ARM教学系统-01 嵌入式系统概述.ppt

《ARM教学系统-01 嵌入式系统概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ARM教学系统-01 嵌入式系统概述.ppt（86页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1嵌入式微机系统及应用嵌入式微机系统及应用2008年年2 l参考教材参考教材:1、英英SteveFurber著著.ARMSoC体系结构体系结构ARMSystem-on-ChipArchitecture.北京航空航天大学出版社，北京航空航天大学出版社，2002年年2、杜春雷、杜春雷编著编著.ARM体系结构与编程体系结构与编程.清华大学出版社，清华大学出版社，2003年年3、吴明辉主编、吴明辉主编.基于基于ARM的嵌入式系统开发与应用的嵌入式系统开发与应用.人民邮电出版社，人民邮电出版社，2004年年4、JeanJ.Labrosse著著.嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统uC/OS(第第2版版)

2、.北京航空航天大北京航空航天大学出版社，学出版社，2003年年l实验教材：实验教材：1、陈赜主编、陈赜主编ARM嵌入式技术实践教程北京航空航天大学出版社，嵌入式技术实践教程北京航空航天大学出版社，2005年年3 1、电子技术基础（模、数）、电子技术基础（模、数）2、微机原理及接口技术、微机原理及接口技术3、C程序设计程序设计预备知识预备知识4嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义嵌入式系统概述嵌入式系统概述嵌入式操作系统嵌入式操作系统硬件基础硬件基础应用领域应用领域 嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势1 12 24 43 35 55一、嵌入式系统的定义一、嵌入式系统的定义发展历史发展历史嵌入式

3、系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和和一个一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。替发展的双螺旋式发展。第一款微处理器是第一款微处理器是Intel的的4004，它出现在，它出现在1971年，然后是是年，然后是是Intel公司的公司的8048，它出现在，它出现在1976年。年。Motorola同时推出了同时推出了68HC05，Zilog公司推出了公司推出

4、了Z80系列，这些早期的单片机均含有系列，这些早期的单片机均含有256字节的字节的RAM、4K的的ROM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、两个两个16位定位定时时器。器。之后在之后在80年代初，年代初，Intel又进一步完善了又进一步完善了8048，在它的基础上，在它的基础上研制成功了研制成功了8051。61981年年ReadySystem发展了世界上第发展了世界上第1个商业嵌入式实个商业嵌入式实时内核（时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理务管理、任务间通

5、讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。等功能。随后，出现了如随后，出现了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的的PS/OS、IMG的的VxWorks、QNX公司的公司的QNX等，等，PalmOS，WinCE，嵌入式，嵌入式Linux、Lynx、uC/OS、Nucleus，以及国，以及国内的内的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系统。等嵌入式操作系统。今天今天RTOS已经在全球形成了已经在全球形成了1个产业，根据美国个产业，根据美国EMF（电子市场分析）报告，（电子市场分析）报告，1999年全球年全球RTOS市场产值达市场产值达3.6亿亿美元，而相关

6、的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。亿美元。7IEEEIEEE定义定义 根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。）

7、。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。8一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基础、为中心、以计算机技术为基础、软软件硬件可裁剪件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求功耗严格要求的的专用专用计算机系统。计算机系统。”9嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1）系统内核小）系统内核小由由于于嵌嵌入入式式系系统统一一般般是是应应用用于于小小型型电电子子装装置置的的，系系统统资资源源相相对对

8、有有限限，所所以以内内核核较较之之传传统统的的操操作作系系统统要要小得多。小得多。10（）专用性强（）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，更改，程序的编译下载要和系统相结合，这

9、种修改这种修改和通用软件的和通用软件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。11（）系统精简（）系统精简嵌嵌入入式式系系统统一一般般没没有有系系统统软软件件和和应应用用软软件件的的明明显显区区分分，不不要要求求其其功功能能设设计计及及实实现现上上过过于于复复杂杂，这这样样一一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（）高实时性（）高实时性OS这这是是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。实时性

10、。12（5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化嵌嵌入入式式系系统统的的应应用用程程序序可可以以没没有有操操作作系系统统直直接接在在芯片上运行。芯片上运行。为为了了合合理理地地调调度度多多任任务务、利利用用系系统统资资源源、系系统统函函数数以以及及和和专专家家库库函函数数接接口口，用用户户必必须须自自行行选选配配RTOS（RealTime Operating System）开开发发平平台台，这这样样才才能能保保证证程程序序执执行行的的实实时时性性、可可靠靠性性，并并减减少少开开发时间，保障软件质量。发时间，保障软件质量。13（6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境）嵌入式系统开发需

