嵌入式系統(tǒng) 課件 ARM微控制器基礎與實戰(zhàn)2

1、1,嵌入式系統(tǒng)及應用,主要參考書 ARM & Linux嵌入式系統(tǒng)教程,2,第1章 嵌入式系統(tǒng)基礎,1.1嵌入式系統(tǒng)概述 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng) 1.4實時操作系統(tǒng)的內核 1.5嵌入式技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,3,1.1 嵌入式系統(tǒng)概述,1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義 電氣工程師協(xié)會(IEE)的定義:嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設備。 國內一般定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。,4,嵌入式系統(tǒng)無處不在 內部含有中央處理器CPU的設備都含有嵌入式系統(tǒng)。 消

2、費類電子產品：從家庭的洗衣機、電冰箱、 個人數(shù)字助理(PDA)、 MP3 、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、電子表、烹調用的微波爐、天天必用的移動電話等等。 辦公室設備：辦公室里的電話機、打印機、傳真機、遠程會議系統(tǒng)等。 工業(yè)控制中的嵌入式系統(tǒng)。 汽車里的控制系統(tǒng)：供油噴射控制系統(tǒng)、防鎖死剎車系統(tǒng)(ABS) 。,5,嵌入式系統(tǒng)應用實例,6,嵌入式系統(tǒng)在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。 一臺通用計算機的外部設備中就包含了510個嵌入式微處理器：鍵盤、硬盤、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、集線器等，均是由嵌入式處理器進行控制的。 在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船

3、舶、航空航天、軍事裝備、消費類產品等方面，嵌入式系統(tǒng)都有用武之地。 美國汽車大王福特公司的高級經(jīng)理曾宣稱：“福特出售的計算能力已超過了IBM?！庇纱丝梢韵胂袂度胧接嬎銠C工業(yè)的規(guī)模和廣度。 資料顯示，年世界的產量達83億片，用于通用計算機的只有3億片，其余80億片均用于嵌入式系統(tǒng),7,112 嵌入式系統(tǒng)組成,8,1嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。 嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點在于其工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中。 嵌入式處理器通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計的小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。 現(xiàn)今市面上有1 000多種

4、嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。,9,2外圍設備 外圍設備是指在一個嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。 根據(jù)外圍設備的功能可分為以下3類： 存儲器： SRAM、 DRAM、Flash。其中，F(xiàn)lash以可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、容量大及價格低等優(yōu)點在嵌入式領域得到了廣泛的應用。 接口：應用最為廣泛的包括并口、串口、紅外接口、SPI串行外圍設備接口、I2C(Inter IC)總線接口、USB通用串行總線接口、Ethernet網(wǎng)口等。 人機交互：LCD、鍵盤和觸摸屏等人機交互設備。,10,

5、3嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)可以使嵌入式開發(fā)更方便、快捷。其軟件模塊的集合，用以管理存儲器分配、中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等。 嵌入式操作系統(tǒng)的引人大大提高了嵌入式系統(tǒng)的功能，方便了應用軟件的設計，但同時也占用了寶貴的嵌入式系統(tǒng)資源。 一般在比較大型或需要多任務的應用場合才考慮使用嵌入式操作系統(tǒng)。 嵌入式操作系統(tǒng)常常有實時要求。,11,4應用軟件 （1）基本了解 嵌入式系統(tǒng)的應用軟件是針對特定的實際專業(yè)領域，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的計算機軟件。 用戶的任務可能有時間和精度的要求。 有些應用軟件需要嵌人式操作系統(tǒng)的支持，但在簡單的應用場合下不

6、需要專門的操作系統(tǒng)。 由于對成本十分敏感，為減少系統(tǒng)成本，除了精簡每個硬件單元的成本外，應盡可能地減少應用軟件的資源消耗，盡可能地優(yōu)化。,12,（2）嵌入式軟件的特點： 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存儲器中。 軟件代碼要求高質量、高可靠性。因此，程序編寫和編譯工具的質量要高，以減少程序二進制代碼的長度，提高執(zhí)行速度。 在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單純通過提高處理器速度是低效和無法完成的。這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。 隨著嵌入式應用的深入和普及，涉及到

