ARM嵌入式系统 第一讲 嵌入式概述

1、嵌入式系统嵌入式系统 教师：郭玉臣教师：郭玉臣 Mail: Mail:第一讲第一讲 系统概述系统概述一、嵌入式系统二、嵌入式处理器三、嵌入式操作系统内内 容容11.1 1.1 引言引言1.21.2 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义1.3 1.3 嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构1.41.4 嵌入式系统特点、分类嵌入式系统特点、分类1.51.5 嵌入式系统的历史与未来嵌入式系统的历史与未来1.6 1.6 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用1.71.7 嵌入式软件产业链互动嵌入式软件产业链互动一、嵌入式系统21.1 引言n从幼苗茁壮成长到参天大树q经过三十多年的发展，嵌入式系统从最开始的涓涓细流，发

2、展壮大成了目前数量最多，使用范围最广的电子信息系统q在人们的日常生活中，嵌入式设备几乎随处可见，已经成为生活的重要组成部分n虽然数量众多，但却不为人所知q嵌入式系统一般隐藏在产品中q在使用过程中主要完成无形的信息处理，用户不容易感知到它的存在31.1 引言(续)n几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。嵌入式系统带来的工业年产值已超过1万亿美元。用市场观点来看，PC 已经从高速增长

3、进入到平稳发展时期，其年增长率由20世纪90年代中期的35%逐年下降，使单纯由PC机带领电子产业蒸蒸日上的时代成为历史。4现实中的嵌入式系统现实中的嵌入式系统 即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，汽车中也有多达几十个嵌入式系统。 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入

4、式系统。 5现实中的嵌入式系统（续）现实中的嵌入式系统（续）61.2 嵌入式系统的定义计算机分类计算机分类从从通用性通用性角度来分类：通用计算机和嵌入式计算机角度来分类：通用计算机和嵌入式计算机n通用计算机系统通用计算机系统巨型机、大型机、小型机、微型机巨型机、大型机、小型机、微型机服务器、工作站、台式机、笔记本计算机服务器、工作站、台式机、笔记本计算机n嵌入式系统嵌入式系统坦克、导弹、飞机、军舰、雷达坦克、导弹、飞机、军舰、雷达DVDDVD机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器机、电视机、微波炉、洗衣机、电冰箱、热水器手机、手机、MP3MP3播放器、数码相机、数码摄像机、机顶盒播放器、数

5、码相机、数码摄像机、机顶盒键盘、鼠标、闪存盘、键盘、鼠标、闪存盘、CD-ROMCD-ROM、交换机、路由器、交换机、路由器71.2 嵌入式系统的定义（续）n嵌入式系统q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、重量、功耗严格要求的专用计算机系统q简而言之，是含有处理器的专用软硬件系统n具有自主的信息处理能力（信息装备）n英国电机工程师协会的定义qDevices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants（用于控制、监视或者辅

6、助操作机器和设备的装置）81.2 嵌入式系统的定义（续）n微机学会的定义q嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、模块级、芯片级q系统级：各种类型的工控机n以标准总线互联（背板结构）的工控机：CPCI、PCI-ISA、VME 、STDq模块级：各种类型的带CPU的模块n嵌入式CPU模块：PC104模块、Biscuit板q芯片级：各种以微控制器、DSP、嵌入式微处理器为核心的产品n个性化设计9101.3 嵌入式系统的体系结构111.3 嵌入式系统的体系结构（续）121.3 嵌入式系统的体系结构（续）n硬件层q嵌入式处理器n嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器nSoC(Sys

7、tem on Chip)FPGA、ASICq存储器系统nROM、FLASH、E2PROM、SRAM、SDRAM等q中断控制器、DMAC、定时器/计数器qUART、USB控制器、LCD控制器q其它I/O接口nCAN、Zigbee、蓝牙、ECC、3DES等等131.3 1.3 嵌入式系统的体系结构（续）嵌入式系统的体系结构（续）n中间层（中间层（BSPBSP）板级支持包（板级支持包（B Board oard S Support upport P Packageackage）系统软件与底层硬件系统软件与底层硬件隔离隔离相关硬件的初始化相关硬件的初始化数据的输入输出操作数据的输入输出操作硬件设备的配置