11、要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交

12、替结合进行。执行机，开发时需要交替结合进行。14嵌入式系统与嵌入式系统与PCPC之间的区别之间的区别嵌入式系统一般是专用系统，而嵌入式系统一般是专用系统，而PCPC是通用计算平台是通用计算平台嵌入式系统的资源比嵌入式系统的资源比PCPC少得多少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比嵌入式系统软件故障带来的后果比PCPC机大得多机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具嵌入式系统需要专用的开发工具15典型嵌入式系统基

13、本组成硬件典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设16典型嵌入式系统基本组成软件典型嵌入式系统基本组成软件输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构17l嵌入式系统一般指非嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部系统，它包括硬件和软件两部分。分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和和IO端口、图形控制器等。端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（软件部分包括操作系统软件（OS

14、）（要求实时和）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。控制着应用程序编程与硬件的交互作用。18嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下具备以下4个特点：个特点：1、对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短、对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码

15、和实时内核心的执行时间减的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。少到最低限度。2、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。性能的嵌入式微处理器。4、

16、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有需要功耗只有mW甚至甚至W级。级。19l嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器嵌入式处理器可编程片上系统可编程片上系统SOPC嵌入式片上系统嵌入式片上系统SOC嵌入式微处理器嵌入式微处理器MPU嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器DSP嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU20l从单片机、从单片机、DSP到到FPGA，品种越来越多，速度越来越快，性，品种越来越多，速度

17、越来越快，性能越来越强，价格越来越低。能越来越强，价格越来越低。嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（MicroControllerUnit,MCU）总线宽度一般为总线宽度一般为4位、位、8位或位或16位，处理速度有限，一般位，处理速度有限，一般在几个在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。更难。嵌入式微控制器的典型代表就是单片机。嵌入式微控制器的典型代表就是单片机。嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构处理器是专门用于信号处理方面的处理器，

18、其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、频谱分频谱分析等各种仪器上析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。DSP是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控是运算密集处理器，一般用在快速执行算法，做控制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核制比较困难。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。心代码使用汇编。21嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit,MPU）MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，演变而

19、来的，其中其中ARM/StrongARM是专为手持设备开发的嵌入式处理器，属于中档的价位是专为手持设备开发的嵌入式处理器，属于中档的价位。嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SystemonChip，SOC）它是它是IC设计的发展趋势。采用设计的发展趋势。采用SOC设计技术，可以大幅度地提高系统的设计技术，可以大幅度地提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。格比。SOC芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒芯片已经成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用及军用

20、电子系统性能的核心器件。体应用及军用电子系统性能的核心器件。嵌入式可编程片上系统（嵌入式可编程片上系统（SystemonChip，SOPC）它是一种特殊的嵌入式系统：它是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（首先它是片上系统（SOC），），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。级，并具备软硬件在系统可编程的功能。22 SOPC SOPC结合了结合了SOCSOC和和PLDPLD、FPGAFPGA

21、各自的优点，一般具备以下基本特征：各自的优点，一般具备以下基本特征：l至少包含一个嵌入式处理器内核；至少包含一个嵌入式处理器内核；l具有小容量片内高速具有小容量片内高速RAMRAM资源；资源；l丰富的丰富的IP CoreIP Core资源可供选择；资源可供选择；l足够的片上可编程逻辑资源；足够的片上可编程逻辑资源；l 处理器调试接口和处理器调试接口和FPGAFPGA编程接口；编程接口；l可能包含部分可编程模拟电路；可能包含部分可编程模拟电路；l单芯片、低功耗、微封装。单芯片、低功耗、微封装。23SOPCSOPC的技术内容的技术内容l SOPCSOPC设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，

22、除了以处理器和设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统（实时多任务操作系统（RTOSRTOS）为中心的软件设计技术、以）为中心的软件设计技术、以PCBPCB和信号完整性和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，分析为基础的高速电路设计技术以外，SOPCSOPC还涉及目前以引起普遍关注的还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。由于软硬件协同设计技术。由于SOPCSOPC的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而进行，而BGABGA封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻封装已被广泛应用在微封装领域中

