【正文】 在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。 從 80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點(diǎn)說(shuō)，這個(gè)時(shí)候的操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)核，這個(gè)實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。其中比較著名的有 Ready System 公司的 VRTX、 Integrated System Incorporation (ISI)的 PSOS 和 IMG 的 VxWorks、 QNX 公司的 QNX 等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：它們均采用占先式的調(diào)度，響應(yīng)的時(shí)間很短，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可以確定；系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁剪，可擴(kuò)充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來(lái)，同時(shí)也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。 90 年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系 統(tǒng)（ RTOS），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了 Palm OS， WinCE，嵌入式 Linux， Lynx，Nucleux，以及國(guó)內(nèi)的 Hopen， Delta Os 等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊，相信會(huì)有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。 在中國(guó)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用 系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 嵌入式系統(tǒng)的定義 定義可從幾方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)： 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此可以這樣理解上述三個(gè)面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。 嵌入式系 統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個(gè)正確的定位。例如 Palm之所以在 PDA 領(lǐng)域占有 70％以上的市場(chǎng)，就是因?yàn)槠淞⒆阌趥€(gè)人電子消費(fèi)品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的 Vxworks 之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因?yàn)槠涓邔?shí)時(shí)性和高可靠性。 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能 建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾 K到幾十 K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。 實(shí)際上，嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)外延極廣的名詞，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，而且有時(shí)很難以給它下一個(gè)準(zhǔn)確的定義?，F(xiàn)在人們講嵌入式系統(tǒng)時(shí)，某種程度上指近些年比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，本文在進(jìn)行分析和展望時(shí)，也沿用這一觀點(diǎn)。 一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分成四個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出（ I/O）和軟件（由于多數(shù)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，在這里我們對(duì)其不加區(qū)分，這也是嵌入式系統(tǒng)和 Windows 系統(tǒng)的最大區(qū)別）。 嵌入式系統(tǒng)中有許多非常重要的概念： 嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的４位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的８位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的 32位， 64 位嵌入式 CPU。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （ RTOSReal Time Operating System）： 嵌入式系統(tǒng)目前最主要的組成部分。根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性，實(shí)時(shí)是指物理進(jìn)程的真實(shí)時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，能從硬件方面支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其中實(shí)時(shí)性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率，重要特點(diǎn)是要滿足對(duì)時(shí)間的限制和要求。 分時(shí)操作系統(tǒng) 對(duì)于分時(shí)操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時(shí)間上的要求，并不嚴(yán)格，時(shí)間上的錯(cuò)誤，一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果。目前分時(shí)系統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)在于多任務(wù)的管理，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確 定性，即系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行情況的最好和最壞等的情況能做出精確的估計(jì)。 多任務(wù)操作系統(tǒng) 系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步和通信，傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)和 DOS 系統(tǒng)等對(duì)多任務(wù)支持的功能很弱，而目前的 Windows 是典型的多任務(wù)操作系統(tǒng)。在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中，多任務(wù)是一個(gè)普遍的要求。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的重要概念 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（ System response time）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間。 任務(wù)換道時(shí)間（ Contextswitching time）：任務(wù)之間切換而使用的時(shí)間。 中斷延遲（ Interrupt latency）：計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工作狀態(tài) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行（ Executing），就緒（ Ready），掛起（ Suspended），冬眠（ Dormant）。 運(yùn)行：獲得 CPU 控制權(quán)。 就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過(guò)調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。 掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行。 冬眠：任務(wù)完成或錯(cuò)誤等原因被清除的任務(wù)，也可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存 在的任務(wù)。 任何時(shí)刻系統(tǒng)中只能有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)，各任務(wù)按級(jí)別通過(guò)時(shí)間片分別獲得對(duì) CPU的訪問(wèn)權(quán)。 