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1、嵌入式系统胡威武汉科技大学计算机学院 1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述1.1嵌入式系统 概述经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。现实中的嵌入式系统即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是
2、嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。现实中的嵌入式系统 嵌入式系统的概念目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：从技术的角度定义：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、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦
3、合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。嵌入式系统示例汽车控制系统马达控制器车灯 嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统 嵌入式系统的未来早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且具有很长的产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革。产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到69个月。全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有线和刚刚显露头角的无线技术。基于
4、电子的产品更复杂化。互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。微处理器的处理能力按莫尔定律（MooresLaw）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番。1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述 简介早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备；注重嵌入式
5、处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；1.2嵌入式处理器 分类嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP处理器；嵌入式片上系统（SOC）。嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须
6、包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。CPUROMRAM外设1外设2单板计算机 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机 单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具
7、有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器 微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU
8、占嵌入式系统约70的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核 嵌入式DSP 处理器DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以
9、及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。嵌入式片上系统(SOC)随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统
10、外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Sm
11、artXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JA V A或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。1.嵌入式系统 2.嵌入式处理器 3.嵌入式操作系统嵌入式系统概述1.3嵌入式操作系统 概述计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批
12、处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。1.3嵌入式操作系统 概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中1.3嵌入式操作系统 概述监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点1.3嵌入式操作系统 实时操作系统的特点IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:异步的事件响应切换时间和中断延迟时间确定优先级中断
13、和调度抢占式调度内存锁定连续文件同步总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统 一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统 一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控
14、制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K几十K内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。1.3嵌入式操作系统 基本概念 对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。前后台系统 基本概念中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序
15、来保证的。循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差。ISRISRISRISR后台 前台中断服务程序时 间前后台系统1.3嵌入式操作系统 基本概念 操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。操作系统硬件硬件驱动操作系统用户程序1.3嵌入式操作系统 基本概念 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，
16、RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。实时操作系统（RTOS）1.3嵌入式操作系统 基本概念 多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如25的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如
17、信号量、消息队列、延时等。内核1.3嵌入式操作系统 基本概念 调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先式的内核。调度1.3嵌入式操作系统 基本概念 非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级
18、的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。非占先式内核1.3嵌入式操作系统 基本概念 当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开
19、始运行。占先式内核1.3嵌入式操作系统 基本概念 任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态。任务优先级1.3嵌入式操作系统 基本概念 中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：1.在前后台系统中，程序回到后台程序；2.对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；3.对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。中断前后台系统1.
20、3嵌入式操作系统 基本概念中断ISR任务ISR非占先操作系统任务A任务B任务CISR占先操作系统任务A任务B任务C1.3嵌入式操作系统 基本概念 时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。时钟节拍1.3嵌入式操作系统 使用实时操作系统的必要性 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CP
21、U嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。提高了开发效率，缩短了开发周期。嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。1.3嵌入式操作系统 实时操作系统的优缺点 优点 优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。缺点 缺点：但是，使用
22、嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，25%的CPU额外负荷，以及内核的费用。uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳 稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种 定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准
23、丰富的 文件系统的支持、以及标准丰富的API API等 等。1.3嵌入式操作系统 常见的嵌入式操作系统嵌入式Linux1.3嵌入式操作系统 常见的嵌入式操作系统WindowsCE WindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC+等
24、）、使绝大多数的应用软件 使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在 只需简单的修改和移植就可以在WindowsCE WindowsCE平台上继 平台上继续使用。续使用。WinCE1.3嵌入式操作系统 常见的嵌入式操作系统VxWorksVxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，甚至在1997年4月登陆火星表面的火星探测器上也使用到了VxWorks。1.3嵌入式操作系统 常见的嵌入式操作系统C/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。C/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，C/OS-II已经被应用到数以百计的产品中。C/OS-II占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。C/OS-II