第1章嵌入式系统基础

1、2第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 嵌入式系统概述 嵌入式应用开发过程3第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础1.1.1 嵌入式系统简介 一般定义一般定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪, ,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使嵌入

2、式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。（系统角度）其紧密耦合在一起的计算机系统。（系统角度）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。广义定义广义定义任何一个非计算机的计算系统任何一个非计算机的计算系统4第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 IEEIEE定义定义嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置的机器、设备或

3、装置”（原文为（原文为devices used devices used to control, monitor, or assist the to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or operation of equipment, machinery or plantsplants）。）。 通常执行特定功能通常执行特定功能 嵌入式系统的核心嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环全自动操作循环5第第1 1章章 嵌入式系统基础

4、嵌入式系统基础一、 嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由嵌入式系统通常由嵌入式处理器嵌入式处理器、外围设备外围设备、嵌嵌入式操作系统入式操作系统和和应用软件应用软件等几大部分组成。等几大部分组成。 嵌入式系统组成嵌入式系统组成嵌入式系统硬件组成嵌入式系统硬件组成6第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式处理器大嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用。它通常

5、把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从计算机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，并具有高效率、而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。高可靠性等特征。 大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有今市面上有10001000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有为广泛的有ARMARM，MIPSMIPS，PowerPCPowerPC，MC68000MC68000等。等。 7第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 外围设备外围设

6、备外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下根据外围设备的功能可分为以下3 3类：类：存储器存储器：静态易失型存储器：静态易失型存储器( (RAMRAM，SRAM)SRAM)、动态存储器动态存储器( (DRAM)DRAM)和非易失型存储器和非易失型存储器( (Flash)Flash)。其中，其中，FlashFlash以可擦写次以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得数多、存储速度快、容

7、量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。接口接口：应用最为广泛的包括并口、：应用最为广泛的包括并口、RS-232RS-232串口、串口、IrDAIrDA红外红外接口、接口、SPISPI串行外围设备接口、串行外围设备接口、I2C(Inter IC)I2C(Inter IC)总线接口、总线接口、USBUSB通用串行总线接口、通用串行总线接口、EthernetEthernet网口等。网口等。人机交互人机交互：LCDLCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。键盘和触摸屏等人机交互设备。 8第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式

8、操作系统是用来管理存储器分配、是用来管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等的软件模块集合。及提供多任务处理等的软件模块集合。 嵌入式操作系统嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是式操作系统往往又是“实时操作系统实时操作系统”。 9第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 应用软件应用软件嵌入式系统的应用软件嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算

9、机软件计算机软件。 嵌入式软件的特点如下：嵌入式软件的特点如下：(1)(1)软件要求固态化存储。软件要求固态化存储。(2)(2)软件代码要求高质量、高可靠性。软件代码要求高质量、高可靠性。(3)(3)系统软件的高实时性是基本要求。系统软件的高实时性是基本要求。(4)(4)多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。 10第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础二、 嵌入式系统的特点 软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体；行业技术为一体； 需要操作系统支持，代码小、执行速度快；需要操作系统支

10、持，代码小、执行速度快； 专用紧凑，用途固定，成本敏感；专用紧凑，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高；可靠性要求高； 多样性，应用广泛、种类繁多。多样性，应用广泛、种类繁多。 11第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础三、 嵌入式系统的应用嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务工业控制工业控制12第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础一、 嵌入式处理器分类 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Mic

11、roprocessor Unit, EMPU) 微控制器微控制器(Microcontroller Unit, MCU) DSP处理器处理器(Digital Signal Processor, DSP) 片上系统片上系统(System On Chip，SOC) 13第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 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CPUCPU演变而来的。演变而来的。与计算机处理器不同的是，只保留和嵌入式应用紧密相关与计算机处理器不同的是，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，配上必要的扩展的功能硬

12、件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、外围电路，如存储器的扩展电路、I/OI/O的扩展电路和一些专的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等