23、，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真辑分析仪和数字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如也已不断涌现出来，如XilinxXilinx公司的片内逻辑分析仪公司的片内逻辑分析仪Chip Scope ILAChip Scope ILA就是就是一种价廉物美的片内实时调试工具。一种价廉物美的片内实时调试工具。SOPCSOPC的前景的前景l SOPCSOPC是是PLDPLD和和ASICASIC技术

24、融合的结果，目前技术融合的结果，目前0.130.13微米的微米的ASICASIC产品制造价格产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPUCPU、DSPDSP、存储器、外围、存储器、外围I/OI/O及可及可编程逻辑的编程逻辑的SOPCSOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。SOPCSOPC被称为被称为“半导体产业的未来半导体产业的未来”。24l实时操作系统实时操作系统 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制

25、任务，着眼于时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。25系统响应时间（系统响应时间（System response timeSystem response time）：）：系统发出处理要求，到系统给出应答信号的时间。系统发出处理要求，到系统给出应答信号的时间。任务切换时间（任务切换时间（Context-switching timeContext-switching time）：）：任务之间切换而使用的时间。任务之间切换而使用的时间。中断延迟（中断延迟（Interrupt latenc

26、yInterrupt latency）：）：计计算算机机接接收收到到中中断断信信号号到到操操作作系系统统作作出出响响应应，并并完完成成切切换换转转入入中中断服务程序的时间。断服务程序的时间。26l冯冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构lCISC(ComplexInstructionSetComputer)与与RISC(ReducedInstructionSetComputer)l影响影响CPU性能的因素性能的因素l存储器系统存储器系统lI/O接口接口二、硬件基础二、硬件基础27冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入

27、输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据228指令的执行周期指令的执行周期T T1）取指令（）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（）指令译码（InstructionDecode）：）：TD3）执行指令（）执行指令（InstructionExecute）：）：TE4）存储（）存储（Storage）：）：TS每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS29冯冯诺依曼体系的特点诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在存储器中）数据与指令都存储在存储器中2）被大多

28、数计算机所采用）被大多数计算机所采用3）ARM7冯诺依曼体系冯诺依曼体系30哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据31哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构是哈佛结构32C

29、ISCCISC和和RISCRISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式大多数程序只使用少量的指令就能够运行大多数程序只使用少量的指令就能够运行8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令RISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 33

30、CISCCISC与与RISCRISC的数据通道的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道取指取指指令译码指令译码取指取指指令译码指令译码CISC：RISC：34影响影响CPUCPU性能的因素：流水线、超标量和缓存性能的因素：流水线、超标量和缓存 流水线技术：几个指令可以并行执行流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp35超标量执行超标量执行超标量执行：超标量超标量执行：超标量CPU采用

31、多条流水线结构采用多条流水线结构 执行1预取指令Cache译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流水线1流水线2数据36高速缓存（高速缓存（CacheCache）1、为什么采用高速缓存、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址37存储器系统存储器系统RAM：

32、随机存取存储器：随机存取存储器 SRAM：静态随机存储器：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器：动态随机存储器 1）SRAM比比DRAM快快 2）SRAM比比DRAM耗电多耗电多 3）DRAM存储密度比存储密度比SRAM高得多高得多 4）DRAM需要周期性刷新需要周期性刷新ROM：只读存储器：只读存储器FLASH：闪存：闪存38SRAMSRAM和和DRAMDRAM1）SRAM2）DRAMCSR/WAddrDataCSR/WCASDataRASAddr39输入输出接口输入输出接口1）I/O2）A/D、D/A3）键盘）键盘4）LED、LCD5）存储器接口）存储器接口6）设备接口）设备接口40三

33、、嵌入式操作系统三、嵌入式操作系统l操作系统的分类操作系统的分类l嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统l多任务，任务优先级，调度多任务，任务优先级，调度l前台与后台前台与后台l非占先式与占先式、可重入型函数非占先式与占先式、可重入型函数41 操作系统的分类操作系统的分类（1）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占）顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操操作系统。作系统。（2）分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把）分时操作系统

