一、嵌入式系統(tǒng)概述課件

1、Embedded System 嵌入式系統(tǒng)Embedded System嵌入式系統(tǒng)/7/18/20221第一講參考書ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應用基礎(chǔ)，馬忠梅等，北京航空航天大學出版社 2002年2月嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)（第二版）-基于ARM微處理器與uC/OS-II實時操作系統(tǒng) 王田苗 清華大學出版社嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用實驗教程 田澤 著 北京航空航天大學 2004年6月/7/18/20222第一講第一講，嵌入式系統(tǒng)概述一、什么是嵌入式系統(tǒng)二、嵌入式系統(tǒng)的特征三、嵌入式系統(tǒng)組成四、嵌入式系統(tǒng)應用/7/18/20223第一講一、什么是嵌入式系統(tǒng)Embedded system個人電腦嵌入式系統(tǒng)

2、根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。/7/18/20224第一講計算機工業(yè)的分類以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：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/7/18/20225第一講歷史電腦用于控制設(shè)備或嵌入系統(tǒng)的

3、歷史幾乎與電腦自身的歷史一樣長計算機控制系統(tǒng)單片機掀起電子化浪潮微處理器高速發(fā)展推動了嵌入式系統(tǒng)/7/18/20226第一講嵌入式系統(tǒng)的演變8031/8051為裸機，組成單片機系統(tǒng)時，自行編寫程序；68360/386EX控制系統(tǒng)，自己編寫簡單的操作系統(tǒng)；32位嵌入式處理器pSoS+嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議棧；各種SoC+嵌入式Linux/VxWorks+嵌入式Web 設(shè)備server以及各種復雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧GUI圖形界面無線模塊現(xiàn)代可移動的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備。/7/18/20227第一講后PC技術(shù)的時代小到mp3，PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡(luò)家電，智能家電，車載電子設(shè)備；嵌入式系統(tǒng)是這個后P

4、C時代的擎天之柱；1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過12000億美元，2000年達到13000億美元，預計2005年，銷售額將達18000億美元。/7/18/20228第一講嵌入式簡單定義嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中廣義的講可以認為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)任何一個非計算機的計算系統(tǒng)/7/18/20229第一講狹義定義使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)微處理器專指32位以上的微處理器/7/18/202210第一講嵌入式系統(tǒng)的定義以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠

5、性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) /7/18/202211第一講二、嵌入式系統(tǒng)的特征和通用的計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)具有以下特征：1、用于特定的任務（專用的計算機系統(tǒng)）2、比通用PC系統(tǒng)資源少3、極其關(guān)注成本、大多有功耗的要求、集成度高體積小4、運行環(huán)境廣泛5、軟件硬件可靠性要求更高（具有系統(tǒng)測試和可靠性評估體系）6、相關(guān)產(chǎn)品具有較長的生命周期 7、軟件要求固態(tài)化存儲 （ROM、EPROM、EEPROM或FLASH）8、有實時的要求（使用RTOS）9、需要專用開發(fā)工具和方法進行設(shè)計10、片上包含專用調(diào)試電路./7/18/202212第一講嵌入式系統(tǒng)的特征(2)嵌入式系統(tǒng)中的軟件，

6、一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體可以隨意更換。 各個行業(yè)的應用系統(tǒng)和產(chǎn)品，和通用計算機軟件不同，很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。 嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個體系一般要存在相當長的時間。一個體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應用產(chǎn)品是一套復雜的知識系統(tǒng)，用戶和半導體廠商都不會輕易地放棄一種處理器。 /7/18/202213第一講嵌入式系統(tǒng)的特征模糊化通用計算機系統(tǒng)，嵌入式計算機系統(tǒng)在一些產(chǎn)品上出現(xiàn)融和。嵌入式計算機系統(tǒng)領(lǐng)域多功能、在線可升級通用計算機系統(tǒng)領(lǐng)域性能、功耗、功能PDA產(chǎn)品、多功能手機、掌