8、功能硬件设备的配置功能特点特点硬件相关性硬件相关性操作系统相关性操作系统相关性141.3 1.3 嵌入式系统的体系结构（续）嵌入式系统的体系结构（续）n操作系统层操作系统层嵌入式操作系统（嵌入式操作系统（EOSEOS）标准内核（标准内核（APIAPI）封装资源封装资源时钟、定时器、中断、时钟、定时器、中断、DMADMA、I/OI/O简化软件设计、提高软件系统可靠性简化软件设计、提高软件系统可靠性文件子系统文件子系统图形子系统图形子系统网络子系统网络子系统其它通用模块其它通用模块CANCAN、蓝牙、蓝牙、ZigbeeZigbee、ModbusModbus、LINLIN协议栈协议栈151.3 1.

9、3 嵌入式系统的体系结构（续）嵌入式系统的体系结构（续）n应用层应用层与应用密切相关与应用密切相关面向目标和用户面向目标和用户完成特定的功能完成特定的功能例如例如星载遥感图像处理系统星载遥感图像处理系统星载合成孔径雷达星载合成孔径雷达机载相控阵雷达机载相控阵雷达机载相控阵雷达机载相控阵雷达16171.4 嵌入式系统的特点n嵌入专用q嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的系统中n综合性强q嵌入式系统是将计算机技术、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q是一个技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统n设计高效q可裁剪嵌入式系统的

10、硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余181.4 嵌入式系统的特点（续）n程序固化q软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性n需要独立的开发系统q嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发n生命周期长q嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期n可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等191.4 嵌入式系统分类n按应用领域q信息家电、移动终端、通信产品、汽车电子、工业控制n按嵌入式微处理器的位数q4位64位n按实时性能q实时嵌入式系统n硬实时嵌入式系统（工业和军工系统）n软实时嵌

11、入式系统（消费类产品）q非实时嵌入式系统（PDA）201.5 嵌入式系统的历史嵌入式系统的历史30 年历程，主要经历了4 个阶段。第 1 阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。 应用于专业专业性强的工业控制系统中，一般没有没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，因此以前在国内工业领域应用较为普遍，但是现在已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。第 2 阶段是以嵌入式嵌入式CPUCPU为

12、基础、以简单操作系统为核心为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统的嵌入式系统。特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。211.5 嵌入式系统的历史（续）嵌入式系统的历史（续）第 3 阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、支持多任务、支持网络应用、具备图形窗口和用户界面；具有大量的应用程序接口API，开发应用程序较简单；嵌入式应用

13、软件丰富。第 4 阶段是以以Internet Internet 为标志的嵌入式系统为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet 之外，但随着Internet 的发展以及Internet 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet 的结合将代表嵌入式系统的未来。221.5嵌入式系统的未来嵌入式系统的未来产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到69个月。全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括有线和无线技术。基于电子的产品更复杂化。互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。微处理器的处

14、理能力按莫尔定律（Moores L aw）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番。23n软硬件系统整合nSOC设计n体积小、散热好、能耗低、可靠性高n应用程序开发n内容服务241.6 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用n粗略分为两大类：q电子系统的智能化(工业控制、现代农业、家用电器、汽车电子、测控系统、数据采集等)q计算机应用的延伸(MP3、手机、通信、网络、计算机外围设备等)n硬件主要有MCU的硬件最小系统、输入输出外围电路、人 机接口设计。软件设计有固化软件的设计，也可能含PC机软件的设计。行业知识需要通过协作、交流与总结获得。2526n硬件最小系统(电源、晶振、