34、：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX（3）实时操作系统：系统内有多个任务运行，每个任务有不同的优先级，）实时操作系统：系统内有多个任务运行，每个任务有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。的控制权。42具有强实时特点的嵌入式操作系统具有强实时特点的嵌入式操作系统具有弱实特点的嵌入式操作系统具有弱实特点的嵌入式操作系统没有实时特点的嵌入式操作系统没有实时特点的嵌入式操作系统按实时性分类按实时性分类431.强实时系统，其系统响应

35、时间在毫秒或微秒强实时系统，其系统响应时间在毫秒或微秒级级（数控机床）（数控机床）；2.一般实时系统，其系统响应时间在毫秒几一般实时系统，其系统响应时间在毫秒几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些一些（电子菜谱的查询）。（电子菜谱的查询）。3.弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或弱实时系统，其系统响应时间约为数十秒或更长更长（工程机械）（工程机械）。441、循环轮询系统：（、循环轮询系统：（PollingLoop）最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条最简单的软件结构是循环轮询，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦

36、条件成立就进行相应的处理。件，一旦条件成立就进行相应的处理。Initialize()While(true)if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();if(condition_n)action_n();按软件结构分类按软件结构分类452、事件驱动系统：（、事件驱动系统：（Event-Drivensystem）事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台、实时事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。它包括前后台、实时多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。多任务、多处理器等，是嵌入式实时系统的主要形式。应用程序是一个

37、无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为（这部分可以看成后台行为（background）。中断服务程序处理异步事件，）。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为（这部分可以看成前台行为（foreground)。后台也可以叫做后台也可以叫做任务级任务级，前台也叫，前台也叫中断级中断级。例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如例如，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，如微波炉、微波炉、电电话机、玩具等。从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有的事话机、玩具等。从省电的角度出发

38、，平时微处理器处在停机状态，所有的事都靠中断服务来完成。都靠中断服务来完成。46前后台系统（后台循环、前台中断）前后台系统（后台循环、前台中断）ISRISR后台后台 前台前台ISR时间时间47 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统实时操作系统的特点：实时操作系统的特点：1、多任务、多任务CPU寄存器寄存器任务任务控制控制块块1任务任务控制控制块块2任务任务控制控制块块n休眠、就绪、运行、挂起、被中断休眠、就绪、运行、挂起、被中断任务任务1任务任务2任务任务nCPU寄存器寄存器48一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行程序。一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行程序。每个任务都是整个应用

39、的某一部分，每个任务被赋予一定的优每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，先级，有它自己的一套有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。寄存器和自己的栈空间。多任务运行的实现实际上是靠多任务运行的实现实际上是靠CPU（中央处理单元）在（中央处理单元）在许多任务之间转换、调度。许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多任务运行使任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。块化。在实际应用中，多任务的最大特点是，开发人员可以将在实际应用中，多任务的最

40、大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化综合实验（时钟、位图、很复杂的应用程序层次化综合实验（时钟、位图、USB、KEY）。）。49任务任务实时任务实时任务非实时任务非实时任务事件驱动事件驱动时间驱动时间驱动内部事件：运算结果、设备请求等内部事件：运算结果、设备请求等外部事件：开关量输入等外部事件：开关量输入等绝对时间驱动绝对时间驱动相对时间驱动相对时间驱动2、任务的事件驱动、任务的事件驱动503、中断与中断优先级、中断与中断优先级CPU中断控制器1中断控制器2外部事件514、同步与异步、同步与异步 一系列时间相关事件称为同步事件，驱动的任务为同步任务一系列时间相关事件称为同步事件，驱动

41、的任务为同步任务 随机发生的事件称为异步事件，驱动的任务为异步任务，如中断随机发生的事件称为异步事件，驱动的任务为异步任务，如中断525、资源与临界资源、资源与临界资源程序进行时可使用的软硬件环境称为程序进行时可使用的软硬件环境称为资源资源，2个以上任务可同时访问的共个以上任务可同时访问的共享资源称为享资源称为临界资源临界资源。任何任务所占用的实体都可称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打任何任务所占用的实体都可称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示器，资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。印机、键盘、显示器，资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。任务1共享内存

42、任务2任务N536、容错与安全、容错与安全 容错：当系统软、硬件发生故障时，系统仍能正常运转，容错：当系统软、硬件发生故障时，系统仍能正常运转，完成预定的任务或某些重要的不允许间断的任务。包括系统完成预定的任务或某些重要的不允许间断的任务。包括系统自论断、自恢复、自动切换等功能。自论断、自恢复、自动切换等功能。安全性：是指系统对自身文件和用户文件的存取合法性的安全性：是指系统对自身文件和用户文件的存取合法性的控制。如口令、加密。控制。如口令、加密。54实时系统是实时系统是面向具体应用面向具体应用，对外来事件在限定时间内能做出反应的，对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。限定时间的范围很广可以