13、入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。优点。 目前主要的嵌入式处理器类型有目前主要的嵌入式处理器类型有ARM ARM 、MIPSMIPS、Am186/88Am186/88、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等系列等。 14第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 微控制器微控制器 又称又称单片机单片机，这种位的电子器件目前在嵌入式设，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成FlashFlash、RAMRAM、总线逻辑、定时总线逻辑、定时器器/ /

14、计数器、计数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O，串行口、脉宽调制输串行口、脉宽调制输出、出、A/DA/D，D/AD/A等各种必要的功能模块和外围部件。等各种必要的功能模块和外围部件。 代表性的通用系列包括代表性的通用系列包括80518051、P51XAP51XA、MCS-251MCS-251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、C166/167C166/167、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、6830068300等。等。 另外还有许多半通用系列如：支持另外还有许多半通用系列如：支持USBUSB接口的接口的MCU MCU

15、 8XC930/9318XC930/931、C540C540、C541C541；支持支持I2CI2C、CAN-BusCAN-Bus、LCDLCD及众多专用及众多专用MCUMCU和兼容系列。目前和兼容系列。目前MCUMCU占嵌入式占嵌入式系统约系统约7070的市场份额。的市场份额。15第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v DSPDSP处理器处理器 DSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、字滤波、FFTFFT、谱分析等各种仪器上谱分析等各种仪

16、器上DSPDSP获得了大规获得了大规模的应用。模的应用。 DSPDSP处理器有两个发展来源，处理器有两个发展来源，一是一是DSPDSP处理系统经过处理系统经过单片化、电磁兼容（单片化、电磁兼容（EMCEMC）改造以及增加片上外设，改造以及增加片上外设，成为成为DSPDSP处理器；处理器；二是二是在通用单片机或在通用单片机或SoCSoC中增加中增加DSPDSP协处理器协处理器。 DSPDSP处理器比较有代表性的产品是处理器比较有代表性的产品是TITI公司的公司的TMS320TMS320系列系列、ADIADI公司的公司的ADSP21XXADSP21XX系列系列和和MotorolaMotorola公

17、司的公司的DSP56000DSP56000系列系列。 16第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v片上系统片上系统 SoC就是就是System on Chip，SoC是一种基于是一种基于IP（Intellectual Property）核嵌入式系统设计技术。核嵌入式系统设计技术。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、）、TCP/IP通信单元、通信单元、GPRS通

18、信接口、通信接口、GSM通信接口、通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。做成一个个独立的处理芯片。 嵌入式片上系统设计的关键是嵌入式片上系统设计的关键是IP核的设计。核的设计。IP核分为核分为硬核硬核、软核软核和和固核固核，是嵌入式技术的重要支持技术。，是嵌入式技术的重要支持技术。 17第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础二、典型的嵌入式处理器1 1ARMARM处理器处理器2 2MIPSMIPS处理器处理器 3 3PowerPCPowerPC处理器处理器 4 4MC68K

19、/ColdfireMC68K/Coldfire处理器处理器 5 5x86x86处理器处理器 18第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v ARM ARM处理器处理器 ARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）公司是全球领公司是全球领先的先的16/3216/32位位RISCRISC微处理器微处理器知识产权设计知识产权设计供应商。供应商。 ARM ARM处理器有处理器有3 3大大特点特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；16/3216/32位双指令集；位双指令集；全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙

20、伴。 ARM ARM处理器分处理器分ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10、ARM11ARM11和和SecurCoreSecurCore系列。系列。 19第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v MIPS MIPS处理器处理器 MIPSMIPS（Microprocessor without Interlocked Microprocessor without Interlocked Pipeline StagesPipeline Stages）技术公司是一家设计制造高技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式性能、高档次及嵌入式3232位和位和6

21、464位处理器的厂商。位处理器的厂商。 MIPS MIPS的定位很广。在高端市场它有的定位很广。在高端市场它有6464位的位的2020KcKc系列，在低端市场有系列，在低端市场有SmartMIPSSmartMIPS。 20第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 PowerPC PowerPC体系结构的特点是体系结构的特点是可伸缩性好，方便灵活可伸缩性好，方便灵活。PowerPCPowerPC处理器处理器品种很多品种很多，既有通用的处理器，又有，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其微控制器和内核。其应用范围非常广泛应用范围非常广泛，从高端的，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消

