嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述

第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點1.2嵌入式系統(tǒng)的開展及應(yīng)用1.3嵌入式系統(tǒng)的總體組成1.4常用的嵌入式處理器1.5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1.6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法1.7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1.8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討習(xí)題1第1章嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)概述

本章概括地闡述了嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)的根本概念、根底知識、根本方法等，包括嵌入式系統(tǒng)的定義、開展應(yīng)用、總體組成、常用的嵌入式處理器、常用的嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討等內(nèi)容。2

1．1嵌入式系統(tǒng)的定義及特點1．1．1嵌入式系統(tǒng)的定義IEEE的定義：嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)控或者輔助操作機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。我國通常定義：嵌入式系統(tǒng)〔EmbeddedSystem〕就是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個根本要素。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為根底，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。3

1．1．2嵌入式系統(tǒng)的特點1．嵌入式系統(tǒng)是專用的計算機(jī)系統(tǒng)2．嵌入式系統(tǒng)須滿足系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的要求3．嵌入式系統(tǒng)需滿足對象系統(tǒng)的控制要求4．嵌入式系統(tǒng)是一個知識集成應(yīng)用系統(tǒng)5．嵌入式系統(tǒng)具有較長的應(yīng)用生命周期6．嵌入式系統(tǒng)軟件固化在非易失性存儲器中7．多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有實時性要求8．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需專用的開發(fā)環(huán)境和工具41．2嵌入式系統(tǒng)的開展應(yīng)用1．嵌入式系統(tǒng)開展的4個階段1〕以單片機(jī)為核心的低級嵌入式系統(tǒng)主要特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能單一，處理效率不高，存儲容量較小，用戶接口簡單或沒有用戶接口，但它使用簡單，本錢低廉。2〕以嵌入式微處理器為根底的初級嵌入式系統(tǒng)主要特點是處理器種類多，通用性較弱；系統(tǒng)效率高，本錢低；操作系統(tǒng)具有兼容性、擴(kuò)展性，但用戶界面簡單。3〕以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的中級嵌入式系統(tǒng)主要特點是嵌入式系統(tǒng)能運行于各種不同嵌入式處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核小、效率高，并且可任意裁剪；具有文件和目錄管理、多任務(wù)功能，支持網(wǎng)絡(luò)、具有圖形窗口以及良好的用戶界面；具有大量的應(yīng)用程序接口，嵌入式應(yīng)用軟件豐富。1．2．1嵌入式系統(tǒng)的開展54〕以Internet為標(biāo)志的高級嵌入式系統(tǒng)目前嵌入式系統(tǒng)大多孤立于Intemet，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，隨著信息家電的開展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用必將與Internet有機(jī)結(jié)合在一起，成為嵌入式系統(tǒng)開展的未來?；?2位/64位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點：①芯片內(nèi)外資源豐富，硬件系統(tǒng)簡單；②可運行各種操作系統(tǒng)，降低了復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的難度；可運行多種操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序開發(fā)難度降低，系統(tǒng)人機(jī)界面友好；③系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，控制精度高；④有成熟的開發(fā)工具，豐富的開發(fā)資源和資料；⑤32位/64位的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人群不斷增多，有助于降低企業(yè)工程開發(fā)本錢、保持開發(fā)的連續(xù)性。62．