第一章 嵌入式系統(tǒng) 四川大學

嵌入式實時操作系統(tǒng)劉宜liuyicheng1@第1章嵌入式系統(tǒng)概論隨著社會的信息化的日益加強，計算機和網(wǎng)絡已經(jīng)全面滲透到日常生活的每一個角落。對于我們每個人來說，需要的已經(jīng)不僅僅是那種放在桌上處理文檔、進行工作管理和生產(chǎn)控制的計算機“機器”。任何一個普通人都可能擁有大小不一的、形狀各異的、使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，小到MP3、PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡家電、智能家電、車載電子設備等。

目前，各種各樣的新型嵌入式系統(tǒng)設備在應用數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過了通用計算機。在工業(yè)和服務領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)的數(shù)字機床、智能工具、工業(yè)機器人、服務機器人正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務方式。1.什么是嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的定義： 借用電氣工程師協(xié)會(IEEE)的一個定義(/Policy/Areas/Y2K/w-43.cfm):

嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機器、裝置或工廠等的大規(guī)模系統(tǒng)的設備。嵌入式系統(tǒng)具備下列特性：1.通常只執(zhí)行特定功能，這一點與一般桌上型辦公設備或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有很大區(qū)別。2.以微電腦與周邊器件構(gòu)成核心，其規(guī)模可在大范圍內(nèi)變化，如從8051芯片到x86芯片。3.要求嚴格的時序和穩(wěn)定性，這是因為在機器控制的大型系統(tǒng)中，程序運行稍有差錯則可能使得整個系統(tǒng)失去控制，甚至釀成災害。4.全自動操作循環(huán)。(國內(nèi)定義)嵌入式系統(tǒng)是電腦軟件與硬件的綜合體，它是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式計算機在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。一臺通用計算機的外部設備中就包含了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)碼相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器進行控制的。2嵌入式系統(tǒng)的特點及分類2.1嵌入式系統(tǒng)的特點(1)系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB.而Windows的內(nèi)核則要大得多,嵌入式Linux內(nèi)核可裁減,幾百k。(2)專用性強嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時，針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改；程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。(3)系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能的設計及實現(xiàn)過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。(4)高實時性高實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固化存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。(5)多任務的操作系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運行(單片機)；但是為了合理地調(diào)度多任務，利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS(RealTimeOperatingSystem)開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。(6)專門的開發(fā)工具和環(huán)境嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。嵌入式系統(tǒng)的困難在于其開發(fā)的特殊性和困難性:

開發(fā)機器!=執(zhí)行機器開發(fā)環(huán)境!=執(zhí)行環(huán)境專門的交叉編譯開發(fā)環(huán)境開發(fā)機器(編輯器、編譯器、調(diào)試器）目標機程序運行的機器宿主機和目標機一樣時為本地編譯交叉編譯指宿主機和目標機是不同的系統(tǒng)（必須做目標文件下載）宿主機目標機網(wǎng)絡串口(7)嵌入式系統(tǒng)極其關(guān)注成本(8)嵌入式系統(tǒng)通常有功耗的要求2.2嵌入式系統(tǒng)的分類由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，所以其分類也可以從硬件和軟件進行劃分。(1)嵌入式系統(tǒng)的硬件從硬件方面來講，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個，其中8051體系占大多數(shù)。生產(chǎn)8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到256MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS。近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP(IntellectualPropertyCore，知識產(chǎn)權(quán)核)供應商，如ARM、MIPS等，他們通過提供優(yōu)質(zhì)、高性能的嵌入式微處理器內(nèi)核，由各個半導體廠商生產(chǎn)面向各個應用領(lǐng)域的芯片。如圖1-1所示，一般可以將嵌入式處理器分成4類，即嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)、嵌入式微控制器(MicroControllerUnit，MCU單片機)、嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)和嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)。(2)嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件組成。操作系統(tǒng)有兩個基本功能：使計算機硬件便于使用；高效組織和正確地使用計算機的資源。操作系統(tǒng)有4個主要任務：進程管理、進程間通信與同步、內(nèi)存管理和I/O資源管理。目前嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類：實時系統(tǒng)和分時系統(tǒng)。如圖1-2所示。實時操作系統(tǒng)是指具有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)的首要任務是調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務；其次才著眼于提高計算機系統(tǒng)的使用效率，其重要特點是通過任務調(diào)度來滿足對于重要事件在規(guī)定的時間內(nèi)做出正確的響應。實時操作系統(tǒng)與分時操作系統(tǒng)的區(qū)別: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，時間上的延誤或者時序上的錯誤，一般不會造成災難性的后果。而對于實時操作系統(tǒng)，主要任務是對事件進行實時的處理，雖然事件可能在無法預知的時刻到達，但是軟件必須在事件隨機發(fā)生時，在嚴格的時限內(nèi)做出響應(系統(tǒng)的響應時間)。即使是系統(tǒng)處在尖峰負荷下，也應如此，系統(tǒng)時間響應的超時就意味著致命的失敗。另外，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)能對運行的最好和最壞情況做出精確的估計。Stankovic給出了實時系統(tǒng)的定義:“實時系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，即系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計算的邏輯結(jié)果，而且還取決于結(jié)果的產(chǎn)生時間?！?/p>

