【正文】 需求分析總體設(shè)計(jì) 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(cè)試、驗(yàn)證 圖 34傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方法 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 （ 6） 若出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要對(duì)軟硬件分別驗(yàn)證和修改。 顯然，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于具體的應(yīng)用系統(tǒng)而言，容易獲得滿足綜合性能指標(biāo)的最佳解決方案。存儲(chǔ)能量達(dá)到最佳狀態(tài)，已成為硬件 /軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容之一。 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 /硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù) 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法如圖 34所示，硬件和軟件的分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，有硬件工程師和軟件工程師按照擬定的設(shè)計(jì)流程分別完成。 ⑷ A/D 驅(qū)動(dòng)程序 系統(tǒng)中采用 20 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 LTC2430，完成對(duì)溫度信號(hào)的測(cè)量，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)之后，傳給處理器進(jìn)行相關(guān)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(diǎn)陣；在文本方式下，模塊上的緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的是液晶屏上顯示的文本字符，包括英文字符和英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。 ? 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(shí)返回，返回串口接收到的數(shù)據(jù)。下面僅建立用到的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)接口 。 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 針對(duì)應(yīng)用對(duì)內(nèi)核進(jìn)行的擴(kuò)充 由于μ C/OSII 僅是一 個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，不像其它的實(shí)時(shí)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(biāo)硬件平臺(tái)只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的開始，還需要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口（ GUI） 、網(wǎng)絡(luò)功能等，從而建立一個(gè)實(shí)用的 RTOS。 主要相關(guān)函數(shù)：建立內(nèi)存分區(qū)（ OSMemCreate()），分配內(nèi)存塊（ OSMemGet()） ,釋放內(nèi)存塊（ OSMemPut()） 。 3).內(nèi)存管理 采用把連續(xù)的大塊按分區(qū)來管理。當(dāng)兩個(gè)任務(wù)或者一個(gè)任務(wù)和一個(gè)中斷服務(wù)子程序共享某些數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用這種方法 。 任務(wù)掛起函數(shù)為： INT8U OSTaskSuspend (INT8U prio)。其硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)如圖 32所示 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 圖 32 1).任務(wù)的管理 它包括任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起和恢復(fù)等。 ? 穩(wěn)定性與可靠性：μ C/OSII自 1992年以來已經(jīng)有很多成功的商業(yè)應(yīng)用，其穩(wěn)定性和可靠性都有很好的保證。 ? 任務(wù)棧：每個(gè)任務(wù)有自己?jiǎn)为?dú)的棧，μ C/OSII允許每個(gè)任務(wù)有不同的棧空間，以便壓低應(yīng)用程序?qū)?RAM的需求。大多數(shù)商業(yè)內(nèi)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(hào)處理器（ DSP）上運(yùn)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(diǎn)之外，其特點(diǎn)如下： ? 集成度高：它具有豐富的片內(nèi)資源，包括 3個(gè) 16位定時(shí)器、 1個(gè)看門狗定時(shí)器、 全雙工串口通道 等，其 PDIP 封裝具有 32個(gè) I/O口而 PLCC/QFP封裝則具有多達(dá) 36個(gè) I/O口。它具有豐富的片內(nèi)資源，只需添加少量的外圍器件即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。這方面的要求使得嵌入式軟件設(shè)計(jì)者要在圖形界面，多媒體技術(shù)上多下功夫。 未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了降低功耗和成本，需要設(shè)計(jì) 者盡量精簡(jiǎn)設(shè)備內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ?，這就要求設(shè)計(jì)者選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，優(yōu)化編譯器的性能。軟件方面，采用時(shí)實(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性、簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期（如 HP） . 3). 網(wǎng)絡(luò)互連成為必然趨勢(shì)。當(dāng)然，這也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。 嵌入式系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì) 信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使得嵌入式系統(tǒng)獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇，為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好的前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)在辦公自動(dòng)化、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、醫(yī)療、監(jiān)視、衛(wèi)生設(shè)備、交通運(yùn)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(yīng)用。 在嵌入式開發(fā)中采用高級(jí)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(yīng)的匯編指令集。 C++語言強(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。另一主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實(shí)時(shí)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(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，要在短時(shí)間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是不現(xiàn)實(shí)的，而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)則要求產(chǎn)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(tái)，提高用戶和程序員的時(shí)間投入回報(bào)。 如果考慮了以上的各種因素之后，找不到合適的實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)，可以自建一個(gè)。 面對(duì)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(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行合理的選擇。它是基于μ C/OS 的，在 1992 年以來已經(jīng)有很多成功的商業(yè)應(yīng)用。 國際上許多大型跨國企業(yè)，已經(jīng)選中了 Linux 操作系統(tǒng)作為開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的工具。這個(gè)靈活的結(jié)構(gòu)可以使用戶根據(jù)實(shí)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(gè)處理器的超級(jí)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)。它提供了一個(gè)很小的微內(nèi)核以及一些可選的配 合進(jìn)程。 LynxOS 支持線程的概念，提供 256 個(gè)全局用戶線程優(yōu)先級(jí)；提供一些傳統(tǒng)的、非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的服務(wù)特性，包括基于調(diào)用 需求的虛擬內(nèi)存、一個(gè)基于 Motif 的用戶圖形界面、與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及應(yīng)用開發(fā)工具。 ⑸ OS9 Microwave 的 OS9 是為微處理器關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，廣泛 應(yīng)用于高科技產(chǎn)品中，包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化、無線通信產(chǎn)品、醫(yī)療儀器、數(shù)字電視 /多媒體設(shè)備。 ⑷ Palm OS Palm OS 是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商 3COM 旗下的 Palm Computing 掌上電腦公司的產(chǎn)品，在 PDA 市場(chǎng)上占有很大的市 場(chǎng)份額。開發(fā)者可以利用它來實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的單個(gè)獨(dú)立設(shè)備到復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)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(diào)試器，具有集成開發(fā)環(huán)境 Tornado 系列。如美國 JPL 實(shí)驗(yàn)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(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于其上的各個(gè)任務(wù)，它根據(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。 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(chǎn)品是 Texas Instruments的 TMS320系列和 Motorola 的 DSP56000系列。微控制器的片上外設(shè)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(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有 30多個(gè)系列。它包括保存目前正在執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)信息所需要的時(shí)間、 RTOS 決定下一個(gè)調(diào)度任務(wù)所需的調(diào)度時(shí)間以及 RTOS 把另外一個(gè)任務(wù)調(diào)入系統(tǒng)執(zhí)行所需要的時(shí)間。 中斷延遲（ Interrupt Latency） 時(shí)間是 指系統(tǒng)確認(rèn)中斷開始直到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令為止整個(gè)處理過程所需要的時(shí)間。 ⑶ 最小內(nèi)存開銷 RTOS 的設(shè)計(jì)過程中，最小內(nèi)存開銷是一個(gè)較重要的指標(biāo)，這是因?yàn)樵诠I(yè)控嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 制領(lǐng)域中的某些工控機(jī)（如上下位機(jī)控制系統(tǒng)中的下位機(jī)），由于基于 降低成本的考慮，其內(nèi)存的配置一般都不大，而在這有限的空間內(nèi)不僅要裝載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還要裝載用戶程序。 在大多數(shù)商用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，為了讓操作系統(tǒng)能夠在有突發(fā)事件時(shí)，迅速取得系統(tǒng)控制權(quán)以便對(duì)時(shí)間作出反應(yīng)，所以大都提供了“搶占式任務(wù)調(diào)度”的功能，也就是操作系統(tǒng)有權(quán)終止應(yīng)用程序（ 應(yīng)用任務(wù)）的執(zhí)行，并且將執(zhí)行權(quán)交給擁有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以從任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、任務(wù)通訊、內(nèi)存開銷、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等幾個(gè)方面來衡量。 運(yùn)行：獲得 CPU控制權(quán)； 就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)； 掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，從任務(wù)等待隊(duì)列中移出，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行狀態(tài)； 睡 眠：任務(wù)完成或者錯(cuò)誤等原因被刪除的任務(wù)。 嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 硬 件 平 臺(tái) 應(yīng)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(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的開發(fā)模式。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。 何為嵌入式系統(tǒng) 隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了不同的嵌入式系統(tǒng)的定義， 目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這時(shí)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(fēng)河公司收購 )的 pSOS 和WindRiver(風(fēng)河 )的 VxWorks、 QNX 公司的 QNX 等。這些裝置已經(jīng)初步具備嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)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(fēng)靡起來的， 但從 20 世紀(jì) 70 年代單片機(jī)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(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有近 30 年的發(fā)展歷史。 第五章 PC側(cè)程序的設(shè)計(jì) 本章中論述了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和 ISP功能主控側(cè)程序的實(shí)現(xiàn)，模擬實(shí)現(xiàn)了主從式微機(jī)控制系統(tǒng)主控方的程序設(shè)計(jì)。最后，闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的嵌入式系統(tǒng)軟 /硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)。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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，分析了當(dāng)前嵌入式處理器的分類以及當(dāng)前流行嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。從而實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制系統(tǒng)中主從式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在 設(shè)計(jì)中，給予不同任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。一方面它是免費(fèi)的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行修改。溫度測(cè)量利用 Pt（ 100Ω）熱敏電阻，測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入微處理進(jìn)行處理。 課題的實(shí)現(xiàn) （本課題基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及測(cè)試技術(shù)，結(jié)合 RTOS的選取原則，選用了 源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μ C/OSII，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)。 另外，國內(nèi)也有許多 自主開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如科銀京成（ CoreTek）公司的嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái) DeltaSystem,中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系統(tǒng)， 浙江大學(xué)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(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于流程直觀。修改時(shí)只可修改個(gè)別任務(wù)即可，從而提高了軟件的可移植性。 (3).結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差、維護(hù)困難：?jiǎn)纹C(jī)功能的復(fù)雜化，使軟件越來越復(fù)雜，特別是為了實(shí)現(xiàn)并行操作，需使用大量的中斷和標(biāo)志，使程序結(jié)構(gòu)十分混亂，難以設(shè)計(jì)和調(diào)試。如果用中斷來完成這些處理，則在處理時(shí)，無法響應(yīng)低級(jí)或同級(jí)中斷。 程序由一個(gè)主循環(huán)控制，通過判斷不同的標(biāo)志輪循調(diào)用各功能函數(shù)，在主循環(huán)中調(diào)用的模塊按順序運(yùn)行。主機(jī)可向從機(jī)發(fā)命令，修改從機(jī)的參數(shù)，而從機(jī)可向主機(jī)回送結(jié)果和數(shù)據(jù)。它允許在發(fā)生某一事件時(shí)（例如外部設(shè)備運(yùn)行完成、定時(shí)時(shí)間到等），為了對(duì)這一事件進(jìn)行處理 ，中止現(xiàn)行程序的運(yùn)行而進(jìn)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(shì)下，雖然競(jìng)爭(zhēng)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(shù)能力 和市場(chǎng)開拓能力，是有可能取得巨大成功的。隨著國內(nèi)外各種嵌入式產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)和 推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密結(jié)合。 特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的系統(tǒng)。 1 嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 目錄 第一