嵌入式系統(tǒng)的開展趨勢1〕嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，硬件向集成化開展，軟件將逐漸PC化2〕嵌入式系統(tǒng)的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、微功耗和低本錢3〕不斷改善人機(jī)交互的手段，提供精巧的多媒體人機(jī)界面4〕云計算、可重構(gòu)、虛擬化等技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)5〕嵌入式軟件開發(fā)平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可升級，代碼可復(fù)用將更受重視其中：云計算〔Cloud〕是將計算分布在大量的分布式計算機(jī)上，這樣我們只需要一個終端，就可以通過網(wǎng)絡(luò)效勞來實現(xiàn)所需要的計算任務(wù)，甚至是超級計算任務(wù)。可重構(gòu)性是指在一個系統(tǒng)中，其硬件模塊或〔和〕軟件模塊均能根據(jù)變化的數(shù)據(jù)流或控制流對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或算法進(jìn)行重新配置〔或重新設(shè)置〕。虛擬化是指計算機(jī)軟件在一個虛擬的平臺上而不是一個真實的硬件上運行。7嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升多領(lǐng)域技術(shù)水平的有力主具，可以說嵌入式系統(tǒng)無處不在。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能產(chǎn)品〔智能儀表、智能和信息家電〕、工業(yè)自動化〔測控裝置、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集與處理〕、辦公自動化〔通用計算機(jī)中的智能接口〕、電網(wǎng)平安、電網(wǎng)設(shè)備檢測、石油化工、商業(yè)應(yīng)用〔電子秤，POS機(jī)，條碼識別機(jī)〕、平安防范〔防火、防盜、防泄漏等報警系統(tǒng)〕、網(wǎng)絡(luò)通信〔路由器、網(wǎng)關(guān)、、PDA、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〕、汽車電子與航空航天〔汽車防盜報警器、汽車和飛行器黑匣子〕以及軍事等各個領(lǐng)域，如圖1．1所示。1．2．2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用8圖1．1嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

91．3嵌入式系統(tǒng)的總體組成圖1．2基于控制領(lǐng)域的典型嵌入式系統(tǒng)101．3．1嵌入式系統(tǒng)的硬件圖1．3典型的嵌入式系統(tǒng)硬件組成11硬件層由嵌入式微處理器、存儲系統(tǒng)、通信模塊、人機(jī)接口、其他I/O接口(A/D、D/A、通用I/O等)以及電源等組成。嵌入式系統(tǒng)的硬件層以嵌入式微處理器為核心，在嵌入式微處理器根底上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路(RAM和ROM等)，這就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。121．中間層程序中間層程序主要為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口，它包括硬件抽象層〔HardwareAbstractionLayer，HAL〕、板級支持包〔BoardSupportPackage，BSP〕以及設(shè)備驅(qū)動程序。1〕硬件抽象層硬件抽象層〔HAL〕位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的就是將硬件抽象化，即可以通過程序來控制處理器、I/O接口以及存儲器等所有硬件的操作，這樣使系統(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)中的移植性。它包括相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置等操作。

1．3．2嵌入式系統(tǒng)的軟件132〕板級支持包板級支持包〔BSP〕介于嵌入式操作系統(tǒng)中驅(qū)動層程序與硬件電路之間，主要實現(xiàn)對嵌入式操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備存放器的函數(shù)包。BSP實現(xiàn)的功能主要有：①系統(tǒng)啟動時對硬件初始化；②為驅(qū)動程序提供訪問硬件的手段，BootLoader便屬于此類。143〕設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)安裝的硬件設(shè)備必須經(jīng)過驅(qū)動才能被使用，設(shè)備的驅(qū)動程序為上層軟件提供調(diào)用的操作接口。驅(qū)動程序除了實現(xiàn)根本的功能函數(shù)外〔初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等〕，還具備完善的錯誤處理函數(shù)。2．嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，有了嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)程管理、進(jìn)程間的通信、內(nèi)存管理、文件管理、驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方可實現(xiàn)。3．應(yīng)用軟件層應(yīng)用軟件是在嵌入式操作系統(tǒng)支持下通過調(diào)用API函數(shù)，結(jié)合實際應(yīng)用編制的用戶軟件。如抄表系統(tǒng)的軟件、掌上信息查詢軟件等。