【正文】 大多數(shù) RTOS要求有較高的可靠性，要求系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失。可預(yù)測(cè)性是 RTOS的一項(xiàng)重要性能要求。 14:32 30 RTOS特點(diǎn) 執(zhí)行順序約束是指各任務(wù)的啟動(dòng)和執(zhí)行必須滿足一定的時(shí)間和順序約束。時(shí)間約束性可分為 “ 硬實(shí)時(shí) ” 和 “ 軟實(shí)時(shí) ” 。 RTOS的正確性不僅依賴于系統(tǒng)計(jì)算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的時(shí)間。 14:32 27 實(shí)時(shí)系統(tǒng) (RTOS) RTOS（ Realtime operating system，實(shí)時(shí)系統(tǒng)）在航空、航天、工業(yè)過(guò)程控制、武器防御系統(tǒng)、自動(dòng)化導(dǎo)航／控制系統(tǒng)、醫(yī)療、信息檢索、銀行、多媒體系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 嵌入式文件系統(tǒng)以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，如設(shè)置、修改對(duì)文件和目錄的存取權(quán)限，提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)，提供創(chuàng)建、打開(kāi)、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。 EOS除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能外，還具有：實(shí)時(shí)性；支持開(kāi)放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)，可裁減性；提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口；操作方便、簡(jiǎn)單的圖形 GUI和界面；支持 TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供統(tǒng)一的 MAC訪問(wèn)層接口，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)；嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要用戶過(guò)多的干預(yù)；嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng) ROM中；具有良好的硬件適應(yīng)性（可移植性）。 14:32 22 （ 2）硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由 BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由 BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。 14:32 21 （ 1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化 系統(tǒng)初始化過(guò)程按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次可分為片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化 3個(gè)主要環(huán)節(jié)。不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)， BSP需要為不同的操作系統(tǒng)提供特定的硬件接口形式。 ③ 輔助存儲(chǔ)器指硬盤、 NAND Flash、 CF卡、 MMC和 SD卡等，存放大容量的程序代碼或信息，容量較大，但讀取速度較慢。 Cache集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分?jǐn)?shù)據(jù) Cache、指令 Cache或混合 Cache。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。 嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可采用馮 14:32 14 嵌入式系統(tǒng)組成 14:32 15 典型的嵌入式系統(tǒng)組成 應(yīng)用程序 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS） 輸入輸出接口 處理器 /ARM核 MMU/Cache SOC/SOPC USB GPIO IIS LCD UART和 IrDA ADC/DAC FPGA/CPLD DSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器 DMA 電源管理 人機(jī)交互接口 LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、 HAL、 BSP 文件系統(tǒng) /圖形用戶應(yīng)用程序接口 中間層 OS層 應(yīng)用層 軟件 硬件 以太網(wǎng) 看門狗及復(fù)位電路 Timer/RTC CAN Flash EEPROM DRAM SRAM 內(nèi)存 14:32 16 硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（ SDRAM、 ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和 I/O接口（ A/D、 D/A、 I/O等）。 ARM、 Rambus和 MIPS在十大 IP供應(yīng)商排行中居前 3位。 14:32 12 IP核 IP軟核以源代碼的形式提供的， IP知識(shí)產(chǎn)權(quán)不易保護(hù)。 14:32 10 (Intellectual Property Core知識(shí)產(chǎn)權(quán)核 ) SOC（ System On Chip，片上系統(tǒng)）是 90年代中期出現(xiàn)的一個(gè)概念，并成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 （ 2） Linux、 Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)迅速發(fā)展。 （ 4）面向 Inter階段 進(jìn)入 21世紀(jì)， Inter技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式技術(shù)與 Inter技術(shù)的結(jié)合正在推動(dòng)著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展。一些簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展，程序設(shè)計(jì)人員也開(kāi)始基于一些簡(jiǎn)單的 “ 操作系統(tǒng) ” 開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件。 