北京航空航天大學嵌入式系統(tǒng)課件Cha

嵌 入 式 系 統(tǒng) 基 于 32位 微 處 理 器 與 實 時 操 作 系 統(tǒng)2006年 春 季北 京 航 空 航 天 大 學 計 算 機 學 院 2 課 程 目 的n 本 課 程 介 紹 了 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 前 沿 技 術 和 發(fā) 展 趨 勢 ，重 點 講 述 了 基 于 ARM微 處 理 器 的 嵌 入 式 硬 件 平 臺 、嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) （ RTlinux） 和 嵌 入 式 軟 硬 件 系 統(tǒng)開 發(fā) 技 術 。n 采 用 理 論 學 習 和 實 踐 并 重 的 教 學 方 法 ， 著 重 培 養(yǎng)學 生 的 實 際 動 手 能 力 ， 通 過 熟 悉 開 發(fā) 環(huán) 境 與 開 發(fā)流 程 、 編 程 實 踐 等 基 礎 實 驗 ， 使 學 生 能 夠 掌 握 嵌入 式 系 統(tǒng) 設 計 的 基 本 方 法 。 此 外 還 增 加 了 嵌 入 式多 媒 體 應 用 、 游 戲 開 發(fā) 等 開 放 式 實 驗 ， 使 得 基 礎較 好 的 同 學 能 夠 獲 得 進 一 步 的 嵌 入 式 開 發(fā) 實 踐 機會 。 3 需 要 的 基 礎 知 識n 先 導 課 程計 算 機 操 作 系 統(tǒng)微 機 原 理C 語 言n 需 要 了 解 的 基 礎 知 識了 解 操 作 系 統(tǒng) 、 單 片 機 和 微 機 原 理 的 基 本 概 念 ，能 夠 熟 練 使 用 C 語 言 。 4 學 時 分 配n 課 程 屬 性 ： 專 業(yè) 基 礎 課n 總 學 時 數(shù) ： 48 n 課 內(nèi) 學 時 ： 48n 講 課 學 時 數(shù) ： 30n 實 驗 學 時 數(shù) ： 18n 學 分 ： 3 5 課 程 大 綱 （ 約 30學 時 ）課 次 學 時 形 式 內(nèi) 容第 2周 3 講 課 緒 論第 3周 3 講 課 嵌 入 式 硬 件 基 礎第 4周 3 講 課 ARM微 處 理 器 體 系 結 構第 5周 3 講 課 ARM指 令 集第 6周 3 講 課 基 于 ARM的 嵌 入 式 硬 件 接 口 設 計第 8周 3 講 課 嵌 入 式 硬 件 設 計 工 具 使 用 Cadence第 10周 3 講 課 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 概 述第 12周 3 講 課 嵌 入 式 Linux 第 14周 3 講 課 嵌 入 式 軟 件 開 發(fā) 方 法 概 述第 16周 3 講 課 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設 計 實 例 分 析第 19周 2 考 試時 間 ： 周 五 晚 8:00-11:00 地 點 ： 4號 樓 315 6 專 題 實 驗 內(nèi) 容 （ 18學 時 ）地 點 ： 2號 樓 機 房 （ 上 午 9:00 12:00）課 次 學 時 形 式 內(nèi) 賓第 7周 3 實 驗 實 驗 一 ： 熟 悉 基 本 開 發(fā) 環(huán) 境 及 軟 硬 件 平 臺 C和 ARM匯 編 程 序 混 合 設 計 （ 整 數(shù) 排 序 算 法 ）第 9周 3 實 驗 實 驗 二 ： 嵌 入 式 Linux程 序 設 計 （ 串 口 通 信 程 序 ）第 11周 3 實 驗 實 驗 三 ： 嵌 入 式 linux內(nèi) 核第 13周 3 實 驗 實 驗 四 ： 嵌 入 式 Linux圖 形 程 序 設 計第 15周 3 實 驗 實 驗 五 ： 觸 摸 屏 及 LED驅(qū) 動 程 序 設 計 （ 大 作 業(yè) ）第 17周 3 實 驗 實 驗 六 ： 觸 摸 屏 及 LED驅(qū) 動 程 序 設 計 （ 大 作 業(yè) ）注 ： 1、 實 驗 1-6在 實 驗 室 統(tǒng) 一 講 解 輔 導 ， 要 求 在 課 內(nèi) 18個 學時 內(nèi) 完 成 7 開 放 式 項 目 實 驗 （ 約 20學 時 ）地 點 ： 開 放 實 驗 室內(nèi) 容 ： 學生可以單獨或者合作（最多3人）開發(fā)一個簡單的嵌入式系統(tǒng)設備，可從下面的命題中選取，也可自己設計題目。MP3播放器MP4播放器基于Linux的PDA（記事本、通訊錄、備忘錄等功能）基于Linux的可視電話便攜式旅游信息終端簡單Email編輯、收發(fā)器（具有RJ45和Wi-fi接口）簡單游戲（游戲桿控制） 8 n 掌 握 一 種 學 習 方 法 -理 論 學 習 和 實 踐 并 重n 學 習 嵌 入 式 軟 硬 件 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 、 基 本 原 理和 設 計 方 法n 獲 得 嵌 入 式 開 發(fā) 設 計 的 實 踐 經(jīng) 驗n 獲 得 學 分 n 為 未 來 職 場 的 發(fā) 展 奠 定 技 術 基 礎大 家 能 夠 期 望 的 收 獲 9 您 的 期 望 合 理 嗎 ？通 過 本 門 課 程 的 學 習 ， 你 將 獲 得 以 下 知 識 ：n 了 解 嵌 入 式 軟 件 開 發(fā) 流 程 （ 期 望 值 ： ）n 學 會 使 用 實 時 操 作 系 統(tǒng) ， 了 解 多 任 務 （ 期 望 值 ： ）n 掌 握 基 本 嵌 入 式 硬 件 知 識 （ 期 望 值 ： ）n 提 高 C語 言 編 程 能 力 （ 期 望 值 ： ）n 獨 立 或 合 作 開 發(fā) 出 嵌 入 式 應 用 軟 件 （ 期 望 值 ： ）n 掌 握 嵌 入 式 軟 件 編 程 （ 期 望 值 ： ） n 掌 握 硬 件 設 計 知 識 （ 期 望 值 ： ）n 學 會 操 作 系 統(tǒng) 移 植 （ 期 望 值 ： ）n 成 為 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設 計 高 手 （ 期 望 值 ： ） 10 1. 符 意 德 編 著 . 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設 計 原 理 與 應用 . 北 京 ： 清 華 大 學 出 版 社 ， 20042.孫 玉 芳 等 譯 . 嵌 入 式 計 算 系 統(tǒng) 設 計 原 理（ computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf） .