7、上電腦、網(wǎng)絡(luò)TV等/7/18/202214第一講三、嵌入式系統(tǒng)的基本組成 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。/7/18/202215第一講交叉學科先進的計算機技術(shù)半導體技術(shù)電子技術(shù)各個行業(yè)面向具體應用/7/18/202216第一講嵌入式系統(tǒng)的組成要素（4個）嵌入式處理器及其硬件平臺嵌入式軟件系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)（可選）-實時操作系統(tǒng)RTOSI/O接口系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心的硬件平臺嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應用軟件系統(tǒng)應用系統(tǒng)的I/O接口/7/18/202217第一講應用程序文件系統(tǒng)/圖形用戶應用程序接口設(shè)備驅(qū)動

8、程序、HAL、BSP應用層OS層驅(qū)動層SoC/SOPC處理器/ARM核DSP/浮點運算協(xié)處理器GPIOIISUSBLCDADC/DACFPGA/CPLDUAET和TrDAMMU/CacheTimer/RTCCAN以太網(wǎng)DMA電源管理內(nèi) 存FlashEEPROMSDRAMSRAM看門狗及復位電路人機交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標輸 入 、輸 出 接 口 軟件硬件功能層軟件層中間層/7/18/202218第一講嵌入式系統(tǒng)硬件組成/7/18/202219第一講嵌入式系統(tǒng)軟件組成/7/18/202220第一講（一）嵌入式系統(tǒng)硬件組成1 嵌入式處理器2 外圍接口電路和設(shè)備接口/7/18/202221

9、第一講1. 嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半?，F(xiàn)在幾乎每個半導體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB到16MB，處理速度從0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳 品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半/7/18/202222第一講主要嵌入式處理器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式

10、微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、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(shè)。 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的母板功能；外接電路必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件；嵌入式處理器目前主要有18

11、6/188、386EX、SC-400、PowerPC、68K、MIPS、ARM系列等 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 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)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。 嵌入式片上系統(tǒng) (System On Chip， SOC) /7/18/202223第一講嵌入式系統(tǒng)硬件主流32,6

12、4位微處理器是目前嵌入式系統(tǒng)的核心主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等每個月都有新產(chǎn)品出現(xiàn)/7/18/202224第一講嵌入式微處理器(EMPU) 通用計算機中的CPU專門設(shè)計的電路板 只保留和嵌入式應用有關(guān)的母板功能 增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面功能與工業(yè)控制計算機相似/7/18/202225第一講嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列、MIPS等/7/18/202226第一講嵌入式微控制器(MCU)又稱單片機 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成RO

13、M/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、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(shè)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。 /7/18/202227第一講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。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

14、嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。 /7/18/202228第一講嵌入式DSP處理器(EDSP) DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)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。在數(shù)字濾波、FFT、譜線分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。/7/18/202229第一講有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。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C80

15、00系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。/7/18/202230第一講嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)在一個硅片上實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng) 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用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔 /7/18/202231第一講SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。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Phili

16、ps的Smart XA/7/18/202232第一講2.嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口（1）存儲器:存儲數(shù)據(jù)和程序的功能部件靜態(tài)易失性存儲器(RAM、SRAM)動態(tài)存儲器（DRAM）非易失性存儲器ROM（MASK ROM、EPROM、EEPROM、Flash）硬盤、軟盤、CD-ROM等/7/18/202233第一講RAM：隨機存取存儲器SRAM：靜態(tài)隨機存取存儲器DRAM：動態(tài)隨機存取存儲器 1）SRAM比DRAM速度快 2）SRAM比DRAM耗電多 3）DRAM存儲密度比SRAM高的得多（體積） 4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲器FLASH：閃存/7/18/202234第一講（2）通

