:47261.1.4 实时系统(RTOS)RTOS R
35、TOS（Real-time operating systemReal-time operating system，实时系统）在，实时系统）在航航空空、航天航天、工业过程控制工业过程控制、武器防御系统武器防御系统、自动化导航自动化导航控控制系统、医疗、信息检索、银行、多媒体系统等领域广泛应制系统、医疗、信息检索、银行、多媒体系统等领域广泛应用。用。RTOS RTOS与通用计算机系统与通用计算机系统不同不同，要求系统中的任务不但执，要求系统中的任务不但执行结果要正确，而且必须行结果要正确，而且必须在一定的时间约束在一定的时间约束（DeadlineDeadline）内内完成完成。在。在RTOSRTO
36、S中，一个逻辑上正确的计算结果，若其产生的中，一个逻辑上正确的计算结果，若其产生的时间晚于某个规定的时间，那么也认为系统的行为是不正确时间晚于某个规定的时间，那么也认为系统的行为是不正确的。的。04:47271.RTOS定义RTOSRTOS是指能够在指定或者是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能确定的时间内完成系统功能和对外和对外部或内部、同步或异步时间部或内部、同步或异步时间做出响应的系统做出响应的系统，系统能够处理和，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。存储控制系统所需要的大量数据。RTOSRTOS的正确性不仅依赖于系的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于统计算的逻辑结
37、果，还依赖于产生这个结果的时间产生这个结果的时间。04:47282.RTOS特点（1 1）约束性）约束性 RTOS RTOS任务的约束包括任务的约束包括时间时间、资源资源、执行顺序执行顺序和和性能性能约束。约束。RTOS RTOS的任务具有的任务具有时间约束性时间约束性。是任何。是任何RTOSRTOS都固有的约束。时都固有的约束。时间约束性可分为间约束性可分为“硬实时硬实时”和和“软实时软实时”。硬实时硬实时是指在航空是指在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，时间要求时间要求必须能够得到完全满足必须能够得到完全满足，否则将造成不可预计
38、的结果。，否则将造成不可预计的结果。软实时软实时通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，有时间约有时间约束要求束要求，但偶尔违反，但偶尔违反不会造成严重影响不会造成严重影响。资源约束资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的定的资源访问控制协议进行同步资源访问控制协议进行同步资源访问控制协议进行同步资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务，以避免死锁和高优先级任务，以避免死锁和高优先级任务，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。被低优先
39、级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。04:4729RTOS特点 执行顺序约束执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间时间和顺序约束和顺序约束。例如，在分布式端到端（。例如，在分布式端到端（end-to-endend-to-end）实时系统）实时系统中，同一任务的各子任务之间存在前驱中，同一任务的各子任务之间存在前驱/后继约束关系，需要执后继约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们行同步协议来管理子任务
40、的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度性要求。满足时间约束和系统可调度性要求。性能约束性能约束是指必须满足如是指必须满足如可靠性可靠性、可用性可用性、可预测性可预测性、服务服务质量质量（Quality of ServiceQuality of Service，QoSQoS）等性能指标。）等性能指标。04:4730RTOS特点（2 2）可预测性）可预测性 可预测性是指可预测性是指RTOSRTOS完成实时任务所完成实时任务所需要的执行时间应是可知的需要的执行时间应是可知的。可预测。可预测性是性是RTOSRTOS的一项重要性能要求。可预测性包括硬件时延的可预测性和软件系的一项重要性
41、能要求。可预测性包括硬件时延的可预测性和软件系统的可预测性（包括应用程序的响应时间是可预测的，以及操作系统的可预统的可预测性（包括应用程序的响应时间是可预测的，以及操作系统的可预测性）。在多种任务型测性）。在多种任务型RTOSRTOS中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。多种类型任务的混合，使系统的可调度性、可预测性分还包括非实时任务。多种类型任务的混合，使系统的可调度性、可预测性分析更加困难。析更加困难。（3 3）可靠性）可靠性 大多数大多数RTOSRTOS要求有较高的可靠性，要求要求有较高的可靠性，要求系统在最坏情况下都能
42、正常工作系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性是或避免损失。可靠性是RTOSRTOS的重要性能指标。的重要性能指标。（4 4）交互性）交互性 外部环境是外部环境是RTOSRTOS不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控子系统，不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控子系统，两者相互作用构成完整的实时系统两者相互作用构成完整的实时系统。嵌入式计算机系统一般作为控制系统，。嵌入式计算机系统一般作为控制系统，必须在规定的时间内对被控子系统请求做出反应。被控子系统也必须能够正必须在规定的时间内对被控子系统请求做出反应。被控子系统也必须能够正常工作或准备对任何异常行为采取动作。常工作或准备对
