【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 較高。 ? DSP的理論算法在 70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專(zhuān)門(mén)的 DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò) MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚 DSP芯片。在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。 DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。 49 嵌入式 DSP處理器 ? 有代表性的產(chǎn)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(dòng)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(jīng)發(fā)展成為 DSP56000， DSP56100, DSP56200和 DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。 ? PHILIPS公司今年來(lái)也推出了基于可重置嵌入式 DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的 DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙 Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘 /累加器單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)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(shè)計(jì)技術(shù)。 ? 它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個(gè)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(lán)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(gè)個(gè)獨(dú)立的處理芯片。 ? SOC可以分為通用和專(zhuān)用兩類(lèi)。 ? 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(zhuān)用 SOC一般專(zhuān)用于某個(gè)或某類(lèi)系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA 嵌入式片上系統(tǒng) (SoC) 51 SOC體系結(jié)構(gòu) ASIC Core Memory Embedded Processor Core Analog Functions Communication Sensor Interface 52 知識(shí)產(chǎn)權(quán) 53 主要內(nèi)容 1 3 2 4 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介 嵌入式處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)典型應(yīng)用 5 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)過(guò)程 54 操作系統(tǒng)的發(fā)展 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，在發(fā)展初期并沒(méi)有操作系統(tǒng)這個(gè)概念，用戶(hù)使用監(jiān)控程序來(lái)使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源越來(lái)越豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序進(jìn)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(shí)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 55 嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 操作系統(tǒng)分類(lèi) ? 微內(nèi)核（ microkernel） ? 單晶內(nèi)核（ monolithic kernel） ? 混合內(nèi)核（ hybrid kernel） 56 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) IEEE 的實(shí)時(shí) UNIX分委會(huì)認(rèn)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn) : ?異步的事件響應(yīng) ?切換時(shí)間和中斷延遲時(shí)間確定 ?優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度 ?搶占式調(diào)度 ?內(nèi)存鎖定 ?連續(xù)文件 ?同步 57 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 總的來(lái)說(shuō)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的，能對(duì)來(lái)自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是 實(shí)時(shí)性 、 可靠性 和 靈活性 , 與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用 , 由它來(lái)管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作 ,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開(kāi)發(fā)環(huán)境。 從實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)看實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為兩種： 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 和 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 。 58 嵌入式操作系統(tǒng) ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程是通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)來(lái)完成的，即開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小 (一般在幾 K～幾十 K 內(nèi) )、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng) (在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上 )的特點(diǎn) 。 59 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 對(duì)基于芯片的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，可稱(chēng)為前后臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。 很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如微波爐、電話(huà)機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來(lái)完成。 —— 前后臺(tái)系統(tǒng) 60 ? 基本概念 中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為 ，前臺(tái)也叫中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證的。 循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成 后臺(tái)行為 ，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要差。 ISR ISR ISR ISR 后臺(tái) 前臺(tái) 中斷服務(wù)程序 時(shí) 間 —— 前后臺(tái)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(jì)算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)；操作系統(tǒng)提供用戶(hù)接口，使用戶(hù)獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶(hù)擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。 —— 操作系統(tǒng) 硬件 硬件驅(qū)動(dòng) 操作系統(tǒng) 用戶(hù)程序 62 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶(hù)的應(yīng)用程序是運(yùn)行于 RTOS之上的各個(gè)任務(wù)， RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源 (包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等 )管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在 RTOS支持的系統(tǒng)中， 每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)， RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。 —— 實(shí)時(shí)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(chēng)為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開(kāi)始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對(duì)的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪(fǎng)問(wèn)任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執(zhí)行）。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開(kāi)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(yùn)行時(shí)可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱(chēng)為資源。資源可以是輸入輸出設(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器。資源也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結(jié)構(gòu)或一個(gè)數(shù)組等。 —— 資源 65 任務(wù) A 共享資源 任務(wù) B 任務(wù) C 信號(hào)量 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 可以被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源叫做 共享資源 。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥。 —— 共享資源 訪(fǎng)問(wèn)共享資源之前申請(qǐng)信號(hào)量 其它任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)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(gè)任務(wù)，也稱(chēng)作一個(gè)線(xiàn)程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認(rèn)為 CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括如何把問(wèn)題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套 CPU寄存器和自己的棧空間。 —— 任務(wù) 67 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即 CPU寄存器中的全部?jī)?nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入 CPU的寄予存器，并開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為任務(wù)切換。這個(gè)過(guò)程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于 CPU有多少寄存器要入棧。 —— 任務(wù)切換 68 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配 CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如 2％～ 5％的 CPU運(yùn)行時(shí)間、 RAM和 ROM等。 內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等。 —— 內(nèi)核 69 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。 調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。 多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法指 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)掌握 CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類(lèi)型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。 —— 調(diào)度 70 嵌入式操作系統(tǒng) ? 基本概念 非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄 CPU 的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱(chēng)作合作型多任務(wù)，各個(gè)