嵌入式系統(tǒng)概述課件

嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程第9章嵌入式系統(tǒng)概述廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可稱為嵌入式系統(tǒng)。如各類單片機(jī)和DSP系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在完成較為單一的專業(yè)功能時(shí)具有簡(jiǎn)潔高效的特點(diǎn)。但由于他們沒有操作系統(tǒng)，管理系統(tǒng)硬件和軟件的能力有限，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多任務(wù)功能時(shí)，往往困難重重，甚至無法實(shí)現(xiàn)從狹義上講，那些使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，具有自己操作系統(tǒng)，具有特定功能，用于特定場(chǎng)合的專用軟硬件系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。9.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要特征1.系統(tǒng)內(nèi)核?。河捎谇度胧较到y(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。3.系統(tǒng)精簡(jiǎn)： 嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。4.高實(shí)時(shí)性O(shè)S： 這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲(chǔ)，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時(shí)性。5.嵌入式軟件開發(fā)走向標(biāo)準(zhǔn)化： 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行。 為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。9.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成。嵌入式硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設(shè)備內(nèi)部。嵌入式軟件是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。嵌入式系統(tǒng)軟硬兼施，融為一體，成為產(chǎn)品，但在開發(fā)過程中需要一些開發(fā)工具進(jìn)行輔助開發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)嵌入式微處理器可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用需求的產(chǎn)品。嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。嵌入式微處理器分類嵌入式系統(tǒng)硬件核心是嵌入式處理器。嵌入式處理器可以分為四類：嵌入式微處理器EMPU

（EmbeddedMicroprocessorUnit）

嵌入式微控制器EMCU

（EmbeddedMicrocontrollerUnit）

嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器EDSP

（EmbeddedDigitalSignalProcessor）

嵌入式片上系統(tǒng)ESoC

（EmbeddedSystemonChip）

嵌入式系統(tǒng)硬件核心嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設(shè)接口封裝在同一片集成電路里。嵌入式微控制器制造商：摩托羅拉、英特爾、英飛凌科技、Atmel、日立、NEC、三菱、東芝、松下、Microchip、富士、飛利浦、德州儀器、三星、三洋、索尼、Oki、凌陽科技等。主要的嵌入式微控制器包括：MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、Z8、C540、PIC、AVR等系列。嵌入式微控制器EMCU嵌入式DSP專門用來對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。DSP正在大量進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)，目前廣泛應(yīng)用的是TI產(chǎn)品TMS320C2000/C5000系列，另外Intel和Siemens也有相應(yīng)的產(chǎn)品。嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器EDSPESoC：在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SoC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述。用戶只需定義出整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后，就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。嵌入式片上系統(tǒng)ESoC

1．軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ) 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(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯在磁盤中。2．軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性 盡管半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲(chǔ)器容量不斷增加，但在大多數(shù)應(yīng)用中，存儲(chǔ)空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進(jìn)制代碼長(zhǎng)度、提高執(zhí)行速度。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征3．操作系統(tǒng)軟件具有高實(shí)時(shí)性 在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧、合理調(diào)度是保證系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，單純提高處理器的速度是無法完成這些要求的，也是沒有效率的，這種任務(wù)調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此操作系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。4嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用語言： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最受歡迎的前3種編程語言分別是C(74.6%)、匯編(69.6%)和C++(50.1%)。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征通用計(jì)算機(jī)具有完善的操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在OS平臺(tái)上面運(yùn)行，但一般不是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統(tǒng)則不同，應(yīng)用程序用匯編語言和C語言來開發(fā)，可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源，用戶必須自行選配RTOS開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。不可搶占式調(diào)度：一個(gè)任務(wù)一旦獲得CPU就獨(dú)占CPU運(yùn)行，除非由于某種原因，它決定放棄CPU的使用權(quán)；可搶占式調(diào)度：基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)可以隨時(shí)讓位給優(yōu)先級(jí)更高的處于就緒態(tài)的其它任務(wù)；時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)有同樣的優(yōu)先級(jí)，不同任務(wù)輪轉(zhuǎn)地使用CPU，直到系統(tǒng)分配的CPU時(shí)間片用完。目前，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度法，對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特點(diǎn)

2．任務(wù)調(diào)度多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求較高，稱之為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。有兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤，一般在工業(yè)控制中應(yīng)用較多。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)特點(diǎn)

3．硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)常見的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

國內(nèi)RTOS：女媧Hopen桑夏2000DeltaOS中軟Linux2.0LinuxHardHatLinux(MontaVista)RedFlagLinux（紅旗Linux）HBOS（“天堂之鳥”）SuseRedHatEmbedixLynxOS(LynuxWorks)常見的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

