【正文】 嵌入式系統(tǒng)導論 嵌入式實時操作系統(tǒng)的定義 1. 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng) (Operating System， OS)是計算機系統(tǒng)中負責支撐應(yīng)用程序運行環(huán)境以及用戶操作環(huán)境的系統(tǒng)軟件，同時也是計算機系統(tǒng)的核心與基石。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 第四階段：以 Inter為標志的嵌入式實時操作系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)方向發(fā)展，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 第三階段：通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)階段。 第二階段：以嵌入式 CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 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)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。這些指標在系統(tǒng)集成階段一般是不測試的，只有系統(tǒng)完善后才能進行有效的測試。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 系統(tǒng)測試 一般地，在系統(tǒng)集成階段發(fā)現(xiàn)的錯誤往往都屬于簡單的、單元性的錯誤，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)計規(guī)格的要求。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 只有在早期修正這些簡單的錯誤，才能在以后的系統(tǒng)測試中發(fā)現(xiàn)那些只有在系統(tǒng)高負荷時才能確定的、比較復雜或是含混的錯誤。在設(shè)計中，一次就成功的例子是很少的，往往需要反復多次，特別是開發(fā)設(shè)計大的系統(tǒng)更是這樣。當然，這個階段并不是僅僅把所有的東西簡單地聯(lián)結(jié)在一起，而是通過系統(tǒng)集成進行調(diào)試，進而發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改錯誤。而對熟練的開發(fā)者來說，就另當別論了。為了縮短設(shè)計開發(fā)周期，軟件和硬件的詳細設(shè)計過程可以同時展開。 軟 /硬件環(huán)境選擇完畢后，就可以設(shè)計系統(tǒng)的軟 /硬件結(jié)構(gòu)框圖了。 然后是確定軟件的配置問題。 首先可以從硬件環(huán)境層入手，當然設(shè)計硬件環(huán)境時，也必須綜合軟件環(huán)境的因素。體系結(jié)構(gòu)是總體設(shè)計中的一個計劃，它根據(jù)需求描述、規(guī)格說明和關(guān)鍵技術(shù)分析，來選定整個系統(tǒng)設(shè)計的基本構(gòu)架及系統(tǒng)基本組件。解決關(guān)鍵技術(shù)的一般流程如圖 。例如，對一般的測量系統(tǒng)，主要的技術(shù)指標是測量精度、分辨率和靈敏度。關(guān)鍵技術(shù)分析是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié)。 2%； (5) 分辨率：每段滿刻度值 ? 1%； (6) 靈敏度： 100 kΩ； (7) 功率控制模式： 30 s無測量自動關(guān)機； (8) 適用環(huán)境：工作溫度為 20～ 45℃ ，相對濕度為 95%。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 通過規(guī)格說明，可以得出更加細化的系統(tǒng)功能和技術(shù)指標如下。如果在某個特定狀況下的某些行為在規(guī)格說明中不明確，那么設(shè)計者就有可能設(shè)計出錯誤的功能；如果規(guī)格說明的全局特征不正確或者不完整，那么由該規(guī)格說明建造的整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就很難符合現(xiàn)實的要求。規(guī)格說明的主要用途是：① 作為整個設(shè)計所必須遵循的指導原則和設(shè)計目標；② 作為測試和驗收的原則。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 表 數(shù)字兆歐表需求分析 項 目 說 明 系統(tǒng)名稱 數(shù)字兆歐表 設(shè)計目標 用于測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 個電源開關(guān)， 2 個表筆 功能描述 能夠全自動、高精度測量絕緣電阻，測量范圍 為 0 ～ 999 MΩ 制造成本 不計 功耗 不計 體積和重量 不計 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 其次是規(guī)格說明，它是對需求的提煉，比需求更精確。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。 首先是需求分析，收集系統(tǒng)的非形式描述。其任務(wù)是確定設(shè)計目標，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。如圖 ，設(shè)計一般可分為四個階段，第一階段是總體設(shè)計階段，第二階段是軟 /硬件詳細設(shè)計階段，第三階段是系統(tǒng)集成階段，最后是系統(tǒng)測試階段。在實際設(shè)計的過程中，自頂向下和自底向上的設(shè)計方法常常交叉使用。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計方法 目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程模型有很多，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、并行開發(fā)模型、基于體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)模型、基于構(gòu)建的開發(fā)模型和 XP方法等等，設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計對象復雜度和個人愛好，靈活地選擇不同的系統(tǒng)設(shè)計方法。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)初始化主要為軟件系統(tǒng)提供一個實時多任務(wù)的運行環(huán)境。這個過程包含對硬件和軟件的初始化。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 (2) 板級初始化。片級初始化的過程就是把 CPU從上電時的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。 (1) 片級初始化。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中， BSP是一個不可或缺的組成部分，操作系統(tǒng)啟動以前的初始化工作主要由 BSP完成。 (3) ?BSP是板級開發(fā)工具，因為在某些 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)、底層支持庫等。最著名例子就是風河系統(tǒng)公司，它傾向于這種理解。 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)導論 硬件抽象層 硬件抽象層隱藏特定平臺的硬件接口細節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關(guān)性，可在多種平臺上進行移植。程序設(shè)計可以采用并行開發(fā)模式，非常適合于大規(guī)模、工程化的程序設(shè)計。這種模式的程序設(shè)計常常是串行的，開發(fā)周期很長，不利于軟件的工程化設(shè)計，但有需求系統(tǒng)資源少、適合小程序設(shè)計等優(yōu)點。