22、费类电子工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。产品到大型通信设备，无所不包。 基于基于PowerPCPowerPC架构的处理器有架构的处理器有IBM IBM 公司开发的公司开发的PowerPC 405 GPPowerPC 405 GP，它是一个集成它是一个集成10/10010/100MbpsMbps以太网以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。设的高性能嵌入式处理器。v PowerPC PowerPC处理器处理器21第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 Apple Appl

23、e机以前使用的就是机以前使用的就是Motorola 68000(68K)Motorola 68000(68K)，比比IntelIntel公司的公司的80888088还要早。但现在，还要早。但现在，AppleApple、MotorolaMotorola公司已放弃公司已放弃6868K K而专注于而专注于ARMARM了。了。 v MC68K/Coldfire MC68K/Coldfire处理器处理器22第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础 x86 x86系列处理器是最常用的，它起源于系列处理器是最常用的，它起源于IntelIntel架架构的构的80808080，发展到现在，发展到现在Pent

24、ium 4Pentium 4、AthlonAthlon和和AMDAMD的的6464位处理器位处理器HammerHammer。486DX486DX是当时和是当时和ARMARM、68K68K、MIPSMIPS、SuperHSuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于基于x86x86的的STPCSTPC高度集成系统。高度集成系统。 v x86 x86处理器处理器23第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础1.1.2 嵌入式操作系统简介24第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础一、一、 操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类 操作系统的概念操作系统的概念

25、 操作系统操作系统OS(Operating System)OS(Operating System)是一组计算是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件提供运行环境，即对程序开发者提供功能强、使提供运行环境，即对程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。用方便的开发环境。 25第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础操作系统的功能操作系统的功能 处理器管理处理器管理 存储器管

26、理存储器管理 设备管理设备管理 文件管理文件管理用户接口用户接口 对处理器进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。处理器的分配对处理器进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。处理器的分配和运行都是以和运行都是以进程进程为基本单位进行的，因此对处理器的管理可以归结为对进为基本单位进行的，因此对处理器的管理可以归结为对进程的管理，包括程的管理，包括进程控制、进程同步、进程通信、作业调度和进程调度进程控制、进程同步、进程通信、作业调度和进程调度等。等。 为多道程序的运行提供良好的环境，包括内存分配、内存保护、地址映射、为多道程序的运行提供良好的环境，包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充等。

27、内存扩充等。 包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。 文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等。件的读写管理以及文件的共享与保护等。 用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键所在。用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键所在。 26第第1 1章章

28、嵌入式系统基础嵌入式系统基础计算机操作系统的分类计算机操作系统的分类按按程序运行调度的方法程序运行调度的方法分类：分类： 1 1顺序执行系统顺序执行系统 即系统内只有一个运行程序，它独占即系统内只有一个运行程序，它独占CPUCPU时间，按语句顺序执行该时间，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。程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。DOSDOS操作系统就属于操作系统就属于这种系统。这种系统。 2 2分时操作系统分时操作系统 系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上说；实际系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上说；实际上系统把上系统把CPUCPU的时

29、间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的时间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。UNIXUNIX操作系统就属于这种系统。操作系统就属于这种系统。 3 3实时操作系统实时操作系统 系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系统按事件触发使程序运行。当多个事件发生时，系统按优先级高低确统按事件触发使程序运行。当多个事件发生时，系统按优先级高低确定哪道程序在此时此刻占有定哪道程序在此时此刻占有CPUCPU，

30、以保证优先级高的事件先运行，从以保证优先级高的事件先运行，从而实现实时信息及时被采集。而实现实时信息及时被采集。 27第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统的分类从从实时性的角度实时性的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：来看，嵌入式操作系统可以分为：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；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；具有弱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。没有实时特点的嵌入式操作系统。 从从应用的角度应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：来看，嵌入式操作系统可以分为：面向低端信息家电面向低端信息家电IA