7、的實際應用環(huán)境越來越復雜，嵌入式軟件也越來越復雜。支持多任務的實時操作系統(tǒng)成為嵌入式軟件必需的系統(tǒng)軟件,13,典型嵌入式系統(tǒng)基本組成硬件,14,典型嵌入式系統(tǒng)基本組成軟件,15,113 嵌入式系統(tǒng)的特點,嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比具有以下特點： 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體工藝、電子技術和通信網(wǎng)絡技術與各領域的具體應用相結合的產物。這一特點決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)通常面向特定應用，集成度高、低功耗、小體積、低成本等，便于嵌入式系統(tǒng)設計的小型化、專業(yè)化，使移動能力大大增強，與網(wǎng)絡的耦合也越來越緊密。 嵌入式系統(tǒng)與具體應用有

8、機地結合在一起，它的升級換代也與具體產品同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，一般具有較長的生命周期。 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，在保證穩(wěn)定、安全、可靠的基礎上量體裁衣，去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。這樣，才能最大限度地降低應用成本。在具體應用中，對處理器的選擇決定了其市場競爭力。,16,嵌入式系統(tǒng)常常還有減小功耗的要求。這一方面是為了省電，另一方面是要減少發(fā)熱量。 可靠性與穩(wěn)定性對于嵌入式系統(tǒng)有著特別重要的意義。 嵌入式系統(tǒng)提供的功能以及面對的應用和過程都是預知的、相對固定的專用系統(tǒng)，一般而言，嵌入式系統(tǒng)對CPU計算能力的要求并不像通用計算機那么高。

9、許多嵌入式系統(tǒng)都有實時要求，需要有對外部事件迅速作出反應的能力。特別是在操作系統(tǒng)中有所反映，從而使嵌入式軟件的開發(fā)與常規(guī)軟件的開發(fā)出現(xiàn)顯著的區(qū)別。典型的嵌人式實時操作系統(tǒng)與常規(guī)的操作系統(tǒng)也有著顯著的區(qū)別，并因而成為操作系統(tǒng)的一個重要分支和一個獨特的研究方向。 嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力。必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。 通用計算機的開發(fā)人員通常是計算機科學或者計算機工程方面的專業(yè)人士，而嵌入式系統(tǒng) 開發(fā)人員卻往往是各個應用領域中的專家，這就要求嵌入式系統(tǒng)所支持的開發(fā)工具易學、易用、可靠、高效。,17,現(xiàn)在人們談及嵌入式系統(tǒng)時，某種程度上指近些年比較熱門、具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)

10、。歸納嵌入式系統(tǒng)的幾個特點如下： 軟硬件一體化，集計算機技術、微電子技術和行業(yè)技術為一體； 需要操作系統(tǒng)支持，代碼小，執(zhí)行速度快； 專用緊湊，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多樣性，應用廣泛，種類繁多。,18,114 嵌入式系統(tǒng)的應用,嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號處理與控制，目前已在國防、國民經(jīng)濟及社會生活各領域普及應用，用于企業(yè)、軍隊、辦公室、實驗室以及個人家庭等各種場所。,19,軍用： 各種武器控制：坦克、艦艇、轟炸機等陸?？崭鞣N軍用電子裝備；雷達、電子對抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設備等。我國嵌入式計算機最早用于導彈控制。,20,21,高性能武器平臺的基礎,22,23,家用

11、： 我國各種信息家電產品(如數(shù)字電視機、機頂盒、數(shù)碼相機、VCDDVD音響設備、可視電話、家庭網(wǎng)絡設備、洗衣機、電冰箱、智能玩具等)廣泛采用微處理器、微控制器及嵌入式軟件，EMIT(嵌入式Internet技術)已用于社區(qū)對家用電、水、煤氣表遠程抄表以及洗衣機遙控。,24,25,工業(yè)用： 各種智能測量儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、機電一體化機械設備、汽車電子設備等。廣泛采用微處理器和控制器芯片級、標準總線的模板級、嵌入式計算機系統(tǒng)級的嵌入式系統(tǒng)。,26,27,商用： 各類收款機、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機、I

