微處理器與嵌入式操作系統(tǒng)

微處理器與嵌入式操作系統(tǒng)微處理器即CPU是用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器，它能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。80836是INTEL1985年推出的CPU芯片，它是80x86系列中的第一種32位微處理器，其數(shù)據(jù)總線和地址總線都是32位的，直接尋址內(nèi)存空間達(dá)到4GB，虛擬地址空間未64TB,其內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為12.5MHz,后提高到20MHz,25MHz,33MHz。它除具有實(shí)模式和保護(hù)模式外，還增加了一種叫虛擬86的工作方式，可以通過同時(shí)模擬多個(gè)80x86處理器來提供多任務(wù)能力。ColdFire系列的32位微控制器MCF52233內(nèi)部含有以太網(wǎng)模塊，即ColdFireV2內(nèi)核上集成了10/100M快速以太網(wǎng)控制器(FastEthernetController,FEC)與以太網(wǎng)物理層(EthernetPhysicalTransceiver,EPHY)模塊。主要常規(guī)模塊和特點(diǎn)總結(jié)如下：(1)靜態(tài)RAM(SRAM)：32KB；Flash存儲(chǔ)器：128KB/256KB,10萬次擦寫周期，10年數(shù)據(jù)保持；支持后臺(tái)調(diào)試模式(BackgroundDebugMode,BDM)；支持對(duì)集成電路提供串行的外部測(cè)試訪問，符合JTAG(JointTestActionGroup)標(biāo)準(zhǔn)；(5)用于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)串行通信的通用異步收發(fā)器(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART)；隊(duì)列式串行外圍設(shè)備接口(QueuedSerialPeripheralInterface,QSPI)；集成電路互連總線(Inter-IntegratedCircuit,I2C)；4通道具有直接存儲(chǔ)器訪問(DirectMemoryAccess,DMA)功能的32位定時(shí)器；圖1-1MCF5223x方框圖通道16位或8通道8位的脈寬調(diào)制器(Pulse-WidthModulator,PWM)生成器；可編程中斷定時(shí)器(ProgrammableInterruptTimers,PIT)、4通道DMA控制器；8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-DigitalConverter,ADC)；系統(tǒng)集成模塊包含鎖相環(huán)(Phase-LockedLoop,PLL)和看門狗(ComputerOperatingProperly,COP)等功能；32位ARM內(nèi)核微處理器W90N740是臺(tái)灣Winbond公司開發(fā)的基于32位ARM核的高性能、低功耗微處理器。W90N740采用ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)建兩個(gè)10/100MbMACs以太網(wǎng)絡(luò)控制器，并采用Winbond獨(dú)家專利的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換加速器NATAccelerator。該器件用硬件方式加速網(wǎng)絡(luò)封包的轉(zhuǎn)換，不僅減少了中央處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也大幅提高了寬頻的整體系統(tǒng)效能。而芯片方式集成的USB控制器則可透過USB界面連結(jié)各種電腦周邊設(shè)備，以增添產(chǎn)品附加值。此外，W90N740內(nèi)部還集成了EBI(externalbusinterface)控制器、系統(tǒng)管理器、GDMA控制器等。因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域，用該器件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本比目前同類產(chǎn)品要低。加上ARM公司開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、C和C++，其軟件開發(fā)也十分方便。嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem,簡稱：EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：Linux、VxWorks、WindowsCE、瓦/0SII等。嵌入式Linux是嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)新成員，其最大的特點(diǎn)是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近一年多以來成為研究熱點(diǎn)，據(jù)IDG預(yù)測(cè)嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的50%。由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用，并且查錯(cuò)也很容易。遵從GPL，無須為每例應(yīng)用交納許可證費(fèi)。有大量的應(yīng)用軟件可用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費(fèi)的?？梢陨约有薷暮髴?yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有大量的免費(fèi)的優(yōu)秀的開發(fā)工具，且都遵從GPL，是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發(fā)和維護(hù)成本很低。優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，這在Internet時(shí)代尤其重要。穩(wěn)定一一這是Linux本身具備的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)核精悍，運(yùn)行所需資源少，十分適合嵌入式應(yīng)用。支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來很大方便。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行Linux的一個(gè)缺點(diǎn)是Linux體系提供實(shí)時(shí)性能需要添加實(shí)時(shí)軟件模塊。而這些模塊運(yùn)行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實(shí)時(shí)軟件模塊是在內(nèi)核空間運(yùn)行的，因此代碼錯(cuò)誤可能會(huì)破壞操作系統(tǒng)從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，這對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用將是一個(gè)非常嚴(yán)重的弱點(diǎn)。VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通訊；微秒級(jí)的中斷處理；支持POSIX1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。然而其價(jià)格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價(jià)格一般都比較高，通常需花費(fèi)10萬元人民幣以上才能建起一個(gè)可用的開發(fā)環(huán)境，對(duì)每一個(gè)應(yīng)用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護(hù)，所以軟件的開發(fā)和維護(hù)成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限。WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢(shì)。其中WinCE3.0是一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化、32位、了解設(shè)備的模塊化實(shí)時(shí)嵌人式操作系統(tǒng)。為建立針對(duì)掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備。它是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式產(chǎn)品的體積、成本等方面有較嚴(yán)格的要求，所以處理器部分占用空間應(yīng)盡可能的小。系統(tǒng)的可用內(nèi)存和外存數(shù)量也要受限制，而嵌入式操作系統(tǒng)就運(yùn)行在有限的內(nèi)存（一般在ROM或快閃存儲(chǔ)器）中，因此就對(duì)操作系統(tǒng)的規(guī)模、效率等提出了較高的要求。從技術(shù)角度上講，WindowsCE作為嵌入式操作系統(tǒng)有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應(yīng)用開發(fā)人員很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過的系統(tǒng)內(nèi)存，運(yùn)用程序龐大；版權(quán)許可費(fèi)也是廠商不得不考慮的因素。MC/OS一II是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。它是在原版本MC/OS的基礎(chǔ)上做了重大改進(jìn)與升級(jí)，并有了近十年的使用實(shí)踐，有許多成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例。它的主要特點(diǎn)如下：公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個(gè)不同的硬件平臺(tái)上；可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；可固化；可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少斗所需的存儲(chǔ)空間；占先式，完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)；多任務(wù)，可管理64個(gè)任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不同的，不支持時(shí)間片輪