【導(dǎo)讀】嵌入式處理器內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)，具有實時性、低成本、小型。于PC的系統(tǒng)非實時性的缺點。隨著嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，其。應(yīng)用領(lǐng)域必將更為廣闊，嵌入式系統(tǒng)的研究將會有非常廣泛的前景。高對嵌入式系統(tǒng)的理解具有重要意義。本課題以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理和實。際應(yīng)用為核心，從理論上和技術(shù)方法上開展了一系列研究。方案，包括各個設(shè)計模塊的選型與接口電路的設(shè)計;特定條件下µC/OS-II的實時響應(yīng)參數(shù)。作系統(tǒng)的擴展以及對各個模塊的驅(qū)動。的移植，為今后嵌入式系統(tǒng)的后繼開發(fā)提供了一個嵌入式平臺。

　　

【正文】 通用型和對以后的開發(fā)有幫助，在系統(tǒng)上還添加了 USB從設(shè)備接口、 SPI/SPP、 IIC、 LED、 A/D、 D/A、按鍵、 MODEM和 GPRS模塊的接口。通過 USB可以傳送 大量高速數(shù)據(jù) ，當采用 協(xié)議時，理論傳輸速 度可以達 到 12Mbps。按鍵輸入 部分可以使用芯片 9個外部中斷引腳 ，也可以使用 幾個通用 I/O口做 成掃描方式的鍵盤。本系統(tǒng)擴展 一塊小的 CAT1025（內(nèi)含復(fù) 位功能 ）來完成 IIC總線用來試驗，加入 幾個 LED是為了實 現(xiàn)在系統(tǒng)研發(fā)時 進行簡單的調(diào)試。 系統(tǒng)軟件的選擇 在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 鍵，也是計算機技術(shù) 最活躍的研究方 向之一。 不同 的應(yīng)用對嵌入式軟件系統(tǒng)有不同的要求，并且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，這些要求也在不斷的變化。通常 ，應(yīng)用系統(tǒng)對 嵌入式軟件的基 本要求是體積小、執(zhí)行速度快、具有較好的可裁減性和可 移植性。 嵌入式軟件工程師總是幾乎完全從零開始開發(fā)應(yīng)用程序。為什么會那樣 ？ 如果 從 硬件工 程師那里取點經(jīng) 的話可能大有裨 益。他們開始做一項新設(shè)計時，總是選擇現(xiàn)成的集成電路，只有到最后不得已時才自己設(shè)計邏輯電路。因此，對我們來說，重用他人的工作成果以達到 目標的第 一步就 是要選 擇一種實 時操作 系統(tǒng)（ RTOS）。然而當你選擇 RTOS 時很有一些需要 考慮的問題，一 個清晰的思路無疑有助于成功 的做出 決定 。 所以在進 行軟件開發(fā)之前 ，必須走好嵌入式實時操作系統(tǒng)選型這關(guān)鍵的一步。 實時操作系統(tǒng)的選型原則 嵌入式系統(tǒng)覆蓋面很廣，從簡單到復(fù)雜 度很高的 系統(tǒng)都有，這主要是由具體應(yīng)用要求決定的。簡單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個控制循 環(huán)。但是，當系統(tǒng)變的越來越 復(fù)雜時，為了合理的調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和用戶自定義函數(shù)接口，就必須 選擇一個嵌入式 操作系統(tǒng)來支持 ，否則 ，應(yīng)用軟件就會變得過于復(fù)雜，使開發(fā)難度過大，安全性和可靠性都難于保證。 實時多 任務(wù) 操作 系統(tǒng) （ RTO S） 可以 簡單 地認為 是功 能強 大的主控程序，它嵌 入到目標代碼中 ，系統(tǒng)復(fù) 位初始化后首先 執(zhí)行，它負責(zé)在硬件基礎(chǔ)之上，為應(yīng)用軟件建立一個功能更為強大的運行環(huán)境，用戶的其他應(yīng)用程序都建 立在 RT OS 上。從這 個意義上而言，操作系統(tǒng)的作用是為用戶提供一臺等價的擴展計算機，可以認為是一個虛擬機，它比底層硬件更容易編程。不僅如此， RT OS 還是一個標準的內(nèi)核，將 CP U 時 間、中斷、 I/O、定時資 源都包裝起來，留給用戶一個標準的 AP I。并根據(jù)各 個人物的優(yōu)先級 ，合理地在不同任務(wù)之間分配 CP U 時間。