12、C卡輸入設備、取款機、自動柜員機、自動服務終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設備等。,28,辦公用： 復印機、打印機、傳真機、掃描儀、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設備、手機、尋呼機、個人數(shù)字助理(PDA)、變頻空調設備、通信終端、程控交換機、網(wǎng)絡設備、錄音錄像及電視會議設備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。,29,醫(yī)用電子設備： 各種醫(yī)療電子儀器，如X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起搏器、監(jiān)護儀、輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。,30,醫(yī)用機器人技術平臺,31,社會發(fā)展方面：嵌入式Internet應用,32,嵌入式系統(tǒng)應用最熱門的有以下幾種： 個人數(shù)字助理PDA。它具有網(wǎng)絡、多媒體等強大的功能，一般都預裝操

13、作系統(tǒng)。例如Microsoft 公司的PocketPC操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在，PDA手機已成為新的熱點。 機頂盒STB。所謂的機頂盒STB(SetTopBox)，表面上理解只是放在電視機上的盒子，能提供通過電視機直接上網(wǎng)的功能。但它更吸引入的地方在于簡單易用，是專為那些不很了解電腦的人設計的。現(xiàn)今用戶端機頂盒的趨勢是朝微型電腦發(fā)展，即逐漸集成電視和電腦的功能，成為一個多功能服務的工作平臺。 IP電話。IP電話(IP Phone)把電話網(wǎng)和Internet結合成一個功能強大的通信網(wǎng)絡，在IP網(wǎng)絡上實時傳輸被壓縮的語音信息。IP電話以數(shù)字形式作為傳輸媒體，占用資源小，所以成本很低，價格便宜。,33,社會對

14、嵌入式系統(tǒng)的需求正在慢慢擴大，特別是最近幾年隨著國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，從PC時代步入到后PC時代，對信息家電的需求越來越明顯。嵌入式系統(tǒng)在信息家電的應用，是對嵌入式系統(tǒng)概念和應用范圍的一個變革，從而打破了過去PC時代被單一微處理器廠家和單一操作系統(tǒng)廠家壟斷的舊局面，出現(xiàn)了一個由多芯片、多處理器占領市場的新局面。,34,115 實時系統(tǒng)的概念,實時系統(tǒng)(Real Time System)是指產生系統(tǒng)輸出的時間對系統(tǒng)至關重要的系統(tǒng)。 實時系統(tǒng)是在邏輯和時序控制中，如果出現(xiàn)超時偏差，將會引起嚴重后果的系統(tǒng)。 實時邏輯的正確性不僅依賴于計算結果的正確性，還取決于輸出結果的響應時間。實時系統(tǒng)要求從輸入到輸出

15、的滯后時間必須小到一個可以接受的時限內。 實時系統(tǒng)是一個能夠在指定的時間內完成系統(tǒng)功能以及對外部或內部事件在同步或異步時間內做出響應的系統(tǒng)。,35,實時系統(tǒng)應具備的幾個重要特性：,實時性。在實時系統(tǒng)中，每個任務都有一個截止期限，任務必須在這個截止期限之前完成，以保證系統(tǒng)所產生的結果在時間上的正確性。 并行性。要求系統(tǒng)具有并行處理的能力，以便能同時響應來自不同端口的輸入信號。 多路性。實時系統(tǒng)的多路性表現(xiàn)在對多個不同的現(xiàn)場信息進行采集，以及對多個對象和多個執(zhí)行機構實行控制。,36,獨立性。每個用戶向實時系統(tǒng)提出服務請求，相互間是獨立的。在實時控制系統(tǒng)中對信息的采集和對象控制也是相互獨立的。 可預

