第1章嵌入式系统基础知识新精.ppt

第1章嵌入式系统基础知识新第1页，本讲稿共65页参考书目nARM嵌入式技术原理与应用.陈赜.北京航空航天大学出版社 n嵌入式系统开发与应用教程.田泽.北京航空航天大学出版社第2页，本讲稿共65页考查方式n综合性设计，通过设计作品和提交设计报告，并通过答辩考查第3页，本讲稿共65页第第1章章 嵌入式系统基础知识嵌入式系统基础知识第4页，本讲稿共65页目录n1.1嵌入式系统的基本概念n1.2嵌入式系统的组成结构n1.3嵌入式处理器n1.4嵌入式操作系统第5页，本讲稿共65页嵌入式系统的应用领域嵌入式技术无处不在嵌入式技术无处不在 各种使用嵌入式技术的电子产品，如：各种使用嵌入式技术的电子产品，如：MP3MP3、PDAPDA、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载、手机、智能玩具，网络家电、智能家电、车载电子设备等。电子设备等。在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。变着传统的工业生产和服务方式。第6页，本讲稿共65页第7页，本讲稿共65页第8页，本讲稿共65页第9页，本讲稿共65页 到底什么是嵌入式系统呢？到底什么是嵌入式系统呢？MP3工业机器人工业机器人比较两者有什么共同之处？比较两者有什么共同之处？共同之处：共同之处：都嵌入了微处理器。都嵌入了微处理器。第10页，本讲稿共65页1.1嵌入式系统的基本概念n1.1.1 嵌入式系统的定义n根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。n目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。n北京航空航天大学的何立民教授是这样定义嵌入式系统的：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。n可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4个部分组成。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。第11页，本讲稿共65页嵌入式系统与PC的区别n一般专用于特定的任务，而PC是一个通用计算机。n使用多种类型的处理器和处理器体系结构n极其关注成本n有实时约束n使用实时多任务操作系统n软件故障造成的后果比PC系统更严重n大多有功耗约束n经常在极端的环境下运行n系统资源比PC少的多n通常所有的目标代码存放在ROM中n需要专用工具和方法进行开发设计n嵌入式系统的数量远远超过PC第12页，本讲稿共65页嵌入式系统的发展史n1.1.2嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史n从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到20世纪60年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统AGC（Apollo Guidance Computer）。嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下4个阶段。第13页，本讲稿共65页n（1）无操作系统阶段n单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业控制领域中得到了非常广泛的应用。第14页，本讲稿共65页n（2）简单操作系统阶段n20世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如Power PC等），芯片上集成有微处理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向I/O设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。第15页，本讲稿共65页n（3）实时操作系统阶段n20世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面Graphic User Interface，GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口Application Programming Interface，API），从而使应用软件的开发变得更加简单。n 第16页，本讲稿共65页n（4）面向Internet阶段n进入21世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。第17页，本讲稿共65页目录n1.1嵌入式系统的基本概念n1.2嵌入式系统的组成结构n1.3嵌入式处理器n1.4嵌入式操作系统第18页，本讲稿共65页1.2嵌入式系统的组成结构n1.2 嵌入式系统的组成n嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。第19页，本讲稿共65页n1嵌入式计算机系统的硬件嵌入式计算机系统的硬件层层n硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的ROM中。第20页，本讲稿共65页n（1）嵌入式微处理器n嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer,CISC）。n嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。目前没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。第21页，本讲稿共65页n（2）存储器n嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。nCache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，提高微处理器和主存之间的数据传输速率，使处理速度更快，实时性更强。nCache一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存储容量大小依不同处理器而定。n主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。主存储器包含有ROM和RAM，可以位于微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有NOR Flash、EPROM和PROM等，RAM类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量为256KB1GB。n辅助存储器通常指硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等，用来存放大数据量的程序代码或信息，一般容量较大，但读取速度与主存相比要慢一些。