北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2002參 考 教 材 11 n 考 核 方 式n 平 時 作 業(yè) 和 表 現(xiàn) （ 占 20%） +大 作 業(yè) （ 占30%） +筆 試 （ 50%）考 核 方 式 和 評 分 標 準 121 C H A P T E R 緒 論 13 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 典 型 應 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設 計 過 程 14 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 計 算 機 系 統(tǒng) 的 三 大 領 域n 服 務 器 市 場n 功 能 強n 利 潤 最 大 的 市 場n 可 用 性 強n 可 擴 展 性n 桌 面 市 場 n 最 廣 闊 的 市 場n 嵌 入 式 市 場n 潛 力 最 大 的 市 場 15 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 以 往 計 算 機 分 類 ：n 大 型 計 算 機 、 中 型 機 、 小 型 機 和 微 計 算 機n 目 前 計 算 機 分 類 ：n 超 級 計 算 機 ， 大 型 計 算 機 、 工 作 站 、 微 計 算 機 、亞 微 計 算 機亞 微 計 算 機 (嵌 入 式 計 算 機 ) 是 以 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的形 式 隱 藏 在 各 種 裝 置 、 產(chǎn) 品 和 系 統(tǒng) 中 16 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介 17 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 一 般 定 義n 以 應 用 為 中 心 、 以 計 算 機 技 術 為 基 礎 ， 軟 硬 件 可 裁 剪 ,應 用 系 統(tǒng) 對 功 能 、 可 靠 性 、 成 本 、 體 積 、 功 耗 和 應 用環(huán) 境 有 特 殊 要 求 的 專 用 計 算 機 系 統(tǒng) 。 是 將 應 用 程 序 、操 作 系 統(tǒng) 和 計 算 機 硬 件 集 成 在 一 起 的 系 統(tǒng) （ 技 術 角 度 ）n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 設 計 完 成 復 雜 功 能 的 硬 件 和 軟 件 ， 并 使其 緊 密 耦 合 在 一 起 的 計 算 機 系 統(tǒng) 。 （ 系 統(tǒng) 角 度 ） n 術 語 嵌 入 式 反 映 了 這 些 系 統(tǒng) 通 常 是 更 大 系 統(tǒng) （ 被 稱 之 為 嵌 入 的 系 統(tǒng) ）的 一 個 完 整 子 系 統(tǒng) 。 嵌 入 式 的 系 統(tǒng) 可 以 包 含 多 個 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。n 廣 義 定 義n 任 何 一 個 非 計 算 機 的 計 算 系 統(tǒng) 18 n IEEE定 義n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 “ 用 于 控 制 、 監(jiān) 視 或 者 輔 助 操 作的 機 器 、 設 備 或 裝 置 ” （ 原 文 為 devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。n 通 常 執(zhí) 行 特 定 功 能 n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 核 心 -嵌 入 式 微 處 理 器n 嚴 格 的 時 序 和 穩(wěn) 定 性 要 求n 全 自 動 操 作 循 環(huán)嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介 19 n 微 機 學 會 定 義n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 以 嵌 入 式 應 用 為 目 的 的 計 算 機 系 統(tǒng) ?？?分 為 系 統(tǒng) 級 、 板 級 、 片 級n 系 統(tǒng) 級 ： 各 種 類 型 的 工 控 機 、 PC104模 塊n 板 級 ： 各 種 類 型 的 帶 CPU的 主 板 及 OEM產(chǎn) 品 n 片 級 ： 各 種 以 單 片 機 、 DSP、 微 處 理 器 為 核 心 的 產(chǎn) 品嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介 20 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 廣 義 上 講 ， 凡 是 帶 有 微 處 理 器 的 專 用 軟 硬 件 系 統(tǒng) 都 可 稱 為嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 如 各 類 單 片 機 和 DSP系 統(tǒng) 。 這 些 系 統(tǒng) 在 完 成 較為 單 一 的 專 業(yè) 功 能 時 具 有 簡 潔 高 效 的 特 點 。 但 由 于 他 們 沒有 操 作 系 統(tǒng) ， 管 理 系 統(tǒng) 硬 件 核 軟 件 的 能 力 有 限 ， 在 實 現(xiàn) 復雜 多 任 務 功 能 時 ， 往 往 困 難 重 重 ， 甚 至 無 法 實 現(xiàn) 。n 從 狹 義 上 講 ， 我 們 更 加 強 調(diào) 那 些 使 用 嵌 入 式 微 處 理 器 構 成獨 立 系 統(tǒng) ， 具 有 自 己 操 作 系 統(tǒng) ， 具 有 特 定 功 能 ， 用 于 特 定場 合 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 本 課 程 中 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 是 指 狹 義 上 的嵌 入 式 系 統(tǒng) 。 21 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 發(fā) 展 歷 史 嵌 入 式 系 統(tǒng) 本 身 是 一 個 相 對 模 糊 的 定 義 。 一 個 手 持 的MP3和 一 個 PC104的 微 型 工 業(yè) 控 制 計 算 機 都 可 以 認 為 是 嵌 入式 系 統(tǒng) 。 嵌 入 式 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 有 了 近 30年 的 發(fā) 展 歷 史 ， 它 是 硬 件 和 軟件 交 替 發(fā) 展 的 雙 螺 旋 式 發(fā) 展 。 最 早 的 單 片 機 是 Intel公 司 的 8048， 它 出 現(xiàn) 在 1976年Motorola同 時 推 出 了 68HC05， Zilog公 司 推 出 了 Z80系 列 ，這 些 早 期 的 單 片 機 均 含 有 256字 節(jié) 的 RAM、 4K的 ROM、 4個 8位并 口 、 1個 全 雙 工 串 行 口 、 兩 個 16位 定 時 器 。 之 后 在 80年 代 初 ， Intel又 進 一 步 完 善 了 8048， 在 它 的基 礎 上 研 制 成 功 了 8051。 