【正文】 X 是一個實(shí)時的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循 PosIX 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如 實(shí)時擴(kuò)展。 ⑺ QNX QNX是加拿大 QNX公司的產(chǎn)品。 ⑹ LynxOS Lynx Realtime Systems 的 LynxOS 式一個分布式、嵌入式、可規(guī)模擴(kuò)展的實(shí)時操作系統(tǒng)，它遵循 、 和 標(biāo)準(zhǔn)。它提供了很好的安全性和容錯性。 Palm OS 的優(yōu)勢在于可以讓用嵌入式系統(tǒng)在多點(diǎn)溫度控制中的應(yīng)用 12 戶靈活方便地定制操作系統(tǒng)以適合自己的習(xí)慣，而且其市場運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)豐富，資本雄厚，目前也正在通過第三方軟件商進(jìn)行軟件的中文化工作。它具有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（ API），開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應(yīng)用程序。目前 Windows Embedded 產(chǎn)品家族主要有Windows CE 和 Windows NT Embedded 。 ⑶ Windows Embedded Windows Embedded 產(chǎn)品家族是 Microsoft 的產(chǎn)品，主要是用于建立 支持具有豐富應(yīng)用程序和服務(wù)的 32 嵌入時系統(tǒng)，從而針對廣泛的用戶需求提供靈活解決方案。該系統(tǒng)是一個模塊化、高性能的實(shí)時操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，提供一個完全的多任務(wù)環(huán)境，在定制的或者商業(yè)化的硬件上具有高性能和高可靠性，可以讓開發(fā)者根據(jù)操作系統(tǒng)的功能和內(nèi)存需求定制每一個應(yīng)用所需的系統(tǒng)。 它屬于商業(yè)型操作系統(tǒng)，目前國內(nèi)很多大的公司都采用此操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，如中興通訊、華為等。它支持多種處理器，如 x8 i960、Sun Sparc、 Motorola Mc68xxx、 MIPS RX000、 Power PC 等。 VxWorks 的突出特點(diǎn)：可靠 性、實(shí)時性和可裁減性。 經(jīng)過多年的發(fā)展，目前世界上已經(jīng)有一大批十分成熟的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)如下： ⑴ VxWorks VxWorks 操作系統(tǒng)是美國 WindRiver 公司于 1983 年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)（ RTOS） ，由于具有高性能的系統(tǒng)內(nèi)核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實(shí)時嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。在有嵌入式操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)中，每個任務(wù)有一個優(yōu)先級，根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實(shí)時性的要求。在嵌入式操作系統(tǒng)之上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)將減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量，增強(qiáng)了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性，使 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法更具科學(xué)性，可以說嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。專用 SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，一個有代表性的產(chǎn)品是 Philips的 Smart XA，它將 XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過 2048位復(fù)雜 RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載 JAVA或者 C語言的專用 SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如 Inter安全方面。這樣開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)電路板變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。 4).嵌入式片上系統(tǒng)（ System On Chip, SOC） 隨著 EDI的推廣、 VLSI設(shè)計(jì)的普及以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以結(jié)合許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上而構(gòu)成一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就是 SOC。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)稱為嵌入式 DSP處理器；二是在通用單片機(jī)或 SOC中增加 DSP協(xié)處理器。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列有 805 P51XA、 MCS251/9 MC68HC05/11/168300等， 3).嵌入式 DSP處理器（ Embedded Digital Signal Processor, EDSP） DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度快。 嵌入式微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、 RAM、總線、總線邏輯、定時 /計(jì)數(shù)器、 WatchDog、 I/O、串行口、脈沖調(diào)制輸出、 A/D、 D/A、 Flash等各種必要功能和外設(shè)。 嵌入式處理器目前主要有 Aml86/8 386EX、 SC400、 Power PC、 68000、 MIPS、ARM系列等?，F(xiàn)在幾乎每個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，根據(jù)其現(xiàn)狀，大致分為以下幾類： 1).嵌入式微處理器（ Embedded Microprocessor Unit, EMPU） 嵌入式處理器的基礎(chǔ)是通用 CPU，在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減少系統(tǒng)體積和功耗。