國(guó)內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)定義 : 目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 14:32 6 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 1．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史 從單片機(jī)的出現(xiàn)到各種嵌入式微處理器、微控制器的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以追溯到 20世紀(jì) 60年代中期，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下 4個(gè)階段。此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡(jiǎn)單，但已經(jīng)初步具有了一定的兼容性和擴(kuò)展性，內(nèi)核精巧且效率高，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率。 14:32 9 面對(duì)嵌入式技術(shù)與 Inter技術(shù)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用在飛速發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加便于移植，具有源代碼開(kāi)放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等特點(diǎn)，能在短時(shí)間內(nèi)支持更多的微處理器。 SOC是指在單芯片上集成數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊，可以直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理等功能。IP硬核易于實(shí)現(xiàn) IP保護(hù)，缺點(diǎn)是靈活性和可移植性差。 14:32 13 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)通常由包含有 嵌入式處理器 、 嵌入式操作系統(tǒng) 、 應(yīng)用軟件 和 外圍設(shè)備接口 的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置（被控對(duì)象）組成。硬件層通常是一個(gè)以嵌入式處理器為中心的，包含有電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路的電路模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都固化在模塊的 ROM中。諾依曼體系結(jié)構(gòu)或哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)可選用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（ RISC）或復(fù)雜指令集系統(tǒng)（ CISC）。 14:32 18 （ 2）存儲(chǔ)器 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含 Cache、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。 ② 主存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)、用戶程序和數(shù)據(jù)。 14:32 19 （ 3）通用設(shè)備接口和 I/O接口 嵌入式系統(tǒng)通常具有與外界交互所需要的各種通用設(shè)備接口，如 GPIO（通用 I/O接口）、 A/D（模 /數(shù)轉(zhuǎn)換接口）、 D/A（數(shù) /模轉(zhuǎn)換接口）、 RS232接口（串行通信接口）、Ether（以太網(wǎng)接口）、 USB（通用串行總線接口）、 I2C、IIS（音頻接口）、 VGA視頻輸出接口、 CAN（現(xiàn)場(chǎng)總線）、SPI（串行外圍設(shè)備接口）和 IrDA（紅外線接口）等。 BSP使上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù) BSP層提供的接口即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 ① 片級(jí)初始化是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程，包括設(shè)置微處理器的核心寄存器和控制寄存器、工作模式、局部總線模式等，把微處理器設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)； ② 板級(jí)初始化包含軟、硬件的初始化過(guò)程，完成微處理器以外硬件設(shè)備的初始化，設(shè)置軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境； ③ 系統(tǒng)級(jí)初始化主要是操作系統(tǒng)初始化。 14:32 23 系統(tǒng)軟件層通常包含有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（ Realtime Operation System， RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（ Graphic User Interface， GUI）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。 14:32 25 （ 2）文件系統(tǒng) 嵌入式文件系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不完全相同，主要提供文件存儲(chǔ)、檢索和更新等功能，一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。 14:32 26 （ 3）圖形用戶接口（ GUI） GUI使用戶可通過(guò)窗口、菜單、按鍵等方式來(lái)方便地操作計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)。 RTOS與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，要求系統(tǒng)中的任務(wù)不但執(zhí)行結(jié)果要正確，而且必須在一定的時(shí)間約束（ Deadline）內(nèi)完成。 14:32 29 （ 1）約束性 RTOS任務(wù)的約束包括時(shí)間、資源、執(zhí)行順序和性能約束。 硬實(shí)時(shí) 是指在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關(guān)鍵領(lǐng)域中應(yīng)用的系統(tǒng)，時(shí)間要求必須能夠得到完全滿足，否則將造成不可預(yù)計(jì)的結(jié)果。例如，在分布式端到端（ endtoend）實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，同一任務(wù)的各子任務(wù)之間存在前驅(qū) /后繼約束關(guān)系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來(lái)管理子任務(wù)的啟動(dòng)和控制子任務(wù)的執(zhí)行，使它們滿足時(shí)間約束和系統(tǒng)可調(diào)度性要求。