16、測性。實時系統(tǒng)的實際行為必須處在一定的限度內，而這個限度可以由系統(tǒng)的定義而獲得。這意味著系統(tǒng)對來自外部輸入的反應必須是全部可預測的，即使在最壞的條件下，系統(tǒng)也要嚴格遵守時間的約束。因此，在出現(xiàn)過載時，系統(tǒng)必須能以一種可預測的方式來降級它的性能。 可靠性?？煽啃砸环矫嬷赶到y(tǒng)的正確性，即系統(tǒng)所產生的結果在返回值和運行費時上都是正確的；另一方面指系統(tǒng)的健壯性，也就是說，雖然系統(tǒng)出現(xiàn)了錯誤，或外部環(huán)境與預先假定的外部環(huán)境不符合，但系統(tǒng)仍然可以處于可預測狀態(tài)，仍可以安全地帶錯運行和平緩地降級。,37,衡量系統(tǒng)實時性的3個指標：,響應時間(Response Time)：指計算機從識別一個外部事件到做出響應

17、的時間。 生存時間(Survival Time)：指數(shù)據(jù)的有效等待時間，在這段時間里數(shù)據(jù)是有效的。 吞吐量(Throughput)：指在一段給定時間內，系統(tǒng)可以處理事件的總數(shù)。吞吐量通常比平均響應時間的倒數(shù)小一點。,38,實時系統(tǒng)根據(jù)響應時間可分為3種類型：,強實時系統(tǒng)：在強實時系統(tǒng)中，各任務不僅要保證執(zhí)行過程和結果的正確，同時還要保證在系統(tǒng)能夠允許的時間內完成任務，否則將造成災難性的后果。這對于實時控制領域的軟硬件系統(tǒng)來說是至關重要的。它的響應時間在毫秒或微秒數(shù)量級上。 弱實時系統(tǒng)：弱實時系統(tǒng)中，各個任務運行得越快越好，但并沒有嚴格限定某一任務必須在多長時間內完成。弱實時系統(tǒng)更多地關注軟件運

18、行的結果正確與否，而時間問題不會造成災難性的后果。一般它的響應時間可以是數(shù)十秒或更長，可能隨著系統(tǒng)的負載輕重而有所變化。 一般實時系統(tǒng)：一般實時系統(tǒng)是弱實時系統(tǒng)和強實時系統(tǒng)的一種折衷。它的響應時間可以在秒的數(shù)量級上，可廣泛應用于許多消費電子設備中。如PDA、手機等都屬于一般實時系統(tǒng)。,39,根據(jù)確定性實時系統(tǒng)可以分為以下兩類：,硬實時。硬實時指系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有嚴格的要求。如果系統(tǒng)響應時間不能滿足，就會引起系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命的錯誤。 軟實時。軟實時指系統(tǒng)對系統(tǒng)響應時間有要求。但是如果系統(tǒng)響應時間不能滿足，它并不會導致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。,40,1.2嵌入式處理器,121 嵌入式處理器的

19、分類 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行的體系結構包括MCU、MPU等30多個系列，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。 嵌入式處理器可分為： 低端的微控制器(Micro Controller Unit，MCU)； 中高端的嵌入式微處理器(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)； 通信領域的DSP處理器(Digital Signal Processor)； 高度集成的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)。,41,122 嵌入式微處理器,嵌入式微處理器(E

20、mbedded Micro Processor Unit，EMPU)是由通用計算機中的CPU演變而來的。 在實際嵌入式應用中，嵌入式微處理器只保留與嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的擴展外圍電路，如存儲器的擴展電路、IO的擴展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低功耗和資源滿足嵌入式應用的特殊要求。 嵌入式微處理器雖然在功能上與標準微處理器基本相同，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強。與工業(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。 目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Aml8688、386EX、P

21、owerPC、68000系列等。,42,嵌入式微處理器一般具有以下特點：,嵌入式微處理器在設計中需要考慮低功耗，以滿足靠電池工作的便攜式和無線應用中的低功耗要求。 采用可擴展的處理器結構，以方便對應用的擴展。 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。 提供豐富的調試功能。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)很多都是在交叉調試中進行，豐富的調試接口會更便于對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 對實時多任務具有很強的支持能力。 處理器內部具有精確的振蕩電路、豐富的定時器資源，從而有較強的實時處理能力。,43,123 微控制器,微控制器(Micro Controller Unit，MCU)俗稱單片機，它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。 微控制