實時系統(tǒng)又可以分為“硬實時系統(tǒng)”和“軟實時系統(tǒng)”。硬實時和軟實時的區(qū)別就在于對外界的事件做出反應的時間。硬實時系統(tǒng)：必須對事件做出及時的反應，絕對不能錯過事件處理的時限。在硬實時系統(tǒng)中如果出現(xiàn)了這樣的情況就意味著巨大的損失和災難。比如說航天飛機的控制系統(tǒng)，如果出現(xiàn)故障，后果不堪想象。軟實時系統(tǒng)：在系統(tǒng)負荷較重的時候，允許發(fā)生錯過時限的情況而且不會造成太大的危害。比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)實現(xiàn)的區(qū)別主要是在選擇調(diào)度算法上。對于軟實時系統(tǒng)，選擇基于優(yōu)先級調(diào)度的算法足以滿足軟實時系統(tǒng)的需求，而且可以提供高速的響應和大的系統(tǒng)吞吐量；而對硬實時系統(tǒng)來說，需要使用的算法就應該是調(diào)度方式簡單，反應速度快的實時調(diào)度算法。3.嵌入式系統(tǒng)的應用國防武器設備，如導彈瞄準、雷達識別、電子對抗設備等。通信信息設備，如路由器、程控交換機、移動電話、MODEM等。過程控制，即對生產(chǎn)過程中各種動作流程的控制，這種控制是在對被控對象和環(huán)境進行不斷觀測的基礎上做出及時反應的，如流水線控制、金屬加工控制等。智能儀器，如網(wǎng)絡分析儀、示波器、醫(yī)療儀器等。消費產(chǎn)品，各式各樣的信息家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、微波爐等（PDA和機頂盒、IP電話）。生物微電子技術(shù)，這是當今嵌入式技術(shù)的前沿應用，有著廣闊的市場空間。Compaqh1930LipmanPOSterminalPalmTungstenPalmZire71SonyCliePEG-NX80VSiemensMC60軍用偵察機器人

單兵攜帶偵察機器人形式，支臂履帶式、常規(guī)履帶式和模塊化重組式。阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發(fā)揮了很好作用。2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡，數(shù)十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體。高性能武器平臺仿生機器魚

（五個關(guān)節(jié)，長度890mm，圓柱截面110mm，尾鰭垂直高度205mm，尾鰭弦長89mm）基于WinCE的移動機器人平臺基于RTLinux的仿人機器人高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通高性能、高可靠、體積小的應用需求電源子系統(tǒng)CPLD脈寬調(diào)制系統(tǒng)單片機伺服電機組仿水魚外皮魚體骨架小魚子系統(tǒng)的實物圖工控機不能直接應用單板機很難實時處理多任務，檢測、控制、協(xié)調(diào)、通訊等一般PC功耗很大醫(yī)用機器人攝像機標定Mark點視覺配準機器人穿刺腫瘤二自由度機器人平臺與網(wǎng)絡伺服驅(qū)動單元特點：

