1電氣工程嵌入式系統(tǒng)簡介課件

1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)11.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機時代，與通用計算機的發(fā)展道路完全不同，形成了獨立的單芯片的技術(shù)發(fā)展道路，形成兩大分支的獨立發(fā)展通用計算機按高速、海量的技術(shù)發(fā)展嵌入式計算機系統(tǒng)則為滿足對象按照嵌入式、智能化控制的要求發(fā)展經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨特的個性MP3、數(shù)碼相機與打印機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1.1嵌入式系統(tǒng)概述21.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)無處不在即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運輸和航天領域。如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導彈制導系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中有多達幾十個嵌入式系統(tǒng)日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)但未必知道它們。事實上，幾乎所有帶有一點“智能”的家電（全自動洗衣機、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設備中到處都有嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)31.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)41.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)5馬達控制器車燈1.1嵌入式系統(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)馬達1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)尾燈控制61.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)源于微型計算機，是嵌入到對象體系中、實現(xiàn)嵌入式對象智能化的計算機由于微型計算機無法滿足絕大多數(shù)對象體系嵌入式要求的體積、價位、可靠性，嵌入式系統(tǒng)迅速走上了獨立發(fā)展的單片機道路首先是計算機芯片化，成為單片微型計算機(SCMP)其后是滿足對象體系的控制要求，單片機不斷從SCMP向微控制器（MCU）和片上系統(tǒng)（SoC）發(fā)展無論怎么發(fā)展變化，都改變不了以下技術(shù)本質(zhì)內(nèi)含計算機嵌入到對象體系中滿足對象智能化控制要求1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的概念71.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義目前，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：以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)從系統(tǒng)的角度定義：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)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)本教材的定義：嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義81.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入性：嵌入產(chǎn)品內(nèi)部內(nèi)含計算機：嵌有微處理器或微計算機專用性：按要求的軟、硬件剪裁嵌入式系統(tǒng)的相關技術(shù)多學科：計算機、電子技術(shù)、微電子、集成電路等嵌入式系統(tǒng)的前沿技術(shù)基于集成開發(fā)環(huán)境的應用開發(fā)應用系統(tǒng)的用戶SoC設計操作系統(tǒng)的普遍應用普遍的網(wǎng)絡接入先進的電源技術(shù)多處理器SoC技術(shù)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點91.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的未來早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡單的且具有很長的產(chǎn)品生命周期的自主設備。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革：產(chǎn)品市場窗口現(xiàn)在預計翻番的周期狂熱到6～9個月全球重新定義市場的機會和膨脹的應用空間互聯(lián)現(xiàn)在是一個需求而不是輔助性的，包括用有線和剛剛顯露頭角的無線技術(shù)基于電子的產(chǎn)品更復雜化互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡基礎設施的應用微處理器的處理能力按莫爾定律（Moore’sLaw）預計的速度在增加。該定律認為集成電路和晶體管個數(shù)每18個月翻一番1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的未來101嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)111.2嵌入式處理器簡介早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進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——應用于PDA等不注重計算的設備注重嵌入式處理器的性能——應用于路由器等計算密集型的設備注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格——應用于蜂窩電話等設備1.2嵌入式處理器簡介121.2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EmbeddedMicro-ProcessorUint，EMPU 微控制器Micro-ControllerUint，MCU DSP處理器DigitalSignalProcessorUint，DSP片上系統(tǒng)（SOC）SystemonChip，SoC1.2嵌入式處理器分類131.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強單板計算機和工控計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，又降低了系統(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、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器141.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器CPUROMRAM外設1外設2單板計算機1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器CPUROMRAM151.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器又稱單片機是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。以某一種微處理器內(nèi)核為核心，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、PWM、A/D、D/A、Flash、EEPROM等必要功能和外設。為適應不同應用，一個系列的具有多種衍生品，衍生品處理器內(nèi)核一樣，不同的是存儲器、外設的配置及封裝?？梢宰畲笙薅鹊睾蛻眯枨笙嗥ヅ洌δ懿欢嗖簧?，從而減少功耗和成本微控制器和嵌入式微處理器相比，最大特點是單片化，體積大大減小，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器數(shù)量最多品種和數(shù)量最多，有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、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器161.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器復位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部件CPU核1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器復位看門狗晶振I/171.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器特殊設計對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設計，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、譜分析等方面，DSP算法正在大量進入嵌入式領域，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TI、Motorola有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列。TMS320包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列、性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000、56100、56200、56300等幾個不同系列。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R.E.A.LDSP處理器，特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產(chǎn)品1.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器181.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器1.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器191.2嵌入式處理器分類——嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)EDA/VLSI隨著EDA的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。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通用/專用SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon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，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面1.2嵌入式處理器分類——嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)201嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)211.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序計算機系統(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操作系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算機系統(tǒng)硬件、軟件資源也愈來愈豐富，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)控程序又進一步發(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)：多道批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述221.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時間先后

