嵌入式實習報告

1、電子工藝實習報告第 14 頁 共 14 頁電子工藝實 習 報 告班 級 學 號 姓 名 同 組 人 指導教師 2010年 1 月 13 日一、嵌入式的概述：隨著信息化技術的發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，以計算機技術、芯片技術和軟件技術為核心的嵌入式系統(tǒng)再度成為當前研究和應用的熱點，通信、計算機、消費電子技術（3C）合一的趨勢正在逐步形成，無所不在的網(wǎng)絡和無所不在的計算（everything connecting, everywhere computing）正在將人類帶入一個嶄新的信息社會。二、實習目的學習和了解了嵌入式在生活中的重要作用和發(fā)展過程，熟練掌握ARM硬件體系結構,熟悉linux下的嵌入式

2、編程流程，積累自己的軟件編寫經(jīng)驗，能夠參與并實現(xiàn)一個真實和完整的嵌入式項目，為今后的學習和將從事的技術工作打下堅實的基礎三、實習任務第一階段Linux操作和編程基礎主要介紹Linux的基本命令和基礎編程知識，包括Linux的文件操作和目錄操作命令，VI編輯器，GCC編譯器，GDB調(diào)試器和Make項目管理工具等知識。第二階段 嵌入式C語言編程基礎主要介紹在嵌入式開發(fā)編程中C語言的重要概念和編程技巧中的重點難點，以復習串講和實例分析的形式，重點介紹包括函數(shù)與程序結構，指針、數(shù)組和鏈表，庫函數(shù)的使用等知識。第三階段Linux上C強化編程訓練主要包括整數(shù)算法訓練，遞歸和棧編程訓練，位操作訓練，指針訓練

3、，字符串訓練和常用C庫函數(shù)編程接口實踐，強化學員對Linux下基本編程開發(fā)的理解和編碼調(diào)試的能力。第四階段 Linux環(huán)境高級編程及項目開發(fā)編程實踐主要包括系統(tǒng)編程(信號/系統(tǒng)調(diào)用/管道/FIFO/消息隊列/共享內(nèi)存等)，文件I/O編程(文件描述符/文件讀寫接口/原子操作/阻塞與非阻塞IO等，多任務和多線程編程(進程標識/ 用戶標識/fork與vfork/多線程概念/線程同步等)，網(wǎng)絡編程(網(wǎng)絡基本概念/套接口編程/網(wǎng)絡字節(jié)次序/Client/Server結構/UDP編程)；掌握Linux下Socket編程的開發(fā)流程，熟悉網(wǎng)絡編程的調(diào)用接口函數(shù)和相關數(shù)據(jù)結構，使學員初步具備在Linux上進行系

4、統(tǒng)編程開發(fā)的能力。同時綜合之前所學內(nèi)容和編程技術，以小組為單位進行一個團隊合作項目的開發(fā)，考核內(nèi)容包括文件I/O編程，多線程編程，網(wǎng)絡編程和項目文檔編寫。第五階段 嵌入式處理器體系結構及編程實踐主要介紹ARM體系結構及其基本編程知識，包括指令分類，尋址方式、指令集、存儲系統(tǒng)、異常中斷處理、匯編語言以及CC+和匯編語言的混合編程等知識。同時結合ARM嵌入式開發(fā)板硬件設計原理和基本硬件設計流程，分析各種外設的工作原理和驅(qū)動機制，并自己動手實踐完成一個ARM開發(fā)板上的編程大作業(yè)。第六階段 嵌入式Linux開發(fā)基礎及高級應用主要介紹嵌入式Linux開發(fā)應用程序的基本流程和知識，包括嵌入式Linux基本

5、概念和開發(fā)流程、Bootloader工作原理、內(nèi)核裁減配置和交叉編譯、根文件系統(tǒng)制作、網(wǎng)絡編程以及圖形界面和數(shù)據(jù)庫開發(fā)等知識。同時獨立完成一個基于嵌入式Linux GUI的應用編程大作業(yè)。第七階段 嵌入式 Linux驅(qū)動理論及驅(qū)動程序開發(fā)實踐主要介紹嵌入式Linux上驅(qū)動程序開發(fā)規(guī)范，包括設備驅(qū)動程序概念、字符設備驅(qū)動程序、塊設備與網(wǎng)絡設備、網(wǎng)卡驅(qū)動以及常用嵌入式設備驅(qū)動開發(fā)等知識。同時獨立實現(xiàn)兩種嵌入式設備驅(qū)動程序的編寫，包括驅(qū)動模塊的調(diào)試和加載以及完整的項目開發(fā)文檔的編寫。第八階段 嵌入式Linux項目團隊開發(fā)實踐鍛煉主要包括設計并實現(xiàn)一個真實和完整的嵌入式項目的開發(fā)流程，涉及到數(shù)據(jù)采集、

