（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式μcosⅡ在omap中的移植及应用研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 中文摘要 随着计算机和通信技术的快速发展，嵌入式系统以其简洁、高效等优点 越来越多地受到人们的广泛关注。嵌入式产品己经成为了信息产业的主流， 被广泛应用于移动计算设备、网络设备、工控设备、信息家电、汽车电子、 娱乐设施、仪器仪表等领域。嵌入式操作系统的系统软件移植技术的研究也 就越来越成为嵌入式开发中的一个至关重要的问题，其中一个非常重要的步 骤，就是操作系统在微处理器上的移植。 本课题正是在这样的背景下提出的。课题选用的是源代码公开的实时操 作系统g c o s - i i 。此操作系统移植性好，易剪裁，属于可剥夺的实时多线程 内核，而且源代码公开，但是它仅仅是提供r t o s 的实时内核，必须基于g c o s 内核移植到目标硬件平台上才具有的真正实用价值。实际上，自1 9 9 2 年起， 心o s _ i i 已经被移植到4 0 多种处理器架构中，从8 位到6 4 位的各种c p u ， 包括若干种单片机、a r m 和d s p 。到目前为止，一款真正的为d s p o m a p 器件专门开发的廉价的开放形式的嵌入式实时操作系统还很少见到。如果将 d s p o m a p 器件的高性能和嵌入式操作系统g c o s - i i 的简便性及易于开发 性结合起来，那么p c o s - i i 在嵌入式系统领域必将会有广阔的发展空间。 本文的重点便是实时操作系统p c o s - i i 在o m a p 5 9 1 0 微处理器上的移植及 系统测试。 论文共分五部分：第一部分阐述了嵌入式系统的历史、现状、发展方向 和一些基本概念，同时简单介绍了选择实时操作系统g c o s - i i 的理由；第 二部分针对g c o s - i i 的体系结构与内核结构及内核运行方式进行了深入分 析。同时着重分析了u c o s - i i 的特点、内核、任务管理等；第三部分阐述 了对实时操作系统p c o s - u 的改进。其中主要阐述了调度算法的改进和任 务堆栈的改进；第四部分对硬件平台进行了设计。主要阐述了以o m a p 5 9 1 0 为核心的液晶显示接口电路的设计；第五部分主要阐述了p c o s - i i 在 o m a p 5 9 1 0 微处理器上的移植过程。首先简单阐述了移植的一般方法和步骤 并对o m a p 5 9 1 0 微处理器做了简单介绍及p c o s - i i 在o m a p 5 9 1 0 微处理 器上移植的可行性分析，接着详细阐述了针对o m a p 5 9 1 0 微处理器的移植。 移植过程主要集中在三个文件的重新编写上：1 个头文件o sc p u h ，1 个汇 编文件o s c p u a s m 和1 个c 代码文件o s c p u c 。文章给出了相关函数的 山东师范大学硕士学位论文 模型和源代码，并附上注释和详细说明。移植完成后，本文将设计应用程序 对移植后的系统进行测试，以保证系统能正常运行。第六部分对图形用户界 面g c g u i 做了介绍，并简单介绍了嵌入的一般方法。 关键字： g c o s - i i ，o m a p 5 9 1 0 ，移植，嵌入式系统 i i 山东师范大学硕士学位论文 t r a n s p l a n ta n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m l a c o s - i io no m a p 5 9 1 0 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t ea n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o _ l o g y ，t h e e m b e d d e ds y s t e mr e c e i v e sm o r ea n dm o r ep e o p l e se x t e n s i v en o t i c e i th a saf e w o f v i r t u e ，f o re x a m p l e ，s u c c i n c t ，h i 曲一e f f i c i e n te t c a tt h es a m et i m ee m b e d d e d p r o d u c t sh a st u r n e di n t ot h em a i n s t r e a mo fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，w h i c hh a sb e e n w i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d s ， s u c ha sm o b i l ec o m p u t i n gd e v i c e ，n e t w o r k d e v i c e ，i n d u s t r i a ld e v i c e ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ， a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ， a m u s e m e n te s t a b l i s h m e n t ， a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s ， e t c d e v e l o p i n ga l l e m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a mn e e de m b e d d e dh a r d w a r e ， r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r et 0 0 1 t r a n s p l a n t a t i o nt e c h n o l o g yo fe m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ms o f t w a r eb e c o m e sac r u c i a lp r o b l e m a n dav e r yi m p o r t a n ts t e p i st h ep o r to fa no p e r a t i n gs y s t e mo nt h em i c r o p r o c e s s o r t h i st o p i ci sr a i s e da g a i n s tt h i sb a c k 伊0 u n d a no p e ns o u r c er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mi _ t c o s - i ii ss e l e c t e di nt h i st o p i c t h i so p e r a t i n gs y s t e mi s p o r t a b i l i t y ，a n de a s yt oc u t ， w h i c hc o u l db ed e p r i v e do ft h e i rr e a l t i m e m u l t i t h r e a d e dc o r e s ，a n dt h es o u r c ec o d ei so p e n ，b u ti t o n l yi sar e a l - t i m e c o r e ，w h i c hw o l l l dn o th a v et r u l yu s e f u lv a l u eu n t i li t c o s - i iw a s t r a n s p l a n t e d i n t ot h ea i mh a r d w a r ep l a t f o r m i nf a c t ，s i n c e19 9 2 ，p c o s - i ii st r a n s p l a n t e di n 4 0p r o c e s s o r sf r o m8b i t st o6 4b i t s ， i n c l u d i n gm a n ys i n g l e - c h i p s 、a r ma n d d s p s of a r ，。at r u ed s p - o m a pd e v i c ef o rs p e c i a l i z e dd e v e l o p m e n to ft h eo p e n f o r mo fl o w - c o s te m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi sa l s or a r e l ys e e n i ft h e d s p o m a pd e v i c e sh i g h - p e r f o r m a n c ei sc o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m “c o s i i ss i m p l i c i t ya n de a s yt od e v e l o p t h i st h e s i sl a y sas t r o n g e m p h a s i so nt h ep o r to ft h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ml x c o s - - i io no m a p 5 9 10 m i c r o p r o c e s s o ra n ds y s t e mc o r e t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s ：t h eh i s t o r y ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o n ， t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o na n ds o m eb a s i cc o n c e p t so ft h ee m b e d d e ds y s t e mi s e l a b o r a t e di nt h ef i r s tp a r t ，a n ds i m u l t a n e o u s l y ，i n t r o d u c e dt h ec h o i c er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m t c o s - i ir e a s o ns i m p l y ；t h es e c o n dp a r th a sc a r r i e do nt h e 山东师范大学硕士学位论文 t h o r o u g ha n a l y s i si nv i e wo ft h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ee s s e n c es 缸u c t u r ea n dt h e e s s e n c em o v e m e n tw a yo ft t c o s i i t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ee s s e n c e ，t h et a s k m a n a g e m e n ta n ds oo no fi t c o s i ih a sb e e na n a l y z e de m p h a t i c a l l y ；t h e “r d p a r th a se l a b o r a t e dt h ei m p r o v e m e n to ft h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ml x c o s i i a n dt h ed i s p a t c ha l g o r i t h m si m p r o v e m e n t ，t h ed u t ys t o r e h o u s e si m p r o v e m e n t a n dt h ec l o c km a n a g e m e n ts y s t e mm a n a g e m e n ts y s t e m si m p r o v e m e n ta r em a i n l y e l a b o r a t e d ；t h ef o u r t hp a r th a sc a r d e do nt h ed e s i g nt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，i n w h i c ht h ep r i n c i p a la tt h ec o r eo m a p 5 910l c di n t e r f a c ec i r c u i td e s i g ni sm a i n l y e l a b o r a t e d ；t h ef i f t hp a r te l a b o r a t e sm a i n l yi - t c o s i io nt h eo m a p 5 9 1 0 m i c r o p r o c e s s o r st r a n s p l a n tp r o c e s s f i r s t l yt h et r a n s p l a n tg e n e r a lm e t h o da n dt h e s t e pa n dh a v em a