22 1981年 Ready System開 發(fā) 了 世 界 上 第 1個商 業(yè) 嵌 入 式 實 時 內(nèi) 核 （ VTRX32） ， 包 含 了 許多 傳 統(tǒng) 操 作 系 統(tǒng) 的 特 征 ， 包 括 任 務 管 理 、 任務 間 通 訊 、 同 步 與 相 互 排 斥 、 中 斷 支 持 、 內(nèi)存 管 理 等 功 能 。隨 后 ， 出 現(xiàn) 了 如 Integrated System Incorporation (ISI)的 PSOS、 IMG的 VxWorks、QNX公 司 的 QNX 等 ， Palm OS， WinCE， 嵌 入 式Linux， Lynx， uCOS、 Nucleux， 以 及 國 內(nèi) 的Hopen、 Delta OS等 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 也 相 繼 出現(xiàn) 。 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介 23 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 基 于 8位 ， 16位 ， 32位 的 嵌 入 式 系 統(tǒng)n 微 處 理 器 飛 速 發(fā) 展 的 結 果 是 嵌 入 式 計 算 成 為 一 門學 科 。 在 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 早 期 階 段 ， 所 有 基 本 硬件 構 件 相 對 較 小 也 較 簡 單 ， 如 ： 8位 的 CPU、 74系 列 的 芯 片 及 晶 體 管 等 ， 其 軟 件 子 系 統(tǒng) 是 采 用 一體 化 的 監(jiān) 控 程 序 ， 不 存 在 操 作 系 統(tǒng) 平 臺 。 而 今 天組 成 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 硬 件 構 件 已 較 復 雜 ， 如 ：16位 、 32位 CPU或 特 殊 功 能 的 微 處 理 器 、 特 定 功能 的 集 成 芯 片 、 FPGA或 CPLD等 ， 其 軟 件 設 計 的復 雜 性 成 倍 增 長 。 因 此 研 究 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 設 計 原理 及 技 術 ， 提 供 系 統(tǒng) 的 設 計 方 法 和 開 發(fā) 工 具 是 嵌入 式 計 算 學 科 的 關 鍵 技 術 。 24 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 典 型 的 8位 微 處 理 系 統(tǒng)n MCS-51系 列 的 單 片 機 是 低 端 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 用 得 最 多的 微 處 理 器 。 25 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 典 型 的 16位 微 處 理 系 統(tǒng)n MCS-96系 列 單 片 機 和 16位 DSP芯 片 26 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 典 型 的 32位 微 處 理 系 統(tǒng)n ARM系 列 是 應 用 較 廣 泛 的 32位 微 處 理 器 。 實 際 上 該 系列 的 MCU芯 片 很 多 ， 但 大 都 是 已 ARM微 內(nèi) 核 為 核 心 的 。32位 的 DSP應 用 的 也 很 廣 泛 。 27 n 特 點n 功 耗 限 制n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 ， 尤 其 是 在 用 電 池 供 電 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 ， 這 是 一個 主 要 考 慮 的 因 素 。 大 耗 電 量 直 接 影 響 到 硬 件 費 用 ， 并 影 響 電源 壽 命 以 及 帶 來 散 熱 問 題 。n 低 成 本n 包 含 硬 件 成 本 和 軟 件 成 本 。 硬 件 成 本 主 要 決 定 于 所 使 用 的 微 處理 器 、 所 需 的 內(nèi) 存 及 相 應 的 外 圍 芯 片 ； 軟 件 成 本 通 常 難 于 預 測 ，但 一 個 好 的 設 計 方 法 有 利 于 降 低 軟 件 成 本 。n 多 速 率 n 系 統(tǒng) 同 時 運 行 多 個 實 時 性 任 務 ， 系 統(tǒng) 必 須 同 時 控 制 這 些 動 作 ，但 這 些 動 作 有 些 速 度 慢 ， 有 些 速 度 快 。n 環(huán) 境 相 關 性n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 不 是 獨 立 的 ， 而 是 與 其 被 嵌 入 的 設 備 緊 密 相 關 聯(lián) 。嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介 28 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 特 點n 系 統(tǒng) 內(nèi) 核 小n 由 于 嵌 入 式 系 統(tǒng) 一 般 是 應 用 于 小 型 電 子 裝 置 的 ， 系 統(tǒng) 資 源 相 對有 限 ， 所 以 內(nèi) 核 較 之 傳 統(tǒng) 的 操 作 系 統(tǒng) 要 小 得 多 。 n 比 如 ENEA公 司 的 OSE實 時 OS， 內(nèi) 核 只 有 5K， 而 Windows的 內(nèi) 核 則要 大 得 多 。n 專 用 性 強n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 個 性 化 很 強 ， 其 中 的 軟 件 系 統(tǒng) 和 硬 件 的 結 合 非 常緊 密 ， 一 般 要 針 對 硬 件 進 行 系 統(tǒng) 的 移 植 。n 同 時 針 對 不 同 的 任 務 ， 往 往 需 要 對 系 統(tǒng) 進 行 較 大 更 改 ， 程 序 的編 譯 下 載 要 和 系 統(tǒng) 相 結 合 ， 這 種 修 改 和 通 用 軟 件 的 “ 升 級 ” 是完 全 不 同 的 概 念 。 29 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 特 點n 不 可 壟 斷 性n PC有 WinTel壟 斷n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 工 業(yè) 的 基 礎 是 以 應 用 為 中 心 的 “ 芯 片 ”設 計 和 面 向 應 用 的 軟 件 產(chǎn) 品 開 發(fā) 。