SCARA結(jié)構(gòu)直流伺服驅(qū)動

RS485網(wǎng)絡接口

TMS320F240DSP

高精度位置速度控制可編程I/O口

遠程控制-柜機空調(diào)帶電力載波的網(wǎng)絡洗衣機家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設備家庭智能管理系統(tǒng)社區(qū)建筑的水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，遠程點菜器等。2004年“勇氣號”再次登陸火星汽車電子產(chǎn)品VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡智能玩具機器人工業(yè)方面：機床、冶金、電子、交通、航空航天等行業(yè)技術(shù)升級；微型飛行器---“黑寡婦”航天：基于VXworks的火星探路者社會發(fā)展方面：嵌入式Internet應用無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點協(xié)作地實時感知、監(jiān)測各種環(huán)境或目標對象信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置，發(fā)布監(jiān)測任并收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。任務管理中心Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等匯聚節(jié)點

什么是無線傳感器網(wǎng)絡？監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點

無線傳感網(wǎng)絡綜合了傳感技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式智能信息處理技術(shù)等無線傳感網(wǎng)絡可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、智能交通、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值、巨大的實用價值和廣闊的市場前景

傳感器網(wǎng)絡戰(zhàn)場評估生活習性監(jiān)測地震監(jiān)測深海監(jiān)控醫(yī)療狀況監(jiān)控目標跟蹤和檢測小區(qū)安全監(jiān)控

無線傳感器網(wǎng)絡應用精細農(nóng)業(yè)森林火災監(jiān)控4嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)

4.1嵌入式微處理器嵌入式微處理器有許多種流行的處理器核，芯片生產(chǎn)廠家一般都基于這些處理器核生產(chǎn)不同型號的芯片.1.ARM／StrongARMARM(AdvancedRISCMachines)公司是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識產(chǎn)權(quán)設計供應商。ARM公司通過轉(zhuǎn)讓高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設計技術(shù)給合作伙伴，使他們能用這些技術(shù)來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM已成為移動通信、手持設備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標準。ARM處理器有三大特點：小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球的合作伙伴眾多。2.MIPSMIPS是MicroprocessorwithoutInter---lockedPipelineStages的縮寫，是一種處理器內(nèi)核標準，它是由MIPS技術(shù)公司開發(fā)的。MIPS技術(shù)公司是一家設計制造高性能、高檔次的嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對MIPS324Kc的新版本以及未來64位MIPS6420Kc處理器內(nèi)核。MIPS技術(shù)公司既開發(fā)MIPS處理器結(jié)構(gòu)，又自己生產(chǎn)基于MIPS的32位／64位芯片。為了使用戶更加方便地應用MIPS處理器，MIPS公司推出了一套集成的開發(fā)工具，稱為MIPSIDF(IntegratedDev--elopmentFramework)，特別適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。3.PowerPC

PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統(tǒng)，從消費類電子產(chǎn)品到大型通信設備等各個方面。目前PowerPC獨立微處理器與嵌入式微處理器的主頻從25MHz~700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價格差異懸殊，主要產(chǎn)品模塊有主頻350MHz~700MHzPowerPC750CX和750CXe以及主頻400MHz的PowerPC440GP等。嵌入式的PowerPC405(主頻最高為266MHz)和PowerPC440(主頻最高為550MHz)處理器內(nèi)核可以用于各種集成的系統(tǒng)芯片(SOC)設備上，在電信、金融和其它許多行業(yè)具有廣泛的應用。4.x86x86系列處理器是我們最熟悉的了，它起源于Intel架構(gòu)的8080,再發(fā)展出286、386、486，直到現(xiàn)在的Pentium4、Athlon和AMD的64位處理器Hammer。從嵌入式市場來看，486DX是當時和ARM、68K、MIPS和SuperH齊名的五大嵌入式處理器之一，8080是第一款主流的處理器。今天的Pentium和當初的8080使用相同的指令集，這有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少10年前寫的程序在現(xiàn)在的機器上還能運行；弊是限制了CPU性能的提高。5.68K/Coldfire

Motorola68000(68K)是出現(xiàn)得比較早的一款嵌入式處理器，68K采用的是CISC結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)在的PC指令集保持了二進制兼容。

CISC是個人電腦CPU常用的，Intel、AMD、VIA都采用了CISC指令集，只有Apple電腦中的PowerPC使用了RISC架構(gòu)。

RISC是精簡指令集，每條指令長度