17、訊接口串口UARTUSB接口（通用串行總線接口）IrDA（Infra Red Dat Association，紅外線接口）SPI（串行外圍設(shè)備接口）I2C、CAN接口Bluetooth、Ethernet（以太）接口GPIO（通用可編程接口）/7/18/202235第一講（3）輸入輸出設(shè)備CRTLCDA/D、D/A觸摸屏鍵盤/7/18/202236第一講（4）設(shè)備擴展接口擴展存儲設(shè)備接口Flash、SRAM、硬盤卡CF卡、SD卡等/7/18/202237第一講（5）電源及輔助設(shè)備系統(tǒng)外觀小型化，質(zhì)量輕以及電源使用壽命長，耗電少待機時間長是重要的。/7/18/202238第一講嵌入式系統(tǒng)的硬件層是

18、以嵌入式處理器為核心的，最初的嵌入式處理器都是為通用目的而設(shè)計的，后來隨著嵌入式系統(tǒng)應用的不斷普及出現(xiàn)了專用的集成芯片(Application-specific integrated circuit，ASIC）， ASIC是一種為具體任務而特殊設(shè)計的專用電路，比如很多打印機控制芯片就是ASIC。由于ASIC在設(shè)計過程中進行了專門優(yōu)化，其性能、性價比都非常高。采用ASIC，可以減少系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計的復雜程度，降低系統(tǒng)成本。但ASIC的前期設(shè)計費用非常高，而且ASIC一旦設(shè)計完成，就無法升級和擴展，因此只有在一些產(chǎn)量非常大的產(chǎn)品設(shè)計中才考慮使用ASIC。關(guān)于ASIC/7/18/202239第一講

19、由FPGA實現(xiàn)“可重構(gòu)計算”可重構(gòu)計算：它允許在不改變硬件電路板的情況嚇，實現(xiàn)不同的控制接口和控制功能，結(jié)合了通用微處理器和ASIC的特點。FPGA：Field-programmable gate array現(xiàn)場編程門陣列，20世紀80年代中期以后發(fā)展起來的一種可編程的大規(guī)模集成器件。 FPGA具有保密性好、體積小、重量輕、可靠性高等一系列專用大規(guī)模集成電路ASIC的優(yōu)點，是一種新興的ASIC產(chǎn)品。FPGA的出現(xiàn)是電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的一次重大變革。/7/18/202240第一講FPGA的出現(xiàn)使一個電子系統(tǒng)僅僅由三種標準模塊構(gòu)成，即微處理器、存儲器和可編程邏輯器件。在以前，微處理器、存儲器已經(jīng)產(chǎn)品

20、化、系列化，而系統(tǒng)中大量的邏輯控制由許多中小規(guī)模器件來實現(xiàn)，其設(shè)計復雜開發(fā)周期長，而且速度低，可靠性差。有了FPGA，使系統(tǒng)中的第三個模塊也實現(xiàn)了大規(guī)模集成化與可編程化。改善了系統(tǒng)的可調(diào)整性，降低了功耗，提高了可靠性使系統(tǒng)更加小型化，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少了設(shè)計成本，降低了設(shè)計風險。/7/18/202241第一講（二）嵌入式軟件系統(tǒng)在設(shè)計一個簡單的應用程序時，可以不使用操作系統(tǒng)，但在設(shè)計較復雜的程序時，可能就需要一個操作系統(tǒng)（OS）來管理和控制內(nèi)存、多任務、周邊資源等，依據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來編寫應用程序，可大大減輕編程負擔。/7/18/202242第一講對于使用OS的嵌入式系統(tǒng)，軟

21、件結(jié)構(gòu)一般包含4個層面：設(shè)備驅(qū)動層實時操作系統(tǒng)RTOS應用程序接口API層（可歸到RTOS）實際應用層對于功能簡單的系統(tǒng)，一般不使用OS，僅有應用程序和設(shè)備驅(qū)動程序。/7/18/202243第一講1. 設(shè)備驅(qū)動層（中間層）程序驅(qū)動層程序是嵌入式系統(tǒng)不可或缺的重要部分，使用任何外部設(shè)備都需要有響應驅(qū)動層程序的支持，它為上層（系統(tǒng)）軟件提供了設(shè)備的操作接口。上層軟件不用理會設(shè)備的具體內(nèi)部操作，只需調(diào)用驅(qū)動層程序提供的接口即可。驅(qū)動層程序一般包括硬件抽象層（HAL）或板級支持包（BSP）和設(shè)備驅(qū)動程序。/7/18/202244第一講硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Laye