d et h es i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h eo m a p 5 9 10m i c r o p r o c e s s o r a n dl a c o s - i it h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i sw h i c ht r a n s p l a n t so nt h eo m a p 5 910 m i c r o p r o c e s s o ra r ee l a b o r a t e ds i m p l y ，a n d t h e nt h et r a n s p l a n to ft h eo m a p 5 910 m i c r o p r o c e s s o ri se l a b o r a t e di nd e t a i l t h et r a n s p l a n tp r o c e s sm a i n l yc o n c e n t r a t e s t h r e ed o c u m e n t sc o m p i l eo n ：ah e a dd o c u m e n t ( 0 s _ c p u h ) ，a na s s e m b l e d o c u m e n t ( o s c p u a s m ) a n da cc o d ed o c u m e n t ( o sc p u c ) t h ea r t i c l eh a s g i v e nt h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o nm o d e l sa n dt h es o u r c ec o d e s ， a n dt h ea n n o t a t i o n a n dd e t a i l e de x p l a n a t i o na r ee n c l o s e d a f t e rt h et r a n s p l a n ti sf i n i s h e d ，t h i sa r t i c l e w i l ld e s i g nt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r ea f t e rt r a n s p l a n t i n gt h es y s t e mi no r d e rt o c a r r yo nt h et e s t ，t h eg u a r a n t e es y s t e mc a nt h en o r m a lo p e r a t i o n i nt h es i x t h p a r t ，t h ei n s e r t i n gg e n e r a lm e t h o do fg c g u ii si n t r o d u c e ds i m p l y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多扈良 导师签字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名墨鸯霞 导师签字： 签字日期：2 0 0 9 年叩月g 日 签字日期：2 0 0 9 年4n f 日 山东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 从二十世纪八十年代早期开始，为了缩短开发周期，从事嵌入式系统的程序员就 开始使用商业级的操作系统编写嵌入式应用软件。1 9 8 1 年r e a d y s y s t e m 开发出世界上 第一个商业级的嵌入式实时内核( v v r x 3 2 ) ，此后一些公司分别推出了自己的嵌入式 操作系统，例如i n t e g r a n t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和w i n d r i v e r 的 v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等。9 0 年代以后随着对实时性要求的提高，软件规模 的不断上升，实时内核逐渐发展成为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件 平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。目前现有的r t o s 的种类很多，大体上可 以分为两种。第一种是商用型的r t o s 。商用型的r t o s 功能稳定、有比较完善的技 术支持和售后服务，如v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、p s o s 、l y n x o s 等陀1 。但其价格昂贵， 一般要数十万元，而且开发软件使用相当复杂，需要专门培训。特别是上述这些r t o s 软件都是不提供源代码的，也就是所谓的“黑盒子”，这就大大的制约了其在某些领域 的应用、移植和优化，也不利于我国具有自主知识产权软件产品的开发，再加上这些 嵌入式操作系统主要是针对单片机和微处理器微控制器开发的，很多地方并不适应 o m a p 器件的特点，比如缺少高质量的图形显示接口等。另外一种是源码公开的 r t o s ，如l i n u x 和i _ t c o s ，它们不仅源码是公开的，而且其内核小、效率高、移植 方便2 1 。这对于自主产权软件的开发是非常有利的。由于“n u ) 【主要是针对无m m u 微处理器开发的，而且其是分时操作的，因此，在l i n u x 上实现实时多任务功能则是 一个非常棘手的问题。i t c o s 是美国人j e a nl a b r o s s e 在1 9 9 2 年完成的源码公开的实 时嵌入式内核，其性能安全可以与商业产品竞争。1 9 9 8 年出现了目前的版本i t c o s i i v 2 6 2 ，特别是在2 0 0 0 年，得到美国航空管理局( f a a ) 的认证，可以用于飞行器中， 这个r t o s 的健壮性、可靠性和安全性已经得到了广泛的证明。然而，这些免费r t o s 虽然为嵌入式系统提供了很多便利，但是它仅仅是提供r t o s 的实时内核，必须基于 p c o s 内核移植到目标硬件平台上才具有的真正实用价值。自1 9 9 2 年起，肛c o s 已 在全世界从照相机到航空设备等各个领域得到广泛应用。 随着嵌入式系统在各个领域的不断发展，嵌入式操作系统的系统软件移植技术的 研究已成为嵌入式开发中的一个重要问题。实际上，自1 9 9 2 年起，p c o s - i i 已经被 移植到4 0 多种处理器架构中，从8 位到6 4 位的各种c p u ，包括若干种单片机、a r m 山东师范大学硕士学位论文 和d s p ，但是到目前为止，一款真正的为d s p o m a p 器件专门开发的廉价的开放形 式的嵌入式实时操作系统还很少见到。