而軟件的核心部件式嵌入式操作系統(tǒng)，目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)有 VxWorks、 pSOS、 QNX、Windows CE、 Palm OS、 QNX、 Linux等。 在上述幾項(xiàng)中，最大中斷禁止時間和任務(wù)切換時間是評價一個 RTOS 實(shí)時性最重要的兩個技術(shù)指標(biāo)。更準(zhǔn)確地說，任務(wù)切換時間是實(shí)時操作系統(tǒng)將控制權(quán)從一個任務(wù)的執(zhí)行中取回，然后交給另一個任務(wù)所需的時間。實(shí)時操作系統(tǒng)的中斷延遲時間有下列三個因素決定：處理器硬件電路的延遲時間，通常這個時間可以忽略；實(shí)時操作系統(tǒng)處理中斷并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給相關(guān)處理程序所需要的時間；實(shí)時操作系統(tǒng)的中斷禁止時間。只用當(dāng) RTOS 重新回到用戶態(tài)才響應(yīng)外部中斷請求，這一過程所需要的最大時間就是最大中斷禁止時間。因此，在 RTOS 的設(shè)計(jì)中，其占用內(nèi)存大小是一個很重要的指標(biāo)，這是 RTOS 設(shè)計(jì)與其它操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的明顯區(qū)別之一。目前主流的實(shí)時操作系統(tǒng)一般都可以提供兩種模式，讓用戶根據(jù)應(yīng)用自主選擇。 ⑵ 內(nèi)存管理 如同分時操作系統(tǒng)一樣，實(shí)時操作系統(tǒng)使用內(nèi)存管理單元（ MMU）進(jìn)行內(nèi)存管理。單純從基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度方式而言，又存在多種優(yōu)先級計(jì)算方法。因此， RTOS 要解決的幾個主要問題如下： ⑴ 任務(wù)調(diào)度機(jī)制： RTOS 的實(shí)時性和多任務(wù)能力在很大程度上取決于它的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。對商用多任務(wù) OS，其目的是方便用戶管理計(jì)算機(jī)資源，追求系統(tǒng)資源最大利用率；而 RTOS 追求的是調(diào)度的實(shí)時性、時間響應(yīng)時間的可確定性、系統(tǒng)的高度可靠性。 在任意時刻，只有一個任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行（ Executing）、就緒（ Ready）、掛起（ Suspended）、睡眠（ Dormant）。它的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時控制任務(wù)，提高可靠性，其次才著眼于提高系統(tǒng)的使用效率，要滿足對時間的限制和要求。其基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。目前，國內(nèi)外有很多微內(nèi)核大小不等的嵌入式操作系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，從而加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 3. 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對軟硬件進(jìn)行裁減，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，介入嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)，必須有一個正確的定位。 2． 嵌入是系統(tǒng)式將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。 可以從以下幾個方面來理解國內(nèi)對嵌 入式系統(tǒng)的定義： 1． 嵌入式系統(tǒng)式面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體的應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才具有優(yōu)勢。 現(xiàn)在 RTOS 已經(jīng)在全球形成了 1個產(chǎn)業(yè)，更具美國 EMF(電子市場分析 )報(bào)告，1999 年全球 RTOS 市場產(chǎn)值達(dá) 億美元，而相關(guān)的整個嵌入式開發(fā)工具（包括仿真器、邏輯分析儀、軟件編譯器和調(diào)試器）則高達(dá) 9億美元。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了 Palm OS、 Windows CE、嵌入式 Linux、 Lynx、 Nucleus 以及國內(nèi)的 Hopen、 Delta OS 等嵌入式操作系統(tǒng)。 90 年代以后，隨著對實(shí)時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時內(nèi)核逐漸發(fā)展為實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS） ，并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁減性、可擴(kuò)充性和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時性和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。這個實(shí)時內(nèi)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理、時鐘管理等功能。 從 80 年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率。 20 世紀(jì) 70 年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。 作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件雙螺旋式交替發(fā)展的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟，嵌入式系統(tǒng)也不例外。第一章 概述 8 第二章 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用是現(xiàn)代信息社會的一個重要特征，已經(jīng)被用于各行各業(yè)，也深入地 影響到人們的生活和工作，本章較為全面地介紹和研究了嵌入式系統(tǒng)的基本概念和原理，并對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢作一定的論述，對于了解嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)和研究將起到一定的作用。首先論述了 VC++對多線程的支持 以及多線程編程中的關(guān)鍵問題，然后詳細(xì)闡述了主機(jī)側(cè)通信功能和 ISP功能的設(shè)計(jì)。