n 產(chǎn) 品 相 對 穩(wěn) 定 性 n 普 通 處 理 器 18月n 嵌 入 式 處 理 器 8 10年 30 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 實 時 性n 實 時 性 的 本 質(zhì) 是 任 務 處 理 所 化 費 時 間 的 可 預 測 性 ， 即任 務 需 要 在 規(guī) 定 的 時 限 內(nèi) 完 成 。n 任 務 執(zhí) 行 的 時 間 可 以 根 據(jù) 系 統(tǒng) 的 軟 硬 件 的 信 息 而 進 行 確 定 性的 預 測 。 也 就 是 說 ， 如 果 硬 件 可 以 做 這 件 工 作 ， 那 么 基 于 實時 操 作 系 統(tǒng) 的 軟 件 將 可 以 確 定 性 的 做 這 件 工 作 。 n 實 時 系 統(tǒng)n 實 時 系 統(tǒng) 的 正 確 性 依 賴 于 運 行 結 果 的 邏 輯 正 確 性 和 運 行 結 果產(chǎn) 生 的 時 間 正 確 性 ， 即 實 時 系 統(tǒng) 必 須 在 規(guī) 定 的 時 間 范 圍 內(nèi) 正確 地 響 應 外 部 物 理 過 程 的 變 化 。n 嵌 入 式 系 統(tǒng) 實 時 系 統(tǒng)n 有 些 嵌 入 式 系 統(tǒng) 沒 有 實 時 性 要 求 31 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 硬 實 時 軟 實 時n “ 軟 ” 意 味 著 如 果 沒 有 滿 足 指 定 的 時 間 約 束 并不 會 導 致 災 難 性 的 后 果 ， 而 對 于 硬 實 時 系 統(tǒng) 來說 卻 是 災 難 性 的 n 從 實 踐 上 說 ， 軟 實 時 和 硬 實 時 之 間 的 區(qū) 別 通 常（ 隱 含 的 和 錯 誤 的 ） 與 系 統(tǒng) 的 時 間 精 度 有 關 ：由 于 這 個 原 因 ， 典 型 的 ， 軟 實 時 任 務 的 調(diào) 度 精度 必 須 大 于 千 分 之 一 秒 ， 而 硬 實 時 任 務 為 微 秒級 。 32 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 實 時 頻 譜 圖 33 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 市 場n 2001年 嵌 入 式 系 統(tǒng) 國 際 會 議 年 會 Jim Turley的 報告 中 ， 統(tǒng) 計 得 到 PC的 數(shù) 量 只 占 CPU 總 耗 量 的0.1%。n 據(jù) CCID2003年 的 數(shù) 據(jù) 顯 示 ， 2000年 嵌 入 式 軟 件市 場 規(guī) 模 為 70.33億 元 ， 2001年 為 95.43億 元 ，2002年 118.56億 元 ， 三 年 平 均 增 長 38.85%。 n 2002年 中 國 軟 件 市 場 為 345.0億 元 ， 嵌 入 式 軟 件約 占 軟 件 總 市 場 的 34.37 。 34 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 市 場n 2004年 ， 軟 件 統(tǒng) 計 數(shù) 據(jù) 為 ：n 套 裝 軟 件 共 計 478億 元 ， 為 具 有 獨 立 產(chǎn) 品 形 態(tài) 的 軟 件 。n 其 中 包 括 系 統(tǒng) 軟 件 89億 元 （ 操 作 系 統(tǒng) 44.19億 元 、 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 系統(tǒng) 20.06億 元 、 支 撐 軟 件 25.71億 元 ） 、 n 中 間 件 軟 件 6.98億 元 、n 應 用 軟 件 304.53億 元 （ 包 括 通 用 應 用 軟 件 （ 安 全 軟 件 、 辦 公 軟件 、 管 理 軟 件 、 游 戲 軟 件 、 教 育 軟 件 等 ） 與 行 業(yè) 應 用 軟 件 （ 金融 、 電 信 、 政 府 等 ） ） 、n 嵌 入 式 軟 件 （ 673.62億 元 ）n 相 關 軟 件 服 務 （ 937.48億 元 ） ： 除 生 產(chǎn) 產(chǎn) 品 化 軟 件 之 外的 所 有 的 軟 件 研 發(fā) 及 相 關 活 動 ， 包 括 系 統(tǒng) 集 成 、 軟 件 外包 、 咨 詢 、 數(shù) 據(jù) 加 工 和 處 理 等 。 35 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介處 理 器存 儲 器輸 入 接 口 操 作 系 統(tǒng)(協(xié) 議 棧 )應 用 程 序 軟 件 子 系 統(tǒng)硬 件 子 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 組 成 輸 出 接 口外 圍 設 備 36 嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 軟 /硬 件 框 架 37 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 硬 件 子 系 統(tǒng) 38 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 嵌 入 式 外 圍 設 備n 在 嵌 入 式 硬 件 系 統(tǒng) 中 ， 除 了 嵌 入 式 處 理 器 之 外 的 完 成 存儲 、 通 信 、 I/O、 調(diào) 試 等 功 能 的 其 它 部 件 。n 分 類n 存 儲 器 類 型 ： 靜 態(tài) 易 失 型 存 儲 器 (RAM/SRAM)， 動 態(tài) 存儲 器 (DRAM)， 非 易 失 型 存 儲 器 (ROM、 EPROM、EEPROM、 FLASH)。 其 中 ， FLASH(閃 存 )以 可 擦 寫 次 數(shù)多 ， 存 儲 速 度 快 ， 容 量 大 及 價 格 便 宜 等 有 點 在 嵌 入 式 領域 得 到 廣 泛 的 應 用 。 n 接 口 類 型 ： 目 前 存 在 的 所 有 接 口 在 嵌 入 式 系 統(tǒng) 中 都 有 其廣 泛 的 應 用 ， 但 是 以 下 幾 種 接 口 的 應 用 最 為 廣 泛 ， 包 括RS-232接 口 (串 口 )、 IrDA(紅 外 )、 SPI(串 行 設 備 接 口 )、I2C、 USB、 Ethernet和 普 通 并 口 。n 顯 示 類 型 ： CRT、 LCD和 觸 摸 屏 等 外 圍 顯 示 設 備 。 