如果将d s p o m a p 器件的高性能和嵌入式操 作系统p c o s - i i 的简便性及易于开发性结合起来，那么i t c o s - i i 在嵌入式系统领 域必将会有广阔的发展空间。利用d s p 核的高性能来完成算法的快速实现，同时又 利用嵌入式在a r m 核中的实时操作系统来管理整个系统的多任务调度和资源管理， 把d s p o m a p 的利用率发挥到最大。因此本文研究内容是具有前沿性的，其意义在 于，通过对嵌入式操作系统基础理论和d s p 器件结构的深入研究，使d s p o m a p 器 件在嵌入式系统中的应用得到有力的推动作用，也使嵌入式操作系统的理论得到新的 发展。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的技术之一，嵌入式系统在于结 合微处理器或微控制器的系统电路与其专属的软件，来达到系统操作效率成本的最高 比。作为实现设备小型化、智能化的重要元素，已经在国防、航空航天、交通、能源、 工业控制、通信以及人们日常生活等各个领域得到了广泛的应用。【1 1 嵌入式系统的层 次结构如图1 1 所示。 用户界面 应用层软件 ( 基本与硬件无关的软件) 操作系统 ( 与硬件相关的软件) 硬件层 图1 - 1 嵌入式系统的层次结构 1 2 1 嵌入式系统的定义及特点 由于嵌入式系统广泛的应用于各个行业和领域，所以并没有一个业界公认的关于 嵌入式系统的准确定义，下面介绍几个有代表性的定义： 根据i e e e ( 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d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) ”。 2 山东师范大学硕士学位论文 以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。心1 这主要是从应用上来定义，由此可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。 通用计算机是一种嵌入式系统，但是同通用计算机相比嵌入式系统又有其特有的 特点t l g l 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有 利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统大多是面向特定应用领域的软硬件综合体。嵌入式系统一般用于特 定的任务和领域，其硬件和软件都必须具有高效性，为此要对其进行量体裁衣，去除 冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力；而通用计算机则是一个通用的计算平台。 嵌入式系统使用的操作系统大多是可以应用于多种类型的处理器，其内容简 洁、易于裁剪、可固化的嵌入式实时操作系统。多种处理器类型和体系结构都可以支 持嵌入式系统。而嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构，而且很多 公司都有自己的嵌入式操作系统，例如i s i 的p s o s 和w i n d r i v e r 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等；而只有少数的处理器类型和体系结构支持通用计算机，而且处理器 掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统要求所使用的操作系统有鲁棒性。鲁棒性就是系统的健壮性。它 是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁 盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁 棒性。所谓“鲁棒性 ，是指控制系统在一定( 结构，大小) 的参数摄动下， 维持某些性能的特性。嵌入式系统一般要求具有容错处理和自动复位功能，特别是 对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而一言，其鲁棒性设计尤其重要。为了提高 执行速度和系统的鲁棒性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本 身中，而不是存贮于磁盘等载体中；而通用计算机就可以没有这么严格的要求。 3 山东师范大学硕士学位论文 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法。嵌入式系统本身不具备自举开发能 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的，必须有一套 开发工具和环境才能进行开发。多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和 开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义、软件与硬件的设计与实现、软件与 硬件集成、产品测试与发布、维护与升级。 嵌入式系统通常极其关注成本。这主要是指系统的成本，特别是量大的消费类 数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。 嵌入式系统具有较长的生命周期。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起， 它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较 长的生命周期。 1 2 2 嵌入式系统的软硬件介绍 由上述嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统是集软件和硬件于一体的综合 体，且软件与硬件是通过中间层紧密集成在一起的。硬件以嵌入式微处理器为核心， 集成r o m 、s d r a m 、a d 、d a 转换器和系统专用的i o 设备；软件包括系统初始 化及驱动代码、嵌入式实时操作系统、文件系统、g u i 、任务管理和应用程序等，这 些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。嵌入式系统的软硬件架构如 图1 2 所示1 13 。 4 驱动器l 传感器1 驱动嚣2机械装置 传摩器2 驱动器n 传感器n 被控对象 功能层 应用程序 文件系统 图形用 任务管理 软件层 户接口 实时操作系统( r t o s l 产 中间层b s p h a l 硬件抽象层极板支持包 。 嵌入式计算机系统； ：，一一一： 图1 2 嵌入式系统的软硬件架构 山东师范大学硕士学位论文 1 2 2 1 嵌入式系统的软件 目前嵌入式系统的软件分类，如图1 - 3 所示。 图1 - 3 嵌入式系统的软件分类 嵌入式系统的软件系统有实时和分时系统之分，实时操作系统是目前嵌入式系统 的主要组成部分，能从硬件方面支持实时控制系统工作；目前分时系统的强项在于多 项任务管理。 