【正文】 sity of Sci . amp。 BootLoader用來完成整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)。 ? 對于不同的嵌入式操作系統(tǒng)， BSP的具體結(jié)構(gòu)和組成是不相同的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 14 ? 一般來說， BSP是針對某個特定的單板而設(shè)計的，系統(tǒng)都會提供相應(yīng)的演示版本的 BSP（最小系統(tǒng) BSP）。在 BSP當(dāng)中，使用一組定義好的編程接口來與 BSP進(jìn)行交互，并通過 BSP來訪問真正的硬件。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 12 圖 嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。操作系統(tǒng)層可以分為基本部分和擴(kuò)展部分，基本部分是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、存儲管理、時鐘管理和中斷管理等功能；擴(kuò)展部分為用戶提供網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面 GUI、數(shù)據(jù)庫等擴(kuò)展功能，擴(kuò)展部分的內(nèi)容可以根據(jù)系統(tǒng)的需要來進(jìn)行剪裁。 ? 嵌入式操作系統(tǒng)本身是可以剪裁的，嵌入式系統(tǒng)外設(shè)、相關(guān)應(yīng)用也可以配置，所開發(fā)的應(yīng)用軟件可以在不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的處理器芯片之間移植，軟件構(gòu)件可復(fù)用，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植。而采用嵌入式操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，在遇到強(qiáng)干擾時，可能只會引起系統(tǒng)中的某一個進(jìn)程被破壞，但這可以通過系統(tǒng)的監(jiān)控進(jìn)程對其進(jìn)行修復(fù)，系統(tǒng)具有自愈能力，不會造成系統(tǒng)崩潰。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 9 ? 2．有操作系統(tǒng)的嵌入式軟件 ? 從 20世紀(jì) 80年代開始，操作系統(tǒng)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)上。后臺程序也稱為任務(wù)級程序。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。軟件的開發(fā)可以按照自頂向下、逐步求精的方式，將系統(tǒng)要完成的功能逐級劃分成若干個小的功能模塊進(jìn)行編程，最后組合在一起。 ? （ 1）循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式 ? 循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基本設(shè)計思想是：把系統(tǒng)的功能分解為若干個不同的任務(wù)，放置在一個永不結(jié)束的循環(huán)語句當(dāng)中，按照時間順序逐一執(zhí)行。 ? 在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行在目標(biāo)平臺的（即嵌入式設(shè)備上），而對于各種軟件開發(fā)工具來說，它們大部分都運行在開發(fā)平臺（ PC機(jī)）上，運行 Windows或 Linux操作系統(tǒng)。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 5 ? 1．系統(tǒng)軟件 ? 系統(tǒng)軟件控制和管理嵌入式系統(tǒng)資源，為嵌入式應(yīng)用提供支持的各種軟件，如設(shè)備驅(qū)動程序、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式中間件等。同時，對于事件的處理一定要在限定的時間期限之前完成，否則就有可能引起系統(tǒng)的崩潰。嵌入式軟件一般都要涉及到底層軟件的開發(fā)，應(yīng)用軟件的開發(fā)也是直接基于操作系統(tǒng)的，這就要求開發(fā)人員具有扎實的軟、硬件基礎(chǔ)，能靈活運用不同的開發(fā)手段和工具，具有較豐富的開發(fā)經(jīng)驗。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 2 嵌入式軟件基礎(chǔ) ? 嵌入式軟件的特點 ? 應(yīng)用在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟件統(tǒng)稱為嵌入式軟件，作為嵌入式系統(tǒng)的一個組成部分，目前嵌入式軟件的種類和規(guī)模都得到了極大的發(fā)展，形成了一個完整、獨立的體系。除了具有通用軟件的一般特性，同時還具有一些與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)的特點，如： ? （ l）規(guī)模較小 ? 在一般情況下，嵌入式系統(tǒng)的資源多是比較有限的，要求嵌入式軟件必須盡可能地精簡，多數(shù)的嵌入式軟件都在幾 MB以內(nèi)。嵌入式軟件的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境比 PC機(jī)復(fù)雜， 嵌入式軟件是在目標(biāo)系統(tǒng)上運行的 ，而 嵌入式軟件的開發(fā)工作則是在另外的開發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)行 ，當(dāng)應(yīng)用軟件調(diào)試無誤后，再把它放到目標(biāo)系統(tǒng)上去。 ? 在航天控制、核電站、工業(yè)機(jī)器人等實時系統(tǒng)對嵌入式軟件的可靠性要求是非常高的，一旦軟件出了問題，其后果是非常嚴(yán)重的。 ? 2．應(yīng)用軟件 ? 應(yīng)用軟件是嵌入式系統(tǒng)中的上層軟件，它定義了嵌入式設(shè)備的主要功能和用途，并負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。當(dāng)程序執(zhí)行完一輪后，又回到程序的開頭重新執(zhí)行，循環(huán)不斷。