22、器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成Flash、RAM、總線邏輯、定時器計數(shù)器、WatchDog、IO、串行口、脈寬調制輸出、AD、DA等各種必要功能模塊和外圍部件。 8051系列單片機是單片機教學的首選機型。,44,為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品。每種衍生產品的處理器內核都是相同的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使不同的單片機適合不同的應用。 與微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積小，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)中的主流產品。微控制器的片內資源一般比較豐富，適合于控制。,45,采用微控制器可以在相

23、當程度上縮短產品的設計、開發(fā)、調試的時間，從而節(jié)約用于這些方面的開支。 系統(tǒng)中芯片數(shù)量的減少，使整個系統(tǒng)的故障率就會降低。而且系統(tǒng)的體積也可以縮小。 由于一些接口電路和功能模塊與CPU集成在同一塊芯片上，這些電路之間的連線長度就降到很小。對于一些高速系統(tǒng)，這是個很重要的優(yōu)點。 微控制器在品種數(shù)量上遠遠超過微處理器,46,124 DSP處理器,DSP(Digital Signal Processor)是數(shù)字信號處理器的縮寫。 DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合執(zhí)行DSP算法，編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高。 在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量引入嵌入式領域。DS

24、P應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用DSP處理器。 DSP處理器有兩個發(fā)展來源： DSP處理系統(tǒng)經(jīng)過單片化、電磁兼容(EMC)改造以及增加片上外設，成為DSP處理器，如TI公司的TMS320C2000C5000等屬于此范疇； 在通用單片機或SoC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel公司的MCS296和Infineon(Siemens)的TriCore。 DSP處理器比較有代表性的產品是TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSPglXX系列和Motorola公司的DSP56000系列。,47,1.2.5 片上系統(tǒng),基本概念 結合許多功能模塊，將整個系統(tǒng)做在一個芯片上

25、，這就是片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)。 片上系統(tǒng)是基于EDA（電子設計自動化）技術和VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術，以及半導體工藝技術的迅速發(fā)展。 將整個嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中，應用系統(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。 嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的最高形式是SoC，而SoC的核心技術是IP核(Intellectual Property Core，知識產權核)構件。,48,SoC設計要點 SoC設計公司的標準庫：各種通用處理器內核與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設一樣，構成VLSI設計中的標準器件庫。 標準器件庫中的庫元件用VHDL等語言描述。 用戶在EDA設計平臺

26、下，只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以用FPGA制作樣品。 一種全新的硬件設計模式：EDA軟件加硬件調試平臺。,49,在EDA技術中把不同功能的電路模塊稱為IP，這些IP都是經(jīng)過實際制作并證明是正確的。在EDA設計工具中把這些IP組織在一個IP元件庫中，供用戶使用。 IP核分為硬核、軟核和固核， IP核是嵌入式技術的重要支持技術。 嵌入式片上系統(tǒng)設計的關鍵是IP核資源的利用。 在設計嵌入式系統(tǒng)時，可以通過使用IP核技術完成系統(tǒng)硬件的設計。用戶需要知道IP模塊的功能和技術性能。通過把不同的IP模塊嵌在一個硅片上，就形成完整的應用系統(tǒng)。 IP技術極大地簡化了SoC的設計過程，縮短了設計時間

27、，因此，已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)設計重要的基本技術。,50,SoC的優(yōu)點： 通過改變內部工作電壓，降低芯片功耗。 減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程。 減少外圍驅動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。 內嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成的系統(tǒng)雜訊,51,126 典型的嵌入式處理器,1ARM處理器 2MIPS處理器 3PowerPC處理器 4MC68KC01dfire處理器 5x86處理器,52,ARM處理器有3大特點： 小體積、低功耗、低成本而高性能； 1632位雙指令集； 全球眾多的合作伙伴。,53,1.3 嵌入式操作系統(tǒng),131 操作系統(tǒng)的概念和分類 操作系

28、統(tǒng)OS(OperationSystem)是一組計算機程序的集合； OS用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應用接口。 為應用軟件提供運行環(huán)境，為程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。,54,從資源管理的角度，操作系統(tǒng)主要包含如下功能： 處理器管理 對處理器進行分配，并對其運行進行有效的控制和管理。 在多任務環(huán)境下，合理分配由任務共享的處理器，使CPU能滿足各程序運行的需要，提高處理器的利用率，并能在恰當?shù)臅r候收回分配給某任務的處理器。 處理器的分配和運行都是以進程為基本單位進行的，因此，對處理器的管理可以歸結為對進程的管理。,55,存儲器管理。 存儲器管理的主要任