15、复位、写入调试接口)；n通用IO(开关量输入输出，涉及各种二值量检测与控制)n模数转换(各种传感器信号的采集与处理，如红外、温度、光敏、超声波、方向等)；n数模转换(对模拟量设备利用数字进行控制)n通信(串行通信接口SCI、串行外设接口SPI、集成电路互联总线12C、CAN、USB、嵌入式以太网、ZigBee技术等)；n显示(LED、LCD等)；n控制(控制各种设备，包括PWM等控制技术)，n数据处理(图形、图像、语音、视频等的处理或识别)；n各种具体应用。1.6 嵌入式系统的应用n军事应用n航空航天n工业控制n机器人n仪器仪表n办公设备n家用电器n消费电子n机载合成孔径雷达机载合成孔径雷达2

16、728坦克坦克自行加榴炮自行加榴炮步兵战车步兵战车29战斗机战斗机防空导弹防空导弹轰炸机轰炸机30神神舟舟六六号号31火星一无所有的荒漠火星一无所有的荒漠 “ “索杰纳索杰纳” ” 轮探测车轮探测车“火星探路者火星探路者”飞船飞船32工业控制工业控制33机机械械脚脚示示教教34合成孔径雷达实时成像合成孔径雷达实时成像多处理器多处理器波束成形波束成形XOUT = w *XIN目标检测目标检测XOUT = |XIN|c滤波滤波XOUT = FIR(XIN )映射映射35嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统汽车控制系统36马达马达控制器控制器车灯车灯嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统汽车控

17、制系统尾灯控制尾灯控制系统系统后车门控后车门控制系统制系统前车门控前车门控制系统制系统座椅控制座椅控制系统系统发动器控发动器控制系统制系统所有的控所有的控制系统都制系统都是一个完是一个完整的嵌入整的嵌入式系统式系统371.7 嵌入式软件产业链互动3839计算机系统的发展趋势40普适计算(ubiquitous computing)n由Mark Weiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出nAn integration of human factors, computer science, engineering, and social sciences nIBM在1999年创造

18、了一个名词，即“pervasive computing（普及计算）”qAny ContentqAny PlaceqAny DeviceqAny Time412.12.1嵌入式处理器特点嵌入式处理器特点2.22.2嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类2.32.3嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（ EMPU ）2.42.4嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（ MCU ）2.52.5数字信号处理器（数字信号处理器（ DSP ）2.62.6嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SOCSOC）二、嵌入式处理器42 早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展

19、，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。 这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA等不注重计算的设备；注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集型的设备；注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用于蜂窝电话等设备；43n种类繁多、千花齐放q据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列n两大主流体系结构q低档8051（8位）体系结构q高档ARM（32位）体系结构n嵌入式处理器的一些基本情况q处理速度：0.1MIPS2000MIPSq寻址空间：64KB256MBq常用封装

20、：8个引脚300个引脚 442.1 嵌入式处理器的特点n硬件结构q低档处理器多采用哈佛结构n即数据存储空间和程序存储空间分离n较大的程序存储器（用于固化已调试好的控制程序）n较小的数据存储器（用于存放少量的随机数据高速）q高档处理器多采用冯诺伊曼结构n典型的微型计算机的存储器结构采用的是冯诺伊曼结构也叫普林斯顿结构452.1嵌入式处理器的特点（续）n品种规格系列化q同一产品系列不同型号处理器具有相同CPU内核，相同或兼容指令系统qI/O接口功能部件配置不一样，形成不同型号处理器n对实时多任务的支持q实时n监测、控制、通信q多任务n有效的调度462.1嵌入式处理器的特点（续）n可靠性高、功耗低、

21、集成度高、性价比高q可靠性高：冗余设计、电磁兼容设计q功耗低：工作电压1.2/1.8/2.5/3.3V，工作电流1mA（1A）q集成度高：SoC设计，高度集成q价格低：以32位ARM系列芯片为例n三星：44b0 x（ARM7）30元，2410（ARM9）80元nTI：Stellaris（ARM Cortex-M3）系列32位微控制器零售价格最低至11.5元 472. 2 嵌入式处理器分类嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器；嵌入式微控制器；嵌入式DSP处理器；嵌入式片上系统（SOC）。482.3 嵌入式微处理器n嵌入式微处理器的基础就是通用CPUq为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式