循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的軟件系統(tǒng)只有一條執(zhí)行流程和一個地址空間，不需要任務(wù)之間的調(diào)度和切換，其程序的代碼都是固定的，函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系也是明確的，整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程是可預(yù)測的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 8 ? （ 2）中斷方式 ? 中斷方式又稱為 前后臺系統(tǒng)形式 ，系統(tǒng)在循環(huán)輪轉(zhuǎn)方式的基礎(chǔ)上增加了中斷處理功能。一般情形下，后臺程序會檢查每個任務(wù)是否具備運行條件，通過一定的調(diào)度算法來完成相應(yīng)的操作。如今，嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，尤其是在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在操作系統(tǒng)的上面是一些中間件軟件。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 13 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動 ? 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動層用來完成嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備所需要的一些軟件初始化和管理。在嵌入式系統(tǒng)中， BSP類似于 PC系統(tǒng)中的 BIOS和驅(qū)動程序。 BSP對于用戶（指系統(tǒng)開發(fā)人員）是開放的，用戶可以根據(jù)不同的硬件需求對其進(jìn)行改動或二次開發(fā)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。通常在系統(tǒng)上電或復(fù)位時， BootLoader程序從地址 0x00000000處開始執(zhí)行 。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 16 ? （ 1）片級初始化 ? 片級初始化是一個 純硬件的初始化過程 ，把微處理器從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。 ? （ 3）加載內(nèi)核 ? 將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的映像 從 Flash存儲器 復(fù)制到 系統(tǒng)的內(nèi)存 當(dāng)中，然后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)內(nèi)核的第一條指令處繼續(xù)執(zhí)行。 ? 不同功能的硬件設(shè)備，它們的設(shè)備驅(qū)動程序是不同的。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 18 ? 在分層結(jié)構(gòu)中，設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)分為硬件接口和調(diào)用接口兩種類型。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 嵌入式中間件是指 不包括操作系統(tǒng)內(nèi)核 、 設(shè)備驅(qū)動程序 和 應(yīng)用軟件 在內(nèi)的 所有系統(tǒng)軟件 。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 ? 2． 系統(tǒng)資源的管理者 ? EOS是一個系統(tǒng)資源的管理者，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)當(dāng)中的各種軟硬件資源，如處理器、內(nèi)存、各種 I/O設(shè)備、文件和數(shù)據(jù)等，使得整個系統(tǒng)能夠高效、可靠地運轉(zhuǎn)。其中： ? ● 任務(wù)管理：對嵌入式系統(tǒng)中的運行軟件進(jìn)行描述和管理，并完成處理機(jī)資源的分配與調(diào)度； ? ● 存儲管理：用來提高內(nèi)存的利用率，方便用戶的使用，并提供足夠的存儲空間； ? ● I/O設(shè)備管理：方便設(shè)備的使用，提高 CPU和輸入／輸出設(shè)備的利用率； ? ● 文件管理：解決文件資源的存儲、共享、保密和保護(hù)等問題。 ? 1．按系統(tǒng)的類型分類 ? 按照系統(tǒng)的類型，可以把 EOS分為商業(yè)化系統(tǒng)、專用系統(tǒng)和開放源代碼系統(tǒng)三大類。C/OS和各類嵌入式 Linux系統(tǒng)等，具有免費、開源、性能優(yōu)良、資源豐富、技術(shù)支持強(qiáng)等優(yōu)點，是近年來發(fā)展迅速的一類操作系統(tǒng) 。 RTOS可以分為硬實時和軟實時兩種情形。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在單體結(jié)構(gòu)（ monolithic）的操作系統(tǒng)中， 中間件和設(shè)備驅(qū)動程序通常就集成在系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中 ，整個系統(tǒng)通常只有一個可執(zhí)行文件，里面包含了所有的功能組件。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 26 ? 采用分層結(jié)構(gòu)（ layered）的操作系統(tǒng)內(nèi)部分為若干個層次（ 0～N），各個層次之間的調(diào)用關(guān)系是單向的，即 某一層次上的代碼只能調(diào)用比它低層的代碼 。 ? 在微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，大部分的系統(tǒng)功能被放置在內(nèi)核之外，客戶單元和服務(wù)器單元的內(nèi)存地址空間是相互獨立的，系統(tǒng)具有更高的安全性。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。C/OSII和 PalmOS等。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 29 ? 