可預(yù)測(cè)性包括硬件時(shí)延的可預(yù)測(cè)性和軟件系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性（包括應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測(cè)的，以及操作系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性）。可靠性是 RTOS的重要性能指標(biāo)。 14:32 32 給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程就是調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都有優(yōu)先級(jí)，任何時(shí)候具有最高優(yōu)先級(jí)且已啟動(dòng)的任務(wù)先執(zhí)行。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度器只需根據(jù)這張時(shí)刻表啟動(dòng)相應(yīng)的任務(wù)即可。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度又稱為固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度。 14:32 35 5．實(shí)時(shí)任務(wù)分類 實(shí)時(shí)任務(wù)的分類方法有多種，根據(jù)任務(wù)的周期劃分，可以分為周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)和非周期任務(wù) 3類。 14:32 37 嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu) 馮 諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)由 CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成，其程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。 目前使用馮．諾依曼結(jié)構(gòu)的 CPU和微控制器品種有很多，例如Intel公司的 8086系列及其他 CPU， ARM公司的 ARM MIPS公司的MIPS處理器等。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的物理空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊，具有較高的執(zhí)行效率。在 CISC中，為了支持目標(biāo)程序的優(yōu)化，支持高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序，增加了許多復(fù)雜的指令，用一條指令來(lái)代替一串指令。 14:32 41 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ Reduced Instruction Set Computer， RISC）體系結(jié)構(gòu)是 20世紀(jì) 80年代提出來(lái)的。 5）增加 CPU中通用寄存器數(shù)量，算邏運(yùn)算的操作數(shù)在通用寄存器中存取； 6）大部分指令控制在一個(gè)或小于一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成?，F(xiàn)代的 CPU往往采用 CISC的外圍，內(nèi)部加入了 RISC的特性，如超長(zhǎng)指令集 CPU就是融合了 RISC和 CISC的兩者的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)的 CPU發(fā)展方向之一。 在流水線技術(shù)中，流水線要求可分成若干相互聯(lián)系的子過(guò)程，實(shí)現(xiàn)子過(guò)程的功能所需時(shí)間盡可能相等。按數(shù)據(jù)表示分類 ,可分為標(biāo)量流水線處理器和向量流水線處理器。指令流水線處理的時(shí)空?qǐng)D如圖 ,其中的 5表示要處理的 5條指令。如果流水線的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率 P應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù) . （ 2）建立時(shí)間 流水線開(kāi)始工作，須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到最大吞吐率，這就是建立時(shí)間。 地址 0x6000 0x6001 0x6002 0x6003 數(shù)據(jù) (十六進(jìn)制 ) 0x89 0x67 0x45 0x23 數(shù)據(jù)（二進(jìn)制） 01100111 01000101 00100011 00000001 地址 0x6000 0x6001 0x6002 0x6003 數(shù)據(jù) (十六進(jìn)制 ) 0x23 0x45 0x67 0x89 數(shù)據(jù)（二進(jìn)制） 00000001 00100011 01000101 01100111 （ a）小端存儲(chǔ)法 （ b）大端存儲(chǔ)法 14:32 48 大端和小端存儲(chǔ)法 采用大端存儲(chǔ)法還是小端存儲(chǔ)法，各處理器廠商的立場(chǎng)和習(xí)慣不同，并不存在技術(shù)原因。不過(guò)，當(dāng)不同存儲(chǔ)模式的微處理器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，在有些情況下，字節(jié)順序會(huì)成為問(wèn)題 . 14:32 49 當(dāng)在不同存儲(chǔ)順序的微處理器間進(jìn)行程序移植時(shí)，要特別注意存儲(chǔ)模式的影響。使用多種存儲(chǔ)方式不需要對(duì)數(shù)據(jù)的原順序進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得編碼容易，同時(shí)當(dāng)編碼器和解碼器采用同一種存儲(chǔ)方式時(shí)因?yàn)椴恍枰儞Q字節(jié)順序，也能提高通信效率。這取決于 OSI模型最底層的數(shù)據(jù)鏈路層。在 ISO 8601中年份必須用 4位數(shù)字表示，月份和日數(shù)分別用兩位表示。 嵌入式微處理器的字長(zhǎng)寬度可分為 4位、 8位、 16位、 32位和64位。 根據(jù)用途，可分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式 DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、雙核或多核處理器等類型。 14:32 55 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器（ Embedded Micro Processing Unit， EMPU）由通用計(jì)算機(jī)中的 CPU發(fā)展而來(lái)，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有千種以上。 ARM處理器系列中的各種處理器，雖然在實(shí)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用