【正文】 需求分析總體設計 嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā) 嵌入式系統(tǒng)集成、測試、驗證 圖 34傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計 方法 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 （ 6） 若出現(xiàn)錯誤，需要對軟硬件分別驗證和修改。 顯然，這種設計方法對于具體的應用系統(tǒng)而言，容易獲得滿足綜合性能指標的最佳解決方案。存儲能量達到最佳狀態(tài)，已成為硬件 /軟件協(xié)同設計的重要研究內容之一。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 /硬件協(xié)同設計技術 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設計方法如圖 34所示，硬件和軟件的分為兩個獨立的部分，有硬件工程師和軟件工程師按照擬定的設計流程分別完成。 ⑷ A/D 驅動程序 系統(tǒng)中采用 20 位模數(shù)轉換器 LTC2430，完成對溫度信號的測量，將模擬信號轉換成相應的數(shù)字信號之后，傳給處理器進行相關的處理。 row: 顯示字符串的起始列數(shù)。 ? LCD_Pritf 定義： void LCD_Printf(char *str,? )。在圖形方式下，模塊上的緩沖區(qū)映射的是液晶屏上顯示的圖形點陣；在文本方式下，模塊上的緩沖區(qū)對應的是液晶屏上顯示的文本字符，包括英文字符和英文標點符號。 ? Uart_Getch 定義： char Uart_Getch()； 功能：接收串口的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)時返回，返回串口接收到的數(shù)據(jù)。下面僅建立用到的外設驅動程序標準接口 。 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 針對應用對內核進行的擴充 由于μ C/OSII 僅是一 個實時內核，不像其它的實時操作系統(tǒng)那樣提供給用戶的只是一些 API 函數(shù)接口，把它移植到目標硬件平臺只是系統(tǒng)設計工作的開始，還需要針對實際的應用需求對其進行功能擴展，包括底層的硬件驅動、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口（ GUI） 、網絡功能等，從而建立一個實用的 RTOS。 主要相關函數(shù)：建立內存分區(qū)（ OSMemCreate()），分配內存塊（ OSMemGet()） ,釋放內存塊（ OSMemPut()） 。 3).內存管理 采用把連續(xù)的大塊按分區(qū)來管理。當兩個任務或者一個任務和一個中斷服務子程序共享某些數(shù)據(jù)時，可以采用這種方法 。 任務掛起函數(shù)為： INT8U OSTaskSuspend (INT8U prio)。其硬件和軟件體系結構如圖 32所示 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 圖 32 1).任務的管理 它包括任務的創(chuàng)建、刪除、掛起和恢復等。 ? 穩(wěn)定性與可靠性：μ C/OSII自 1992年以來已經有很多成功的商業(yè)應用，其穩(wěn)定性和可靠性都有很好的保證。 ? 任務棧：每個任務有自己單獨的棧，μ C/OSII允許每個任務有不同的?？臻g，以便壓低應用程序對 RAM的需求。大多數(shù)商業(yè)內核也是占先式的，μC/OSII在性能上與它們類似。它可以在絕大多數(shù) 8位、 16位、 32位甚至 64位微處理器、微控制器、數(shù) 字信號處理器（ DSP）上運行。 ? PWM特性：片上有 5路 PWM通道可供用戶使用。除具有通用80C52優(yōu)點之外，其特點如下： ? 集成度高：它具有豐富的片內資源，包括 3個 16位定時器、 1個看門狗定時器、 全雙工串口通道 等，其 PDIP 封裝具有 32個 I/O口而 PLCC/QFP封裝則具有多達 36個 I/O口。它具有豐富的片內資源，只需添加少量的外圍器件即可滿足系統(tǒng)設計的需要。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上多下功夫。 未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了降低功耗和成本，需要設計 者盡量精簡設備內核，只保留和系統(tǒng)緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ埽@就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優(yōu)化編譯器的性能。軟件方面，采用時實多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術來控制功能復雜性、簡化應用程序的設計，保障軟件質量和縮短開發(fā)周期（如 HP） . 3). 網絡互連成為必然趨勢。當然，這也是市場競爭的結果。 嵌入式系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢 信息時代、數(shù)字時代使得嵌入式系統(tǒng)獲得了巨大的發(fā)展機遇，為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰(zhàn)。 嵌入式系統(tǒng)的應用 嵌入式系統(tǒng)在辦公自動化、建筑設計、機械設計與制造、醫(yī)療、監(jiān)視、衛(wèi)生設備、交通運輸、通信 、信息家電、工業(yè)控制和金融等系統(tǒng)中都有著廣泛的應用。 