22、微处理器在功能上和通用微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性、功耗等方面做了各种增强n嵌入式计算机q嵌入式微处理器+芯片组（总线仲裁器+中断控制器+DMA控制器+存储控制器+I/O接口）+外接存储器q嵌入式微处理器一般与存储器、接口电路等安装在一块电路板上，称为单板机，如PC/104、Biscuit板等n典型芯片（32、64位）q386EX、486EX、奔腾、PowerPC、68k、ARM性能：性能：1001002000MIPS2000MIPS存储器：存储器：SDRAM-2256MBSDRAM-2256MB，Flash-1128MBFlash-1128MB 一般有操作系统：一般有操

23、作系统：VxworksVxworks、WINCE(2MB)WINCE(2MB)、uCLinux(300KB)uCLinux(300KB)，Embedded Embedded LinuxLinux49嵌入式微处理器（续）nPowerPCq特点可伸缩性好，方便灵活q品种很多，有通用处理器、嵌入式处理器和CPU核n通用处理器主要型号是PowerPC 750系列，主频最高为700MHzn嵌入式处理器有PowerPC 405（主频最高为266MHz）和PowerPC 440（主频最高为550MHz）nCPU核用于各种集成的系统芯片（System-On-Chip，SOC）设备上q生产公司：Freescal

24、e(IBM)、Motorola50嵌入式微处理器（续）nPC/104、PC/104+单板机q规范n1996年6月公布了PC/104规范3.2版q特点nPC/104总线采用96mm x 90mm的小板结构n低功耗，15 瓦每模块 ，支持32位PCI连接n紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中得到采用，如火箭、导弹和战斗机等 nPC/104总线工控机主流产品是486EX和586EX 51PC/104插槽插槽功耗小于功耗小于4.5瓦瓦52摘自周立摘自周立功网站功网站53嵌入式微处理器（续）nBiscuit PC单板机q特点n一体化计算机n低成本n形状像饼干，俗称饼干计算机q分类n迷你 Bis

25、cuit PC（2.5” 120 x82mm ）n半尺寸Biscuit PC（3.5” 145x102mm ）n全尺寸Biscuit PC（5.25“ 203x146mm）54迷你迷你 Biscuit PC（2.5” 120 x82mm ）55半尺寸半尺寸Biscuit PC（3.5” 145x102mm ）56全尺寸全尺寸Biscuit PC （5.25“ 203x146mm）57Mini-ITXMini-ITX结构结构 170170170mm170mmKINO AtomKINO Atom工业主板工业主板582.4 微控制器n微控制器又称单片机q顾名思义，就是将整个计算机集成到一块芯片中n低

26、档微控制器qCPUq存储控制器+片内存储器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）q中断控制器、定时/计数器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等q典型芯片n8051系列（8位）、MSP430（16位）性能：性能：1 1100MIPS100MIPS存储器：存储器：SRAM-256B/2SRAM-256B/2128KB,Flash-8KB/64/512KB128KB,Flash-8KB/64/512KB一般无操作系统或者简单操作系统：一般无操作系统或者简单操作系统：uC/OS-II(uC/OS-II(几几KBKB十几十几KB)KB)、FreeRTOS(FreeRT

27、OS(几几KB)KB)、RTX (RTX (几几KB)KB)59微控制器（续）n高档微控制器qCPU+总线仲裁器+ DMA控制器+中断控制器+I/O接口+存储控制器+外接存储器/少量片内存储器（Flash、SRAM、SDRAM）q典型芯片（32位）nARM、MIPS 、Power PC、68kn与嵌入式微处理器比较q微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低q目前微控制器是嵌入式系统工业中的主流，在嵌入式系统占有约70的市场份额 性能：性能：1001001000MIPS1000MIPS存储器：存储器：SDRAM-4/8/16/32/64MB, F