1 2 2 2 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统硬件一般包括处理器、存储器、i o 口、外设器件和电源等，其核心部 件是嵌入式处理器。据不完全统计，至u 2 0 0 0 年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超 过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中最为常见的是8 0 5 1 体系。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几 乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部 门。嵌入式处理器的寻址空间范围很广从6 4 k b 到1 6 m b ，处理器速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，集成度也有很大差别常用封装从8 个引脚至u 1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入式 处理器可以分成下面几类。2 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。和工业控制计算机相比，嵌入式 处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须外加存 储器、总线接口、i o 口和各种外设等器件。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外 设等安装在一块电路板上，成为单板计算机。嵌入式微处理器种类繁多目前主要有 a n a l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片 中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、 喇张 融 厂、厂l 时统 时统 实系 分系 ( 式荛刈隘眇系 山东师范大学硕士学位论文 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s h 、r a m 、e p r o m 等各种必要功能模块。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，将所有计算机系统集成 到一块芯片中，其体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是 目前嵌入式系统工业的主流，微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此 称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。 另外还有许多半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 。目 前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编 译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在 大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过 渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 公司的 t m s 3 2 0 系列、m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列、z o r a n 公司的z r 3 4 系列和i n m o s 公司的i m s a 系列等。 嵌入式片上系统( e m b e d d e ds y s t e mo nc h i p ，e s o c ) 随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，将一个较复杂的嵌入式 系统就可以集成在一个芯片上，这就是嵌入式片上系统。和许多其它嵌入式系统外 设一样，各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，成为v l s i 设计中一种 标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应 用系统要完成的功能，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除 个别无法集成的器件如大电阻、大电容、大电感、变压器等极个别元件外，整个嵌入 式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于 减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列 器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a l 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某类 系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是p 1 1 i l i p s 的s m a r t x a ，它将x a 单 片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可 6 山东师范大学硕士学位论文 加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，可用于公众互联网女l i n t e m e t 安全方面。 1 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 就是应用于嵌入式系统的操作系 统，其产品出现于2 0 世纪8 0 年代初。经过2 0 多年的发展，到目前为止国际市场上已经 出现了几十种嵌入式操作系统。嵌入式操作系统一般由内核、嵌入式t c p i p 网络系统 和嵌入式文件系统等组成。内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。 1 3 1 嵌入式操作系统的分类印 从应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为： 面向航空电子的嵌入式操作系统； 面向智能手机的嵌入式操作系统； 面向数字电视的嵌入式操作系统； 面向通信设备的嵌入式操作系统； 面向汽车电子的嵌入式操作系统； 面向工业控制的嵌入式操作系统。 从实时性的角度来看，嵌入式操作系统可以分为： 嵌入式实时操作系统：具有强实时特点，如p c o s i i 、v x w o r k s 、q n x 、n u c l e a r 、 o s e 、d e l t a o s 和各种i t r o n o s 等； 非实时嵌入式操作系统：一般只具有弱实时特点，如w i nc e 、版本众多的嵌入 式l i n u x 和p a l m o s 等。 