22、r）：位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，目的在于將硬件抽象化；即，可通過程序來控制硬件電路如CPU、I/O、Memory等的操作；使系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序與硬件設(shè)備無關(guān)，提高了系統(tǒng)的可移植性；軟硬件的測試工作可通過硬件抽象層完成；定義抽象層時，需規(guī)定統(tǒng)一的軟硬件接口標準，代碼工作由對硬件熟悉人員完成；抽象層包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)輸入輸出操作、硬件設(shè)備的配置操作等。/7/18/202245第一講硬件抽象層接口定義和代碼設(shè)計特點硬件抽象層具有與硬件的密切相關(guān)性；硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)的無關(guān)性；接口定義的功能應包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；接口定義簡單明了，太多接口函數(shù)會增加軟件模擬

23、的復雜性；具有可測性的接口設(shè)計有利于系統(tǒng)的軟硬件測試和集成。/7/18/202246第一講板級支持包BSP（Board Support Package）：介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動層程序之間的一層，一般認為屬于操作系統(tǒng)一部分；實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包；系統(tǒng)啟動時，完成對硬件的初始化。如對系統(tǒng)內(nèi)存、寄存器以及設(shè)備的中斷進行設(shè)置。這是比較系統(tǒng)化的工作，要根據(jù)嵌入式開發(fā)所選的CPU類型、硬件以及嵌入式操作系統(tǒng)的初始化等決定BSP應實現(xiàn)什么功能；為驅(qū)動程序提供訪問硬件的手段。驅(qū)動程序經(jīng)常要訪問設(shè)備的寄存器，對設(shè)備的寄存器進行操作。如果整個系統(tǒng)為統(tǒng)一編址，開

24、發(fā)人員可直接在驅(qū)動程序中用C語言的函數(shù)訪問設(shè)備寄存器；系統(tǒng)為單獨編址，C語言就不能直接訪問設(shè)備中的寄存器，只有用匯編語言編寫的函數(shù)才能進行對外圍設(shè)備寄存器的訪問。/7/18/202247第一講硬件相關(guān)性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應用相關(guān)性，所以，作為高層軟件和硬件之間接口的BSP，必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。操作系統(tǒng)相關(guān)性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。在實現(xiàn)上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。設(shè)計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)初始化以及BSP的功能

25、和設(shè)計硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。/7/18/202248第一講嵌入式系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)初始化可抽象為三個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。片級初始化：主要完成CPU的初始化，包括設(shè)置CPU的核心寄存器和控制寄存器，CPU核心工作模式以及CPU的局部總線模式等。片級初始化把CPU從上電時的默認狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。板級初始化：完成CPU以外的其它硬件設(shè)備的初始化。還要設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應用程序的運行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件在內(nèi)的初始化過程。系統(tǒng)級初始化：這

26、是一個以軟件初始化為主的過程，主要進行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包括加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)；最后操作系統(tǒng)創(chuàng)建應用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應用程序的入口。/7/18/202249第一講硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序（Device Driver）BSP另一個主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動。與初始化過程相反，硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化和使用是一個從高層到底層的過程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但通常不由BSP直接使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP把它

27、們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，在隨后的應用中由通用的設(shè)備程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。系統(tǒng)中安裝設(shè)備后，只有在安裝相應的設(shè)備驅(qū)動程序后才能使用，驅(qū)動程序為上層軟件提供設(shè)備的操作接口。上層軟件只需調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口，而不用理會設(shè)備的具體內(nèi)部操作。驅(qū)動程序的好壞直接影響系統(tǒng)性能；驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的基本功能函數(shù)：初始化、中斷響應、發(fā)送、接收等；好的設(shè)備驅(qū)動程序還應該有設(shè)備錯誤處理函數(shù)/7/18/202250第一講2. 實時操作系統(tǒng)RTOS嵌入式系統(tǒng)由于通常具有實時性的要求，OS又稱為實時操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System） OS是一段嵌入在目標代

