嵌入式系統(tǒng)概述.ppt

嵌入式技術(shù)與應(yīng)用,智能電器與智能系統(tǒng)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,1）、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)-C/OS-，JeanJ.Labrosse著，邵貝貝等譯，北京航空航天大學(xué)，2003年2）、ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，杜春雷編著，清華大學(xué)出版社，2003年3）、ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用,馬忠梅等,北京航空航天大學(xué)出版社，2002年4）、ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)，周立功等編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年5）、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)例開發(fā)，王田苗主編，清華大學(xué)出版社，2002年,1、參考書,2、相關(guān)網(wǎng)站：,1）、2）、3）、4）、,嵌入式系統(tǒng)概述,1,CHAPTER,第1章目錄,1.嵌入式系統(tǒng)2.嵌入式處理器3.嵌入式操作系統(tǒng),1.1嵌入式系統(tǒng),概述,經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速。嵌入式系統(tǒng)具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨(dú)特的個性。例如，MP3、數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)就有很大的不同。汽車中更是具有多個嵌入式系統(tǒng)，使汽車更輕快、更干凈、更容易駕駛。,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中也有多達(dá)幾十個嵌入式系統(tǒng)。在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)。“智能”家電（全自動洗衣機(jī)、電腦電飯煲）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。,現(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的概念,目前，對嵌入式系統(tǒng)的定義多種多樣，但沒有一種定義是全面的。下面給出兩種比較合理定義：從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機(jī)系統(tǒng)。,嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)示例,汽車控制系統(tǒng),尾燈控制系統(tǒng),后車門控制系統(tǒng),前車門控制系統(tǒng),座椅控制系統(tǒng),發(fā)動器控制系統(tǒng),所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)的未來,產(chǎn)品周期：69個月。全球重新定義市場的機(jī)會和膨脹的應(yīng)用空間。網(wǎng)絡(luò)：有線和無線技術(shù)。產(chǎn)品：更復(fù)雜?；ヂ?lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用。微處理器的處理能力按莫爾定律（MooresLaw）預(yù)計的速度在增加。,第1章目錄,1.嵌入式系統(tǒng)2.嵌入式處理器3.嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式處理器,早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機(jī)（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進(jìn)的微處理器制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式系統(tǒng)用嵌入式處理器建造，而不是用通用目的的處理器。這些嵌入式處理器可以大致分為以下幾類：注重嵌入式處理器的尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于PDA等不注重計算的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能。應(yīng)用于路由器等計算密集型的設(shè)備；注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格。應(yīng)用于蜂窩電話等設(shè)備；,概述,1.2嵌入式處理器,分類,嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP處理器；嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。,嵌入式處理器,嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)中的CPU。將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。,嵌入式微處理器,嵌入式處理器,嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，它是將整個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。微控制器的最大特點(diǎn)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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、ARM芯片等。,嵌入式微控制器,嵌入式處理器,DSP處理器編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面。DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器比較有代表性是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。,嵌入式DSP處理器,嵌入式處理器,SystemOnChip(SOC)：一個硅片上實(shí)現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均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。,嵌入式片上系統(tǒng)(SOC),第1章目錄,1.嵌入式系統(tǒng)2.嵌入式處理器3.嵌入式操作系統(tǒng),1.3嵌入式操作系統(tǒng),概述,計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，在發(fā)展初期沒有操作系統(tǒng)這個概念，用戶使用監(jiān)控程序來使用計算機(jī)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件資源也愈來愈豐富，監(jiān)控程序已不能適應(yīng)計算機(jī)應(yīng)用的要求。于是在六十年代中期監(jiān)控程序又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)(OperatingSystem)。發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)即多道批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)以及實(shí)時操作系統(tǒng)。,1.3嵌入式操作系統(tǒng),概述,時間先后,1.3嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),IEEE的實(shí)時UNIX分委會認(rèn)為實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下的幾點(diǎn):異步的事件響應(yīng)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,1.3嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),實(shí)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(yīng)。強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時性、可靠性和靈活性,與實(shí)時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體起著核心作用,由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作,為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。從實(shí)時系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看實(shí)時操作系統(tǒng)可以分為兩種：一般實(shí)時操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。,1.3嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn),一般實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時查詢系統(tǒng)等實(shí)時性較弱的實(shí)時系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時性要求高的實(shí)時控制系統(tǒng)，而且應(yīng)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(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)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(shí)時性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級上)的特點(diǎn)。,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,對基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)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(shè)計，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成。,前后臺系統(tǒng),基本概念,中斷服務(wù)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(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。,循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺行為，后臺也可以叫做任務(wù)級。這種系統(tǒng)在處理的及時性上比實(shí)際可以做到的要差。,前后臺系統(tǒng),1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,操作系統(tǒng)是計算機(jī)中最基本的程序。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)計算機(jī)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(kuò)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,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,實(shí)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(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進(jìn)行資源(包括存儲器、外設(shè)等)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級，RTOS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。,實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,代碼的臨界區(qū)指處理時不可分割的代碼，運(yùn)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。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)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),1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,程序運(yùn)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(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)或一個數(shù)組等。,資源,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,可以被一個以上任務(wù)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(wù)在與共享資源打交道時，必須獨(dú)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(wù)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,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,一個任務(wù)，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計過程，包括如何把問題分割成多個任務(wù)，每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)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?？臻g。,任務(wù),1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)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(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個任務(wù)的運(yùn)行。這個過程就稱為任務(wù)切換。,任務(wù)切換,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，為每個任務(wù)分配CPU時間，負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。實(shí)時內(nèi)核簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，因?yàn)閷?shí)時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實(shí)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25的CPU運(yùn)行時間、RAM和ROM等。內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、消息隊(duì)列、延時等。,內(nèi)核,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,調(diào)度就是決定該輪到哪個任務(wù)運(yùn)行了。實(shí)時內(nèi)核基于優(yōu)先級調(diào)度法。每個任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級。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(wù)先運(yùn)行。何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，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,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個任務(wù)彼此合作共享一個CPU。異步事件是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。中斷服務(wù)以后控制權(quán)回到原來被中斷了的那個任務(wù)，直到該任務(wù)主動放棄CPU的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。,非占先式內(nèi)核,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間很重要時，使用占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個運(yùn)行著的任務(wù)使一個比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個任務(wù)開始運(yùn)行。,占先式內(nèi)核,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,任務(wù)的優(yōu)先級是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個任務(wù)都具有優(yōu)先級。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。,任務(wù)優(yōu)先級,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有異步事件發(fā)生。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(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)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(wù)；3.對占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行。,中斷,1.3嵌入式操作系統(tǒng),基本概念,中斷,1.3嵌入式操作系統(tǒng),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(yīng)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(wù)延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)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,1.3嵌入式操作系統(tǒng),使用實(shí)時操作系統(tǒng)的必要性,在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素：嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)潛力。,uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。,1.3嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),嵌入式Linux,1.3嵌入式操作系統(tǒng),常見的嵌入式操作系統(tǒng),WindowsCE是微軟開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。WinCE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。在WinCE平臺上可以使用Windows95/98上的編程工具（如VisualBasic、VisualC+等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Wind