29、務是為多道程序的運行提供良好的環(huán)境； 存儲器管理包括內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充。例如： 為每道程序分配必要的內存空間，使它們各得其所，且不致因互相重疊而丟失信息； 不因某個程序出現(xiàn)異常而破壞其他程序的運行； 方便用戶使用存儲器，并能從邏輯上擴充內存等。,56,設備管理。 完成用戶提出的設備請求，為用戶分配IO設備；提高CPU和IO的利用率；提高IO速度，方便用戶使用IO設備。 設備管理包括緩沖管理、設備分配、設備處理、形成虛擬邏輯設備等。,57,文件管理。 文件管理的主要任務就是對系統(tǒng)文件和用戶文件進行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。 文件管理包括對文件存儲空間的管理、目錄

30、管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護等。,58,用戶接口。 用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能方便地使用操作系統(tǒng)的關鍵。 用戶可以用命令形式（例如DOS命令）、系統(tǒng)調用(例如DOS功能調用)形式與系統(tǒng)打交道。 圖形用戶接口(GUl)，用非常容易識別的圖標將系統(tǒng)的各種功能、各種應用程序和文件直觀地表示出來，用戶可以通過鼠標來取得操作系統(tǒng)的服務。,59,按程序運行調度的方法，可以將計算機操作系統(tǒng)分為以下幾種類型：,順序執(zhí)行系統(tǒng)。 分時操作系統(tǒng)。 實時操作系統(tǒng)。,60,順序執(zhí)行系統(tǒng)。,系統(tǒng)內只含一個運行程序。它獨占CPU時間，按語句順序執(zhí)行該程序，直至執(zhí)行完畢，另一程序才能啟動運行。DOS操作系統(tǒng)就屬

31、于這種系統(tǒng)。,61,分時操作系統(tǒng)。 系統(tǒng)內同時可有多道程序運行。所謂同時，只是從宏觀上來看，實際上系統(tǒng)把CPU的時間按順序分成若干時間片，每個時間片內執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多用戶，當今廣泛用于商業(yè)、金融領域。Unix操作系統(tǒng)即屬于這種系統(tǒng)。,62,實時操作系統(tǒng)。 系統(tǒng)內同時有多道程序運行，每道程序各有不同的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運行。 當多個事件發(fā)生時，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低來確定哪道程序在此時此刻占有CPU，以保證優(yōu)先級高的事件、實時信息及時被采集。 實時操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個分支，也是最復雜的一個分支。,63,從應用的角度來看，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為：,面向低端信息家電的嵌入式

32、操作系統(tǒng)； 面向高端信息家電(如數(shù)字電視等)的嵌入式操作系統(tǒng)； 面向個人通信終端的嵌入式操作系統(tǒng)； 面向通信設備的嵌入式操作系統(tǒng)； 面向汽車電子的嵌入式操作系統(tǒng)； 面向工業(yè)控制的嵌入式操作系統(tǒng)。,64,從實時性的角度，嵌入式操作系統(tǒng)可分為：,具有強實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)； 具有弱實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)； 沒有實時特點的嵌入式操作系統(tǒng)。,為了較好地了解操作系統(tǒng)的功能，一下介紹幾個關于操作系統(tǒng)的基本概念：,65,1任務、進程和線程,任務：任務是指一個程序分段，這個分段被操作系統(tǒng)當作一個基本工作單元來調度。 進程：進程是指任務的一次運行過程，它是動態(tài)過程。有些操作系統(tǒng)把任務和進程等同看待，認為任

