【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 無(wú)操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)一般稱(chēng)之為“前后臺(tái)”系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)一般可以抽象為如圖 (a)所示結(jié)構(gòu)。前臺(tái)程序通常是中斷服務(wù)子程序，而后臺(tái)通常是一個(gè)無(wú)限循環(huán)程序，程序中各功能模塊之間的交叉、耦合比較緊密，分解起來(lái)比較困難，程序結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。這種模式的程序設(shè)計(jì)常常是串行的，開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng)，不利于軟件的工程化設(shè)計(jì)，但有需求系統(tǒng)資源少、適合小程序設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)?；?RTOS支持的系統(tǒng)，其程序結(jié)構(gòu)通常如圖 (b)所示，程序中的各功能模塊可以很容易地分解為各自獨(dú)立的任務(wù)，任務(wù)與任務(wù)之間的通信與控制可以通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。程序設(shè)計(jì)可以采用并行開(kāi)發(fā)模式，非常適合于大規(guī)模、工程化的程序設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是操作系統(tǒng)需要占用一部分資源。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 圖 嵌入式系統(tǒng)的兩種程序結(jié)構(gòu) 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 硬件抽象層 硬件抽象層隱藏特定平臺(tái)的硬件接口細(xì)節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái)，使其具有硬件無(wú)關(guān)性，可在多種平臺(tái)上進(jìn)行移植。 在嵌入式系統(tǒng)中，硬件抽象層多以 BSP(Board Support Package，板級(jí)支持包 )的形式實(shí)現(xiàn)，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的操作。 BSP包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊，如相關(guān)底層硬件的初始化與配置、數(shù)據(jù)的輸入 /輸出操作等功能。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 關(guān)于 BSP還存在幾種不同的理解： (1) ?BSP是操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。最著名例子就是風(fēng)河系統(tǒng)公司，它傾向于這種理解。 (2) 一些嵌入式系統(tǒng)的供應(yīng)商提供的驅(qū)動(dòng)程序也常稱(chēng)為BSP。 (3) ?BSP是板級(jí)開(kāi)發(fā)工具，因?yàn)樵谀承?BSP中往往還包括了程序編輯器、編譯連接器、嵌入式操作系統(tǒng)、底層支持庫(kù)等。 一般嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者常常將 BSP理解為 HAL，本書(shū)采用這樣的理解。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中， BSP是一個(gè)不可或缺的組成部分，操作系統(tǒng)啟動(dòng)以前的初始化工作主要由 BSP完成。盡管目前沒(méi)有統(tǒng)一的定義，但其主要功能一般可以歸納為初始化和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，包括如下內(nèi)容。 (1) 片級(jí)初始化。片級(jí)初始化主要對(duì) CPU進(jìn)行初始化，包括設(shè)置 CPU的存儲(chǔ)器地址范圍、堆棧指針、程序指針、數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、端口輸入 /輸出模式、時(shí)鐘頻率設(shè)置、設(shè)置中斷等。片級(jí)初始化的過(guò)程就是把 CPU從上電時(shí)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)。這個(gè)過(guò)程只包含對(duì)硬件的初始化。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (2) 板級(jí)初始化。板級(jí)初始化主要對(duì) CPU外部其它硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，為隨后的操作系統(tǒng)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立條件，如配置程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)等。這個(gè)過(guò)程包含對(duì)硬件和軟件的初始化。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (3) 操作系統(tǒng)初始化。操作系統(tǒng)初始化主要為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。在這個(gè)過(guò)程中， BSP把嵌入式 CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，如加載和初始化與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。操作系統(tǒng)初始化不是 BSP的主要工作，而是由 BSP發(fā)起的， BSP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要在于片級(jí)初始化和板級(jí)初始化。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法 目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程模型有很多，如瀑布模型、快速原型模型、螺旋模型、噴泉模型、智能模型、混合模型、增量模型、 WINWIN模型、并行開(kāi)發(fā)模型、基于體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)模型、基于構(gòu)建的開(kāi)發(fā)模型和 XP方法等等，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象復(fù)雜度和個(gè)人愛(ài)好，靈活地選擇不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 一般地，嵌入式系統(tǒng)可以采用自頂向下的方法，從對(duì)系統(tǒng)最抽象的描述開(kāi)始，一步一步地推進(jìn)到細(xì)節(jié)內(nèi)容；也可以采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)的各個(gè)細(xì)節(jié)內(nèi)容反推，最后將整個(gè)系統(tǒng)集成起來(lái)。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法常常交叉使用。