6、網(wǎng)絡通訊、圖形用戶界面顯示以及嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)等多種嵌入式Linux編程技術。要求學員建立起團隊開發(fā)和協(xié)同工作的企業(yè)項目開發(fā)模式的概念和流程，強化學員對編寫項目概要設計文檔和詳細設計文檔的理解，為就業(yè)前的職業(yè)技能和素質(zhì)訓練做好充分準備。四、實習內(nèi)容1. 嵌入式的歷史與現(xiàn)狀        雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才開始真正風靡起來的，但事實上嵌入式這個概念卻很早就已經(jīng)存在了，從上個世紀70年代單片機的出現(xiàn)到今天各種嵌入式微處理器、微控制器的廣泛應用，嵌入式系統(tǒng)少說也有了近30年的歷史?？v觀嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下

7、四個階段：· 無操作系統(tǒng)階段     嵌入式系統(tǒng)最初的應用是基于單片機的，大多以可編程控制器的形式出現(xiàn)，具有監(jiān)測、伺服、設備指示等功能，通常應用于各類工業(yè)控制和飛機、導彈等武器裝備中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，只能通過匯編語言對系統(tǒng)進行直接控制，運行結束后再清除內(nèi)存。這些裝置雖然已經(jīng)初步具備了嵌入式的應用特點，但僅僅只是使用8位的CPU芯片來執(zhí)行一些單線程的程序，因此嚴格地說還談不上"系統(tǒng)"的概念。     這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)結構和功能相對單一，處理

8、效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格低廉，因而曾經(jīng)在工業(yè)控制領域中得到了非常廣泛的應用，但卻無法滿足現(xiàn)今對執(zhí)行效率、存儲容量都有較高要求的信息家電等場合的需要。· 簡單操作系統(tǒng)階段     20世紀80年代，隨著微電子工藝水平的提高，IC制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設計的微控制器，并一舉成為嵌入式系統(tǒng)領域中異軍突起的新秀。與此同時，嵌入式系統(tǒng)的程序員也開始基于一些簡單的"操作系統(tǒng)"

9、;開發(fā)嵌入式應用軟件，大大縮短了開發(fā)周期、提高了開發(fā)效率。     這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：出現(xiàn)了大量高可靠、低功耗的嵌入式CPU（如Power PC等），各種簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展。此時的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡單，但已經(jīng)初步具有了一定的兼容性和擴展性，內(nèi)核精巧且效率高，主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序的運行。· 實時操作系統(tǒng)階段     20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步飛速發(fā)展，而面向

10、實時信號處理算法的DSP產(chǎn)品則向著高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。隨著硬件實時性要求的提高，嵌入式系統(tǒng)的軟件規(guī)模也不斷擴大，逐漸形成了實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS），并開始成為嵌入式系統(tǒng)的主流。     這一階段嵌入式系統(tǒng)的主要特點是：操作系統(tǒng)的實時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴展性。此時的嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備了文件和目錄管理、設備管理、多任務、網(wǎng)絡、圖形用戶界面（GUI）等功能，并提供了大量的應用程序接口（API），從而使得應用軟件的開發(fā)變得更加簡單。· 面向Internet階段&

11、#160;    21世紀無疑將是一個網(wǎng)絡的時代，將嵌入式系統(tǒng)應用到各種網(wǎng)絡環(huán)境中去的呼聲自然也越來越高。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，隨著Internet的進一步發(fā)展，以及Internet技術與信息家電、工業(yè)控制技術等的結合日益緊密，嵌入式設備與Internet的結合才是嵌入式技術的真正未來。     信息時代和數(shù)字時代的到來，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機遇，同時也對嵌入式系統(tǒng)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。目前，嵌入式技術與Internet技術的結合正在推動著嵌入式技術的飛速發(fā)展，嵌入式系

12、統(tǒng)的研究和應用產(chǎn)生了如下新的顯著變化：1. 新的微處理器層出不窮，嵌入式操作系統(tǒng)自身結構的設計更加便于移植，能夠在短時間內(nèi)支持更多的微處理器。 2. 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成了一項系統(tǒng)工程，開發(fā)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。 3. 通用計算機上使用的新技術、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，如嵌入式數(shù)據(jù)庫、移動代理、實時CORBA等，嵌入式軟件平臺得到進一步完善。 4. 各類嵌入式Linux操作系統(tǒng)迅速發(fā)展，由于具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡結構完整等特點，很適合信息家電等嵌入式系統(tǒng)的需要，目前已經(jīng)形成了能與Windows CE、Pal

13、m OS等嵌入式操作系統(tǒng)進行有力競爭的局面。 5. 網(wǎng)絡化、信息化的要求隨著Internet技術的成熟和帶寬的提高而日益突出，以往功能單一的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構變得更加復雜，網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然趨勢。 6. 精簡系統(tǒng)內(nèi)核，優(yōu)化關鍵算法，降低功耗和軟硬件成本。 7. 提供更加友好的多媒體人機交互界面。 2.體系結構        根據(jù)國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的定義，嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置"（devices used to contro