28、lash-2/4MBSDRAM-4/8/16/32/64MB, Flash-2/4MB一般有操作系统：一般有操作系统：VxworksVxworks、uCOSIIuCOSII、WINCEWINCE、uCLinuxuCLinux608位单片机示意图位单片机示意图CPUCPUSRAMSRAMGPIOGPIOUARTUARTFlashFlash定时定时/ /计数器计数器A/DA/DD/AD/ACANCANWatchWatchdogdog核心部分核心部分USBUSBI I2 2C CSPISPI6132位微控制器示意图位微控制器示意图62Motorola3G手机手机E100063微控制器（续）nMIPS

29、qMicroprocessor without Interlocked Pipeline StagesqMIPS公司于80年代初开始设计通用RISC处理器nR2000（1986年），R3000（1988年），1991年推出第一款64位商用微处理器R4000nR8000（1994年）、R10000（1996年）、R12000（1997年）q新32位微控制器n4kc （1999年）q新64位微控制器n5kc（1999年）、20kc（2000年）64微控制器（续） 652.5 数字信号处理器n特殊设计q高效乘累加运算、超标量操作、指令流水线q高效数据存取、硬件重复循环q确定性操作（程序执行时间可预测

30、）n应用场合q数字滤波、FFT、频谱分析等方面n代表性的产品qTI的TMS320系列qADI的21xx系列qMotorola的DSP56000系列66TI的TMS320系列nC2000低成本系列q16/32位，定点，最高150MIPSq最低价格低于2.00 美元q应用数字电机控制、数字电源和智能传感器nC6000高性能系列qC62xx/C64xx系列32位，定点qC67xx系列32位，浮点q运行频率高达 1GHzq应用领域包括无线、数字视频、电信和成像67TI的TMS320系列（续）nC5000低功耗系列q16位，定点q性能高达 900MIPSq超低功耗，低至 0.5mW/MHzq适用于个人和

31、便携式产品，如数字音乐播放器、VoIP、GPS 接收器和便携式医疗设备nOMAP多核系列q与ARM核集成q一拖二、四682.6 2.6 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC)(SOC) 随着EDA (Electronic Design Automation (Electronic Design Automation，电子设计自动化，电子设计自动化) )的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种

32、标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，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以外，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。 通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC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Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过

33、2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。 691.嵌入式系统2.嵌入式处理器3.嵌入式操作系统三、嵌入式操作系统703. 1 嵌入式操作系统概述 计算机系统由硬件和软件组成，在发展初计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是

34、在六程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作操作系统系统(Operating System)。发展到现在，广泛。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。分时操作系统以及实时操作系统。 713. 1 嵌入式操作系统概述（续）监监控控程程序序操操作作系系统统实时操作系统实时操作系统分时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统多道批处理操作系统适用于多个用户共享系适用于多个用户共享系统资源统资源适用于计算中心等较大适用于计算中心等较大的计

35、算机系统的计算机系统适用于嵌入式设备和有适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时性要求的系统中723. 1 嵌入式操作系统概述（续）监监控控程程序序操操作作系系统统实时操作系统实时操作系统分时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统多道批处理操作系统适用于多个用户共享系适用于多个用户共享系统资源统资源适用于计算中心等较大适用于计算中心等较大的计算机系统的计算机系统适用于嵌入式设备和有适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时性要求的系统中实时操作系统是我实时操作系统是我们介绍的重点们介绍的重点733.2 实时操作系统的特点 IEEE 的实时的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具分委会认为实时

36、操作系统应具备以下的几点备以下的几点: 异步的事件响应异步的事件响应 切换时间和中断延迟时间确定切换时间和中断延迟时间确定 优先级中断和调度优先级中断和调度 抢占式调度抢占式调度 内存锁定内存锁定 连续文件连续文件 同步同步 总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是强调的是实时性实时性、可靠性可靠性和和灵活性灵活性, 与实时应用软件相与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调由它来管理和协调各项工作

37、各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。环境。 从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：为两种：和和。应用于实时处理系统的上位机应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。了开发、调试、运用一致的环境。 应用于实时性要求高的实时应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式来

38、完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小实时操作系统具有规模小(一般在几一般在几K几十几十K 内内)、可、可固化使用实时性强固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上在毫秒或微秒数量级上)的特点的特点 。743.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处例如微波炉、电话机、玩具等。在另外