適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)操實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批231.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時間先后

適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中實時操作系統(tǒng)是我們介紹的重點1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)操實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批241.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點IEEE實時UNIX分會認為實時操作系統(tǒng)應具備：異步的事件響應(在要求的時間內(nèi)響應異步的外部事件，有異步IO和中斷處理能力。受內(nèi)存訪問、盤訪問、總線速度的限制)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(高優(yōu)先級任務一旦準備好馬上搶占低優(yōu)先級任務的執(zhí)行)內(nèi)存鎖定(將程序或部分程序鎖定在內(nèi)存的能力)連續(xù)文件(提供存取盤上數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法)

同步(提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)使用和時間執(zhí)行的手段)1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點251.3嵌入式操作系統(tǒng)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(jié)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：一般實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點261.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點一般實時操作系統(tǒng)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)境嵌入式實時操作系統(tǒng)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1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點271.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)281.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)

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。ISRISRISRISR后臺前臺中斷服務程序時間1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)中斷服務291.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機中最基本的程序。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；提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺硬件硬件驅(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——操作系統(tǒng)硬件硬件驅(qū)動操作系301.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——實時操作系統(tǒng)(RTOS)RTOS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RTIOS下，可以分別編寫各個任務，不必同時將所有任務運行的各種可能記在心中，減少工作量，減少出錯，保證高可靠性實時多任務操作系統(tǒng)，以分時方式運行多個任務，任務之間的切換以優(yōu)先級為根據(jù)只有優(yōu)先服務方式的RTOS才是真正的實時操作系統(tǒng)時間分片方式和協(xié)作方式的RTOS并不是真正的“實時”1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——實時操作系統(tǒng)(RTOS)311.3嵌入式操作系統(tǒng)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。為保證臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，進入臨界區(qū)之前要關中斷，執(zhí)行完成后要立即開中斷資源程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境?？梢允荌O設備、也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)、一個數(shù)組共享資源可以被一個以上任務使用的資源。為防止數(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，這叫互斥1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——321.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——任務也稱為線程，是一個簡單的程序，該程序可以認為CPU完全屬于該程序本身。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，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任務切換當多任務內(nèi)核決定運行另外的任務時，保存正在運行任務的當前狀態(tài)(CPU寄存器中的全部內(nèi)容)，保存在任務的當前狀態(tài)保存區(qū)(任務自己的棧)，入棧工作完成后，把下一任務的當前狀態(tài)從任務的棧中重新裝入CPU寄存器，開始下一任務的執(zhí)行。任務切換增加了應用程序的額外負荷。CPU寄存器越多，額外負荷越重。任務切換所需時間取決于CPU有多少寄存器要入棧1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——331.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——內(nèi)核內(nèi)核負責管理各個任務，為每個任務分配CPU時間，負責任務間的通信。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，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、延時等調(diào)度是內(nèi)核的主要職責之一。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)其重要程度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(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——341.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——非占先式內(nèi)核非占先式內(nèi)核要求每個任務自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱合作型多任務，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?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務以后控制權(quán)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(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得CPU的使用權(quán)占先式內(nèi)核系統(tǒng)響應時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。絕大多數(shù)商業(yè)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控制權(quán)。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(quán)就被剝奪(被掛起)，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到CPU的控制權(quán)。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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——351.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——任務優(yōu)先級任務的優(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)中斷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(zhuǎn)到專門的子程序(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——361.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷前后臺系統(tǒng)ISR任務ISR非占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務CISR占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務C1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷前后臺系統(tǒng)ISR任務I371.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——時鐘節(jié)拍時鐘節(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——時鐘節(jié)拍381.3嵌入式操作系統(tǒng)使用實時操作系統(tǒng)的必要性嵌入式實時操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應用中用得越來越廣泛，尤其在功能復雜、系統(tǒng)龐大的應用中顯得愈來愈重要在嵌入式應用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應用使用實時操作系統(tǒng)主要有以下幾個因素：嵌入式實時操作系統(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)周期嵌入式實時操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務潛力 運行速度快 為運行多用戶、多任務而設計 為提高可靠性、穩(wěn)定性而設計，更易不崩潰1.3嵌入式操作系統(tǒng)使用實時操作系統(tǒng)的必要性391.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點：在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設計過程大為簡化；且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用缺點：使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，2～5%的CPU額外負荷，以及內(nèi)核的費用1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點401.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——uClinux微(μ)控制（C）領域Linux系統(tǒng)是一個完全符合通用公共許可證(GNU/GPL)公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼?，F(xiàn)由Lineo公司維護uClinux從Linux