15嵌入式微處理器〔EmbeddedMicrocomputerUnit，EMPU〕、嵌入式微控制器〔EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMCU〕嵌入式數(shù)字信號處理器〔EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP〕嵌入式片上系統(tǒng)〔SystemOnChip，SOC〕嵌入式可編程片上系統(tǒng)〔SystemOnaProgrammableChip，SOPC)。1．4常用的嵌入式處理器1．4．1嵌入式處理器的種類161．嵌入式微處理器嵌入式微處理器是由PC中的CPU演變而來的，與通用PC的微處理器不同的是，它只保存了與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件。典型的EMPU有PowerPC、MIPS、MC68000、i386EX、AMDK62E以及ARM等，其中ARM是應(yīng)用最廣、最具代表性的嵌入式微處理器。2．嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、總線、總線邏輯、定時器、看門狗、I/O接口等各種必要的功能部件。典型的EMCU有51系列、MC68系列、PIC系列、MSP430系列等。3．嵌入式數(shù)字信號處理器嵌入式數(shù)字信號處理器〔DSP〕是專門用于數(shù)字信號處理的微處理器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面經(jīng)過特殊設(shè)計，因而具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。典型的EDSP有TMS32023系列、TMS32023系列等。174．嵌入式片上系統(tǒng)SOC是一個集成的復(fù)雜系統(tǒng)，它一般將一個完整的產(chǎn)品的各功能集成在一個芯片上或芯片組上，其中可能包括處理器CPU、存儲器、硬件加速單元、與外圍設(shè)備的接口I/F，模數(shù)混合放大電路，甚至延伸到傳感器、微機(jī)電和微光電單元。SOC最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器的片內(nèi)嵌入了操作系統(tǒng)。由于片上系統(tǒng)絕大局部系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個系統(tǒng)就特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計生產(chǎn)效率。

185．嵌入式可編程片上系統(tǒng)隨著EDA技術(shù)的快速開展和VLSI技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)SOPC是一種基于FPGA的可重構(gòu)SOC，它集成了硬IP核或軟IP核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯，是更加靈活、高效的SOC解決方案。SOC與SOPC的區(qū)別：SOC是專用集成系統(tǒng)，設(shè)計周期長，設(shè)計本錢高，SOPC是基于FPGA的可重構(gòu)SOC，是一種通用系統(tǒng)，設(shè)計周期短，設(shè)計本錢低。IP核〔IntellectualPropertyCore〕稱為知識產(chǎn)權(quán)核，它是經(jīng)過預(yù)先設(shè)計、預(yù)先驗證，且符合產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，具有相對獨立的電路模塊或子系統(tǒng)，可以復(fù)用于SOC、SOPC或復(fù)雜ASIC設(shè)計中。它是一種通過知識產(chǎn)權(quán)貿(mào)易在各設(shè)計公司間流通的完成特定功能的電路模塊或子系統(tǒng)。19英國ARM〔AdvancedRISCMachines〕公司成立于1990年。在1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機(jī)誕生〔在美國VLSI公司制造〕。目前，ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功耗、低本錢應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先地位。ARM公司是嵌入式RISC處理器的知識產(chǎn)權(quán)IP供給商，它為ARM架構(gòu)處理器提供了ARM處理器內(nèi)核〔如ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等〕和ARM處理器宏核〔ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等〕，由各半導(dǎo)體公司〔ARM公司合作伙伴〕在上述處理器內(nèi)核或處理器宏核根底上進(jìn)行再設(shè)計，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種嵌入式微處理器〔EMPU〕或嵌入式微控制器〔EMCU〕。1．4．2典型ARM微處理器系列2021圖5-1ARM的業(yè)務(wù)模型22ARM處理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列以及Cortex-A8系列等。ARM7、ARM9、ARM9E及ARM10E為4個通用嵌入式微處理器系列，每個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，有多個廠家生產(chǎn)；SecurCore系列那么是專門為平安性要求較高的場合而設(shè)計的；StrongARM是Intel公司生產(chǎn)的用于便攜式通信產(chǎn)品和消費電子產(chǎn)品的理想嵌入式微處理器，應(yīng)用于多家掌上電腦系列產(chǎn)品；Xscale是Intel公司推出的基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的全性能、高性價比、低功耗的嵌入式微處理器，應(yīng)用于數(shù)字移動、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場合。