39 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 最 小 硬 件 系 統(tǒng) 40 嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介n 嵌 入 式 軟 件 子 系 統(tǒng) 41 嵌 入 式 系 統(tǒng) 與 單 片 機 、 PC相 比 的 優(yōu) 勢n 采 用 32位 RISC嵌 入 式 微 處 理 器 和 實 時 操 作 系 統(tǒng) 組 成 的嵌 入 式 控 制 系 統(tǒng) ， 與 傳 統(tǒng) 基 于 單 片 機 的 控 制 系 統(tǒng) 和 基于 PC的 控 制 方 式 相 比 ， 具 有 以 下 突 出 優(yōu) 點 ：u 性 能 方 面 ： 采 用 32位 RISC結 構 微 處 理 器 ， 主 頻 從 30MHz到624MHz以 上 ， 處 理 能 力 大 大 超 出 單 片 機 系 統(tǒng) ， 接 近 PC機 的 水平 ， 但 體 積 更 小 ， 能 夠 真 正 地 “ 嵌 入 ” 到 設 備 中 ； u 實 性 性 方 面 ： 嵌 入 式 機 控 制 器 內(nèi) 嵌 實 時 操 作 系 統(tǒng) （ RTOS） ，能 夠 完 全 保 證 控 制 系 統(tǒng) 的 強 實 時 性 ；u 人 機 交 互 方 面 ： 嵌 入 式 控 制 器 可 支 持 大 屏 幕 的 液 晶 顯 示 器 ，提 供 功 能 強 大 的 圖 形 用 戶 界 面 ； 輸 入 方 法 多 種 多 樣 ；u 系 統(tǒng) 升 級 方 面 ： 嵌 入 式 控 制 器 可 為 控 制 系 統(tǒng) 專 門 設 計 ， 其 功能 專 一 ， 成 本 較 低 ， 而 且 開 放 的 用 戶 程 序 接 口 （ API） 保 證 了系 統(tǒng) 能 夠 快 速 升 級 和 更 新 。 42 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 典 型 應 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設 計 過 程 43 嵌 入 式 處 理 器 分 類n 微 處 理 器 (Microprocessor Unit, MPU) n 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) n 嵌 入 式 DSP (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) n 片 上 系 統(tǒng) (System On Chip) 44 嵌 入 式 微 處 理 器 45 n 目 前 主 要 的 嵌 入 式 處 理 器 類 型 有 Am186/88、 386EX、 SC-400、 PowerPC、 68000、 MIPS、 ARM/StrongARM系 列 等嵌 入 式 微 處 理 器 46 嵌 入 式 微 控 制 器n 又 稱 單 片 機 ， 這 種 位 的 電 子 器 件 目 前 在 嵌 入 式 設備 中 仍 然 有 著 極 其 廣 泛 的 應 用 。n 單 片 機 芯 片 內(nèi) 部 集 成 ROM/EPROM、 RAM、 總 線 、 總 線邏 輯 、 定 時 /計 數(shù) 器 、 看 門 狗 、 I/O、 串 行 口 、 脈 寬調(diào) 制 輸 出 、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM等 各 種必 要 功 能 和 外 設 。n 代 表 性 的 通 用 系 列 包 括 8051、 P51XA、 MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、 MC68HC05/11/12 /16、68300等 。 n 另 外 還 有 許 多 半 通 用 系 列 如 ： 支 持 USB接 口 的 MCU 8XC930/931、 C540、 C541； 支 持 I2C、 CAN-Bus、LCD及 眾 多 專 用 MCU和 兼 容 系 列 。 目 前 MCU占 嵌 入 式系 統(tǒng) 約 70 的 市 場 份 額 。 47 嵌 入 式 微 控 制 器n 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 。n 微 控 制 器 是 目 前 嵌 入 式 系 統(tǒng) 工 業(yè) 的 主 流 。 微 控 制 器 的 片 上 外 設 資 源 一般 比 較 豐 富 ， 適 合 于 控 制 ， 因 此 稱 為 微 控 制 器 。 48 嵌 入 式 DSP處 理 器n DSP處 理 器 是 專 門 用 于 信 號 處 理 方 面 的 處 理 器 ， 其在 系 統(tǒng) 結 構 和 指 令 算 法 方 面 進 行 了 特 殊 設 計 ， 在 數(shù)字 濾 波 、 FFT、 譜 分 析 等 各 種 儀 器 上 DSP獲 得 了 大 規(guī)模 的 應 用 。n DSP處 理 器 對 系 統(tǒng) 結 構 和 指 令 進 行 了 特 殊 設 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 。n DSP的 理 論 算 法 在 70年 代 就 已 經(jīng) 出 現(xiàn) ， 但 是 由 于 專門 的 DSP處 理 器 還 未 出 現(xiàn) ， 所 以 這 種 理 論 算 法 只 能通 過 MPU等 由 分 立 元 件 實 現(xiàn) 。 1982年 世 界 上 誕 生 了首 枚 DSP芯 片 。 在 語 音 合 成 和 編 碼 解 碼 器 中 得 到 了廣 泛 應 用 。 DSP的 運 算 速 度 進 一 步 提 高 ， 應 用 領 域也 從 上 述 范 圍 擴 大 到 了 通 信 和 計 算 機 方 面 。 49 嵌 入 式 DSP處 理 器n 有 代 表 性 的 產(chǎn) 品 是 Texas Instruments的 TMS320系 列 和Motorola的 DSP56000系 列 。n TMS320系 列 處 理 器 包 括 用 于 控 制 的 C2000系 列 ， 移 動 通 信 的C5000系 列 ， 以 及 性 能 更 高 的 C6000和 C8000系 列 。n Motorola公 司 的 DSP56000已 經(jīng) 發(fā) 展 成 為 DSP56000， DSP56100, DSP56200和 DSP56300等 幾 個 不 同 系 列 的 處 理 器 。n PHILIPS公 司 今 年 來 也 推 出 了 基 于 可 重 置 嵌 入 式 DSP結 構 低 成本 、 低 功 耗 技 術 上 制 造 的 DSP處 理 器 ， 特 點 是 具 備 雙 Harvard結 構 和 雙 乘 /累 加 器 單 元 ， 應 用 目 標 是 大 批 量 消 費 類 電 子 產(chǎn) 品 。 50 n SoC就 是 System on Chip， SoC是 一 種 基 于 IP（ Intellectual Property） 核 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設 計 技 術 。n 它 結 合 了 許 多 功 能 區(qū) 塊 ， 將 功 能 做 在 一 個 芯 片 上 ， ARM RISC、 MIPS RISC、 DSP或 是 其 他 的 微 處 理 器 核 心 ， 加 上通 信 的 接 口 單 元 ， 例 如 通 用 串 行 端 口 （ USB） 、 TCP/IP通信 單 元 、 GPRS通 信 接 口 、 GSM通 信 接 口 、 IEEE1394、 藍牙 模 塊 接 口 等 等 ， 這 些 單 元 以 往 都 是 依 照 各 單 元 的 功 能 做成 一 個 個 獨 立 的 處 理 芯 片 。n SOC可 以 分 為 通 用 和 專 用 兩 類 。 