2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。專門針對沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的CPU，且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適于沒有虛擬內(nèi)存或MMU處理器，如ARM7TDMI。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：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標準豐富的API等

1.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——uClinux411.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——WinCEWindowsCE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)，基于掌上型電腦類的電子設備操作系統(tǒng)，精簡的Windows95圖形用戶界面相當出色。模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點繼承傳統(tǒng)Windows圖形界面，WinCE平臺上可以使用Windows95/98編程工具(如VisualBasic、VisualC++等)，使絕大多數(shù)的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺上繼續(xù)使用1.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——WinCE繼承421.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關鍵組成部分它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測器上也使用到了VxWorks良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域占據(jù)一席之地1.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorks431.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——uC/OS-ⅡμC/OS-II通過了聯(lián)邦航空局(FAA)商用航行器認證。自1992年問世以來，μC/OS-II已經(jīng)被應用到數(shù)以百計的產(chǎn)品中。μC/OS-II占用很少的系統(tǒng)資源，并且在高校教學使用是不需要申請許可證。但將它的目標代碼嵌入到產(chǎn)品中，應當購買目標代碼銷售許可證μC/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)其絕大部分源碼是用ANSIC寫的，使其可以方便的移植并支持大多數(shù)類型的處理器1.3嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——uC/OS-Ⅱ441.3嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ的特點提供V2.52的所有源代碼可移植(portable)，使用匯編語言編寫的代碼已壓縮到最低限度可固化(ROMmable)可剪裁(scalable)，通過條件編譯即可可剝奪(preemptive),完全可剝奪型實時內(nèi)核多任務，最多可管理64個(其中8個留給系統(tǒng))可確定性，絕大多數(shù)函數(shù)的調(diào)用和服務時間具有確定性任務棧，每個任務都有自己獨立的棧系統(tǒng)服務，多種系統(tǒng)服務，如信號量、互斥信號量、事件標志、消息郵箱、消息隊列、塊大小固定的內(nèi)存申請與釋放、時間管理函數(shù)中斷管理，中斷可以使正在執(zhí)行的任務暫時掛起，如果優(yōu)先級更高的任務被中斷喚醒，高優(yōu)先級任務在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套數(shù)最多可達255層穩(wěn)定性與可靠性，是基于uC/OS的升級版本，與之內(nèi)核一樣1.3嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ的特點45請繼續(xù)下一章的學習……請繼續(xù)下一章的學習……461嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)471.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機時代，與通用計算機的發(fā)展道路完全不同，形成了獨立的單芯片的技術(shù)發(fā)展道路，形成兩大分支的獨立發(fā)展通用計算機按高速、海量的技術(shù)發(fā)展嵌入式計算機系統(tǒng)則為滿足對象按照嵌入式、智能化控制的要求發(fā)展經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂方式，而且這些改變還在加速具有無數(shù)的種類，每類都具有自己獨特的個性MP3、數(shù)碼相機與打印機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1.1嵌入式系統(tǒng)概述481.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)無處不在即使不可見，嵌入式系統(tǒng)也無處不在。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動化、國防、運輸和航天領域。如神州飛船和長征火箭中肯定有很多嵌入式系統(tǒng)，導彈制導系統(tǒng)也是嵌入式系統(tǒng)，高檔汽車中有多達幾十個嵌入式系統(tǒng)日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)但未必知道它們。事實上，幾乎所有帶有一點“智能”的家電（全自動洗衣機、電腦電飯煲…）都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設備中到處都有嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)491.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)實中的嵌入式系統(tǒng)501.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)51馬達控制器車燈1.1嵌入式系統(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)馬達1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)尾燈控制521.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)源于微型計算機，是嵌入到對象體系中、實現(xiàn)嵌入式對象智能化的計算機由于微型計算機無法滿足絕大多數(shù)對象體系嵌入式要求的體積、價位、可靠性，嵌入式系統(tǒng)迅速走上了獨立發(fā)展的單片機道路首先是計算機芯片化，成為單片微型計算機(SCMP)其后是滿足對象體系的控制要求，單片機不斷從SCMP向微控制器（MCU）和片上系統(tǒng)（SoC）發(fā)展無論怎么發(fā)展變化，都改變不了以下技術(shù)本質(zhì)內(nèi)含計算機嵌入到對象體系中滿足對象智能化控制要求1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的概念531.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義目前，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：以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)從系統(tǒng)的角度定義：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)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)本教材的定義：嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的定義541.