39、一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。停机状态，所有事都靠中断服务来完成。前后台系统前后台系统75基本概念基本概念 中断服务程中断服务程序处理异步事件，序处理异步事件，这部分可以看成这部分可以看成前台行为前台行为，前台，前台也叫中断级。时也叫中断级。时间相关性很强的间相关性很强的关键操作一定是关键操作一定是靠中断服务程序靠中断服务程序来保证的。来保证的。 循环中调用循环中调用相应的函数完成相应的函数完成相应的操作，这相应的操作，这部分可以看成部分可以看成后后台行为台行为，后台也，后台也可以叫做

40、任务级。可以叫做任务级。这种系统在处理这种系统在处理的及时性上比实的及时性上比实际可以做到的要际可以做到的要差。差。 ISRISRISRISR后台后台前台前台中断服务程序中断服务程序前后台系统前后台系统763.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新

41、的系统功能提供软件平台。功能提供软件平台。 操作系统操作系统硬件硬件硬件驱动硬件驱动操作系统操作系统用户程序用户程序773.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上之上的各个任务，的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，支持的系统中， 每个任务每个任

42、务均有一个优先级，均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。态地切换各个任务，保证对实时性的要求。 实时操作系统（实时操作系统（RTOS）783.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说多任务系统中，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。使用实时内核可以内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应大大简化应用系统的设计，是因为实时

43、内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如要消耗一定的系统资源，比如25的的CPU运行时运行时间、间、RAM和和ROM等。等。 内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。队列、延时等。内核内核793.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念调度是内核的主要职责之一。调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮调度就是决定该轮到哪个任务运行了。到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定

44、的法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先式的内核。式的内核。 调度调度803.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念非占先式内核要求每个任务自我放弃非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU 的所有的所有权。非占先式调度法也称作合作型

45、多任务，各个任务权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状处理。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，直到该任务主动放弃来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的的使用权时，那个高优先级的任务才能获得使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用的使用权。权。非占先式内核非占先式内核813.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念当系统响

46、应时间很重要时，要使用占先式内核。当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到最高优先级的任务一旦就绪，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进入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状态，当前任务的了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的的控制权。如果是

47、中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。优先级高的那个任务开始运行。占先式内核占先式内核823.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态。越高，越容易被调度而进入运行态。 任务优先级任务优先级833.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念中断是一种硬件机制，用于通知中断是一种硬件机制，

48、用于通知CPU有个异步事有个异步事件发生了。中断一旦被识别，件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序）。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：做事件处理，处理完成后，程序回到：1. 在前后台系统中，程序回到后台程序；在前后台系统中，程序回到后台程序；2. 对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；3. 对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高对占先

49、式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。的任务开始运行。中断中断84前后台系统前后台系统3.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念中断中断ISR任务任务ISR非占先操作系统非占先操作系统任务任务A任务任务B任务任务CISR占先操作系统占先操作系统任务任务A任务任务B任务任务C853.3 嵌入式操作系统基本概念n基本概念时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在同应用，一般在10ms到到200ms之间。时钟的节拍式中之间。时钟的节拍式中断使

50、得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。时钟节拍时钟节拍863.4 嵌入式操作系统n使用实时操作系统的必要性嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得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。在嵌入式应用中，只有把得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到嵌入到系统中，同时又

51、把操作系统嵌入进去，才是真正的计系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。 提高了开发效率，缩短了开发周期。提高了开发效率，缩短了开发周期。 嵌入式实时操作系统充分发挥了嵌入式实时操作系统充分发挥了32位位CPU的多任务潜力。的多任务潜力。 873.4 嵌入式操作系统n实时操作系统的优缺点：程序的设计和扩展变得容易，不大的改动就可增加新的功能程序的设计和扩展变得容易，不大的改动就可增加新的功能;应用程序分割成独立的任务模块，使设计过程大为简化；应用程序分割成独立的任务模块，使设计过程大为简化；对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理对实时性要求苛刻的事件都得