31、IA（Internet ApplianceInternet Appliance，如智能电话、家庭网关如智能电话、家庭网关等）的嵌入式操作系统；等）的嵌入式操作系统；面向高端信息家电（如数字电视等）的嵌入式操作系统；面向高端信息家电（如数字电视等）的嵌入式操作系统；面向个人通信终端（如手机、面向个人通信终端（如手机、PDAPDA、Pocket PCPocket PC等）的嵌入式操作等）的嵌入式操作系统；系统；面向通信设备的嵌入式操作系统；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。面向工业控制的嵌入式操作系统。28第第1

32、 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念任务、进程和线程任务、进程和线程 任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当作一个基本工作单元来调度。任务是在系统运行前已设计作一个基本工作单元来调度。任务是在系统运行前已设计好的。好的。 进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动态过程，即执行任务体的动态过程。态过程，即执行任务体的动态过程。 线程：

33、线程：2020世纪世纪8080年代中期，人们提出了比进程更小的能年代中期，人们提出了比进程更小的能独立运行和调度的基本单位独立运行和调度的基本单位线程，并以此来提高程序线程，并以此来提高程序并发执行的程度。近些年，线程的概念已被广泛应用。并发执行的程度。近些年，线程的概念已被广泛应用。 29第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念多用户及多任务多用户及多任务多用户的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用多用户的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享同一个操作系统及各种系统资源。同一台主机，共享同一个操作系统及各种系统资源。每

34、个用户的应用程序可以设计成不同的任务，这些任每个用户的应用程序可以设计成不同的任务，这些任务可以并发执行。务可以并发执行。 用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效地利用系统资源。地利用系统资源。 30第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念任务的事件驱动任务的事件驱动31第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念中断与中断优先级中断与中断优先级 中断中断是计算机中是计算机中软件系统与硬件系统软件系统与硬件系统共同提供的功能。共同提供的功能。

35、它包括它包括中断源、中断优先级、中断处理程序及中断任务中断源、中断优先级、中断处理程序及中断任务等相等相关概念。关概念。实时操作系统实时操作系统充分利用充分利用中断中断来改变来改变CPUCPU执行程序的执行程序的顺序，顺序，达到实时处理目的达到实时处理目的。 系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则称系统有几个称系统有几个中断源中断源。 操作系统对每个中断级指定了优先级，称之为操作系统对每个中断级指定了优先级，称之为中断优中断优先级先级。在多个中断源同时发出申请时，。在多个中断源同时发出申请时，CPUCPU按优先级的高按优先级的高低顺序处

36、理。这种总是保证优先级最高的任务占用低顺序处理。这种总是保证优先级最高的任务占用CPUCPU的的方式，称为方式，称为按优先级抢占式调度按优先级抢占式调度。 32第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念同步与异步同步与异步 实时系统中常用同步或异步来说明事件发生的时序或任实时系统中常用同步或异步来说明事件发生的时序或任务执行的顺序关系。务执行的顺序关系。 由于事件由于事件1 1停止而引起事件停止而引起事件2 2发生，或者必须有事件发生，或者必须有事件2 2发生，发生，事件事件3 3才可能发生，如此类推，这一系列与时间相关的事件才可能发生，如此

37、类推，这一系列与时间相关的事件称为称为同步事件同步事件。由同步事件驱动的任务称为。由同步事件驱动的任务称为同步任务同步任务。使任。使任务同步的目的是使相关任务在执行顺序上协调，不至于发生务同步的目的是使相关任务在执行顺序上协调，不至于发生时间相关的差错，以保证任务互斥地访问系统的内存、外设时间相关的差错，以保证任务互斥地访问系统的内存、外设等共享资源。等共享资源。 异步事件异步事件是指随机发生的事件。异步事件发生的因素很是指随机发生的事件。异步事件发生的因素很复杂，往往与工业现场有关，难以预测其发生的时间，因此复杂，往往与工业现场有关，难以预测其发生的时间，因此异步事件又称随机事件异步事件又称