14、l, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。一般而言，整個嵌入式系統(tǒng)的體系結構可以分成四個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件，如圖1所示。圖1 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式處理器    嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理器，嵌入式處理器與通用處理器最大的不同點在于，嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群所專門設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務集成到芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效

15、率和可靠性。     嵌入式處理器的體系結構經(jīng)歷了從CISC（復雜指令集）至RISC（精簡指令集）和Compact RISC的轉(zhuǎn)變，位數(shù)則由4位、8位、16位、32位逐步發(fā)展到64位。目前常用的嵌入式處理器可分為低端的嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、中高端的嵌入式微處理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）、用于計算機通信領域的嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和高度集成的嵌入式片上系統(tǒng)（System On

16、Chip，SOC）。     目前幾乎每個半導體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，并且越來越多的公司開始擁有自主的處理器設計部門，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器已經(jīng)超過1000多種，流行的體系結構有30多個系列，其中以ARM、PowerPC、MC 68000、MIPS等使用得最為廣泛。· 嵌入式外圍設備     在嵌入系統(tǒng)硬件系統(tǒng)中，除了中心控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）以外，用于完成存儲、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件，事實上都可以算作嵌入式外圍設備。目前常用的嵌入式外圍設備按功

17、能可以分為存儲設備、通信設備和顯示設備三類。存儲設備主要用于各類數(shù)據(jù)的存儲，常用的有靜態(tài)易失型存儲器（RAM、SRAM）、動態(tài)存儲器（DRAM）和非易失型存儲器（ROM、EPROM、EEPROM、FLASH）三種，其中FLASH憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內(nèi)得到了廣泛應用。   目前存在的絕大多數(shù)通信設備都可以直接在嵌入式系統(tǒng)中應用，包括RS-232接口（串行通信接口）、SPI（串行外圍設備接口）、IrDA（紅外線接口）、I2C（現(xiàn)場總線）、USB（通用串行總線接口）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）等。 由于嵌

18、入式應用場合的特殊性，通常使用的是陰極射線管（CRT）、液晶顯示器（LCD）和觸摸板（Touch Panel）等外圍顯示設備。· 嵌入式操作系統(tǒng)    為了使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)更加方便和快捷，需要有專門負責管理存儲器分配、中斷處理、任務調(diào)度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)軟件，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的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面（GUI）等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理復雜的系統(tǒng)資源，能夠?qū)τ布M行抽象，能夠提供

19、庫函數(shù)、驅(qū)動程序、開發(fā)工具集等。但與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應用專用性等方面，具有更加鮮明的特點。   嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應用場合可以分為兩大類：一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時系統(tǒng)，這類設備包括個人數(shù)字助理（PDA）、移動電話、機頂盒（STB）等；另一類則是面向控制、通信、醫(yī)療等領域的實時操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX等。實時系統(tǒng)（Real Time System）是一種能夠在指定或者確定時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能，并且對外部和內(nèi)部事件在同步或者異步時間內(nèi)能做出及時響應的系統(tǒng)

20、。在實時系統(tǒng)中，操作的正確性不僅依賴于邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進行的時間有關，也就是說，實時系統(tǒng)對邏輯和時序的要求非常嚴格，如果邏輯和時序控制出現(xiàn)偏差將會產(chǎn)生嚴重后果。 實時系統(tǒng)主要通過三個性能指標來衡量系統(tǒng)的實時性，即響應時間（Response Time）、生存時間（Survival Time）和吞吐量（Throughput）：o 響應時間是實時系統(tǒng)從識別出一個外部事件到做出響應的時間； o 生存時間是數(shù)據(jù)的有效等待時間，數(shù)據(jù)只有在這段時間內(nèi)才是有效的； o 吞吐量是在給定的時間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的事件總數(shù)，吞吐量通常比平均響應時間的倒數(shù)要小一點。   &

21、#160;    實時系統(tǒng)根據(jù)響應時間可以分為弱實時系統(tǒng)、一般實時系統(tǒng)和強實時系統(tǒng)三種。弱實時系統(tǒng)在設計時的宗旨是使各個任務運行得越快越好，但沒有嚴格限定某一任務必須在多長時間內(nèi)完成，弱實時系統(tǒng)更多關注的是程序運行結果的正確與否，以及系統(tǒng)安全性能等其他方面，對任務執(zhí)行時間的要求相對來講較為寬松，一般響應時間可以是數(shù)十秒或者更長。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，廣泛應用于消費電子設備中。強實時系統(tǒng)則要求各個任務不僅要保證執(zhí)行過程和結果的正確性，同時還要保證在限定的時間內(nèi)完成任務，響應時間通常要求在毫秒甚至微秒的數(shù)量級上，這對涉及到醫(yī)療、安全、軍事的軟硬件系統(tǒng)來說是至關重要的。       時限（deadline）是實時系統(tǒng)中的一個重要概念，指的是對任務截止時間的要求，根據(jù)時限對系統(tǒng)性能的影