從這 個意義而言，操 作系統(tǒng)的作用是xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 資源管理器。 目前，嵌入式操作系統(tǒng)有很多 種，如何選擇一款既能 滿足應(yīng)用要求，性能價格 比又能達到最佳的 實時操作系統(tǒng)是 開發(fā)中比較關(guān)鍵的一步。嵌入式操作系統(tǒng)的選擇主要從以下幾個方面考慮： ? 可移植性 可 移植性 即操作 系統(tǒng)相 關(guān)性。 當進 行前入 式軟件開發(fā)時，可 移植性 是要 重點考 慮此的 問題， 因為具 有良 好可移植性的軟件可以在不同平臺、不同系統(tǒng)上運行，跟操作系統(tǒng)無關(guān)。軟件的通 用性和 軟件 的性能 通常是 矛盾的 。很難 設(shè)想 開發(fā)一個嵌入式軟 件而僅 能在 某一特 定環(huán)境 下應(yīng)用 ，如果 換了 一個環(huán)境或處理器 平臺， 整個 軟件就 要重新 設(shè)計， 這往往 是設(shè) 計者不能接受的。 ? 開發(fā)工具 的支持 程度 一個 工程師 選擇實 時操 作系統(tǒng) 時必須要考慮與之 相關(guān)的 開發(fā) 工具。 微處理 器、在 線仿真 器（ ICE）、編譯器、匯 編器 、連接 器、調(diào) 試器以 及模 擬器 —— 都這 樣或那樣地影響 著操作系統(tǒng)。 檢查 一下在線仿真器 供應(yīng)商提供的 ICE 與實時操作 系統(tǒng)是 否能 協(xié)同工 作，這 在調(diào)試 那些最 隱蔽 的小錯誤是很有用 的。 然 而， 重要的 是要了 解在線 仿真器 的操 作對性能的影響。有時當 ICE 執(zhí)行操 作時增加了額外的 開銷，比如中斷某行源代碼在某個任務(wù)中的執(zhí)行。 ? 應(yīng)用對內(nèi)存的要求 有的 實時操作系統(tǒng)得 代碼尺寸只有幾 KB，這樣可以 大大節(jié) 省系 統(tǒng)得內(nèi) 存空間 ，對于 成本敏 感的 嵌入式應(yīng)用，這是 非常重 要的 。但是 選用小 尺寸的 操作系 統(tǒng)的 前提條件是一定要 滿足系 統(tǒng)的 應(yīng)用要 求。所 以在了 解一個 內(nèi)核 要求的最小存儲空 間是， 很重 要的一 點就是 要了解 這個內(nèi) 核中 包括了什么。最小 內(nèi)核經(jīng) 常是 僅僅支 持很少 的特性 ，而典 型的 配置可能產(chǎn)生大得多的內(nèi)核。 ? RT OS 性能 RTOS 是否 提供任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管 理、中斷處理、同步互斥機制、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能 等功能 是選擇 RTOS 的前 提。另外，對 于實時 性來 說有硬 實時和 軟實時 之分 ， 它們 之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的 ARM CPU，它的主頻，xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 內(nèi)存等參數(shù)有一定的關(guān)系， 像 XSCALE 這樣的 處理器，即使配合普通 Linux 的內(nèi)核，內(nèi)核 的搶占延時最壞情 況也只有 毫秒，而 %的情況是 毫秒，而如果你使用加入實時補丁等技 術(shù)的 嵌入式 Linux 如 MontaVista Linux( 版本內(nèi)核 )，最壞的情況只有 436 微秒，而 %的情況是 195 微秒 。 ? 軟件組件 和設(shè)備 驅(qū)動程 序 到處都 會有計 算機 ，但計 算機的外表不再是 一成不 變的 。為了 使美景 成真， 嵌入式 系統(tǒng) 應(yīng)該通過各種標準 加大開 發(fā)需 求的互 操作性 ，開發(fā) 者可能 要依 賴于他人開發(fā)的組 件。假 如你 的應(yīng)用 需要通 信協(xié)議 、服務(wù) 、庫 或者其他組件（如 TCP/IP、 HTTP、 ftp、 tel、 SNMP、 CORBA 和圖形），先 看看哪 里可以 獲得 它們。 類似的 ，在設(shè) 計中用 到現(xiàn) 成的 設(shè)備或 IC 時，要確定是否 可以 得到設(shè)備驅(qū)動程序。有些操作系統(tǒng)提供這些特 性或驅(qū) 動程 序的方 式不同 ，可能 作為操 作系 統(tǒng)的一部分，也可能作為可選配件。 