在 VxWorks操作系統(tǒng)中，主要包含有實時微內(nèi)核 Wind、 I/O處理系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、虛擬內(nèi)存模塊 VxVMI、板級支持包 BSP等功能模塊。網(wǎng)絡(luò)處理模塊能與如 TCP/IP、 NFS、 UDP、 SNMP、 FTP等許多運行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 30 ? 2．嵌入式 Linux ? 嵌入式 Linux（ Embedded Linux）是指對標(biāo)準(zhǔn) Linux進(jìn)行小型化剪裁處理之后，可固化在存儲器或單片機(jī)中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用 Linux操作系統(tǒng)。 ? ● 嵌入式 Linux是開放源碼的自由操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便地對內(nèi)核進(jìn)行修改和優(yōu)化。 ? ● μC linux主要針對沒有 MMU的微處理器； RTLinux是最早實現(xiàn)硬實時支持的 Linux版本； Embedix采用模塊化的設(shè)計方案，方便系統(tǒng)剪裁； Hard Hat Linux是一個嵌入式實時系統(tǒng)，可以針對硬件環(huán)境進(jìn)行配置，以獲得最佳的性能和最小的容量。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 32 ? Windows CE主要包含內(nèi)核模塊、內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用接口模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊和通信模塊五個功能模塊。圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊控制圖形顯示，并提供 Windows GUI圖形界面。另外，微軟公司提供了Visual 、 Embedded Visual C++、 Embedded Visual Basic等一組功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)工具，專門用于對 Windows CE操作系統(tǒng)的開發(fā)。 ? ?C/OSII內(nèi)核在 2KB ～ 10KB數(shù)量級，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)。 ?C/OSII的大部分代碼都是用 C語言寫成的，只有與處理器的硬件相關(guān)的一部分代碼采用匯編語言編寫。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 34 嵌入式系統(tǒng)的任務(wù)管理 ? 單道程序設(shè)計和多道程序設(shè)計 ? 嵌入式操作系統(tǒng)可以分為單道程序設(shè)計和多道程序設(shè)計（ muftiprogramming）兩種類型。 ? 在單道程序設(shè)計的環(huán)境下，在任何時候，系統(tǒng)中只能有一個程序在運行，因此，甲和乙這兩個程序只能一個接一個的執(zhí)行。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 35 ? 2. 多道程序設(shè)計類型 ? 采用多道程序設(shè)計的操作系統(tǒng)允許多個程序同時存在并運行，采用多道程序技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)資源的利用率。因此，在 t1到 t2期間，程序甲在使用 CPU，程序乙在使用 I/O設(shè)備。但是在 t5時刻，甲已經(jīng)使用完了 I/O設(shè)備，而乙仍然在使用 CPU，所以甲只能處于等待狀態(tài)，等到 t6時刻再交換資源。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 36 圖 單道程序與多道程序的運行過程 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。而進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序，它是由程序和該程序的運行上下文兩部分內(nèi)容組成。程序可以以文件的形式存放在硬盤或光盤上，作為一種軟件資源長期保存。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 38 ? CPU上下文：程序在運行時， CPU中含有 PC（ Program Counter，程序計數(shù)器）、 PSW（ Program Status Word, 程序狀態(tài)字）、通用寄存器、段寄存器、棧指針寄存器等各種寄存器的當(dāng)前值內(nèi)容，例如：在 PC中記錄的將要取出的指令的地址，在PSW中用于記錄處理器的運行狀態(tài)信息，通用寄存器存放的數(shù)據(jù)或地址；段寄存器存放的程序中各個段的地址；棧指針寄存器記錄的棧頂?shù)漠?dāng)前位置。進(jìn)程具有獨立性，一個進(jìn)程是一個獨立的實體，占有計算機(jī)的系統(tǒng)資源，每個進(jìn)程都有自己的運行上下文和內(nèi)部狀態(tài)，在它運行的時候獨立于其他的進(jìn)程。所謂的線程，就是進(jìn)程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。 ? 如圖 ，在一個進(jìn)程當(dāng)中，或者說在一個資源平臺上，可以同時存在多個線程。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 40 圖 線程與進(jìn)程的資源關(guān)系 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。任務(wù)具有獨立的優(yōu)先級和棧空間， CPU上下文一般也是存放在?？臻g中。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。 Tech. 電子信息工程學(xué)院 43 圖 任務(wù)的層次結(jié)構(gòu) 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。在一些具有交互功能的嵌入式系統(tǒng)中，用戶可以通過輸入命令或單擊圖標(biāo)的方式，讓系統(tǒng)啟動一個新的任務(wù)。 吳貴芳 qq:6974784 Henan Uni versity of Sci . amp。對于新創(chuàng)建的子任務(wù)來說，它可以從父任務(wù)那里繼承代碼、數(shù)據(jù)等各種屬性。 ? 當(dāng)一個任務(wù)