33、務是一個動態(tài)過程，即執(zhí)行任務體的動態(tài)過程。 線程：比進程更小的、能獨立運行和調度的基本單位。,66,2多用戶及多任務,多用戶的含義：允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺主機，共享同一個操作系統(tǒng)及各種系統(tǒng)資源。 多任務的含義：每個用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任務可以并發(fā)執(zhí)行。 多用戶及多任務系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的吞吐量，更有效地利用系統(tǒng)資源。,67,3任務的驅動方式,68,內部事件驅動：,內部事件驅動是指某一程序運行的結果導致另一任務的啟動。 運行結果可能是數(shù)據(jù)滿足一定條件； 或數(shù)據(jù)超出某一極限值； 也可能是釋放了某一資源，例如得到了某一設備而使任務得到運行環(huán)境。 內部事件驅動的任務一般

34、屬于同步（時間相關）任務范疇。,69,外部事件驅動：,最典型的實時任務是由外部事件驅動的。 外部事件常指工業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)發(fā)生變化或出現(xiàn)異常， 外部事件發(fā)生時，CPU將中斷正在執(zhí)行的任務而優(yōu)先響應外部請求，立即執(zhí)行對應于該請求的中斷服務任務。 在實時系統(tǒng)中，外部事件的發(fā)生是不可預測的，由外部事件驅動的任務是最重要的任務，其優(yōu)先級最高。 鍵入命令也是一種外部事件，但與現(xiàn)場狀態(tài)變化相比，它的實時性要求要低得多，通常把這類任務安排在后臺作業(yè)中。,70,由時間驅動的任務有兩種：,絕對時間驅動：絕對時間驅動是指監(jiān)控系統(tǒng)在某指定時刻執(zhí)行的指定任務。在網(wǎng)絡系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)交換、控制命令是以絕對時間為基準執(zhí)行的。監(jiān)控

35、系統(tǒng)需要與衛(wèi)星、電視臺對時，就是為了與外部絕對時間同步。 相對時間驅動：相對時間驅動是指周期性執(zhí)行的任務，總是相對上一次執(zhí)行時間計時，等待時間是編程設定的，相對時間可用計算機內部時鐘或軟時鐘計時。,71,4中斷與中斷優(yōu)先級,相關概念: 中斷:中斷是計算機中硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)共同提供的功能。 中斷源:系統(tǒng)中所有中斷控制器一共可以連接幾個外部信號，則稱系統(tǒng)有幾個中斷源。 中斷優(yōu)先級：操作系統(tǒng)對每個中斷級指定了優(yōu)先級，在多個中斷源同時發(fā)出申請時，CPU按優(yōu)先級的高低順序處理。 中斷處理程序:與每個中斷源對應的處理程序叫著中斷處理程序。,72,中斷的執(zhí)行： CPU接到請求后，先仲裁該中斷源的優(yōu)先級是否

36、比當前正在執(zhí)行的任務優(yōu)先級更高。若更高，則中斷當前正在執(zhí)行的程序而轉向執(zhí)行對應于該外部信號的中斷處理程序。 中斷處理程序不宜太長，因而有些系統(tǒng)中，每個中斷處理程序還可對應一個任務入口，使中斷發(fā)生時執(zhí)行任務中的代碼，以便得到更多處理。這一任務提交給操作系統(tǒng)作為任務調度。 與中斷級對應、由外部事件驅動的任務稱為中斷任務。 中斷源及中斷優(yōu)先級是實時系統(tǒng)賴以工作的基礎。,73,實時操作系統(tǒng)中的任務調度 實時操作系統(tǒng)中，每個任務對應一個任務號。有些系統(tǒng)任務號與優(yōu)先級數(shù)是一致的，有些卻不一致，而是具有一種固定的對應關系。 實時系統(tǒng)內任務按優(yōu)先級排列，操作系統(tǒng)按優(yōu)先級調度任務。 有的實時系統(tǒng)還允許多個任務有

37、相等的優(yōu)先級，對同優(yōu)先級任務再采取分時方式調度。應用任務的任務號和優(yōu)先級，由應用系統(tǒng)設計人員根據(jù)現(xiàn)場需求的輕重緩急，在程序設計時指定，由應用系統(tǒng)初始化程序執(zhí)行分配。,74,5同步與異步,實時系統(tǒng)中常用同步或異步來說明事件發(fā)生的時序關系或任務執(zhí)行的順序關系。 同步：由于事件1停止而引起事件2發(fā)生，或者必須有事件2發(fā)生，事件3才可能發(fā)生如此類推，這一系列時間相關事件稱為同步事件。由同步事件驅動的任務稱為同步任務。 使任務同步的目的是使相關任務在執(zhí)行順序上協(xié)調，不至于發(fā)生時間相關的差錯，以保證任務互斥地訪問系統(tǒng)的內存、外設等共享資源。 異步：異步事件是指隨機發(fā)生的事件。異步事件發(fā)生的原因很復雜，往往

