【文章內容簡介】 較高。 ? DSP的理論算法在 70年代就已經出現(xiàn)，但是由于專門的 DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過 MPU等由分立元件實現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚 DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。 DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。 49 嵌入式 DSP處理器 ? 有代表性的產品是 Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的 DSP56000系列。 ? TMS320系列處理器包括用于控制的 C2022系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的 C6000和 C8000系列。 ? Motorola公司的 DSP56000已經發(fā)展成為 DSP56000， DSP56100, DSP56200和 DSP56300等幾個不同系列的處理器。 ? PHILIPS公司今年來也推出了基于可重置嵌入式 DSP結構低成本、低功耗技術上制造的 DSP處理器，特點是具備雙 Harvard結構和雙乘 /累加器單元，應用目標是大批量消費類電子產品。 50 ? SoC就是 System on Chip， SoC是一種基于 IP（ Intellectual Property）核嵌入式系統(tǒng)設計技術。 ? 它結合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上， ARM RISC、 MIPS RISC、 DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，例如通用串行端口（ USB）、 TCP/IP通信單元、 GPRS通信接口、 GSM通信接口、 IEEE139藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。 ? SOC可以分為通用和專用兩類。 ? 通用系列包括 Infineon(Siemens)的 TriCore， Motorola的 MCore，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的 Neuron芯片等。 ? 專用 SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產品是 Philips的 Smart XA 嵌入式片上系統(tǒng) (SoC) 51 SOC體系結構 ASIC Core Memory Embedded Processor Core Analog Functions Communication Sensor Interface 52 知識產權 53 主要內容 1 3 2 4 嵌入式系統(tǒng)簡介 嵌入式處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)典型應用 5 嵌入式系統(tǒng)的基本設計過程 54 操作系統(tǒng)的發(fā)展 ? 計算機系統(tǒng)由硬件和軟件構成，在發(fā)展初期并沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機系統(tǒng)的硬件、軟件資源越來越豐富，監(jiān)控程序已不能適應計算機應用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序進一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)。到目前為止，主流的操作系統(tǒng)有三種：多道批處理、分時和實時操作系統(tǒng)。 55 嵌入式操作系統(tǒng)結構 ? 操作系統(tǒng)分類 ? 微內核（ microkernel） ? 單晶內核（ monolithic kernel） ? 混合內核（ hybrid kernel） 56 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實時操作系統(tǒng)的特點 IEEE 的實時 UNIX分委會認為實時操作系統(tǒng)應具備以下的幾點 : ?異步的事件響應 ?切換時間和中斷延遲時間確定 ?優(yōu)先級中斷和調度 ?搶占式調度 ?內存鎖定 ?連續(xù)文件 ?同步 57 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實時操作系統(tǒng)的特點 總的來說實時操作系統(tǒng)是事件驅動的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是 實時性 、 可靠性 和 靈活性 , 與實時應用軟件相結合成為有機的整體起著核心作用 , 由它來管理和協(xié)調各項工作 ,為應用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 從實時系統(tǒng)的應用特點來看實時操作系統(tǒng)可以分為兩種： 一般實時操作系統(tǒng) 和 嵌入式實時操作系統(tǒng) 。 58 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實時操作系統(tǒng)的特點 一般實時操作系統(tǒng) 應用于實時處理系統(tǒng)的上位機和實時查詢系統(tǒng)等實時性較弱的實時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調試、運用一致的環(huán)境。 嵌入式實時操作系統(tǒng) 應用于實時性要求高的實時控制系統(tǒng)，而且應用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運行環(huán)境是不一致。嵌入式實時操作系統(tǒng)具有規(guī)模小 (一般在幾 K～幾十 K 內 )、可固化使用實時性強 (在毫秒或微秒數(shù)量級上 )的特點 。 59 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 對基于芯片的開發(fā)來說，應用程序一般是一個無限的循環(huán)，可稱為前后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 很多基于微處理器的產品采用前后臺系統(tǒng)設計，例如微波爐、電話機、玩具等。在另外一些基于微處理器應用中，從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機狀態(tài)，所有事都靠中斷服務來完成。 —— 前后臺系統(tǒng) 60 ? 基本概念 中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為 ，前臺也叫中斷級。時間相關性很強的關鍵操作一定是靠中斷服務程序來保證的。 循環(huán)中調用相應的函數(shù)完成相應的操作，這部分可以看成 后臺行為 ，后臺也可以叫做任務級。這種系統(tǒng)在處理的及時性上比實際可以做到的要差。 ISR ISR ISR ISR 后臺 前臺 中斷服務程序 時 間 —— 前后臺系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) 61 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 操作系統(tǒng)是計算機中最基本的程序。操作系統(tǒng)負責計算機系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調等并發(fā)的活動；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。 —— 操作系統(tǒng) 硬件 硬件驅動 操作系統(tǒng) 用戶程序 62 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 實時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應用程序是運行于 RTOS之上的各個任務， RTOS根據(jù)各個任務的要求，進行資源 (包括存儲器、外設等 )管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。在 RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個任務均有一個優(yōu)先級， RTOS根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務，保證對實時性的要求。 —— 實時操作系統(tǒng)（ RTOS） 63 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼，運行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對的，如果中斷不調用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個中斷可能可以執(zhí)行）。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進入臨界區(qū)之前要關中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。 —— 代碼的臨界區(qū) 64 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入輸出設備，例如打印機、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個變量、一個結構或一個數(shù)組等。 —— 資源 65 任務 A 共享資源 任務 B 任務 C 信號量 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 可以被一個以上任務使用的資源叫做 共享資源 。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個任務在與共享資源打交道時，必須獨占該資源，這叫做互斥。 —— 共享資源 訪問共享資源之前申請信號量 其它任務訪問受阻 而不能使用共享資源 得到允許后，才能使用共享資源 66 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 一個任務，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認為 CPU完全屬于該程序自己。實時應用程序的設計過程，包括如何把問題分割成多個任務，每個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套 CPU寄存器和自己的?？臻g。 —— 任務 67 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 當多任務內核決定運行另外的任務時，它保存正在運行任務的當前狀態(tài)，即 CPU寄存器中的全部內容。這些內容保存在任務的當前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個將要運行的任務的當前狀態(tài)從任務的棧中重新裝入 CPU的寄予存器，并開始下一個任務的運行。這個過程就稱為任務切換。這個過程增加了應用程序的額外負荷。CPU的內部寄存器越多，額外負荷就越重。做任務切換所需要的時間取決于 CPU有多少寄存器要入棧。 —— 任務切換 68 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 多任務系統(tǒng)中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配 CPU時間，并且負責任務之間的通信。內核提供的基本服務是任務切換。使用實時內核可以大大簡化應用系統(tǒng)的設計，是因為實時內核允許將應用分成若干個任務，由實時內核來管理它們。內核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如 2％～ 5％的 CPU運行時間、 RAM和 ROM等。 內核提供必不可少的系統(tǒng)服務，如信號量、消息隊列、延時等。 —— 內核 69 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 調度是內核的主要職責之一。 調度就是決定該輪到哪個任務運行了。 多數(shù)實時內核是基于優(yōu)先級調度法的。每個任務根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級。基于優(yōu)先級的調度法指 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務先運行。然而究竟何時讓高優(yōu)先級任務掌握 CPU的使用權，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，是非占先式的還是占先式的內核。 —— 調度 70 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 非占先式內核要求每個任務自我放棄 CPU 的所有權。非占先式調度法也稱作合作型多任務，各個