第22页，本讲稿共65页n（3）通用设备接口和I/O接口n嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的通用设备接口，如GPIO、A/D（模数转换接口）、D/A（数模转换接口）、RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。第23页，本讲稿共65页2中间层中间层n中间层也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开来。nBSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，BSP需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。BSP使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。nBSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。BSP一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。第24页，本讲稿共65页3系统软件层系统软件层n系统软件层通常包含有实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。可选可选第25页，本讲稿共65页n（1）嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）nEOS负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度，控制协调。EOS除具备了一般操作系统最基本的任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还具有如下特点：强实时性；支持开放性和可伸缩性的体系结构，具有可裁减性；提供统一的设备驱动接口；提供操作方便、简单、友好的图形GUI和图形界面；支持TCP/IP协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，提供强大的网络功能；嵌入式操作系统的用户接口通过系统的调用命令向用户程序提供服务；嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预；嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中；具有良好的硬件适应性（可移植性）。第26页，本讲稿共65页n（2）文件系统n嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。嵌入式文件系统通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统，可以根据系统的要求选择所需的文件系统，选择所需的存储介质，配置可同时打开的最大文件数等。同时，嵌入式文件系统可以方便的挂接不同存储设备的驱动程序，支持多种存储设备。n嵌入式文件系统以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。第27页，本讲稿共65页n4应用软件层应用软件层n应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程序组成，面向被控对象和用户。为方便用户操作，通常需要提供一个友好的人机界面。第28页，本讲稿共65页目录n1.1嵌入式系统的基本概念n1.2嵌入式系统的组成结构n1.3嵌入式处理器n1.4嵌入式操作系统第29页，本讲稿共65页1.3嵌入式处理器嵌入式处理器n1.3.1 嵌入式处理器结构n1冯冯诺依曼（诺依曼（Von Neumann）结构）结构n冯诺依曼结构的计算机由CPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。程序计数器（PC）是CPU内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。nCPU通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。n目前使用冯诺依曼结构的CPU和微控制器品种有很多，例如Intel公司的8086系列及其他CPU，ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等。第30页，本讲稿共65页n2哈佛（哈佛（Harvard）结构）结构n哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高执行速度，提高数据的吞吐率。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠，具有较高的执行效率。n目前使用哈佛结构的CPU和微控制器品种有很多，除DSP处理器外，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。第31页，本讲稿共65页n1.3.2 精简指令集计算机n早期的计算机采用复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）体系，例如Intel公司的X86系列CPU，从8086到Pentium系列，采用的都是典型的CISC体系结构。采用CISC体系结构的计算机各种指令的使用频率相差悬殊，统计表明，大概有20%的比较简单的指令被反复使用，使用量约占整个程序的80%；而有80%左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的20%，即指令的2/8规律。在CISC中，为了支持目标程序的优化，支持高级语言和编译程序，增加了许多复杂的指令，用一条指令来代替一串指令。通过增强指令系统的功能，简化软件，确增加了硬件的复杂程度。而这些复杂指令并不等于有利于缩短程序的执行时间。在VLSI制造工艺中要求CPU控制逻辑具有规整性，而CISC为了实现大量复杂的指令，控制逻辑极不规整，给VLSI工艺造成很大困难。n精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）体系结构是20世纪80年代提出来的。目前IBM、DEC、Intel和Motorola等公司都在研究和发展RISC技术，RISC已经成为当前计算机发展不可逆转的趋势。第32页，本讲稿共65页nRISC是在CISC的基础上产生并发展起来的，RISC的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算效率。