Cortex-A8處理器是第一款基于下一代ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?-2技術(shù)。23圖1.4基于ARM核的典型嵌入式處理器系列241．4．3典型ARM微處理器簡介1．S3C44B0X微處理器簡介S3C44B0X是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微處理器。它使用ARM7TDMI核，工作在75MHz。S3C44B0X采用0．25um制造工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器，它耗能低、精簡及出色的全靜態(tài)設(shè)計非常適用于對本錢和功耗要求較高的場合。為了降低系統(tǒng)總本錢和減少外圍器件，這款芯片中還集成了假設(shè)干部件，主要包括8KBCache〔數(shù)據(jù)/指令〕、內(nèi)部SRAM、外部儲存器控制器、LCD〔LiquidCrystalDisplay〕控制器、4個DMA通道、帶自動握手的2通道UART、一個多主I2C〔InterIntegrateCircuit〕總線控制器、1個I2S〔InterIntegrateCircuitSoundBus〕總線控制器、5通道PWM定時器、一個看門狗定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、具有日歷功能的實時時鐘RTC、8通道10位A/D轉(zhuǎn)化器、1個SIO接口以及PLL〔鎖相環(huán)〕時鐘發(fā)生器。S3C44B0X采用新型的總線結(jié)構(gòu)，即三星ARMCPU嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)SAMBAII。252．S3C2410X/S3C2440X微處理器簡介S3C2410X/S3C2440X是三星公司出品的基ARM920T核的嵌入式微處理器，它與基于ARM7的S3C44B0X的最大區(qū)別在于，S3C2410X/S3C2440X內(nèi)部帶有全性能的內(nèi)存管理單元〔MMU〕，適用于設(shè)計移動手持設(shè)備類產(chǎn)品，具有高性能、低功耗、接口豐富及體積小等優(yōu)良特性。S3C2410X/S3C2440X提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備：如雙重別離的16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存、MMU虛擬存儲器管理部件、LCD控制器、支持NAND的Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、外部存儲控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時器、I/O端口、定時器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、觸摸屏接口、I2C總線接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備、SD主卡及MMC卡接口、2通道SPI以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器。263．LPC2000系列嵌入式微控制器簡介LPC2000系列嵌入式微控制器是基于ARM7TDMI-SCPU內(nèi)核的，它支持ARM和Thumb指令集，芯片內(nèi)集成豐富外設(shè)，而且具有非常低的功率消耗。該系列微控制特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS機(jī)等場合。有關(guān)其系列產(chǎn)品的主要信息見表1．1。4．AT91系列嵌入式微控制器簡介美國AtmelAT91系列微控制器是基于ARM7TDMI〔有的基ARM920T〕的嵌入式微處理器的16/32位微控制器，是目前國內(nèi)市場應(yīng)用最廣泛的ARM芯片之一。AT91系列微控制器定位在低功耗和實時控制應(yīng)用領(lǐng)域，它們已成功應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、MP3/WMA播放器、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、BP機(jī)、POS機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、GPS和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品中。AT91系列微控制器為工業(yè)級芯片，價格比較廉價?；贏RM技術(shù)的Atmel微控制器為AT91系列，其中有幾種類型，AT91RXXXX和AT91MXXXX〔內(nèi)部帶有RAM，但沒有程序存儲器類型〕、AT91RMXXXX〔內(nèi)部帶有RAM，有ROM類型〕，AT91FRXXXX〔內(nèi)部帶有RAM，有Flash程序存儲器類型〕。275．XScale微體系結(jié)構(gòu)微處理器簡介IntelXScale微體系結(jié)構(gòu)提供了一種全新的、高性價比、低功耗且基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴(kuò)充?；赬Scale技術(shù)開發(fā)的微處理器，可用于、便攜式終端〔PDA〕、網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備及骨干網(wǎng)〔BackBone〕路由器等。IntelPXA250微處理器芯片就是一款集成了32位IntelXScale微處理器核的應(yīng)用處理器。6．