在嵌入式開發(fā)中采用高級語言，還使得硬件的開發(fā)和軟件的開發(fā)可以分工，從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應的匯編指令集。 C++語言強大的類、繼承等功能更便于實現(xiàn)復雜的程序功能。另一主要功能是在應用系統(tǒng)中仿真微控制器的實時執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)和排 除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。嵌入式處理器是一個復雜系統(tǒng)，要在短時間內掌握并開發(fā)出所有功能是不現(xiàn)實的，而市場競爭則要求產品能夠快速上市，這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開發(fā) 工具平臺，提高用戶和程序員的時間投入回報。 如果考慮了以上的各種因素之后，找不到合適的實時操作系 統(tǒng)，可以自建一個。 面對如此眾多的嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)人員要根據(jù)自己的實際應用，進行合理的選擇。它是基于μ C/OS 的，在 1992 年以來已經有很多成功的商業(yè)應用。 國際上許多大型跨國企業(yè)，已經選中了 Linux 操作系統(tǒng)作為開發(fā)嵌入式產品的工具。這個靈活的結構可以使用戶根據(jù)實際的需求，將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系統(tǒng)或者包括幾百個處理器的超級虛擬機操作系統(tǒng)。它提供了一個很小的微內核以及一些可選的配 合進程。 LynxOS 支持線程的概念，提供 256 個全局用戶線程優(yōu)先級；提供一些傳統(tǒng)的、非實時系統(tǒng)的服務特性，包括基于調用 需求的虛擬內存、一個基于 Motif 的用戶圖形界面、與工業(yè)標準兼容的網絡系統(tǒng)以及應用開發(fā)工具。 ⑸ OS9 Microwave 的 OS9 是為微處理器關鍵實時任務而設計的操作系統(tǒng)，廣泛 應用于高科技產品中，包括消費電子產品、工業(yè)自動化、無線通信產品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視 /多媒體設備。 ⑷ Palm OS Palm OS 是著名的網絡設備制造商 3COM 旗下的 Palm Computing 掌上電腦公司的產品，在 PDA 市場上占有很大的市 場份額。開發(fā)者可以利用它來實現(xiàn)從簡單的單個獨立設備到復雜的、網絡化的多處理器系統(tǒng)。大多數(shù)的 VxWorks API是專有的，采用 GNU 的編譯和調試器，具有集成開發(fā)環(huán)境 Tornado 系列。如美國 JPL 實驗室研制的著名“索杰納 ”火星車采用的就是 VxWorks 操作系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(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其上的各個任務，它根據(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。 SOC分為通用和專用兩類，通用系列包括 Siemens的 TriCore， Motorola的MCore，某些 ARM系列器件。 目前嵌入式 DSP處理器比較有代表性的產品是 Texas Instruments的 TMS320系列和 Motorola 的 DSP56000系列。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合 于控制，故稱為微控制器。 2).嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit,MCU） 嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一片芯片中。 嵌入式處理器 目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過 1000多種，流行的體系結構有 30多個系列。它包括保存目前正在執(zhí)行任務的現(xiàn)場信息所需要的時間、 RTOS 決定下一個調度任務所需的調度時間以及 RTOS 把另外一個任務調入系統(tǒng)執(zhí)行所需要的時間。 中斷延遲（ Interrupt Latency） 時間是 指系統(tǒng)確認中斷開始直到執(zhí)行中斷服務程序的第一條指令為止整個處理過程所需要的時間。 ⑶ 最小內存開銷 RTOS 的設計過程中，最小內存開銷是一個較重要的指標，這是因為在工業(yè)控嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 制領域中的某些工控機（如上下位機控制系統(tǒng)中的下位機），由于基于 降低成本的考慮，其內存的配置一般都不大，而在這有限的空間內不僅要裝載實時操作系統(tǒng)，還要裝載用戶程序。 在大多數(shù)商用的實時系統(tǒng)中，為了讓操作系統(tǒng)能夠在有突發(fā)事件時，迅速取得系統(tǒng)控制權以便對時間作出反應，所以大都提供了“搶占式任務調度”的功能，也就是操作系統(tǒng)有權終止應用程序（ 應用任務）的執(zhí)行，并且將執(zhí)行權交給擁有最高優(yōu)先級的任務。評價一個實時操作系統(tǒng)一般可以從任務調度、內存管理、任務通訊、內存開銷、任務切換時間、最大中斷禁止時間等幾個方面來衡量。 運行：獲得 CPU控制權； 就緒：進入任務等待隊列，通過調度轉為運行狀態(tài)； 掛起：任務發(fā)生阻塞，從任務等待隊列中移出，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生而喚醒，從而轉為就緒或運行狀態(tài)； 睡 眠：任務完成或者錯誤等原因被刪除的任務。 