最后對系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在軟件設(shè)計(jì)中，把系統(tǒng)的軟件分成人機(jī)交互、串行通信 、溫度的測量及控制、遠(yuǎn)程加載等四大模塊，并對每一模快的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。 第四章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章中論述了本課題的核心，詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度進(jìn)行控制的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然后根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用介紹了對實(shí)時內(nèi)核進(jìn)行的擴(kuò)展。最后論述了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及應(yīng)用狀況，并對嵌入式系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢加以展望。 第二章 嵌入式系統(tǒng) 本章首先對嵌入式系統(tǒng)的歷史進(jìn)行論述，引出其當(dāng)前的定義，并提出了 RTOS所要解決的幾個問題。 論文的章節(jié)安排 論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排如下： 第一章 概述 概述部分由嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)今 IT行業(yè)又一熱點(diǎn)開始，結(jié)合當(dāng)前微 機(jī)控制領(lǐng)域存在的問題，論述了在此領(lǐng)域引入嵌入式操作系統(tǒng)的必要性，引出課題的意義。另一方面，利用 RS232串行通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 PC機(jī)與系統(tǒng)的通信，并可對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。對溫度控制方面， 采用了一種基于時間最優(yōu)控制的 PID算法實(shí)現(xiàn)對溫度控制。這個特點(diǎn)使得它的實(shí)時性比非占先式的內(nèi)核要好。由于它沒第一章 概述 6 有功能強(qiáng)大的軟件包，基于具體應(yīng)用需要自己編寫驅(qū)動程序，為使其能夠正常工作，要根據(jù)具體的硬件平臺完成相應(yīng)的移植工作。 軟件的設(shè)計(jì)基于軟件開發(fā)平臺μ C/OSII，它是由 Labrosse先生編寫的一個開放式內(nèi)核，最主要的特點(diǎn)就是源碼公開，此 RTOS的更多優(yōu)點(diǎn)在第三章有詳細(xì)論述。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用 凌特公司 (Linear Technology)推出的 20位無延遲模數(shù)轉(zhuǎn)換器 LTC2430，此模塊可直接對測量的毫伏級信號進(jìn)行處理，并能夠達(dá)到精度要求。 考慮到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，在硬件設(shè)計(jì)方面，微控制器選用了 臺灣 Syncmos公司生產(chǎn)的 8位微控制器 SM5964, 它是 80C52 微控制器家族的派生產(chǎn)品，其強(qiáng)大的片內(nèi)資源，只需選用少量的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求。） 目前就成本而言，在較長的一段時間，很多測控應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器只需 8 位或 16位單片機(jī)就可勝任 ,對于這樣低端的產(chǎn)品開發(fā)，要完成較復(fù)雜的任務(wù)，可采用微內(nèi)核的多任務(wù)操作系統(tǒng)如 μ C/OSII、 RTX、 CMX等來完成軟件設(shè)計(jì)。用戶在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，根據(jù)具體應(yīng)用和實(shí)際情況，選擇適合自己的實(shí)時操作 系統(tǒng)。 這些操作系統(tǒng)性能優(yōu)越，易于移植，但均屬于商業(yè)操作系統(tǒng)，需支付昂貴的版稅。 目前較流行的嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)國外主要有 VxWorks、 QNX、 pSOS、Windows CE 等。 系統(tǒng)中引入 RTOS 之后，有 RTOS 完成任務(wù)管理、任務(wù)間通信、中斷管理等功能。正是上述的缺點(diǎn)， 在干擾嚴(yán)重的情況下，系統(tǒng)安全性差。 這種方法的缺點(diǎn)是：除中斷服務(wù)程序以外，各程序模塊沒有優(yōu)先級的區(qū)別，被主循環(huán)簡單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實(shí)時性差，響第一章 概述 5 應(yīng)時間無法預(yù)料；而且，當(dāng)一個任務(wù)申請不到資源，或循環(huán)過程中由于某種原因無法跳出循環(huán)時，其他任務(wù)將得不到響應(yīng)， 當(dāng)程序很小時，雖然可通過設(shè)置Watchdog ，利用中斷等方法來解決上述矛盾。長期以來，在國內(nèi)傳統(tǒng)的開發(fā)方式是：針對某一應(yīng)用，畫程序 流程圖、編制應(yīng)用程序。為了提高系統(tǒng)的可靠性，并有效地實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的相互通信，當(dāng)應(yīng)用程序處理的任務(wù)較多，尤其要求同時執(zhí)行兩個以上的工作和任務(wù)時，在軟件設(shè)計(jì)中引入實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real Time Operating System,RTOS)將非常必要 。這樣，整個應(yīng)用軟件有各個任務(wù)所組成，設(shè)計(jì)、調(diào)試時可分別進(jìn)行。同時由于程序采用線性結(jié)構(gòu)，使得程序難于修改或者移植，因此缺乏靈活性、通用性和可維護(hù)性。這些用常規(guī)方法是難以實(shí)現(xiàn)的。如果采用中斷置標(biāo)志的方法，讓主程序來進(jìn)行處理，則一方面會增加程序的復(fù)雜性，另一方面也難以做到實(shí)時處理，因?yàn)橹鞒绦虿豢赡茉趫?zhí)行其它程序時，隨時去檢查這些標(biāo)志位而轉(zhuǎn)向不同的處理程序。但是有許多實(shí)時操作的處理比較復(fù)雜，需要較長的 CPU 執(zhí)行時間。 （論述嵌入式系統(tǒng)與一般系統(tǒng)的差別，優(yōu)缺點(diǎn)） 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)方法及測試技術(shù)，結(jié)合 RTOS 的選取原則，選用了