國外RTOS：VXWorks(風(fēng)河系統(tǒng))WindowsCE(微軟)VRTX(明導(dǎo)資訊)PalmPowerTVAMX(KADAK)CExecutivePSX(JMI)VelOSity(GreenHills)OS-9(MicrowareSystems)OSE(EneaOSESystems)QNX(QNXSoftwareSys)RTXC(Lineo/EmbeddedPowerCorp)SuperTask!(USSoftware)ThreadX(ExpressLogic)TNT/RTX(VenturCom)WindowsNTEmbedded/XP(微軟)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具

編譯器：GNU編譯器調(diào)試工具：GNU調(diào)試工具集成開發(fā)環(huán)境（IDE）繪圖入門工具算法開發(fā)工具：UML/SDL工具庫網(wǎng)絡(luò)/通信協(xié)議配置管理工具需求管理工具DSP開發(fā)工具器件驅(qū)動(dòng)器開發(fā)工具軟硬件協(xié)同驗(yàn)證工具Java工具存儲(chǔ)器分析工具軟件仿真/建模工具WinCE工具測(cè)試軟件事件跟蹤工具內(nèi)電路仿真器（ICE）ROM仿真器JTAG仿真器邏輯分析器示波器9.3嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程1嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的差別：人機(jī)交互界面有限的功能時(shí)間關(guān)鍵性和穩(wěn)定性

嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)：需要交叉開發(fā)環(huán)境：交叉開發(fā)環(huán)境是指實(shí)現(xiàn)編譯、鏈接和調(diào)試應(yīng)用程序代碼的環(huán)境。與運(yùn)行應(yīng)用程序的環(huán)境不同，它分散在有通信連接的宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)環(huán)境之中。

宿主機(jī)(Host)是一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，一般是PC機(jī)。它通過串口或網(wǎng)絡(luò)連接與目標(biāo)機(jī)通信。

目標(biāo)機(jī)(Target)

可以是嵌入式應(yīng)用軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，也可以是能替代實(shí)際環(huán)境的仿真系統(tǒng)。嵌入式軟件開發(fā)的特點(diǎn)：引入任務(wù)設(shè)計(jì)方法需要固化程序軟件開發(fā)難度大嵌入式應(yīng)用軟件對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性等性能的要求都比通用軟件的要求更為嚴(yán)格和苛刻。2.2嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程嵌入式軟件的開發(fā)流程與通用軟件的開發(fā)流程大同小異，但開發(fā)所使用的設(shè)計(jì)方法具有嵌入式開發(fā)的特點(diǎn)。整個(gè)開發(fā)流程可分為：需求分析階段設(shè)計(jì)階段生成代碼階段固化階段需求分析階段嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求中最為突出的是注重應(yīng)用的時(shí)效性，需求分析階段的主要任務(wù)是：(1)對(duì)問題的識(shí)別和分析對(duì)用戶提出的問題進(jìn)行抽象識(shí)別用以產(chǎn)生以下的需求：功能需求、性能需求、環(huán)境需求、可靠性需求、安全需求、用戶界面需求、資源使用需求、軟件成本與開發(fā)進(jìn)度需求。需求分析階段(2)制訂規(guī)格說明文檔經(jīng)過對(duì)問題的識(shí)別，產(chǎn)生了系統(tǒng)各方面的需求。通過對(duì)規(guī)格的說明，文檔得以清晰、準(zhǔn)確地描述。這些說明文檔包括需求規(guī)格說明書和初級(jí)的用戶手冊(cè)等。(3)需求評(píng)審需求評(píng)審作為系統(tǒng)進(jìn)入下一階段前最后的需求分析復(fù)查手段，在需求分析的最后階段對(duì)各項(xiàng)需求進(jìn)行評(píng)估，以保證軟件需求的質(zhì)量。需求評(píng)審的內(nèi)容包括正確性、無歧義性、安全性、可驗(yàn)證性、一致性、可理解性、可修改性、可追蹤性等多個(gè)方面。設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)設(shè)計(jì)和任務(wù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于嵌入式系統(tǒng)中任務(wù)的并發(fā)性，嵌入式軟件開發(fā)中引入了DARTS(DesignApproachforReal-TimeSystem)

DARTS設(shè)計(jì)方法：是結(jié)構(gòu)化分析/結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的擴(kuò)展。它給出劃分任務(wù)的方法，并提供定義任務(wù)間接口的機(jī)制。