28、碼中的軟件，系統(tǒng)復位并執(zhí)行完BootLoader后首先執(zhí)行RTOS，相當于用戶的主程序，用戶的其它應用程序都建立在RTOS之上。RTOS是一個標準的內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I/O、定時器等資源都封裝起來，留給用戶一個標準的API函數(shù)接口，并根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，合理地在不同任務之間分配CPU時間。 大多數(shù)RTOS 都是針對不同微處理器優(yōu)化設(shè)計的高效實時多任務內(nèi)核，RTOS可以在不同微處理器上運行而為用戶提供相同的API接口，因此基于RTOS開發(fā)的應用程序具有非常好的可移植性。事件發(fā)生時能夠在嚴格的時限內(nèi)作出響應 為什么使用RTOS1、多任務系統(tǒng)。2、簡化應用軟件的開發(fā)難度。 3、實時性要求。

29、/7/18/202251第一講應用程序接口APIAPI(Application Programming Interface)在計算機系統(tǒng)中有很多可通過硬件或外部設(shè)備去執(zhí)行的功能,這些功能的執(zhí)行可通過計算機操作系統(tǒng)或硬件預留的標準指令調(diào)用,而軟件人員在編制應用程序時就不需要為每種可通過硬件或外設(shè)執(zhí)行的功能重新編制程序,只需按系統(tǒng)或某些硬件事先提供的API調(diào)用即可完成功能的執(zhí)行；操作系統(tǒng)中提供標準的API函數(shù)，可加快用戶應用程序的開發(fā)，另一方面，統(tǒng)一應用程序的開發(fā)標準，為操作系統(tǒng)版本的升級帶來方便；API函數(shù)中有大量的常用模塊，給用戶很大方便。/7/18/202252第一講嵌入式系統(tǒng)中的一些重要概

30、念實時操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System）一個優(yōu)先級高的任務能夠獲得立即的、沒有延遲的服務，它不需要等候任何其它任務，而且在得到CPU使用權(quán)后，可一直執(zhí)行到工作結(jié)束或有更高級的進程出現(xiàn)為止。或：一個能夠在指定的或確定的時間內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步事件作出響應的系統(tǒng)。實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統(tǒng)需要調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。/7/18/202253第一講實時操作系統(tǒng)應具有如下功能：任務管理（多任務和基于優(yōu)先級的任務調(diào)度）；任務間的同步和通信；存儲器優(yōu)化管理（含ROM的管理）；實時始終

31、服務；中斷管理服務/7/18/202254第一講分時操作系統(tǒng)對于分時操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時間上的要求并不嚴格，時間上的錯誤，一般不會造成災難性的后果。目前分時系統(tǒng)的強項在于多任務的管理，而實時操作系統(tǒng)的重要特點是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運行時的最好和最壞等情況作出精確的估計。/7/18/202255第一講多任務操作系統(tǒng)系統(tǒng)支持多任務管理和任務間的同步和通信。傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)和DOS系統(tǒng)等對多任務支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任務操作系統(tǒng)。在嵌入式應用領(lǐng)域，多任務是一個普遍的要求。/7/18/202256第一講實時操作系統(tǒng)中的重要概念系統(tǒng)響應時間（System Resp

32、onse Time）： 系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應答信號的 時間。任務切換時間（Context-Switching Time）： 實時操作系統(tǒng)講CPU控制權(quán)從一個正在執(zhí)行的任務取回，然后叫給下一個任務所需要的時間。它包括保存目前正在執(zhí)行任務的狀態(tài)信息所需要的時間、實時操作系統(tǒng)決定調(diào)度下一個任務所需要的時間以及把下一個任務調(diào)入系統(tǒng)所需要的時間。中斷延遲（Interrupt Latency）： 計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務程序的時間。/7/18/202257第一講實時操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)實時操作系統(tǒng)中的任務有四種狀態(tài)：運行（Executing）、就緒（Ready）