STR710F系列嵌入式處理器簡介STR710F系列嵌入式處理器產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體〔STMicroelectronics〕生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM7TDMI32位RISCCPU為內(nèi)核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)和可升級的解決方案，如用戶界面要求高的系統(tǒng)、工廠自動化系統(tǒng)和銷售點〔POS〕應(yīng)用等。28嵌入式操作系統(tǒng)〔OperatingSystem，OS〕是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)等活動，它是嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、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)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率大大提高，系統(tǒng)開發(fā)的總工作量大大減少，并且極大地提高了嵌入式軟件的可移植性。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，嵌入式操作系統(tǒng)必須包含操作系統(tǒng)的一些最根本的功能，用戶可以通過API函數(shù)來使用操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)具有編碼體積小、面向應(yīng)用、實時性強(qiáng)、可移植性好、可靠性高以及專用性強(qiáng)等特點。1．5常用的嵌入式操作系統(tǒng)1．5．1嵌入式操作系統(tǒng)及其特點291．LinuxLinux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，它得名于計算機(jī)業(yè)余愛好者LinusTorvalds。目前存在著許多不同的Linux，，但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安裝在各種計算機(jī)硬件設(shè)備中，從、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺，到臺式計算機(jī)、大型機(jī)和超級計算機(jī)。Linux是一個領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運算最快的10臺超級計算機(jī)運行的都是Linux操作系統(tǒng)。一些流行的主流Linux發(fā)行版，包括Debian〔及其派生物Ubuntu〕，F(xiàn)edora和openSUSE等。2．μC/OS-IIμC/OS-II是一個可裁剪、源代碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實時嵌入式操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)、實時性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。該操作系統(tǒng)支持多達(dá)64個任務(wù)，大局部嵌入式微處理器均支持μC/OS-II。1．5．2幾種常用嵌入式操作系統(tǒng)303．WindowsCEMicrosoftWindowsCE是Microsoft公司產(chǎn)品，是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計允許它對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。該操作系統(tǒng)的根本內(nèi)核至少需要200KB的ROM。從游戲機(jī)到現(xiàn)在大局部的掌上電腦都采用了WindowsCE作為操作系統(tǒng)，其缺點是系統(tǒng)軟件價格過高，影響整個產(chǎn)品的本錢控制。4．VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種實時操作系統(tǒng)。VxWorks擁有良好的持續(xù)開展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)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(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。但大多數(shù)的VxWorksAPI是專用的，VxWorks的價格昂貴。315．pSOSpSOS是ISI公司研發(fā)的產(chǎn)品。pSOS是一個模塊化、高性能、完全可擴(kuò)展的實時操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計，提供了一個完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或商業(yè)的硬件上具有高性能和高可靠性。6．PalmOS3COM公司的PalmOS在掌上電腦和PDA市場上占有很大的市場份額。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。在開發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows和Macintosh下安裝PalmPilotDesktop。7．QNXQNX是由加拿大QSSL公司開發(fā)的分布式實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)既能運行于以IntelX86、Pentium等CPU為核心硬件環(huán)境下，也能運行于以PowerPC、MIPS等CPU為核心的硬件環(huán)境。它廣泛應(yīng)用于自動化、控制、機(jī)器人科學(xué)、電信、數(shù)據(jù)通信、航空航天、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備、交通運輸、平安防衛(wèi)系統(tǒng)、POS機(jī)、零售機(jī)等任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用領(lǐng)域。