n 通 用 系 列 包 括 Infineon(Siemens)的 TriCore， Motorola的 M-Core，Echelon和 Motorola聯(lián) 合 研 制 的 Neuron芯 片 等 。n 專 用 SOC一 般 專 用 于 某 個 或 某 類 系 統(tǒng) 中 。 有 代 表 性 的 產(chǎn) 品 是 Philips的 Smart XA嵌 入 式 片 上 系 統(tǒng) (SoC) 51 SOC體 系 結 構ASIC Core MemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctions CommunicationSensorInterface 52 知 識 產(chǎn) 權 53 主 要 內(nèi) 容嵌 入 式 系 統(tǒng) 簡 介嵌 入 式 處 理 器嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng) 典 型 應 用嵌 入 式 系 統(tǒng) 的 基 本 設 計 過 程 54 操 作 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展n 計 算 機 系 統(tǒng) 由 硬 件 和 軟 件 構 成 ， 在 發(fā) 展 初 期 并 沒 有 操 作 系 統(tǒng)這 個 概 念 ， 用 戶 使 用 監(jiān) 控 程 序 來 使 用 計 算 機 。 隨 著 計 算 機 技術 的 發(fā) 展 ， 計 算 機 系 統(tǒng) 的 硬 件 、 軟 件 資 源 越 來 越 豐 富 ， 監(jiān) 控程 序 已 不 能 適 應 計 算 機 應 用 的 要 求 。 于 是 在 六 十 年 代 中 期 監(jiān)控 程 序 進 一 步 發(fā) 展 形 成 了 操 作 系 統(tǒng) 。 到 目 前 為 止 ， 主 流 的 操作 系 統(tǒng) 有 三 種 ： 多 道 批 處 理 、 分 時 和 實 時 操 作 系 統(tǒng) 。 55 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 結 構n 操 作 系 統(tǒng) 分 類n 微 內(nèi) 核 （ micro-kernel）n 單 晶 內(nèi) 核 （ monolithic kernel）n 混 合 內(nèi) 核 （ hybrid kernel） 56 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實 時 操 作 系 統(tǒng) 的 特 點 IEEE 的 實 時 UNIX分 委 會 認 為 實 時 操 作 系 統(tǒng) 應 具備 以 下 的 幾 點 : 異 步 的 事 件 響 應 切 換 時 間 和 中 斷 延 遲 時 間 確 定 優(yōu) 先 級 中 斷 和 調(diào) 度 搶 占 式 調(diào) 度 內(nèi) 存 鎖 定 連 續(xù) 文 件 同 步 57 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實 時 操 作 系 統(tǒng) 的 特 點 總 的 來 說 實 時 操 作 系 統(tǒng) 是 事 件 驅(qū) 動 的 ， 能 對 來 自外 界 的 作 用 和 信 號 在 限 定 的 時 間 范 圍 內(nèi) 作 出 響 應 。 它強 調(diào) 的 是 實 時 性 、 可 靠 性 和 靈 活 性 , 與 實 時 應 用 軟 件 相結 合 成 為 有 機 的 整 體 起 著 核 心 作 用 , 由 它 來 管 理 和 協(xié) 調(diào)各 項 工 作 ,為 應 用 軟 件 提 供 良 好 的 運 行 軟 件 環(huán) 境 及 開 發(fā)環(huán) 境 。 從 實 時 系 統(tǒng) 的 應 用 特 點 來 看 實 時 操 作 系 統(tǒng) 可 以 分為 兩 種 ： 和 。 58 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 實 時 操 作 系 統(tǒng) 的 特 點應 用 于 實 時 處 理 系 統(tǒng) 的 上 位 機和 實 時 查 詢 系 統(tǒng) 等 實 時 性 較 弱 的 實 時 系 統(tǒng) ， 并 且 提 供了 開 發(fā) 、 調(diào) 試 、 運 用 一 致 的 環(huán) 境 。 應 用 于 實 時 性 要 求 高 的 實 時控 制 系 統(tǒng) ， 而 且 應 用 程 序 的 開 發(fā) 過 程 是 通 過 交 叉 開 發(fā)來 完 成 的 ， 即 開 發(fā) 環(huán) 境 與 運 行 環(huán) 境 是 不 一 致 。 嵌 入 式實 時 操 作 系 統(tǒng) 具 有 規(guī) 模 小 (一 般 在 幾 K 幾 十 K 內(nèi) )、 可固 化 使 用 實 時 性 強 (在 毫 秒 或 微 秒 數(shù) 量 級 上 )的 特 點 。 59 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念對 基 于 芯 片 的 開 發(fā) 來 說 ， 應 用 程 序 一 般 是 一 個 無限 的 循 環(huán) ， 可 稱 為 前 后 臺 系 統(tǒng) 或 超 循 環(huán) 系 統(tǒng) 。 很 多 基 于 微 處 理 器 的 產(chǎn) 品 采 用 前 后 臺 系 統(tǒng) 設 計 ，例 如 微 波 爐 、 電 話 機 、 玩 具 等 。 在 另 外 一 些 基 于 微 處理 器 應 用 中 ， 從 省 電 的 角 度 出 發(fā) ， 平 時 微 處 理 器 處 在停 機 狀 態(tài) ， 所 有 事 都 靠 中 斷 服 務 來 完 成 。前 后 臺 系 統(tǒng) 60 n 基 本 概 念 中 斷 服 務 程序 處 理 異 步 事 件 ，這 部 分 可 以 看 成前 臺 行 為 ， 前 臺也 叫 中 斷 級 。 時間 相 關 性 很 強 的關 鍵 操 作 一 定 是靠 中 斷 服 務 程 序來 保 證 的 。 循 環(huán) 中 調(diào) 用相 應 的 函 數(shù) 完 成相 應 的 操 作 ， 這部 分 可 以 看 成 后臺 行 為 ， 后 臺 也可 以 叫 做 任 務 級 。這 種 系 統(tǒng) 在 處 理的 及 時 性 上 比 實際 可 以 做 到 的 要差 。 ISRISR ISR ISR后 臺 前 臺中 斷 服 務 程 序 時間 前 后 臺 系 統(tǒng)嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 61 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念操 作 系 統(tǒng) 是 計 算 機 中 最 基 本 的 程 序 。 操 作 系 統(tǒng) 負責 計 算 機 系 統(tǒng) 中 全 部 軟 硬 資 源 的 分 配 與 回 收 、 控 制 與協(xié) 調(diào) 等 并 發(fā) 的 活 動 ； 操 作 系 統(tǒng) 提 供 用 戶 接 口 ， 使 用 戶獲 得 良 好 的 工 作 環(huán) 境 ； 操 作 系 統(tǒng) 為 用 戶 擴 展 新 的 系 統(tǒng)功 能 提 供 軟 件 平 臺 。 