33、、掛起（Suspended）、休眠（Dormant）。運行：獲得CPU控制權(quán)。就緒：進入任務等待隊列，通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。掛起：任務發(fā)生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生而被喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運行。休眠：任務完成或錯誤等原因被清除的任務，也可以認為是系統(tǒng)中不存在的任務。任何時刻系統(tǒng)中只能有一個任務在運行狀態(tài)，各任務按級別通過時間片分別獲得對CPU的訪問權(quán)。/7/18/202258第一講多任務多任務運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU（中央處理單元）在許多任務之間轉(zhuǎn)換、調(diào)度。CPU只有一個，輪番服務于一系列任務中的某一個。多任務運行很像前后臺系統(tǒng)，但后臺任務有多個。多任務運行使CPU的利用

34、率得到最大的發(fā)揮，并使應用程序模塊化。在實際應用中，多任務化的最大特點是，開發(fā)人員可以將很復雜的應用程序?qū)哟位?。使用多任務，應用程序?qū)⒏菀自O(shè)計與維護。/7/18/202259第一講內(nèi)核多任務系統(tǒng)中，內(nèi)核（Kernel）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。之所以使用實時內(nèi)核可以大大簡化應用系統(tǒng)的設(shè)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)核管理它們。內(nèi)核本身也增加了應用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM的用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。但更主要的是，每個任務要有自己的?？臻g，這一塊占用內(nèi)存是相當多的。內(nèi)核

35、本身對CPU的占用時間一般在2%5%之間。單片機一般不能運行實時內(nèi)核，因為單片機的RAM很有限。通過提供必不可少的系統(tǒng)服務，諸如信號量管理、油箱、消息隊列、延時等，實時內(nèi)核使得CPU的利用更為有效。/7/18/202260第一講調(diào)度調(diào)度（Scheduler），也稱dispatcher。這是內(nèi)核的主要職責之一，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（priority）調(diào)度法的。每個任務根據(jù)其重要性的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?yōu)先級的調(diào)度法則，CPU總是讓處在就緒狀態(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(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的

36、內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核。/7/18/202261第一講任務優(yōu)先級每個任務都有其優(yōu)先級。任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高。應用程序執(zhí)行過程中諸任務優(yōu)先級不變，稱之為靜態(tài)優(yōu)先級。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，諸任務以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。應用程序執(zhí)行過程中，如果任務的優(yōu)先級是可變的，則稱之為動態(tài)優(yōu)先級。/7/18/202262第一講3. 應用程序?qū)嶋H的嵌入式系統(tǒng)應用軟件建立在系統(tǒng)的主任務（Main Task）基礎(chǔ)之上。用戶應用程序主要通過調(diào)用系統(tǒng)的API函數(shù)對系統(tǒng)進行操作，完成用戶應用功能開發(fā)。/7/18/202263第一講幾種常見的RTOS/7/18/202264第一講/7/18

37、/202265第一講/7/18/202266第一講/7/18/202267第一講/7/18/202268第一講/7/18/202269第一講/7/18/202270第一講/7/18/202271第一講/7/18/202272第一講/7/18/202273第一講/7/18/202274第一講/7/18/202275第一講/7/18/202276第一講/7/18/202277第一講/7/18/202278第一講/7/18/202279第一講/7/18/202280第一講/7/18/202281第一講6）后PC時代產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展/7/18/202282第一講四、嵌入式系統(tǒng)應用家用市場 機頂盒、掌上電