328．蘋果iOSiOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)。它是以Darwin為根底的，主要是給iPhone、iPodtouch以及iPad使用。原本這個系統(tǒng)名為iPhoneOS，直到2023年6月7日WWDC大會上宣布改名為iOS。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為四個層次：核心操作系統(tǒng)層、核心效勞層、媒體層、可輕觸層。系統(tǒng)操作占用大概240MB的存儲器空間。9．AndroidAndroid是一種以Linux為根底的開放源碼操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由AndyRubin開發(fā)，最初主要支持。2005年由Google收購注資，并拉攏多家制造商組成開放聯(lián)盟開發(fā)改進(jìn)，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2023年末數(shù)據(jù)顯示，僅正式推出兩年的操作系統(tǒng)的Android已經(jīng)超越稱霸十年的諾基亞Symbian系統(tǒng)，躍居全球最受歡送的智能平臺。33

1．6嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法1．嵌入式微處理器及操作系統(tǒng)的選擇嵌入式微處理器可謂多種多樣，品種繁多，而且都在一定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在嵌入式系統(tǒng)上運行的操作系統(tǒng)也有不少，如VxWorks、Linux，Nuc1ears、WindowsCE等，即使在一個公司之內(nèi)，也會同時使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。2．開發(fā)工具的選擇目前用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)工具種類繁多，不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也使用不同的開發(fā)工具。3．對目標(biāo)系統(tǒng)的觀察與控制要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開發(fā)者必須要對目標(biāo)系統(tǒng)具有完全的觀察和控制能力，如硬件的各種存放器、內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)的信號量、消息隊列、任務(wù)、堆棧等。1．6．1嵌入式系統(tǒng)的總體考慮341．6．2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計步驟圖1．5嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一般流程351．6．3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法圖1．6單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程比較36圖1．7傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法和嵌人式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法的比較軟硬件協(xié)同設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計相比有2個顯著的特點：①描述軟、硬件使用統(tǒng)一的表示形式；②硬、軟件劃分可以選擇多種方案，直到滿足要求。37嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般由三個局部組成：宿主機(jī)、調(diào)試仿真器和目標(biāo)機(jī)。其中宿主機(jī)用來完成源代碼編輯、編譯、顯示一局部運行結(jié)果等，操作系統(tǒng)可以是UNIX、Linux和Windows等，硬件可以是PC和工作站等。目標(biāo)機(jī)就是用戶嵌入式程序的運行環(huán)境，CPU可能是任何CPU，常用的有ARM、MIPS、PowerPC、DrangonBall等。操作系統(tǒng)常用的有Linux、μC/OS-II、WindowsCE、Vxworks、等，或者根本沒有操作系統(tǒng)。使用集成開發(fā)軟件開發(fā)基于ARM的應(yīng)用軟件，可以完成系統(tǒng)軟件的編輯、編譯、匯編和鏈接等工作；通過調(diào)試仿真器可以在PC上實現(xiàn)對應(yīng)用軟件的調(diào)試；再使用燒寫軟件，將開發(fā)成功的應(yīng)用系統(tǒng)從宿主機(jī)向目標(biāo)機(jī)下載移植，從而完成整個開發(fā)過程。1．7嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)1．7．1嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境38圖1．8嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試環(huán)境示意圖391．指令集模擬器局部嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境提供了指令集模擬器，可方便用戶在PC上完成一局部簡單的調(diào)試工作，但是由于指令集模擬器與真實的硬件環(huán)境相差很大，因此即使用戶是用指令集模擬器調(diào)試通過的程序也有可能無法在真實的硬件環(huán)境下運行，用戶最終必須在硬件平臺上完成整個應(yīng)用的開發(fā)。2．