43、任何异常行为采取动作。04:47313.RTOS调度给定一组实时任务和系统资源，给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行确定每个任务何时何地执行的整个过程的整个过程就是调度。而就是调度。而RTOSRTOS中调度的目的则是要尽可能地保中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足它们的时间约束，及时对外部请求做出响应。证每个任务满足它们的时间约束，及时对外部请求做出响应。实时调度技术常用的有以下两种。实时调度技术常用的有以下两种。（1 1）抢占式调度和非抢占式调度）抢占式调度和非抢占式调度 抢占式调度抢占式调度通常是通常是优先级驱动的调度优先级驱动的调度。每个任务都有优先级，。每个任务都
44、有优先级，任何时候具有任何时候具有最高优先级且已启动的任务先执行最高优先级且已启动的任务先执行。抢占式调度。抢占式调度实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证高优先级实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证高优先级任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而非抢占式调度非抢占式调度是是指指不允许任务在执行期间被中断不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用微处理器就必，任务一旦占用微处理器就必须执行完毕或自愿放弃，其优点是上下文切换少，缺点是微处须执行完毕或自愿放弃，其优点是上下文切换少，缺点是微处理器有效资源利用率低，可调度性不好。理器有效资源利
45、用率低，可调度性不好。04:4732（2）静态表驱动策略和优先级驱动策略 静态表驱动策略静态表驱动策略是一种是一种离线调度策略离线调度策略，指在系统运行前根据，指在系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索策略各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索策略生成生成一张一张运运行时刻表行时刻表。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相应的任务即可。应的任务即可。优先级驱动策略优先级驱动策略指指按按照任务照任务优先级的高低确定任务的执行顺优先级的高低确定任务的执行顺序序。优先级驱动策略又分为静态优先级调度策略和动态优先级。优先级驱动策略又
46、分为静态优先级调度策略和动态优先级调度策略。调度策略。静态优先级调度静态优先级调度是指任务的优先级分配好之后，在是指任务的优先级分配好之后，在任务的运行过程中，优先级不会发生改变。静态优先级调度又任务的运行过程中，优先级不会发生改变。静态优先级调度又称为固定优先级调度。称为固定优先级调度。动态优先级调度动态优先级调度是指任务的优先级可以是指任务的优先级可以随着时间或系统状态的变化而发生变化。随着时间或系统状态的变化而发生变化。04:47334.RTOS分类 RTOS RTOS主要分为主要分为强实时强实时（Hard Real-TimeHard Real-Time）系统和）系统和弱实时弱实时（So
47、ft Real-TimeSoft Real-Time）系统两类。）系统两类。强实时强实时系统应用在航空航天、系统应用在航空航天、军事、核工业等领域中，军事、核工业等领域中，弱实时弱实时系统如视频点播系统、信息采系统如视频点播系统、信息采集与检索系统等。集与检索系统等。04:47345实时任务分类实时任务的分类方法有多种，根据任务的周期划分，可以分实时任务的分类方法有多种，根据任务的周期划分，可以分为为周期任务周期任务、偶发任务偶发任务和和非周期任务非周期任务3 3类。根据是否允许任务超类。根据是否允许任务超时，以及超时后对系统造成的影响，任务又分为时，以及超时后对系统造成的影响，任务又分为强实
48、时强实时任务、任务、准实时准实时任务、任务、弱实时弱实时任务和任务和弱一强实时弱一强实时任务任务4 4类。类。04:47356.RTOS操作系统和内核 RTOS RTOS从单用途专用系统向多用途通用操作系统（如实时从单用途专用系统向多用途通用操作系统（如实时LinuxLinux等）发展。等）发展。RTOSRTOS从只支持从只支持强实时强实时及其应用发展到既支持强及其应用发展到既支持强实时也支持实时也支持弱实时弱实时及其应用方面，如开放实时系统的及其应用方面，如开放实时系统的服务质量服务质量（QoSQoS）多媒体应用多媒体应用、复杂分布式复杂分布式实时系统等。实时系统等。04:47361.2 嵌
49、入式微处理器体系结构1.2.1 1.2.1 冯冯诺依曼结构与哈佛结构诺依曼结构与哈佛结构1.2.2 1.2.2 精简指令集计算机精简指令集计算机1.2.3 1.2.3 流水线技术流水线技术1.2.4 1.2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序04:47371.2.1 冯诺依曼结构与哈佛结构1.1.冯冯诺依曼诺依曼(Von Neumann)(Von Neumann)结构结构 冯冯诺依曼结构的计算机由诺依曼结构的计算机由CPUCPU和存储器构成，其和存储器构成，其程序和数程序和数据共用一个存储空间据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个
50、存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。程序计数器（程序指令和数据的宽度相同。程序计数器（PCPC）是）是CPUCPU内部指示内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。指令和数据的存储位置的寄存器。CPU CPU通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解令规定的操作。处理器执行指令时，先从储存器中取