考慮了上述各種因數(shù)之后，通常我們都可以找到幾個適合自己的嵌入式實時操作系統(tǒng)，但是現(xiàn)在市場上商用實時系統(tǒng)都不提供內(nèi)核的源代碼，對于學(xué) 習(xí)沒有多少實用 價值；同時使 用費用都比較十分昂貴，考慮到成本問題后， 我們最后決 定在 目前國內(nèi)在 ARM CPU上廣泛采用的三種嵌入式操作系統(tǒng)做個分析 ，選用 一個當前使用十分成熟的開源免費實時操作系統(tǒng)自建一個操作系統(tǒng)。 幾種開源的嵌入式操作系統(tǒng)的比較 181。C/OSII、 181。CLinux 和嵌入式 Linux。后兩種同屬 于 Linux,前者是針對沒有 MMU 的微處 理器，如 ARM7 TDMI 核，后者可適用于絕大多數(shù)有 MMU 的微處理器 中，如 ARM920T，當然， 我們 也會涉及到其它支持 ARM CPU 的嵌入式操作系統(tǒng)。 ? 181。C/OSII 嵌入式實時內(nèi)核 由 Jean Labrosse 先生著 ，邵貝貝老 師翻譯的《嵌 入式實時操作系統(tǒng) 181。C/OSII》先 后由電 力出版 社（第 一版） 和航空 航天大學(xué)xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 出版社出版（第二版 ）發(fā)行了近萬冊 ，相信有數(shù)以千 計的學(xué)生、老師和工程師正在使用 181。C/OSII，在過去的一年 中（ 2020） ，在《電子產(chǎn)品世界》、《電子設(shè) 計應(yīng)用》和《單片機和嵌入式 系統(tǒng)應(yīng)用》等雜志和各種學(xué)術(shù)會議上的有 181。C/OSII 相關(guān)論文就 有幾十余篇。全世界數(shù)百 種設(shè)備 已經(jīng)在 使用 181。C/OSII，包 括如手 機、路 由器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備 。 181。C/OSII 已經(jīng)有 ARM7TDMI、 ARM9 和 Strong ARM 等各種 ARM CPU的移植 ，支持 包含 Atmel、 Hynix、 Intel、 Motorola、 Philips、Samsung、 Sharp 等公 司的 ARM 核的 CPU。 181。C/OSII 的移植也相當容易，與 CPU 相 關(guān)的代碼包裝在三個文件中， ， ，而 且 Jean Labrosse 先生的應(yīng)用筆記AN1011 和 AN1012 對 ARM AN1337 對 ARM9 的移植過程都做了詳細的說明。 181。C/OSII 有 60 余個系統(tǒng)調(diào) 用，覆蓋任務(wù)、 定時器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和 內(nèi)存管理，已經(jīng) 包含了傳統(tǒng)嵌入式操作系 統(tǒng)內(nèi)核 （如 PSOS， VRTX） 的功能 ，還支 持互斥 型信號量(Mutual Exclusion Semaphone)，這 是 90 年代的 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，如 Vxworks 和 VRTXsa 才有的技 術(shù)。 181。C/OSII 因為是可搶占的實時內(nèi)核，所以 181。C/OSII 與商 業(yè)嵌入式實時內(nèi) 核在性能上沒有什么差異 ， 181。C/OSII 沒有用 戶態(tài)和 內(nèi)核態(tài) ，任務(wù) （線程 ）或中斷和任務(wù)切換的響應(yīng)可以很快，主要是和不同的 ARM CPU 相關(guān)的。最新的 版本還增加了 算法以避免在移 植中修改 OSINTCEXSW（）中的堆棧指針。這樣可以保證 181。C/OSII 在不同的 CPU 上運行更穩(wěn)定，移植 更方便 。 181。C/OSII 目前除 了內(nèi)核 外還有 商業(yè)化 文件系統(tǒng)181。C/FS，圖形系統(tǒng) 181。C/GUI 以及任務(wù)調(diào)試工 具 181。C KA 和 181。C View，免費的 TCP/IP 項目如 LWIP 。 總之， 181。C/OSII 是 一個非 常容易 學(xué)習(xí)（ 有一本 很好的 講解很清楚的書），結(jié)構(gòu)簡單 ，功能完備 和實時性很強的 嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合于各種嵌 入式應(yīng)用以及大 專院校教學(xué)和科研 。