駐留監(jiān)控軟件駐留監(jiān)控軟件〔ResidentMonitors〕是一段運行在目標(biāo)板上的程序，集成開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試軟件通過以太網(wǎng)口、并行端口、串行端口等通信端口與駐留監(jiān)控軟件進(jìn)行交互，由調(diào)試軟件發(fā)布命令，通知駐留監(jiān)控軟件控制程序執(zhí)行、讀/寫儲存器、讀/寫存放器和設(shè)置斷點等。駐留監(jiān)控軟件是一種比較低廉有效的調(diào)節(jié)方式，不需要任何其它的硬件調(diào)試和仿真設(shè)備。駐留監(jiān)控軟件的不便之處在于它對硬件設(shè)備的要求比較高。1．7．2嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工具403．JTAG仿真器JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。JTAG仿真器比較廉價，連接比較方便，通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARMCPU核通信，它無需目標(biāo)儲存器，不占用目標(biāo)端口的任何端口。另外，由于JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行的仿真更接近于目標(biāo)硬件，因此，許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配、電線長度的限制等被最小化了。使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)是目前采用最多的一種調(diào)節(jié)方式。4．在線仿真器在線仿真器使用仿真頭完全取代目標(biāo)板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，提供更加深入的調(diào)試功能。但這類仿真器為了能夠全速仿真時鐘速度高于100MHz的處理器，通常必須采用極其復(fù)雜的設(shè)計和工藝，因而價格比較昂貴。在線仿真器常用在ARM的硬件開發(fā)中，在軟件的開發(fā)中使用較少，其價格昂貴也是在線仿真器難以普及的因素。411．非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用，主要是在一些結(jié)構(gòu)簡單的系統(tǒng)中或在實時性要求非常高的系統(tǒng)中，許多時候用于代替原來8位/16位單片機(jī)的應(yīng)用。隨著32位單片機(jī)本錢的不斷降低，其本錢已與8位單片機(jī)相差無幾。因此，非操作系統(tǒng)層次的應(yīng)用也越來越廣泛。2．操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)非GUI層次的應(yīng)用，主要是指其應(yīng)用程序建立在操作系統(tǒng)根底上，是為了實現(xiàn)程序的多任務(wù)及實時性，此類應(yīng)用在人機(jī)交互方面沒有很高的要求，可選擇的操作系統(tǒng)有許多。3．操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用操作系統(tǒng)GUI層次的應(yīng)用，主要是為了方便實現(xiàn)人機(jī)交互功能、網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)據(jù)庫功能以及其它更復(fù)雜的應(yīng)用。GUI層次的開發(fā)，除了借助于操作系統(tǒng)及GUI庫強(qiáng)大的功能，更重要的是可以讓程序開發(fā)人員把關(guān)注點集中在高層的目標(biāo)與任務(wù)的實現(xiàn)中，使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)更簡單，讓開發(fā)速度及開發(fā)效率更高1．7．3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式421．需要交叉編譯工具嵌入式系統(tǒng)采用的處理器一般與PC不同，結(jié)構(gòu)較簡單，功耗較低。由于嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)機(jī)上的資源較為有限〔內(nèi)存外存容量小，顯示功能弱〕，直接在目標(biāo)機(jī)上開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用軟件幾乎不可能。因此，目標(biāo)機(jī)的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)需要放在高性能計算機(jī)上的集成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行，由于PC的大量普及和使用，現(xiàn)在的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境也大多運行在PC上。需要交叉編譯工具的另一個原因是嵌入式系統(tǒng)處理器芯片的指令系統(tǒng)與PC處理器芯片的指令系統(tǒng)不同。一般情況下，PC的處理器芯片是X86芯片，使用的指令系統(tǒng)是X86指令系統(tǒng)，而ARM9芯片運行的是ARM指令系統(tǒng)，兩者有很大差異。因此，用ARMADS集成開發(fā)環(huán)境編寫的C語言程序需要經(jīng)過交叉編譯器才能生成運行在目標(biāo)機(jī)上的ARM9機(jī)器語言程序。1．7．4嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)432．通過仿真手段進(jìn)行調(diào)試目標(biāo)機(jī)執(zhí)行程序經(jīng)過交叉編譯后，還要經(jīng)過調(diào)試排錯，確認(rèn)能夠正常運行才能使用。那么如何進(jìn)行調(diào)試排錯呢？