在RISC中，优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类；指令之间各字段的划分比较一致，各字段的功能也比较规整；采用Load/Store指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；增加CPU中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取；大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制；采用高级语言编程，重视编译优化工作，以减少程序执行时间。n尽管RISC架构与CISC架构相比较有较多的优点，但RISC架构也不可以取代CISC架构。事实上，RISC和CISC各有优势。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的两者的优势，成为未来的CPU发展方向之一。在PC机和服务器领域，CISC体系结构是市场的主流。n在嵌入式系统领域，RISC结构的微处理器将占有重要的位置。第33页，本讲稿共65页嵌入式微处理器的结构和类型嵌入式微处理器的结构和类型n应用在嵌入式计算机系统中的微处理器称为嵌入式微处理器。从1971年Intel公司推出第一块微处理器芯片4004到今天，嵌入式微处理器已有30多年的发展历史。n嵌入式计算机硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入输出部分组成，其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心。n嵌入式微处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller），32位及以上的称为嵌入式微处理器。n微处理器内部仅包含单纯的中央处理器单元称为一般用途型微处理器。将CPU、ROM、RAM及I/O等部件集成到同一个芯片上，称为单芯片微控制器（Single Chip Microcontroller）。n根据用途，可以分为嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统等类型。第34页，本讲稿共65页n1 嵌入式微控制器n嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称为单片机，芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低，可靠性高等特点，约占嵌入式系统市场份额的70。嵌入式微控制器品种和数量很多，典型产品有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68K系列，TI公司的MSP430系列和Motorola公司的68H12系列，以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-BUS、LCD及众多专用嵌入式微控制器和兼容系列。第35页，本讲稿共65页n2嵌入式微处理器n嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用计算机中的CPU发展而来，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一个芯片上。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等。属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有千种以上。n（1）ARM系列系列nARM（Advanced RISC Machine）公司的ARM微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了7种不同的版本。从版本1到版本7，ARM体系的指令集功能不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。表1.3.1给出了ARM体系结构各版本的特点。n目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。第36页，本讲稿共65页ARM微处理器特点n小体积，低功耗，低成本，高性能n支持Thumb/ARM双指令集，能很好的兼容8位/16位器件n大量使用寄存器，指令执行速度更快n大部分数据操作都在寄存器中完成n寻址方式灵活，简单，执行效率高n指令长度固定第37页，本讲稿共65页版本ARM处理器系列特点ARMv1ARM1该版体系结构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。基本性能：基本的数据处理指令（无乘法）26位寻址ARMv2ARM2和ARM3该版体系结构对ARMv1版进行了扩展，版本ARMv2a是v2版的变种，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加了以下功能：32位乘法和乘加指令 支持32位协处理器操作指令 快速中断模式表1.3.1 ARM体系结构版本及特点第38页，本讲稿共65页ARMv3ARMv3MARM6、ARM7DI、ARM7MARMv3版体系结构对ARM体系结构作了较大的改动：寻址空间增至32位（4GB）独立的当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR，保存程序异常中断时的程序状态，以便于对异常的处 增加了异常中断（Abort）和未定义两种处理器模式 增加了MMU支持 ARMv3M增加了有符号和无符号长乘法指令ARMv4 ARMv4TStrongARM、ARM7TDMI、ARM9TARMv4版体系结构是目前应用最广的ARM体系结构，在v3版上作了进一步扩充，指令集中增加了以下功能：增加了系统模式 增加了16位Thumb指令集 完善了软件中断SWI指令的功能 不再支持26位寻址模式第39页，本讲稿共65页ARMv5TEARMv5TEJARM9E、ARM10E、Xscale、ARM7EJ、ARM926EJARMv5版体系结构在ARMv4版基础上增加了一些新的指令，包括：增加ARM与Thumb状态之间切换的指令 增强乘法指令和快速乘累加指令 增加了数字信号处理指令（ARMv5TE版）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版体系结构是2001年发布的，首先在ARM11处理器中使用。此体系结构在ARMv5版基础上增加了以下功能：Thumb-2 增强代码密度 SIMD 增强媒体和数字处理功能 TrustZone 提供增强的安全性能 IEM 提供增强的功耗管理功能第40页，本讲稿共65页ARMv7Cortex系列ARMv7版体系结构定义了3种不同的微处理器系列：A系列为面向应用的微处理器核，支持复杂操作系统和用户应用 R系列为深度嵌入的微处理器核，针对实时系统应用 M系列为微控制核，针对成本敏感的嵌入式控制应用第41页，本讲稿共65页ARM微处理器的应用选型n系统的工作频率n芯片内存的容量n片内外围电路的选择第42页，本讲稿共65页n（2）MIPS系列系列n美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一种RISC处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。