DARTS設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)步驟如下：(1)數(shù)據(jù)流分析(2)劃分任務(wù)(3)定義任務(wù)間的接口生成代碼階段生成代碼階段需要完成的工作包括代碼編程、交叉編譯和鏈接、交叉調(diào)試和測(cè)試等。代碼編程生成代碼階段在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中，一般采用的方法是先在通用PC上編程，然后通過交叉編譯鏈接，將程序做成目標(biāo)平臺(tái)上可以運(yùn)行的二進(jìn)制代碼格式。最后將程序下載到目標(biāo)平臺(tái)上的特定位置，在目標(biāo)板上啟動(dòng)運(yùn)行這段二進(jìn)制代碼。生成代碼階段交叉編譯和鏈接嵌入式軟件開發(fā)編碼完成后，要進(jìn)行編譯和鏈接以生成可執(zhí)行代碼。但是，在開發(fā)過程中設(shè)計(jì)人員普遍使用Intel的x86系列CPU的計(jì)算機(jī)進(jìn)行開發(fā)，而目標(biāo)環(huán)境的處理芯片卻是多種多樣的，如ARM，DSP，PowerPC，DragonBall系列等，這就要求開發(fā)機(jī)上的編譯器能支持交叉編譯。

嵌入式集成開發(fā)環(huán)境都支持交叉編譯、鏈接，如WindRiver公司的TornadoⅡ以及GNU套件等。交叉編譯鏈接生成兩種類型的可執(zhí)行文件：調(diào)試用的可執(zhí)行文件和固化的可執(zhí)行文件。生成代碼階段交叉調(diào)試交叉調(diào)試，又叫遠(yuǎn)程調(diào)試，具有以下特點(diǎn)：調(diào)試器和被調(diào)試的程序運(yùn)行在不同的機(jī)器上。調(diào)試器運(yùn)行在PC或工作站上，而被調(diào)試程序運(yùn)行在各式的專用目標(biāo)機(jī)上；調(diào)試器通過某種通信方式與目標(biāo)機(jī)建立聯(lián)系，如串口、并口、網(wǎng)絡(luò)、JTAG或者專用的通信方式；在目標(biāo)機(jī)上一般具有某種調(diào)試代理，這種代理能與調(diào)試器一起配合完成對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行程序的調(diào)試。這種代理可以是某種能支持調(diào)試的硬件，也可以是某種軟件；目標(biāo)機(jī)可以是一種仿真機(jī)。通過在宿主機(jī)上運(yùn)行目標(biāo)機(jī)的仿真軟件，仿真一臺(tái)目標(biāo)機(jī)，使整個(gè)調(diào)試工作只在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的測(cè)試與通用軟件的測(cè)試相似，分為單元測(cè)試和系統(tǒng)集成測(cè)試。生成代碼階段測(cè)試固化階段嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是針對(duì)特定的實(shí)際專業(yè)領(lǐng)域的，基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺(tái)，并能完成用戶預(yù)期任務(wù)的計(jì)算機(jī)軟件。

嵌入式軟件的特點(diǎn)如下：(1)軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)。(2)軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性。(3)系統(tǒng)軟件的高實(shí)時(shí)性是基本要求。(4)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為嵌入式應(yīng)用軟件的必需。總結(jié)：嵌入式軟件開發(fā)的要點(diǎn)

嵌入式應(yīng)用軟件高度依賴目標(biāo)應(yīng)用的軟硬件環(huán)境，軟件的部分任務(wù)功能函數(shù)由匯編語言完成，具有高度的不可移植性。為了保證實(shí)時(shí)性能，使用效率高和速度快的匯編語言是不可避免的。盡可能提高嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性方法：(1)盡量用高級(jí)語言開發(fā)，少用匯編語言(2)局域化不可移植部分(3)提高軟件的可重用性2.3嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試過程：2.3嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方法：1．源程序模擬器方式2．監(jiān)控器方式3．仿真器方式源程序模擬器方式源程序模擬器(Simulator)是在PC機(jī)上，通過軟件手段模擬執(zhí)行為某種嵌入式處理器編寫的源程序的測(cè)試工具。

注意:模擬器的功能畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運(yùn)行，在指令執(zhí)行時(shí)間、中斷響應(yīng)、定時(shí)器等方面很有可能與實(shí)際處理器有相當(dāng)大的差別。另外，它無法仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)中的實(shí)際執(zhí)行情況。比如：ARM公司的ARMulator模擬器

監(jiān)控器方式監(jiān)控器(Monitor)調(diào)試方式需要目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)協(xié)調(diào)。首先，在宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間通過串口、以太口等建立物理連