38、随机事件。由异步事件驱动的任务称为。由异步事件驱动的任务称为异步任异步任务务。中断任务都是异步任务，优先级高于同步任务中断任务都是异步任务，优先级高于同步任务。33第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念资源与临界资源资源与临界资源 程序运行时可使用的软、硬件环境统称为程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源资源。主要包。主要包括括CPUCPU的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数据、通用外部设备等等。据、通用外部设备等等。 没有指派给具体任务的资源属于系统所有，是没有指派给具体任务的资

39、源属于系统所有，是共享资源共享资源。 如果系统中出现如果系统中出现2 2个以上任务可能同时访问的共享资源，个以上任务可能同时访问的共享资源，则称为则称为临界资源临界资源。系统中的公共数据区、打印机等都是临界。系统中的公共数据区、打印机等都是临界资源。资源。 系统内任务应采取系统内任务应采取互斥互斥的方式访问共享资源。在实时多的方式访问共享资源。在实时多任务系统中，当异步任务被激活时，容易出现资源的临界状任务系统中，当异步任务被激活时，容易出现资源的临界状态。实时多任务操作系统中应保证态。实时多任务操作系统中应保证任何时刻临界资源内只有任何时刻临界资源内只有一个任务在访问一个任务在访问。资源临界

40、问题解决不好，执行任务交不出。资源临界问题解决不好，执行任务交不出资源的控制权，将引起系统资源的控制权，将引起系统死锁死锁。34第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念容错与安全容错与安全 容错容错是指这样一种性能或措施，当系统内某些软、硬是指这样一种性能或措施，当系统内某些软、硬件出现故障时，系统仍能正常运转，完成预定的任务或某件出现故障时，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。容错能力包括系统自诊断、些重要的不允许间断的任务。容错能力包括系统自诊断、自恢复、自动切换等多方面能力，由自恢复、自动切换等多方面能力，由

41、软、硬件共同软、硬件共同采取措采取措施才能实现。容错是实时系统提高可靠性的手段。施才能实现。容错是实时系统提高可靠性的手段。 安全性控制安全性控制是操作系统对自身文件和用户文件的存取是操作系统对自身文件和用户文件的存取合法性的控制。在实时操作系统中安全性极为重要，必须合法性的控制。在实时操作系统中安全性极为重要，必须保证系统工作的高度可靠和安全，防止对应用系统有意或保证系统工作的高度可靠和安全，防止对应用系统有意或无意的破坏。通常采用一些无意的破坏。通常采用一些软件控制方法软件控制方法来保证系统的安来保证系统的安全性，如标记检查、多级口令设置、加密等等。全性，如标记检查、多级口令设置、加密等等

42、。35第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础二、二、 实时操作系统实时操作系统 实时操作系统实时操作系统( (RTOS)RTOS)是具有实时性且能支持实时控制是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。系统工作的操作系统。 RTOS RTOS与通用计算机与通用计算机OSOS的区别：的区别：实时性。响应速度快，只有几微秒；执行时间确定、实时性。响应速度快，只有几微秒；执行时间确定、可预测；可预测；代码尺寸小。代码尺寸小。1010100100KBKB，节省内存空间，降低成本；节省内存空间，降低成本；应用程序开发较难；应用程序开发较难；需要专用开发工具：仿真器、编译器和调试器等。需要专用开

43、发工具：仿真器、编译器和调试器等。36第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 实时操作系统的发展实时操作系统的发展 实时操作系统的研究是从实时操作系统的研究是从2020世纪世纪6060年代年代开始的。从系统结构上看，开始的。从系统结构上看，实时操作系统经历了以下实时操作系统经历了以下3 3个发展阶段。个发展阶段。（1 1）早期的实时操作系统）早期的实时操作系统 不能称为真正的实时操作系统。它只是一个小而简单、具有一定专不能称为真正的实时操作系统。它只是一个小而简单、具有一定专用性的软件，其功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用用性的软件，其功能较弱，可以认为是一种实时监控程序