38、腦、DVD、MP3、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、WebTV、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、家庭網(wǎng)關(guān)、智能家用電器、車載導航器系統(tǒng)等通信市場 電話交換系統(tǒng)，電纜系統(tǒng)，衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)（L3D），數(shù)據(jù)交換設(shè)備，移動電話等工業(yè)市場 制造工廠，污水處理系統(tǒng)，發(fā)電站和電力傳輸系統(tǒng)，自動化工廠，控制系統(tǒng)開發(fā)，維護和測試的工具，石油提煉和相關(guān)的貯運設(shè)施，建筑設(shè)備，計算機輔助制造系統(tǒng)，能源控制系統(tǒng)，核電站，機器人系統(tǒng)等商業(yè)和金融市場 自動柜員機，信用卡系統(tǒng)，售貨端系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等/7/18/202283第一講辦公市場 電話系統(tǒng)，傳真系統(tǒng)，復印機，計時系統(tǒng)，照相機和攝象機運輸市場 航空、鐵路、公路運輸系統(tǒng)，燃料服務，航空管理，

39、信令系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，交通指揮系統(tǒng)，停車系統(tǒng)，售票系統(tǒng)，乘客信息系統(tǒng)，檢票系統(tǒng)，行李處理系統(tǒng)，應急設(shè)備等建筑市場 電力供應，備用電源和發(fā)電機，火警控制系統(tǒng)，供熱和通風系統(tǒng)，電梯和升降系統(tǒng)，車庫管理，安保系統(tǒng)，電子門鎖系統(tǒng)，樓宇管理系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)，電子保險柜，警鈴等醫(yī)療市場 心臟除顫器，心臟起搏器，患者信息和監(jiān)視系統(tǒng)，MN光設(shè)備，理療控制系統(tǒng)，電磁成像系統(tǒng)等軍事 武器控制/7/18/202284第一講嵌入式系統(tǒng)熱點應用信息家電車載系統(tǒng)軍事工業(yè)醫(yī)療器械/7/18/202285第一講信息家電應用特點市場巨大低成本要求利潤空間小競爭激烈人機界面友好網(wǎng)絡(luò)化/7/18/202286第一講車載系統(tǒng)應用特點

40、與汽車工業(yè)相配套利潤空間較大可靠性要求較高無線通訊要求/7/18/202287第一講軍事工業(yè)應用特點市場壟斷性強高利潤可靠性要求高安全性要求高成本要求布不高/7/18/202288第一講軍事工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化單兵信息裝備夜視掃描、全球定位、指揮通信/7/18/202289第一講醫(yī)療行業(yè)應用特點市場廣闊，進入門檻較高利潤極高/7/18/202290第一講嵌入式計算機應用一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器：鍵盤、鼠標、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車

41、、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應用領(lǐng)域。/7/18/202291第一講/7/18/202292第一講/7/18/202293第一講/7/18/202294第一講/7/18/202295第一講/7/18/202296第一講/7/18/202297第一講/7/18/202298第一講/7/18/202299第一講/7/18/2022100第一講/7/18/2022101第一講/7/18/2022102第一講/7/18/2022103第一講/7/18/2022104第一講/7/18/2022105第一講/7/18/2022106第一講/7/18/2022107第一講

42、/7/18/2022108第一講/7/18/2022109第一講/7/18/2022110第一講/7/18/2022111第一講/7/18/2022112第一講/7/18/2022113第一講/7/18/2022114第一講消費類電子智能玩具、手持通訊的核心/7/18/2022115第一講/7/18/2022116第一講/7/18/2022117第一講/7/18/2022118第一講/7/18/2022119第一講/7/18/2022120第一講/7/18/2022121第一講/7/18/2022122第一講/7/18/2022123第一講/7/18/2022124第一講/7/18/20221

43、25第一講/7/18/2022126第一講海種馬直升機/7/18/2022127第一講/7/18/2022128第一講/7/18/2022129第一講/7/18/2022130第一講/7/18/2022131第一講/7/18/2022132第一講/7/18/2022133第一講/7/18/2022134第一講/7/18/2022135第一講/7/18/2022136第一講/7/18/2022137第一講/7/18/2022138第一講/7/18/2022139第一講/7/18/2022140第一講/7/18/2022141第一講智能玩具與機器人/7/18/2022142第一講技術(shù)的滲透性和融合性未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢/7/18/2022143第一講設(shè)備的關(guān)聯(lián)性/7/18/2022144第一講Any Time,Any