嵌入式實時應用程序 嵌入式實時操作系統(tǒng) 硬 件 平 臺 應用程序與操作系統(tǒng)的接口 操作系統(tǒng)與硬件接 口 圖 1 嵌入式系統(tǒng)的基本結構 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 12 嵌入式實時操作系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng)（ Real Time Operating System， RTOS） 是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的，是指具有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的開發(fā)模式。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 何為嵌入式系統(tǒng) 隨著嵌入式技術的發(fā)展和應用，出現(xiàn)了不同的嵌入式系統(tǒng)的定義， 目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的計算機系統(tǒng)。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。如Integrated System Incorporation (ISI)(現(xiàn)已被風河公司收購 )的 pSOS 和WindRiver(風河 )的 VxWorks、 QNX 公司的 QNX 等。這些裝置已經初步具備嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用 8 位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。 嵌入式系統(tǒng)的基本概念 嵌入式系統(tǒng)的歷史 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風靡起來的， 但從 20 世紀 70 年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已經有近 30 年的發(fā)展歷史。 第五章 PC側程序的設計 本章中論述了對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和 ISP功能主控側程序的實現(xiàn)，模擬實現(xiàn)了主從式微機控制系統(tǒng)主控方的程序設計。最后，闡述了系統(tǒng)設計中使用的嵌入式系統(tǒng)軟 /硬件協(xié)同設計技術和測試技術。然后提出了嵌入式系統(tǒng)的兩大組成部分：嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)，分析了當前嵌入式處理器的分類以及當前流行嵌入式操作系統(tǒng)的特點。從而實現(xiàn)了微機控制系統(tǒng)中主從式控制系統(tǒng)結構。在 設計中，給予不同任務不同的優(yōu)先級，提高了系統(tǒng)的實時性。一方面它是免費的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對它進行修改。溫度測量利用 Pt（ 100Ω）熱敏電阻，測量的模擬信號經模數(shù)轉換模塊轉換后送入微處理進行處理。 課題的實現(xiàn) （本課題基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及應用，利用嵌入式系統(tǒng)的設計方法及測試技術，結合 RTOS的選取原則，選用了 源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μ C/OSII，結合實際應用，設計了一個實現(xiàn)對多點溫度進行控制的嵌入式系統(tǒng)。 另外，國內也有許多 自主開發(fā)的實時操作系統(tǒng)，如科銀京成（ CoreTek）公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺 DeltaSystem,中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系統(tǒng)， 浙江大學自主研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng) HBOS 系統(tǒng) 等。另一重要原因是提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。通常是線性程序， 此機制的優(yōu)勢在于流程直觀。修改時只可修改個別任務即可，從而提高了軟件的可移植性。 (3).結構復雜、移植性差、維護困難：單片微機功能的復雜化，使軟件越來越復雜，特別是為了實現(xiàn)并行操作，需使用大量的中斷和標志，使程序結構十分混亂，難以設計和調試。如果用中斷來完成這些處理，則在處理時，無法響應低級或同級中斷。 程序由一個主循環(huán)控制，通過判斷不同的標志輪循調用各功能函數(shù)，在主循環(huán)中調用的模塊按順序運行。主機可向從機發(fā)命令，修改從機的參數(shù)，而從機可向主機回送結果和數(shù)據(jù)。它允許在發(fā)生某一事件時（例如外部設備運行完成、定時時間到等），為了對這一事件進行處理 ，中止現(xiàn)行程序的運行而進入處理該事件的程序，處理完再返回原程序執(zhí)行。在這種局勢下，雖然競爭將異常劇烈，但突圍的可能性也較大，只要能夠培養(yǎng)出自己的技術能力 和市場開拓能力，是有可能取得巨大成功的。隨著國內外各種嵌入式產品的進一步開發(fā)和 推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。 特別適合于要求實時的和多任務的系統(tǒng)。 1 嵌入式系統(tǒng)在多點溫度控制中的應用 目錄 第一