n从20世纪80年代初期MIPS处理器发明到现在的这20多年里，MIPS处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播放等广泛的领域。n和ARM公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必须得到MIPS公司的许可。第43页，本讲稿共65页n（3）PowerPCnPowerPC是Freescale（原Motorola）公司的产品。PowerPC RISC处理器采用了超标量处理器设计和调整内存缓冲器，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的指令数比CISC处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。nPowerPC内核采用独特分支处理单元可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。这种内存分层和内存管理设计，令系统的内存访问性能非常接近调整内存，但其成本却与低速内存相近。而且PowerPC还引入了独立的分支处理器来进一步解决这个问题，这个处理单元在读入指令队列后，会找出其中的跳转指令，然后预取跳转指令所指向的新的内存地址的指令，这样就大大提高了指令预取的效率。第44页，本讲稿共65页n3 嵌入式DSP处理器n嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的CPU还快1050倍。第45页，本讲稿共65页目录n1.1嵌入式系统的基本概念n1.2嵌入式系统的组成结构n1.3嵌入式处理器n1.4嵌入式操作系统第46页，本讲稿共65页1.4嵌入式操作系统n嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统具有操作系统的最基本的功能统具有操作系统的最基本的功能：n 进程调度进程调度n 内存管理内存管理n 设备管理设备管理n 文件管理文件管理n 操作系统接口操作系统接口(API调用调用)n 中断管理中断管理n嵌入式操作系统具有的特点嵌入式操作系统具有的特点:n 系统可裁减系统可裁减,可配置可配置.n 系统具有一定的实时性系统具有一定的实时性第47页，本讲稿共65页n1 实时系统nRTOS（Real-time operating system，实时系统），是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。RTOS的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。nRTOS与通用计算机系统不同，要求系统中的任务不但执行结果要正确，而且必须在一定的时间约束（Deadline）内完成。在RTOS中，一个逻辑上正确的计算结果，若其产生的时间晚于某个规定的时间，那么也认为系统的行为是不正确的。第48页，本讲稿共65页n2RTOS特点特点n（1）约束性nRTOS任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。nRTOS的任务具有时间约束性。时间约束是任何RTOS都固有的约束。时间约束性可分为“硬实时”和“软实时”。硬实时是指在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，时间要求必须能够得到完全满足，否则将造成不可预计的结果。软实时通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，有时间约束要求，但偶尔违反不会造成严重影响。n资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的第49页，本讲稿共65页n资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。n执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束。例如，在分布式端到端（end-to-end）实时系统中，同一任务的各子任务之间存在前驱后继约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度性要求。n性能约束是指必须满足如可靠性、可用性、可预测性、服务质量（Quality of Service，QoS）等性能指标。n（2）可预测性n可预测性是指RTOS完成实时任务所需要的执行时间应是可知的。可预测性是RTOS的一项重要性能要求。可预测性包括硬件时延的可预测性和软件系统的可预测性（包括应用程序的响应时间是可预测的，以及操作系统的可预测性）。在多种任务型RTOS中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。第50页，本讲稿共65页n多种类型任务的混合，使系统的可调度性、可预测性分析更加困难。n（3）可靠性n大多数RTOS要求有较高的可靠性，要求系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性是RTOS的重要性能指标。n（4）交互性n外部环境是RTOS不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控子系统，两者相互作用构成完整的实时系统。嵌入式计算机系统一般作为控制系统，必须在规定的时间内对被控子系统请求做出反应。被控子系统也必须能够正常工作或准备对任何异常行为采取动作。第51页，本讲稿共65页常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统VxWorksC/OSC/OS-Windows CE嵌入式嵌入式LinuxPalmOS QNXDelta OS Hopen OSpSOS第52页，本讲稿共65页v VxWorksnVxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于19831983年设计年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），具有良好），具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。地。nVxWorksVxWorks所具有的显著特点是：所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。可靠性、实时性和可裁减性。它支持多种处理器，如它支持多种处理器，如x86x86、i960i960、Sun SparcSun Sparc、Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS、POWER PCPOWER PC等等。