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入性：嵌入產(chǎn)品內(nèi)部內(nèi)含計算機：嵌有微處理器或微計算機專用性：按要求的軟、硬件剪裁嵌入式系統(tǒng)的相關技術(shù)多學科：計算機、電子技術(shù)、微電子、集成電路等嵌入式系統(tǒng)的前沿技術(shù)基于集成開發(fā)環(huán)境的應用開發(fā)應用系統(tǒng)的用戶SoC設計操作系統(tǒng)的普遍應用普遍的網(wǎng)絡接入先進的電源技術(shù)多處理器SoC技術(shù)1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點551.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的未來早在1990年之前，嵌入式系統(tǒng)通常是很簡單的且具有很長的產(chǎn)品生命周期的自主設備。近些年來，嵌入式工業(yè)經(jīng)歷了巨大的變革：產(chǎn)品市場窗口現(xiàn)在預計翻番的周期狂熱到6～9個月全球重新定義市場的機會和膨脹的應用空間互聯(lián)現(xiàn)在是一個需求而不是輔助性的，包括用有線和剛剛顯露頭角的無線技術(shù)基于電子的產(chǎn)品更復雜化互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生新的依賴網(wǎng)絡基礎設施的應用微處理器的處理能力按莫爾定律（Moore’sLaw）預計的速度在增加。該定律認為集成電路和晶體管個數(shù)每18個月翻一番1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的未來561嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)571.2嵌入式處理器簡介早期的嵌入式系統(tǒng)通常使用普通個人計算機（PC）中的通用處理器。近年來，隨著大量先進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——應用于PDA等不注重計算的設備注重嵌入式處理器的性能——應用于路由器等計算密集型的設備注重嵌入式處理器的性能、尺寸、能耗和價格——應用于蜂窩電話等設備1.2嵌入式處理器簡介581.2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EmbeddedMicro-ProcessorUint，EMPU 微控制器Micro-ControllerUint，MCU DSP處理器DigitalSignalProcessorUint，DSP片上系統(tǒng)（SOC）SystemonChip，SoC1.2嵌入式處理器分類591.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強單板計算機和工控計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，又降低了系統(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、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器601.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器CPUROMRAM外設1外設2單板計算機1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微處理器CPUROMRAM611.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器又稱單片機是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。以某一種微處理器內(nèi)核為核心，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、PWM、A/D、D/A、Flash、EEPROM等必要功能和外設。為適應不同應用，一個系列的具有多種衍生品，衍生品處理器內(nèi)核一樣，不同的是存儲器、外設的配置及封裝?？梢宰畲笙薅鹊睾蛻眯枨笙嗥ヅ洌δ懿欢嗖簧?，從而減少功耗和成本微控制器和嵌入式微處理器相比，最大特點是單片化，體積大大減小，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器數(shù)量最多品種和數(shù)量最多，有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、數(shù)目眾多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器621.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器復位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部件CPU核1.2嵌入式處理器分類——嵌入式微控制器復位看門狗晶振I/631.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器特殊設計對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設計，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、譜分析等方面，DSP算法正在大量進入嵌入式領域，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TI、Motorola有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列。TMS320包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列、性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000、56100、56200、56300等幾個不同系列。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R.E.A.LDSP處理器，特點是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產(chǎn)品1.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器641.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器1.2嵌入式處理器分類——嵌入式DSP處理器651.2嵌入式處理器分類——嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)EDA/VLSI隨著EDA的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。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通用/專用SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon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，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面1.2嵌入式處理器分類——嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)661嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng) 1.2嵌入式處理器 1.3嵌入式操作系統(tǒng)1嵌入式系統(tǒng)概述 1.1嵌入式系統(tǒng)671.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序計算機系統(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操作系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算機系統(tǒng)硬件、軟件資源也愈來愈豐富，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)控程序又進一步發(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)：多道批處理操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述681.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時間先后