本節(jié)將采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，以一種數(shù)字兆歐表的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)描述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程。如圖 ，設(shè)計(jì)一般可分為四個(gè)階段，第一階段是總體設(shè)計(jì)階段，第二階段是軟 /硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，第三階段是系統(tǒng)集成階段，最后是系統(tǒng)測(cè)試階段。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 圖 基本流程 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)階段，是整個(gè)設(shè)計(jì)的奠基石。其任務(wù)是確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，也就是確定做什么、關(guān)鍵技術(shù)是什么，而不是確定如何做。這一階段的任務(wù)常常通過(guò)如下幾個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 首先是需求分析，收集系統(tǒng)的非形式描述。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如數(shù)據(jù)打印或顯示、輸入 /輸出接口、控制方式、操作方式等；非功能性需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。為了使需求分析的結(jié)果簡(jiǎn)潔、直觀(guān)、易懂，一般可用表 。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 表 數(shù)字兆歐表需求分析 項(xiàng) 目 說(shuō) 明 系統(tǒng)名稱(chēng) 數(shù)字兆歐表 設(shè)計(jì)目標(biāo) 用于測(cè)量絕緣電阻的電子儀器 系統(tǒng)輸入 / 輸出 輸出： 5 位數(shù)字 LCD 顯示 輸入： 1 個(gè)電源開(kāi)關(guān)， 2 個(gè)表筆 功能描述 能夠全自動(dòng)、高精度測(cè)量絕緣電阻，測(cè)量范圍 為 0 ～ 999 MΩ 制造成本 不計(jì) 功耗 不計(jì) 體積和重量 不計(jì) 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 其次是規(guī)格說(shuō)明，它是對(duì)需求的提煉，比需求更精確。它應(yīng)該包含系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的足夠信息，是對(duì)需求分析中所涉及問(wèn)題的進(jìn)一步細(xì)化。規(guī)格說(shuō)明的主要用途是：① 作為整個(gè)設(shè)計(jì)所必須遵循的指導(dǎo)原則和設(shè)計(jì)目標(biāo)；② 作為測(cè)試和驗(yàn)收的原則。規(guī)格說(shuō)明應(yīng)力求準(zhǔn)確、完整、全面、明確，不能有歧義。如果在某個(gè)特定狀況下的某些行為在規(guī)格說(shuō)明中不明確，那么設(shè)計(jì)者就有可能設(shè)計(jì)出錯(cuò)誤的功能；如果規(guī)格說(shuō)明的全局特征不正確或者不完整，那么由該規(guī)格說(shuō)明建造的整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就很難符合現(xiàn)實(shí)的要求。例如兆歐表的設(shè)計(jì)，需要細(xì)化的規(guī)格如下： 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (1) ?LCD顯示的具體內(nèi)容，給出開(kāi)機(jī)畫(huà)面、開(kāi)機(jī)自檢顯示和測(cè)量顯示內(nèi)容等； (2) 測(cè)量響應(yīng)時(shí)間； (3) 測(cè)量精度、分辨率、靈敏度、量程等； (4) 系統(tǒng)量程控制模式，如量程等級(jí)劃分方法、量程自動(dòng)分段等； (5) 系統(tǒng)功率控制模式，如多少時(shí)間內(nèi)自動(dòng)關(guān)機(jī)； (6) 系統(tǒng)使用的適用環(huán)境等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 通過(guò)規(guī)格說(shuō)明，可以得出更加細(xì)化的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)如下。 (1) 液晶顯示屏： LMS0192， 160? ?64點(diǎn)陣； (2) 測(cè)量響應(yīng)時(shí)間： ≤2 s； (3) 測(cè)量及分段方式：自動(dòng)、 3擋 (0～ 9 MΩ、 9～ 99 MΩ、99～ 999 MΩ)； (4) 測(cè)量精度：每擋滿(mǎn)刻度值 ? 177。 2%； (5) 分辨率：每段滿(mǎn)刻度值 ? 1%； (6) 靈敏度： 100 kΩ； (7) 功率控制模式： 30 s無(wú)測(cè)量自動(dòng)關(guān)機(jī)； (8) 適用環(huán)境：工作溫度為 20～ 45℃ ，相對(duì)濕度為 95%。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 再次是關(guān)鍵技術(shù)分析。關(guān)鍵技術(shù)分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。它是從需求分析和規(guī)格說(shuō)明中提煉出來(lái)的，主要描述如何保障實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵功能指標(biāo)的具體理論方法。例如，對(duì)一般的測(cè)量系統(tǒng)，主要的技術(shù)指標(biāo)是測(cè)量精度、分辨率和靈敏度。在本例系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先查找資料，總結(jié)當(dāng)前電阻測(cè)量有哪幾種方法，各種測(cè)量方法有何優(yōu)缺點(diǎn)，然后再選擇一種合適的測(cè)量方法，最后根據(jù)選定的測(cè)量方法從理論上分析計(jì)算測(cè)量精度、分辨率和靈敏度如何保障。解決關(guān)鍵技術(shù)的一般流程如圖 。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 圖 解決關(guān)鍵技術(shù)的一般流程 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 最后是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。體系結(jié)構(gòu)是總體設(shè)計(jì)中的一個(gè)計(jì)劃，它根據(jù)需求描述、規(guī)格說(shuō)明和關(guān)鍵技術(shù)分析，來(lái)選定整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)架及系統(tǒng)基本組件。一般嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為四層，即硬件環(huán)境層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層。 首先可以從硬件環(huán)境層入手，當(dāng)然設(shè)計(jì)硬件環(huán)境時(shí)，也必須綜合軟件環(huán)境的因素。