1 3 2 嵌入式操作系统的基本功能、主要任务及发展趋势u 1 嵌入式操作系统有两个基本功能： 使计算机便于使用； 高效组织和正确使用计算机的资源。 嵌入式操作系统有4 个主要的任务： 任务管理； 任务间通讯与同步； 内存管理； i o 资源管理。 嵌入式操作系统今后的主要发展趋势有以下4 点： 7 山东师范大学硕士学位论文 形成行业的标准。目前一些行业已经开始定义其相关的嵌入式操作系统行业标 准，如汽车电子的0 s e k v d k 、航空电子的a r i n c 6 5 3 等。根据应用的不同要求，今 后不同行业都会定义其嵌入式操作系统的行业标准。 向高可用和高可靠方向发展。采用可靠性保证措施和保证技术开发出稳定可靠 的操作系统，如按照d o 1 7 8 b 标准开发操作系统，并通过其测试。在一些高可用( h i g l l a v a i l a b l e ) 、高可靠( i l i 曲r e l i a b i l i t y ) 的嵌入式操作系统中，利用m m u 技术实现操作系统 与应用程序的隔离，以及应用程序来讲，也可以防止别的应用程序对自己的非法入侵， 避免破坏应用程序自身的运行。 适应不同的嵌入式硬件平台。嵌入式操作系统的体系结构采用分层和模块化结 构或微内核结构。分层和模块化结构将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件 相关层，每层再划分功能模块，这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无关； 而功能的伸缩则集中在模块上，从而确保了系统具有良好的可移植性和可伸缩性。采 用微内核结构，利用其可伸缩的特点适应硬件的发展，便于扩展。 功能丰富。嵌入式操作系统的功能越来越丰富，不仅能提供一些基本的功能， 如内核、网络、g u i 、文件系统和电源管理等，而且还会具有很多新的功能。 同时嵌入式操作系统需具有可剪裁、可配置的特点。只有量体裁衣，去除冗余， 才能更好地发挥嵌入式硬件的效率，降低成本，提高竞争力。 1 4 嵌入式实时操作系统呓1 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是指具有实时性，能支持实时控制 系统工作的操作系统。s t a n k o v i c 给出的定义是：实时操作系统是这样的一种系统， 即系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且还取决于结果产生的时间2 1 。 实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才是提高 计算机的使用效率。实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”，二者的主要 区别在于调度算法的选择。嵌入式实时操作系统体系结构如图1 4 所示。 山东师范大学硕士学位论文 瓜网 i 文件系绩、i i 驱动程序i i 一 国图围圜圈 图l - 4 嵌入式实时操作系统体系结构图 评价实时操作系统有两个指标： 中断响应时间。即从中断发生到相应的中断服务程序( i s r ) 开始运行所经历 的时间。 临界情况执行时间。即每个系统的调用时间是可以预测的，并且每个系统的数 据都是独立的。 1 4 1 嵌入式实时操作系统应具有的功能 任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) ； 任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) ； 存储器优化管理( 含r o m 的管理) ； 实时时钟服务； 中断管理服务。 1 4 2 嵌入式实时操作系统的优点 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、 系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 嵌人式实时操作系统提高了系统的可靠性。 提高了系统的开发效率，缩短了开发周期。 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。 世界第一个商业嵌入式实时系统是v t r x 3 2 ，随后相继出现 p s o s 、v x w o r k 、 w i n d o w s c e 和q n x 等，这些操作系统的特点是：采用占先式调度算法，响应时间短， 执行任务的时间可以确定，系统内核可以裁剪、可扩充、可移植，但就是价格比较昂 贵。免费型的、源码公开的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有g c l i n u x 9 山东师范大学硕士学位论文 和p c o s - i i 。 1 5 本文的主要研究内容 本文重点对嵌入式实时操作系统i t c o s i i 进行了研究与应用，之所以选择 l - t c o s i i ，基于如下考虑： 一、g c o s i i 是源代码公开的对研究和教学是免费的，用户可以根据自己的需要 对它进行修改。同时它结构清晰、注释详尽，具有良好的可扩张性和可移植性。 二、体积小，其包括全部功能的核心代码只占用8 3 k 字节。同时1 t c o s i i 是可 剪裁的，所以用户实际系统中的代码量还可以减少，因此i - t c o s i i 能被应用在各种 档次的嵌入式硬件中。 三、内核对处理器以及r o m 和r a m 的要求不高，能够适应不同档次硬件系统。 作为开源嵌入式操作系统的典型代表i t c o s i i 和i - t c l i n u x 在嵌入式系统中得到了 广泛应用。表1 1 是对i - t c o s i i 和g c l i n u x 的特点比较2 2 2 6 1 。 表i iuc 一i i 和l ic l i n u x 的特点比较 pc 晒一i ipc l i n u x 内核结构微内核结构一体化内核 调度方式 抢占式 非抢占式 小于卯k 内核体积大于i m 适用范围 8 到3 2 位硬件平台 3 2 位硬件平台 移植难度较难：需要实现编写硬件相关的代码简单：只需要重新编译内核 如表1 1 所示，pc o s i i 作为微内核结构与uc l i n u x 的大而全的一体化内核相 比，c l i n u x 是非抢占式的内核，因此uc l i n u x 在实时性方面存在不足，同时又由于 uc l i n u x 的体积的限制，使他比较适合应用在中高端的嵌入式产品中。而在实时控 制系统领域，往往是采用中低档硬件系统。 通过以上分析，可知在对实时性要求较高的中低档实时控制系统领域，g c o s i i 是一个非常理想的选择。g c o s i i 的应用已经覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、 音像设备等。但是g c o s i i 在应用中与其他系统相比也有缺点，它仅仅是一个内核， 没有提供文件系统和用户接口等，并且它与硬件无关不能单独形成完整的应用。本文 的