適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)操實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批691.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時間先后

適用于多個用戶共享系統(tǒng)資源適用于計算中心等較大的計算機系統(tǒng)適用于嵌入式設備和有實時性要求的系統(tǒng)中實時操作系統(tǒng)是我們介紹的重點1.3嵌入式操作系統(tǒng)概述監(jiān)操實時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)多道批701.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點IEEE實時UNIX分會認為實時操作系統(tǒng)應具備：異步的事件響應(在要求的時間內(nèi)響應異步的外部事件，有異步IO和中斷處理能力。受內(nèi)存訪問、盤訪問、總線速度的限制)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(高優(yōu)先級任務一旦準備好馬上搶占低優(yōu)先級任務的執(zhí)行)內(nèi)存鎖定(將程序或部分程序鎖定在內(nèi)存的能力)連續(xù)文件(提供存取盤上數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法)

同步(提供同步和協(xié)調(diào)共享數(shù)據(jù)使用和時間執(zhí)行的手段)1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點711.3嵌入式操作系統(tǒng)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(jié)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：一般實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點721.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點一般實時操作系統(tǒng)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)境嵌入式實時操作系統(tǒng)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1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)的特點731.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)741.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)

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。ISRISRISRISR后臺前臺中斷服務程序時間1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——前后臺系統(tǒng)中斷服務751.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機中最基本的程序。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；提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺硬件硬件驅(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——操作系統(tǒng)硬件硬件驅(qū)動操作系761.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——實時操作系統(tǒng)(RTOS)RTOS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RTIOS下，可以分別編寫各個任務，不必同時將所有任務運行的各種可能記在心中，減少工作量，減少出錯，保證高可靠性實時多任務操作系統(tǒng)，以分時方式運行多個任務，任務之間的切換以優(yōu)先級為根據(jù)只有優(yōu)先服務方式的RTOS才是真正的實時操作系統(tǒng)時間分片方式和協(xié)作方式的RTOS并不是真正的“實時”1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——實時操作系統(tǒng)(RTOS)771.3嵌入式操作系統(tǒng)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。為保證臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，進入臨界區(qū)之前要關中斷，執(zhí)行完成后要立即開中斷資源程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境?？梢允荌O設備、也可以是一個變量、一個結(jié)構(gòu)、一個數(shù)組共享資源可以被一個以上任務使用的資源。為防止數(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，這叫互斥1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——781.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——任務也稱為線程，是一個簡單的程序，該程序可以認為CPU完全屬于該程序本身。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，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任務切換當多任務內(nèi)核決定運行另外的任務時，保存正在運行任務的當前狀態(tài)(CPU寄存器中的全部內(nèi)容)，保存在任務的當前狀態(tài)保存區(qū)(任務自己的棧)，入棧工作完成后，把下一任務的當前狀態(tài)從任務的棧中重新裝入CPU寄存器，開始下一任務的執(zhí)行。任務切換增加了應用程序的額外負荷。CPU寄存器越多，額外負荷越重。任務切換所需時間取決于CPU有多少寄存器要入棧1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——791.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——內(nèi)核內(nèi)核負責管理各個任務，為每個任務分配CPU時間，負責任務間的通信。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，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、延時等調(diào)度是內(nèi)核的主要職責之一。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)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級?；趦?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(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——801.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——非占先式內(nèi)核非占先式內(nèi)核要求每個任務自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱合作型多任務，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?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務以后控制權(quán)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(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務才能獲得CPU的使用權(quán)占先式內(nèi)核系統(tǒng)響應時間很重要時，要使用占先式內(nèi)核。絕大多數(shù)商業(yè)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控制權(quán)。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(quán)就被剝奪(被掛起)，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到CPU的控制權(quán)。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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——811.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——任務優(yōu)先級任務的優(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)中斷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(zhuǎn)到專門的子程序(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——821.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷前后臺系統(tǒng)ISR任務ISR非占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務CISR占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務C1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷前后臺系統(tǒng)ISR任務I831.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——時鐘節(jié)拍時鐘節(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1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——時鐘