硬件方面需要考慮的問(wèn)題如下： 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (1) 嵌入式 CPU的選擇，選擇 CPU的時(shí)候應(yīng)該考慮 CPU的資源是否能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求，如 RAM、 ROM的容量是否滿(mǎn)足操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的需求，中斷源、時(shí)鐘、外設(shè)、I/O口的數(shù)量等，然后還要考慮 CPU的價(jià)格、是否容易購(gòu)買(mǎi)、是否容易開(kāi)發(fā)、是否比較容易得到技術(shù)支持等； (2) 外圍芯片的選擇； (3) 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的配置； (4) 系統(tǒng)內(nèi)部和外部總線(xiàn)的選擇； 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 (5) 模擬器件的選擇； (6) 顯示器件的選擇； (7) 電源的選擇。 然后是確定軟件的配置問(wèn)題。在軟件方面常需要考慮的問(wèn)題如下： (1) 操作系統(tǒng)的選擇； (2) 需要編寫(xiě)哪些軟件模塊； (3) 是否需要數(shù)據(jù)庫(kù)的支持。 軟 /硬件環(huán)境選擇完畢后，就可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟 /硬件結(jié)構(gòu)框圖了。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 軟 /硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 當(dāng)上述過(guò)程完成以后，就可以根據(jù)所選定的軟 /硬件模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)了。為了縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，軟件和硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程可以同時(shí)展開(kāi)。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，各個(gè)軟 /硬件模塊可以采用單獨(dú)設(shè)計(jì)、單獨(dú)調(diào)試的方法進(jìn)行，每個(gè)模塊都調(diào)試成功后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。而對(duì)熟練的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，就另當(dāng)別論了。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 系統(tǒng)集成 當(dāng)各個(gè)軟 /硬件組件都設(shè)計(jì)完畢后，還要將它們合并到一起，得到一個(gè)完整的系統(tǒng)，這樣才能運(yùn)行。當(dāng)然，這個(gè)階段并不是僅僅把所有的東西簡(jiǎn)單地聯(lián)結(jié)在一起，而是通過(guò)系統(tǒng)集成進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并及時(shí)修改錯(cuò)誤。這階段的測(cè)試與調(diào)試主要是功能性的，即測(cè)試電路是否正常工作、軟件是否正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中，一次就成功的例子是很少的，往往需要反復(fù)多次，特別是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)大的系統(tǒng)更是這樣。測(cè)試的主要方法可以按階段組件架構(gòu)進(jìn)行，這樣可能更容易發(fā)現(xiàn)和識(shí)別簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 只有在早期修正這些簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤，才能在以后的系統(tǒng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)那些只有在系統(tǒng)高負(fù)荷時(shí)才能確定的、比較復(fù)雜或是含混的錯(cuò)誤。必須確保在體系結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件設(shè)計(jì)階段，盡可能容易地按階段組裝系統(tǒng)和相對(duì)獨(dú)立地測(cè)試系統(tǒng)功能。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 系統(tǒng)測(cè)試 一般地，在系統(tǒng)集成階段發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤往往都屬于簡(jiǎn)單的、單元性的錯(cuò)誤，系統(tǒng)集成成功表明系統(tǒng)軟 /硬件流程是可以正常執(zhí)行的，但并不一定表示能夠完全符合設(shè)計(jì)規(guī)格的要求。系統(tǒng)測(cè)試階段主要是進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)規(guī)格的測(cè)試，例如測(cè)試兆歐表的精度、分辨率、靈敏度、功耗等。這些指標(biāo)在系統(tǒng)集成階段一般是不測(cè)試的，只有系統(tǒng)完善后才能進(jìn)行有效的測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試前必須做好準(zhǔn)備、寫(xiě)出詳細(xì)的測(cè)試方案，包括測(cè)試儀器、測(cè)試電路原理、測(cè)試的詳細(xì)步驟等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 嵌入式操作系統(tǒng)概述 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使開(kāi)發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái)；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴(lài)性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專(zhuān)用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)比較明顯的階段。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 第一階段：無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒(méi)有用戶(hù)接口，比較適合于各類(lèi)專(zhuān)用領(lǐng)域。 第二階段：以嵌入式 CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 CPU 種類(lèi)繁多，通用性比較差；系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專(zhuān)業(yè)，用戶(hù)界面不夠友好；操作系統(tǒng)主要用來(lái)控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 第三階段：通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段。以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于各種類(lèi)型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶(hù)界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論 第四階段：以 Inter為標(biāo)志的嵌入式實(shí)時(shí)操