ARM 平臺(tái)簡(jiǎn)介 ARM（ Adanced RISC Machines），是一個(gè)公司名字，也是一種處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)名字。 1991 年 ARM 公司成立于英國(guó) Cambridge，主要銷售晶片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用 ARM 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（ IP）核的微處理器，即我們通常說(shuō)的 ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處 理器應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75%以上的市場(chǎng)份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各方面。 ARM（ Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的 RISC 處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi) /教育類多媒體、 DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。 嵌入式微處理器 LPC2214 簡(jiǎn)介 LPC2214 是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMISTMCPU 的微控制器，并帶有 128/256 k 字節(jié) (kB)嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器。 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%，而性能的損失卻很小。由于 LPC2114/2124/2212/2214 較小的 64 和 144 腳封裝、極低的功耗、多個(gè) 32 位定時(shí)器、4 路 10 位 ADC 或 8 路 10 位 ADC（ 64 腳和 144 腳封裝）以及多達(dá) 9 個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和 POS 機(jī)。 在 64 腳的封裝中，最多可使用 46 個(gè) GPIO。在 144 腳的封裝中，可使用的 GPIO 高達(dá) 76（使用了外部存儲(chǔ)器）～ 112 個(gè)（單片應(yīng)用）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟 modern 以及其它各種類型的應(yīng)用。 特性 ? ? 16/32 位 64/144 腳 ARM7TDMIS 微控制器。 ? ? 16K 字節(jié)靜態(tài) RAM。 ? ? 128/256K 字節(jié)片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器至少可擦除和寫 10,000 次）。 128 位寬度接口 /加速器實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz 的操作頻率。 ? ? 外部 16 或 32 位總線（ 144 腳封裝）。 ? ? 片內(nèi) Boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ ISP）和在應(yīng)用中編程（ IAP）。 Flash 編程時(shí)間： 1ms 可編程 512 字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需 400ms。 ? ? EmbeddedICERT 接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)前臺(tái)任務(wù)使用片內(nèi) RealMonitor 軟件調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 ? ? 嵌入式跟蹤宏單元（ ETM）支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。 ? ? 4/8 路（ 64/144 腳封裝） 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 。 ? ? 2 個(gè) 32 位定時(shí)器（帶 4 路捕獲和 4 路比較通道）、 PWM 單元（ 6 路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗。 ? ? 多個(gè)串行接口，包括 2 個(gè) 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、高速 I2C 接口（ 400 kbit/s）和 2 個(gè) SPI 接口。 ? ? 通過(guò)片內(nèi) PLL 可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU 操作頻率。 ? ? 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。 ? ? 多達(dá) 46 個(gè)（ 64 腳封裝）或 112 個(gè)（ 144 腳封裝）通用 I/O 口（可承受 5V 電壓）， 12 個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳（ EIN 和 CAP 功能）。 ? ? 片內(nèi)晶振頻率范圍： 1~30 MHz。 ? 2 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。 ? ? 通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 ? ? 可通過(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。 ? ? 雙電源 ? ? － CPU 操作電壓范圍： ~ V( V+/－ %) ? ? － I/O 操作電壓范圍： ~ V( V+/－ 10%) LPC2214 包含一個(gè)支持仿真的 ARM7TDMIS CPU、與片內(nèi)存儲(chǔ) 器控制器接口的 ARM7 局部總線、與中斷控制器接口的 AMBA 高性能總線（ AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的 VLSI 外設(shè)總線（ VPB ， ARM AMBA 總線的兼容超集）。 LPC2214 將 ARM7TDMIS 配置為小端（ littleendian）字節(jié)順序。 AHB 外設(shè)分配了 2M 字節(jié)的地址范圍，它位于 4G 字節(jié) ARM 存儲(chǔ)器空間的最頂端。每個(gè) AHB 外設(shè)都分配了 16k 字節(jié)的地址空間。 LPC2214 的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到 VPB 總線。 AHB 到 VPB 的橋?qū)?VPB 總線與 AHB 總線相 連。 VPB 外設(shè)也分配了 2M 字節(jié)的地址范圍，從 地址點(diǎn)開始。每個(gè) VPB 外設(shè)在VPB 地址空間內(nèi)都分配了 16k 字節(jié)地址空間。片內(nèi)外設(shè)與器件管腳的連接由管腳連接模塊控制。該模塊必須由軟件進(jìn)行控制以符合外設(shè)功能與管腳在特定應(yīng)用中的需求。 ARM7TDMIS 是通用的 32 位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。 ARM 結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷 響應(yīng)。 由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出。 ARM7TDMIS 處理器使用了一個(gè)被稱為 THUMB 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)化策略，它非常適用于那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。 在 THUMB 后面一個(gè)關(guān)鍵的概念是“超精簡(jiǎn)指令集”。基本上， ARM7TDMIS 處理器具有兩個(gè)指令集： ? 標(biāo)準(zhǔn) 32 位 ARM 指令集 ? 16 位 THUMB 指令集 THUMB 指令集的 16 位指令長(zhǎng)度使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) ARM 代碼兩倍的密度，卻仍然保持 ARM 的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)是使用 16 位寄存器的 16 位處理器所不具備的。因?yàn)?THUMB 代碼和 ARM 代碼一樣，在相同的 32 位寄存器上進(jìn)行操作。 THUMB 代碼僅為 ARM 代碼規(guī)模的 65%，但其性能卻相當(dāng)于連接到 16 位存儲(chǔ)器系統(tǒng)的相同 ARM 處理器性能的 160%。 片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器 LPC2214 集成了 256K 的 FLASH 存儲(chǔ)器系統(tǒng)。該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì) FLASH 存儲(chǔ)器的編 程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)內(nèi)置的串行 JTAG 接口，通過(guò)在系統(tǒng)編程（ ISP）和 UART0，或通過(guò)在應(yīng)用編