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 無操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)一般稱之為“前后臺”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)。 軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可以分為兩種：一是無操作系統(tǒng)支持的程序結(jié)構(gòu)；二是基于 RTOS的程序結(jié)構(gòu)。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 這些總線在速度、物理接口要求和通信方法上都有所不同。常用的并行總線如下： ① ?CPU并行總線； ② 工業(yè)標準結(jié)構(gòu) (Industry Standard Architecture， ISA)總線； ③ 外部設(shè)備互連 (Peripheral Component Interconnect，PCI)總線。半導體存儲器種類很多，從存、取功能上可以分為只讀存儲器 (ReadOnly Memory， ROM)、隨機存儲器 (Random Access Memory，RAM)、可編程存儲器 (Programmable ReadOnly Memory，PROM)、可擦除的可編程 ROM(Erasable Programmable ReadOnly Memory， EPROM)、閃存 (Flash Memory)、鐵電存儲器(FRAM)等幾種不同類型。由若干個存儲元組成一個存儲單元，然后再由許多存儲單元組成一個存儲器。 目前的存儲器主要有半導體材料、磁性材料和光介質(zhì)材料三種。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)是否“聰明”不僅取決于 CPU的性能， 而且在很大程度上還取決于嵌入式系統(tǒng)的存儲容量。一個有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA，它將 XA單片機內(nèi)核和支持超過 2048位復雜 RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載 Java或 C語言的專用的 SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如 Inter安全方面。通用系列包括 Infineon的 TriCore， Motorola的 MCore，某些 ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的 Neuron芯片等。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分都可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。各種通用處理器內(nèi)核將作為 SOC設(shè)計的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI設(shè)計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。另外 Philips公司也推出了一些新型的嵌入式 DSP處理器。 TMS320系列處理器包括用于控制的 C2022系列，用于移動通信的 C5000系列，以及性能更高的 C6000和 C8000系列。嵌入式 DSP處理器有兩個發(fā)展來源：一是 DSP處理器經(jīng)過單片化、 EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 DSP處理器， TI的 TMS320C2022/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或 SOC中增加 DSP處理器，例如 Intel的 MCS296和Infineon(Siemens)的 TriCore。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 3) 嵌入式 DSP處理器 EDSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在32位嵌入式處理器市場主要有 Motorola、 ARM、 MIPS、 TI、Hitachi等公司。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點，而且在電路板上必須包括 ROM、 RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)保密性。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)的體積和功耗。 值得注意的是，近年來提供 X86微處理器的著名廠商AMD公司將 Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為 Micro Controller； Motorola公司把以 Power PC為基礎(chǔ)的 PPC505和PPC555也列入單片機行列； TI公司亦將其 TMS320C2XXX系列 DSP作為 MCU進行推廣。另外還有許多半通用系列，如支持 USB接口的 MCU 8XC930/93 C5C541，支持 I2C、 CANBus、 LCD及眾多的專用 MCU和兼容系列。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 1) 嵌入式微控制器 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)集成到一塊芯片中。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 嵌入式處理器的分類一般有兩種。 (3) 可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，可以滿足快速開發(fā)最高性能的嵌入式系統(tǒng)的要求。 (2) 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。 嵌入式處理器的尋址空間一般從 64 KB到 16 MB，處理速度從 MIPS到 2022 MIPS，常用封裝從 8個引腳到 144個引腳。生產(chǎn) 8051單片機的半導體廠家有 20多個，共 350多個衍生產(chǎn)品，僅 Philips就有近 100種。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 圖 嵌入式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 硬件層 嵌入式系統(tǒng)的硬件層結(jié)構(gòu)如圖 ，它主要包括嵌入式處理器、存儲器、模擬電路及電源、接口控制器及插件等。這樣，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化為如圖 所示的四層結(jié)構(gòu)。硬件抽象層這個中間層的引入，屏蔽了底層硬件的多樣性， 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 操作系統(tǒng)不再直接面對具體的硬件環(huán)境，而是面向由這個中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境，實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性和跨平臺性。為了便于操作系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)的硬件上移植，微軟提出了將操作系統(tǒng)底層與硬件相關(guān)的部分單獨抽象出來，設(shè)計成單獨的硬件抽象層 (Hardware Abstraction Layer， HAL)的思想。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)是一種特殊的專用計算機系統(tǒng)，早期嵌入式系統(tǒng)自底向上主要由硬件環(huán)境、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等三層組成。這些工具和環(huán)境一般是通用計算機、專用的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及各種邏輯分析儀、示波器、信號源等。 第 1章 嵌入式系統(tǒng)導論 (5) 開發(fā)工具和環(huán)境。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在