38、與工業(yè)現(xiàn)場有關，難以預測其發(fā)生的時間。由異步事件驅動的任務稱為異步任務。 中斷任務都是異步任務，異步任務的優(yōu)先級高于同步任務。,75,6資源與臨界資源,資源：程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。主要包括CPU的可利用時間、系統(tǒng)可提供的中斷源、內存空間與數(shù)據(jù)、通用外部設備等。系統(tǒng)資源由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分配管理。用戶定義的任務可向系統(tǒng)申請資源。沒有指派給具體任務的資源屬于系統(tǒng)所有，是共享資源，也可作為動態(tài)再分配的資源。,76,臨界資源：系統(tǒng)中2個以上任務可能同時訪問的共享資源稱為臨界資源。例如，系統(tǒng)中的公共數(shù)據(jù)區(qū)、打印機等都是臨界資源。 在實時多任務系統(tǒng)中，當異步任務被激活時，容易出現(xiàn)資源的臨界

39、狀態(tài)。 占用臨界資源的任務應盡快使用并盡快釋放資源，絕不能在沒有釋放資源前將自己掛起或執(zhí)行某種等待操作，使得其他任務不能獲得該資源。 實時多任務操作系統(tǒng)中應避免出現(xiàn)資源臨界現(xiàn)象，即保證任何時刻臨界資源內只有一個任務在訪問（互斥的方式）。若這一問題處理不好，執(zhí)行任務交不出資源的控制權，將會引起系統(tǒng)死鎖。因此，對臨界資源的管理是實時操作系統(tǒng)重要任務之一。,77,7容錯與安全性,容錯：容錯是指這樣一種性能或措施，當系統(tǒng)內某些軟、硬件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能正常運轉，完成預定的任務或某些重要的不允許間斷的任務。 容錯能力包括系統(tǒng)自診斷、自恢復、自動切換等多方面能力，由軟、硬件共同采取措施才能實現(xiàn)。 容錯是

40、實時系統(tǒng)提高可靠性的手段。 安全性：安全性控制是操作系統(tǒng)對自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。 在實時操作系統(tǒng)中安全性極為重要，尤其是在一些重要的工業(yè)控制和軍用系統(tǒng)中，必須保證系統(tǒng)工作得高度可靠和安全，防止對應用系統(tǒng)的有意或無意的破壞。 通常采用一些軟件控制方法來保證系統(tǒng)的安全性，如標記檢查、多級口令設置、加密等等。,78,1.4 實時操作系統(tǒng)的內核,實時操作系統(tǒng)(RTOS)是具有實時性且能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其重要的特點是能滿足對時間的限制和要求。從性能上講，實時操作系統(tǒng)與普通操作系統(tǒng)存在的區(qū)別主要體現(xiàn)在“實時”二字上。在實時計算中，系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計算的邏輯結果，而且依賴于結果產生的時間。 實時操作系統(tǒng)是實時系統(tǒng)在啟動之后運行的一段背景程序。應用程序是運行在這個基礎之上的多個任務。實時操作系統(tǒng)根據(jù)各個任務的要求，進行資源管理、消息管理、任務調度和異常處理等工作。在實時操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)中，每個任務都具有不同的優(yōu)先級別，它將根據(jù)各個任務的優(yōu)先級來動態(tài)地切換各個任務，以保證對實時性的要求。 在任何時刻，實時操作系統(tǒng)總是保證優(yōu)先級最高的任務占用CPU。這主要由實時操作系統(tǒng)內部的事件驅動方式及任務調度來決定。,79,RTOS與通用計算機OS的區(qū)別： 實時性。響應速度快，只有幾微秒；執(zhí)行時間確定，可預測。