最后需要說明， 181。C/OSII 不 是免費軟件，任何人學(xué)習(xí)使用 181。C/OSII 需要購買《嵌入式實時 操作系統(tǒng) 181。C/OSII》一書 ，使用 了 181。C/OSII 的產(chǎn)xx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 品需要購買產(chǎn)品生產(chǎn)授權(quán)，購買了此授權(quán)的還可以得到開發(fā)期間的技術(shù)支持和升級服務(wù)。 ? 181。CLinux 操作系統(tǒng) 181。CLinux 是 Linux 小型化 后，適 合于沒有 MMU 的微 處理器芯片而裁剪成的小型化 Linux 操作系統(tǒng)，在 ARM CPU 系列中 ， ARM7 TDMI，ARM940T 等 ARM 核的 CPU 產(chǎn)品，如果 希望使用 Linux 操 作系統(tǒng)，只能用 181。CLinux。 181。CLinux 保持了傳 統(tǒng) Linux 操作系 統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強大的網(wǎng) 絡(luò)和文件系統(tǒng)的 支持， 181。CLinux 裁剪了大量的Linux 內(nèi)核以縮小尺寸，適合象 512k RAM， 1M Flash 這樣小容量，低成本的嵌入式系統(tǒng) 。 181。CLinux 近 期主要是在發(fā)展 各種 版本的移植，以期跟上 Linux 社會主流的 發(fā)展趨勢（因 為今年 Linux 將開始成為主流的內(nèi)核）。 181。CLinux 系統(tǒng)小型化的 另一個重要原因是采用了 181。CLib 庫替代 Linux 的 Glib 庫，使用 181。CLib 可以大大減少應(yīng)用程序的代碼尺寸，對于中小型嵌入式應(yīng)用， 181。CLib 功能可以滿足需要，所以目前即使 是某些采用 Linux 內(nèi)核的嵌入式 LINUX系統(tǒng)也采用 181。CLib 庫的做 法。 181。CLinux 中，由于沒 有內(nèi)存保護機制，應(yīng)用代碼一般采用靜態(tài)連接的方式，而且在 181。CLinux 中采用 Flat文件執(zhí)行格式（ Linux 是 Coff 或 Elf 格式） , 181。CLinux 和應(yīng)用代碼都可以 支持固化，存 儲在 Flash 存儲 介質(zhì)中，不需 像 Linux 需要經(jīng)過一次 Flash 到 RAM 的拷 貝。所有這 些，使得 181。CLinux 更 像 傳統(tǒng)意義上的嵌入式操作系統(tǒng)。 ? 嵌 入式 Linux 操作系統(tǒng) 芬蘭學(xué)生 Linux Torvalds 在 91 年寫完第 一個 Linux 版本 時，怎樣也無法想象到今天 Linux 在全世界范 圍被廣泛注目和 應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)作為 Linux 應(yīng)用 的一個重要領(lǐng)域 ，由于它 的廣泛性和多樣化正在迅速發(fā)展。 和 微軟的軟件不一 樣， Linux 不 是由一家公司所擁有、維護開發(fā) 的， Linux 在市場有多種 發(fā)行版本 ，所有發(fā)行版本都包含一樣 的 Linux 內(nèi)核 、基本工具 和應(yīng)用，不同 的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應(yīng)用、配置以及各種內(nèi)核補丁上有所不同。嵌入式 Linux 主要是在實時 性增強、內(nèi) 核精簡和裁減 、支持多種 CPUxx 大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 結(jié)構(gòu)（如 ARM CPU）等方面做了改 進和提高。某些 半導(dǎo)體公司，如三星、 Motorola 也在自己的網(wǎng)站 或銷售自己的 ARM 評估板的時候送給一張 CD，里面含有一個可以支持他們評估板的最小 Linux 內(nèi)核系統(tǒng)。如果這個最 小內(nèi)核沒有包含 GCC/GDB 工具鏈 ，你可能還要到 GNU 的網(wǎng) 站下載 全部的 源代碼 ，然后再 編譯生 成你需 要版本的ARM 工具鏈和應(yīng)用程序庫 ，這個過程 是相當耗時和困難 的。還需要指出，這種 DIY 內(nèi)核 的配置，添加 應(yīng)用和驅(qū)動程序 是不標準和復(fù)雜的，這是嵌入式