43、系统。限定时间的范围很广可以从微秒级（如信号处理）到分级（如联机查从微秒级（如信号处理）到分级（如联机查询系统）。询系统）。在实时系统中主要有三个指标来衡量系统的实时性，即响应时间在实时系统中主要有三个指标来衡量系统的实时性，即响应时间（ResponseTime）、生存时间（）、生存时间（SurvivalTime）、吞吐量）、吞吐量（Throughput）。）。响应时间（响应时间（ResponseTime）：是计算机识别一个外部事件到作出）：是计算机识别一个外部事件到作出响应的时间，在控制应用中它是最重要的指标，如果事件不能及时的处理，响应的时间，在控制应用中它是最重要的指标，如果事件不能及时

44、的处理，系统可能就会崩溃。系统可能就会崩溃。生存时间生存时间（SurvivalTime）：是数据有效等待时间，在这段时间里）：是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。数据是有效的。吞吐量吞吐量（Throughput）：是在一给定时间内（秒），系统可以处理）：是在一给定时间内（秒），系统可以处理的事件总数。例如通讯控制器用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量，吞吐量的事件总数。例如通讯控制器用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量，吞吐量是平均响应时间的倒数。是平均响应时间的倒数。实时系统的评价指标实时系统的评价指标55系统内核系统内核多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配多任务系统中

45、，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。内核本身也增加了应用程序的额外内核提供的基本服务是任务切换。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加负荷，代码空间增加ROM用量，内核本身的数据结构增加了用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量。的用量。内核本身对内核本身对CPU的占用时间一般在的占用时间一般在2到到5个百分点之间。个百分点之间。56这是操作系统的主要职责之一，它决定该轮到这是操作系统的主要职责之一，它决定该轮到哪个任务运行了。哪个任务运行了。往往调度是基于优先级的，根据其重要不

46、同被赋往往调度是基于优先级的，根据其重要不同被赋予任务不同的优先级。予任务不同的优先级。CPU总是让处在就绪态的优总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。先级最高的任务先运行。何时让高优先级任务掌握何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非是非占先式的还是占先式占先式的还是占先式的内核。的内核。调度（调度（dispatcherdispatcher）57 任务优先级任务优先级(priority)(priority)每个任务都有其优先级（每个任务都有其优先级（priority），静态优先），静态

47、优先级和动态优先级。级和动态优先级。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。它们的时间约束在程序编译时是已知的。应用程序执行过程中，如果任务的优先级是可变应用程序执行过程中，如果任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级的，则称之为动态优先级.58非占先式与占先式非占先式与占先式非占先式（非占先式（non-preemptive）非占先式调度法也称作合作型多任务（非占先式调度法也称作合作型多任务（cooperativemultita

48、sking），各个），各个任务彼此合作共享一个任务彼此合作共享一个CPU。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到改任务主动放弃务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到改任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。的使用权。非占先式内核的非占先式内核的一个特点一个特点是几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着是几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有的任务占有CPU，而不必担心

49、被别的任务抢占。，而不必担心被别的任务抢占。非占先式内核的非占先式内核的最大缺陷最大缺陷在于其响应高优先级的任务慢，任务已经进入就在于其响应高优先级的任务慢，任务已经进入就绪态，但还不能运行，也许要等很时间，直到当前运行着的任务释放绪态，但还不能运行，也许要等很时间，直到当前运行着的任务释放CPU。内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务。内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到才能拿到CPU的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放CPU。59非占先式非占先式(Non-Preemptive)(Non-P

50、reemptive)低优先级任务低优先级任务ISR高优先级任务高优先级任务（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）中断服务程序使中断服务程序使高优先级任务就绪高优先级任务就绪低优先级任务释放低优先级任务释放CPU使用权使用权TIME60占先式（占先式（preemptive）当系统响应时间很重要时，要使用占先式当系统响应时间很重要时，要使用占先式（preemptive）内核。最高优先级的任务一旦就绪，）内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到总能得到CPU的控制权。的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的进入了就绪态