44、。它一般为用户提供对系统的初始管理以及简单的实时时钟管理。户提供对系统的初始管理以及简单的实时时钟管理。（2 2）专用实时操作系统）专用实时操作系统 在国外称为在国外称为Real-Time Operating System Developed in HouseReal-Time Operating System Developed in House。它是早期它是早期用户为满足自身开发需要而研制的，一般只能用于特定的硬件环境，且用户为满足自身开发需要而研制的，一般只能用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。缺乏严格的评测，移植性也不太好。（3 3）通用实时操作系统）通用实时操作系统

45、 大多采用软组件结构，以大多采用软组件结构，以“标准组件标准组件”构成通用的实时操作系统。构成通用的实时操作系统。一方面，在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一一方面，在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。 37第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 实时操作系统的组成实时操作系统的组成根据面向实际应用领域的不同根据面向实际应用领域的不同, ,实时操作系统的组成也有所不同。但一般实时操作系统的组成也有所不同。但一般都包括以下几个重要组成

46、部分：都包括以下几个重要组成部分： (1) (1) 实时内核实时内核 实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。 (2) (2) 网络组件网络组件 网络组件实现了链路层的网络组件实现了链路层的ARP/RARPARP/RARP协议、协议、PPPPPP及及SLIPSLIP协议，网络层的协议，网络层的IPIP协议，传输层的协议，传输层的TCPTCP和和UDPUDP协议。网络组件为应用层提供服务协议。网络组件为应用层提供服务, ,它本身是

47、它本身是可裁减的。可裁减的。 (3) (3) 文件系统文件系统 对于比较复杂的文件操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是对于比较复杂的文件操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是可裁减的。可裁减的。 (4) (4) 图形用户界面图形用户界面 图形用户界面图形用户界面( (GUI)GUI)为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入。为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入。它同样是可裁减的。它同样是可裁减的。38第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 实时操作系统的特点实时操作系统的特点 (1) (1)支持异步事件的响应支持异步事件的响应 实时操作系统为了对外部事件在规定的时间内

48、进行响应，要求具有实时操作系统为了对外部事件在规定的时间内进行响应，要求具有中断和异步处理的能力。中断和异步处理的能力。 (2) (2)中断和调度任务的优先级机制中断和调度任务的优先级机制 为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任务的优先级机制。务的优先级机制。 (3) (3)支持抢占式调度支持抢占式调度 为保证高优先级的中断或任务的响应时间，实时操作系统必须提供为保证高优先级的中断或任务的响应时间，实时操作系统必须提供一旦高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢占低优先级任务的一旦高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢

49、占低优先级任务的CPUCPU使用权的机制。使用权的机制。 (4) (4)确定的任务切换时间和中断延迟时间确定的任务切换时间和中断延迟时间 确定的任务切换时间和中断延迟时间是实时操作系统区别于普通操确定的任务切换时间和中断延迟时间是实时操作系统区别于普通操作系统的一个重要标志，是衡量实时操作系统实时性的重要标准。作系统的一个重要标志，是衡量实时操作系统实时性的重要标准。 (5) (5)支持同步支持同步 提供同步和协调共享数据的使用。提供同步和协调共享数据的使用。39第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础三、三、 常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统 VxWorksC/OSC/OS-Wi

50、ndows CE嵌入式嵌入式LinuxPalmOS QNXDelta OS Hopen OSpSOS40第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v VxWorksVxWorks VxWorksVxWorks操作系统是美国操作系统是美国WindRiverWindRiver公司于公司于19831983年设年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOSRTOS），），具有具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用良好的持续发展能力、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地。着一席

51、之地。 VxWorksVxWorks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 Sun SparcSparc、Motorola MC68xxxMotorola MC68xxx、MIPS MIPS 、POWER PCPOWER PC等等。等等。 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在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，如火星探测器（极高的领域中，如火星