操 作 系 統(tǒng) 硬 件硬 件 驅(qū) 動操 作 系 統(tǒng)用 戶 程 序 62 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念實 時 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 RTOS之 上 的各 個 任 務 ， RTOS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(diào) 度 、 異 常處 理 等 工 作 。 在 RTOS支 持 的 系 統(tǒng) 中 ， 每 個 任 務 均 有一 個 優(yōu) 先 級 ， RTOS根 據(jù) 各 個 任 務 的 優(yōu) 先 級 ， 動 態(tài) 地 切換 各 個 任 務 ， 保 證 對 實 時 性 的 要 求 。 實 時 操 作 系 統(tǒng) （ RTOS） 63 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念代 碼 的 臨 界 區(qū) 也 稱 為 臨 界 區(qū) ， 指 處 理 時 不 可 分 割的 代 碼 ， 運 行 這 些 代 碼 不 允 許 被 打 斷 。 一 旦 這 部 分 代碼 開 始 執(zhí) 行 ， 則 不 允 許 任 何 中 斷 打 入 （ 這 不 是 絕 對 的 ，如 果 中 斷 不 調(diào) 用 任 何 包 含 臨 界 區(qū) 的 代 碼 ， 也 不 訪 問 任何 臨 界 區(qū) 使 用 的 共 享 資 源 ， 這 個 中 斷 可 能 可 以 執(zhí) 行 ） 。為 確 保 臨 界 區(qū) 代 碼 的 執(zhí) 行 ， 在 進 入 臨 界 區(qū) 之 前 要 關 中斷 ， 而 臨 界 區(qū) 代 碼 執(zhí) 行 完 成 以 后 要 立 即 開 中 斷 。 代 碼 的 臨 界 區(qū) 64 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念程 序 運 行 時 可 使 用 的 軟 、 硬 件 環(huán) 境 統(tǒng) 稱 為 資 源 。資 源 可 以 是 輸 入 輸 出 設 備 ， 例 如 打 印 機 、 鍵 盤 、 顯 示器 。 資 源 也 可 以 是 一 個 變 量 、 一 個 結 構 或 一 個 數(shù) 組 等 。資 源 65任 務 A 共 享 資 源任 務 B任 務 C信 號 量 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念可 以 被 一 個 以 上 任 務 使 用 的 資 源 叫 做 共 享 資 源 。為 了 防 止 數(shù) 據(jù) 被 破 壞 ， 每 個 任 務 在 與 共 享 資 源 打 交 道時 ， 必 須 獨 占 該 資 源 ， 這 叫 做 互 斥 。共 享 資 源訪 問 共 享 資 源 之前 申 請 信 號 量其 它 任 務 訪 問 受 阻而 不 能 使 用 共 享 資 源 得 到 允 許 后 ， 才能 使 用 共 享 資 源 66 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念一 個 任 務 ， 也 稱 作 一 個 線 程 ， 是 一 個 簡 單 的 程 序 ，該 程 序 可 以 認 為 CPU完 全 屬 于 該 程 序 自 己 。 實 時 應 用程 序 的 設 計 過 程 ， 包 括 如 何 把 問 題 分 割 成 多 個 任 務 ，每 個 任 務 都 是 整 個 應 用 的 某 一 部 分 ， 每 個 任 務 被 賦 予一 定 的 優(yōu) 先 級 ， 有 它 自 己 的 一 套 CPU寄 存 器 和 自 己 的棧 空 間 。任 務 67 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念當 多 任 務 內(nèi) 核 決 定 運 行 另 外 的 任 務 時 ， 它 保 存 正在 運 行 任 務 的 當 前 狀 態(tài) ， 即 CPU寄 存 器 中 的 全 部 內(nèi) 容 。這 些 內(nèi) 容 保 存 在 任 務 的 當 前 狀 態(tài) 保 存 區(qū) ， 也 就 是 任 務自 已 的 棧 區(qū) 之 中 。 入 棧 工 作 完 成 以 后 ， 就 把 下 一 個 將要 運 行 的 任 務 的 當 前 狀 態(tài) 從 任 務 的 棧 中 重 新 裝 入 CPU的 寄 予 存 器 ， 并 開 始 下 一 個 任 務 的 運 行 。 這 個 過 程 就稱 為 任 務 切 換 。 這 個 過 程 增 加 了 應 用 程 序 的 額 外 負 荷 。CPU的 內(nèi) 部 寄 存 器 越 多 ， 額 外 負 荷 就 越 重 。 做 任 務 切換 所 需 要 的 時 間 取 決 于 CPU有 多 少 寄 存 器 要 入 棧 。任 務 切 換 68 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念多 任 務 系 統(tǒng) 中 ， 內(nèi) 核 負 責 管 理 各 個 任 務 ， 或 者 說為 每 個 任 務 分 配 CPU時 間 ， 并 且 負 責 任 務 之 間 的 通 信 。內(nèi) 核 提 供 的 基 本 服 務 是 任 務 切 換 。 使 用 實 時 內(nèi) 核 可 以大 大 簡 化 應 用 系 統(tǒng) 的 設 計 ， 是 因 為 實 時 內(nèi) 核 允 許 將 應用 分 成 若 干 個 任 務 ， 由 實 時 內(nèi) 核 來 管 理 它 們 。 內(nèi) 核 需要 消 耗 一 定 的 系 統(tǒng) 資 源 ， 比 如 2 5 的 CPU運 行 時間 、 RAM和 ROM等 。 內(nèi) 核 提 供 必 不 可 少 的 系 統(tǒng) 服 務 ， 如 信 號 量 、 消 息隊 列 、 延 時 等 。內(nèi) 核 69 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念調(diào) 度 是 內(nèi) 核 的 主 要 職 責 之 一 。 調(diào) 度 就 是 決 定 該 輪到 哪 個 任 務 運 行 了 。 多 數(shù) 實 時 內(nèi) 核 是 基 于 優(yōu) 先 級 調(diào) 度法 的 。 每 個 任 務 根 據(jù) 其 重 要 程 序 的 不 同 被 賦 予 一 定 的優(yōu) 先 級 。 基 于 優(yōu) 先 級 的 調(diào) 度 法 指 CPU總 是 讓 處 在 就 緒態(tài) 的 優(yōu) 先 級 最 高 的 任 務 先 運 行 。 然 而 究 竟 何 時 讓 高 優(yōu)先 級 任 務 掌 握 CPU的 使 用 權 ， 有 兩 種 不 同 的 情 況 ， 這要 看 用 的 是 什 么 類 型 的 內(nèi) 核 ， 是 非 占 先 式 的 還 是 占 先式 的 內(nèi) 核 。 