顯然在目標(biāo)機(jī)上調(diào)試排錯是非常困難的。原因是輸入輸出方式較少，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)顯示面積小，甚至沒有顯示屏，從而無法顯示調(diào)試信息；調(diào)試工具需要較大存儲空間，對嵌入式系統(tǒng)來說，比較困難。但對于臺式機(jī)而言，這些條件很容易滿足。因此，通常的調(diào)試也是在PC上完成的，方式就是仿真調(diào)試。3．目標(biāo)機(jī)是最終的運行環(huán)境對嵌入式應(yīng)用程序來說，其開發(fā)、調(diào)試往往是在PC上完成的，但它最終的運行環(huán)境是目標(biāo)機(jī)。嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)試完成后，要下載到目標(biāo)機(jī)上運行，正確無誤運行后才表示成功。如果不成功或需要進(jìn)一步完善，那么需重新回到PC上運行修改調(diào)試。444．執(zhí)行應(yīng)用程序的指令通常寫入操作系統(tǒng)

在常用的嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的啟動執(zhí)行指令通常需要預(yù)先寫入操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度程序里，編輯在目標(biāo)程序中。因此，嵌入式應(yīng)用程序許與操作系統(tǒng)有一定聯(lián)系，開發(fā)者不僅要了解應(yīng)用程序，也要了解操作系統(tǒng)，知道如何讓一個應(yīng)用程序執(zhí)行。5．系統(tǒng)資源有限

在進(jìn)行嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)時，就必須考慮可用資源問題。以存儲容量為例，嵌入式系統(tǒng)的ROM容量一般只有幾兆字節(jié)，對目標(biāo)程序有嚴(yán)格的長度限制，這樣程序員在編程時就必須考慮這個限制。6．控制特定部件

在嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)過程中，程序員往往需要針對特定的部件做更加細(xì)致的編寫作業(yè)。45嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，就是利用嵌入式微處理器/微控制器內(nèi)部的特定資源和擴(kuò)展的外部資源，來設(shè)計和開發(fā)特定的目標(biāo)系統(tǒng)。對于基于ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，初步具備從事ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的能力，應(yīng)掌握ARM嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理、程序設(shè)計語言、Linux開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、Linux操作系統(tǒng)的移植和開發(fā)工具的使用，ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方法，包括嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法、ARM處理器芯片的選擇、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與接口設(shè)計、嵌入式設(shè)計開發(fā)平臺的使用等內(nèi)容。同時應(yīng)熟悉與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的有關(guān)領(lǐng)域知識。增多，有助于降低企業(yè)工程開發(fā)本錢、保持開發(fā)的連續(xù)性。1．8嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)探討1．8．1嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容46要學(xué)好嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用，首先必須掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)根底。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)根底是進(jìn)行嵌入式設(shè)計和開發(fā)的關(guān)鍵。技術(shù)根底決定了一個人學(xué)習(xí)知識、掌握技能的能力。其次，對于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有一個較好的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境。功能全面的開發(fā)平臺一方面為學(xué)習(xí)提供了良好的開發(fā)環(huán)境，另一方面開發(fā)平臺本身也是一般的典型實際應(yīng)用系統(tǒng)。最后，對于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，必須要有教師指導(dǎo)，并選用幾本好的教材，采用適宜、有效的學(xué)習(xí)方法。嵌入式技術(shù)，內(nèi)容新穎，綜合性強(qiáng)，實踐性強(qiáng)，實際應(yīng)用開展前景廣闊。因此需要理論與實踐相結(jié)合，課內(nèi)與課外相結(jié)合，研究性學(xué)習(xí)與課題開發(fā)相結(jié)合。在具備嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用的根底知識和根本技能后，進(jìn)行課題的設(shè)計開發(fā)時一個非常有效的方法。1．8．2嵌入式系統(tǒng)