52、探测器（19971997年年7 7月月4 4日登陆日登陆火星表面）。火星表面）。41第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础vC/OSC/OS和和C/OS-C/OS- C/OSMicro Controller O S C/OSC/OS简介简介美国人美国人Jean Labrosse 1992Jean Labrosse 1992年完成，已应用于数百种产年完成，已应用于数百种产品中。品中。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设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、自动提款机等备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 19981998年年

53、 C/OSC/OS-II-II，目前的版本目前的版本 C/OSC/OS -II V2.72 -II V2.7220002000年，得到美国航空管理局（年，得到美国航空管理局（FAAFAA）的认证，可以用的认证，可以用于飞行器中于飞行器中是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先是一个源码公开、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式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSI CANSI C写的，移植性好。高校教学可免费使用。写的，移植性好。高校教学可免费使用。42第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础C/OS-II的系统结构的系统结构43第

54、第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础C/OS-II的任务状态转移图的任务状态转移图44第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v Windows CEWindows CE Windows 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、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩减的减的Win95Win95）。）。 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提针对掌上设备、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，属于软实时操供了一种功能丰富的操作系统平台，属于软实时操作系统

55、，作系统， 由于其由于其WindowsWindows背景，界面比较统一认可。可以使背景，界面比较统一认可。可以使用大多数用大多数WindowsWindows开发工具（如开发工具（如VBVB，VCVC等），大多等），大多数数WindowsWindows应用程序经过移植后就可以运行在应用程序经过移植后就可以运行在WinCEWinCE平台上。平台上。 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200200K K的的ROMROM。 45第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v 嵌入式嵌入式LinuxLinux LinuxLinux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

56、用的，遍布全球的众多LinuxLinux爱爱好者又是好者又是LinuxLinux开发的强大技术后盾。开发的强大技术后盾。 嵌入式嵌入式Linux(Embedded Linux)Linux(Embedded Linux)是指对是指对LinuxLinux经过小型化裁经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百剪后，能够固化在容量只有几百K K字节或几兆字节的存储器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芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用LinuxLinux操作操作系统。嵌入式系统。嵌入式LinuxLinux的开发和研究是目前操作系统领域的一的开发和研究是目前操作系统领域

57、的一个热点。主要有个热点。主要有RTLinuxRTLinux和和 CLinuxCLinux LinuxLinux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，丰富，系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。 LinuxLinux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。 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%的用户已经开始使用嵌入式的用户已经开始使用嵌入式LinuxLinux系

58、统进行开发工作；有系统进行开发工作；有52%52%的用户决定在未来的用户决定在未来2424个月内开始使用个月内开始使用LinuxLinux作为嵌入式作为嵌入式操作系统的开发原型。操作系统的开发原型。 46第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v ClinuxClinux47第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v PalmOSPalmOS Palm OSPalm OS是著名的网络设备制造商是著名的网络设备制造商3 3COMCOM旗下的旗下的Palm Palm ComputingComputing掌上电脑公司的产品。掌上电脑公司的产品。 Palm OSPalm OS是一套专门为掌上电

59、脑编写的操作系统，充分考虑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，所以到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以PalmPalm操作系统本操作系统本身所占的内存很小，基于身所占的内存很小，基于PalmPalm操作系统编写的应用程序所操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十占的空间也很小，通常只有几十KBKB，因此基于因此基于PalmPalm操作系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。序。 Palm 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

60、的市场份额，目前主要与WIN WIN CECE进行激烈竞争。进行激烈竞争。 代表性的产品有代表性的产品有Palm m505Palm m505、Palm m500Palm m500、Palm IIIPalm III等。等。48第第1 1章章 嵌入式系统基础嵌入式系统基础v QNXQNX 加拿大加拿大QNXQNX公司的产品。公司的产品。 其内核仅提供其内核仅提供4 4种服务：进程调度、进程间通信、底层种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。QNXQNX内核非常小巧内核非常小巧( (QNX4.xQNX4.x