調(diào) 度 70 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念非 占 先 式 內(nèi) 核 要 求 每 個 任 務 自 我 放 棄 CPU 的 所 有權 。 非 占 先 式 調(diào) 度 法 也 稱 作 合 作 型 多 任 務 ， 各 個 任 務彼 此 合 作 共 享 一 個 CPU。 異 步 事 件 還 是 由 中 斷 服 務 來處 理 。 中 斷 服 務 可 以 使 一 個 高 優(yōu) 先 級 的 任 務 由 掛 起 狀態(tài) 變 為 就 緒 狀 態(tài) 。 但 中 斷 服 務 以 后 控 制 權 還 是 回 到 原來 被 中 斷 了 的 那 個 任 務 ， 直 到 該 任 務 主 動 放 棄 CPU的使 用 權 時 ， 那 個 高 優(yōu) 先 級 的 任 務 才 能 獲 得 CPU的 使 用權 。非 占 先 式 內(nèi) 核 71 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念當 系 統(tǒng) 響 應 時 間 很 重 要 時 ， 要 使 用 占 先 式 內(nèi) 核 。因 此 絕 大 多 數(shù) 商 業(yè) 上 銷 售 的 實 時 內(nèi) 核 都 是 占 先 式 內(nèi) 核 。最 高 優(yōu) 先 級 的 任 務 一 旦 就 緒 ， 總 能 得 到 CPU的 控 制 權 。當 一 個 運 行 著 的 任 務 使 一 個 比 它 優(yōu) 先 級 高 的 任 務 進 入了 就 緒 狀 態(tài) ， 當 前 任 務 的 CPU使 用 權 就 被 剝 奪 了 ， 或者 說 被 掛 起 了 ， 那 個 高 優(yōu) 先 級 的 任 務 立 刻 得 到 了 CPU的 控 制 權 。 如 果 是 中 斷 服 務 子 程 序 使 一 個 高 優(yōu) 先 級 的任 務 進 入 就 緒 態(tài) ， 中 斷 完 成 時 ， 中 斷 了 的 任 務 被 掛 起 ，優(yōu) 先 級 高 的 那 個 任 務 開 始 運 行 。占 先 式 內(nèi) 核 72 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念任 務 的 優(yōu) 先 級 是 表 示 任 務 被 調(diào) 度 的 優(yōu) 先 程 度 。 每個 任 務 都 具 有 優(yōu) 先 級 。 任 務 越 重 要 ， 賦 予 的 優(yōu) 先 級 應越 高 ， 越 容 易 被 調(diào) 度 而 進 入 運 行 態(tài) 。 任 務 優(yōu) 先 級 73 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念中 斷 是 一 種 硬 件 機 制 ， 用 于 通 知 CPU有 個 異 步 事件 發(fā) 生 了 。 中 斷 一 旦 被 識 別 ， CPU保 存 部 分 （ 或 全 部 ）上 下 文 即 部 分 或 全 部 寄 存 器 的 值 ， 跳 轉 到 專 門 的 子 程序 ， 稱 為 中 斷 服 務 子 程 序 （ ISR） 。 中 斷 服 務 子 程 序 做事 件 處 理 ， 處 理 完 成 后 ， 程 序 回 到 ：1. 在 前 后 臺 系 統(tǒng) 中 ， 程 序 回 到 后 臺 程 序 ；2. 對 非 占 先 式 內(nèi) 核 而 言 ， 程 序 回 到 被 中 斷 了 的 任 務 ；3. 對 占 先 式 內(nèi) 核 而 言 ， 讓 進 入 就 緒 態(tài) 的 優(yōu) 先 級 最 高的 任 務 開 始 運 行 。中 斷 74前 后 臺 系 統(tǒng) 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念中 斷ISR 任 務 ISR 非 占 先 操 作 系 統(tǒng)任 務A任 務B任 務C ISR占 先 操 作 系 統(tǒng)任 務A任 務B任 務C 75 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng)n 基 本 概 念時 鐘 節(jié) 拍 是 特 定 的 周 期 性 中 斷 。 這 個 中 斷 可 以 看作 是 系 統(tǒng) 心 臟 的 脈 動 。 中 斷 之 間 的 時 間 間 隔 取 決 于 不同 應 用 ， 一 般 在 10ms到 200ms之 間 。 時 鐘 的 節(jié) 拍 式 中斷 使 得 內(nèi) 核 可 以 將 任 務 延 時 若 干 個 整 數(shù) 時 鐘 節(jié) 拍 ， 以及 當 任 務 等 待 事 件 發(fā) 生 時 ， 提 供 等 待 超 時 的 依 據(jù) 。 時鐘 節(jié) 拍 率 越 快 ， 系 統(tǒng) 的 額 外 開 銷 就 越 大 。時 鐘 節(jié) 拍 76 使 用 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 缺 點n 優(yōu) 點n 使 程 序 的 設 計 和 擴 展 變 得 容 易 ， 大 大 提 高 了 開發(fā) 效 率 。n 充 分 發(fā) 揮 32位 CPU多 任 務 的 潛 力 ， 實 現(xiàn) 多 任 務 設計 ， 能 夠 充 分 利 用 硬 件 資 源 和 實 現(xiàn) 資 源 共 享 。n 實 時 性 和 健 壯 性 能 夠 得 到 更 好 的 保 證 。n 缺 點 n 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 增 加 ROM/RAM等 額 外 開 銷 ， 510 的 CPU額 外 負 荷 。 77 嵌 入 式 操 作 系 統(tǒng) 分 類n 按 收 費 模 式 劃 分n 商 用 型n Vxworks, Nucleux ， PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OSn 免 費 型 n Linux, CLinux, C/OS- ,eCos,uITRONn 按 實 時 性 劃 分n 硬 實 時n Vxworksn 軟 實 時n WinCE,RTLinuxn 無 實 時 n Embedded Linux 78 n Linux是 開 放 源 碼 和 免 費 使 用 的 ， 遍 布 全 球 的 眾 多 Linux愛 好者 又 是 Linux開 發(fā) 的 強 大 技 術 后 盾 。n 嵌 入 式 Linux(Embedded Linux)是 指 對 Linux經(jīng) 過 小 型 化 裁 剪后 ， 能 夠 固 化 在 容 量 只 有 幾 百 K字 節(jié) 或 幾 兆 字 節(jié) 的 存 儲 器 芯片 或 單 片 機 中 ， 應 用 于 特 定 嵌 入 式 場 合 的 專 用 Linux操 作 系統(tǒng) 。 嵌 入 式 Linux的 開 發(fā) 和 研 究 是 目 前 操 作 系 統(tǒng) 領 域 的 一 個熱 點 。 主 要 有 RTLinux和 CLinuxn Linux的 內(nèi) 核 小 、 功 能 強 大 、 API豐 富 ， 系 統(tǒng) 健 壯 、 效 率 高 ，易 于 定 制 剪 裁 ， 在 價 格 上 極 具 競 爭 力 。n Linux不 僅 支 持 x86 CPU， 還 可 以 支 持 其 他 數(shù) 十