等等。n以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，军事、航空航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如火星探测器（如火星探测器（19971997年年7 7月月4 4日登陆火星表面）。日登陆火星表面）。第53页，本讲稿共65页VxWorks的应用n应用于通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等nF-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机、爱国者导弹、火星探测器.第54页，本讲稿共65页vC/OSC/OS和和C/OS-C/OS-n C/OSMicro Controller O Sn C/OSC/OS简介简介n美国人美国人Jean Labrosse 1992Jean Labrosse 1992年完成，已应用于数百种产品中。年完成，已应用于数百种产品中。n应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 n19981998年年 C/OSC/OS-II-II，目前的版本，目前的版本 C/OSC/OS-II V2.72-II V2.72n20002000年，得到美国航空管理局（年，得到美国航空管理局（FAAFAA）的认证，可以用于飞行）的认证，可以用于飞行器中器中n是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先式的是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSI CANSI C写的，移写的，移植性好。高校教学可免费使用。植性好。高校教学可免费使用。第55页，本讲稿共65页v Windows CEWindows CEnWindows CEWindows CE：一种针对小容量、移动式、智能化、：一种针对小容量、移动式、智能化、3232位、连接位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩减的设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩减的Win95Win95）n针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，属于软实时操作系统，丰富的操作系统平台，属于软实时操作系统，n由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。可以使用大多数背景，界面比较统一认可。可以使用大多数WindowsWindows开发开发工具（如工具（如VBVB，VCVC等），大多数等），大多数WindowsWindows应用程序经过移植后就可以运行应用程序经过移植后就可以运行在在WinCEWinCE平台上。平台上。n操作系统的基本内核需要至少操作系统的基本内核需要至少200K200K的的ROMROM。nWinCE 3.0之前是软实时系统，WinCE 4.0之后变为硬实时系统n全称是Windows Compact Edition（紧缩版）第56页，本讲稿共65页第57页，本讲稿共65页v 嵌入式嵌入式LinuxLinuxnLinuxLinux是开放源码和免费使用的，遍布全球的众多是开放源码和免费使用的，遍布全球的众多LinuxLinux爱好者又爱好者又是是LinuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术后盾。n嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过小型化裁剪后，能经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百够固化在容量只有几百K K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用应用于特定嵌入式场合的专用LinuxLinux操作系统。嵌入式操作系统。嵌入式LinuxLinux的开发的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinuxRTLinux和和 CLinuxCLinuxnLinuxLinux的内核小、功能强大、的内核小、功能强大、APIAPI丰富，系统健壮、效率高，易于定丰富，系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。制剪裁，在价格上极具竞争力。nLinuxLinux不仅支持不仅支持x86 CPUx86 CPU，还可以支持其他数十种，还可以支持其他数十种CPUCPU芯片。芯片。n近几年近几年LinuxLinux在嵌入式领域异军突起，过去的一年中有在嵌入式领域异军突起，过去的一年中有13%13%的用的用户已经开始使用嵌入式户已经开始使用嵌入式LinuxLinux系统进行开发工作；有系统进行开发工作；有52%52%的用户的用户决定在未来决定在未来2424个月内开始使用个月内开始使用LinuxLinux作为嵌入式操作系统的开作为嵌入式操作系统的开发原型。发原型。第58页，本讲稿共65页v ClinuxClinux第59页，本讲稿共65页v PalmOSPalmOSnPalm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3COM3COM旗下的旗下的Palm ComputingPalm Computing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。nPalm OSPalm OS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，充分考虑到是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，充分考虑到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以了掌上电脑内存相对较小的情况，所以PalmPalm操作系统本身所占操作系统本身所占的内存很小，基于的内存很小，基于PalmPalm操作系统编写的应用程序所占的空间也操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十很小，通常只有几十KBKB，因此基于，因此基于PalmPalm操作系统的掌上电脑虽操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。nPalm OSPalm OS在在PDAPDA市场上占有很大的市场份额，目前主要与市场上占有很大的市场份额，目前主要与WIN CEWIN CE进进行激烈竞争。行激烈竞争。n代表性的产品有代表性的产品有Palm m505Palm m505、Palm m500Pal