嵌入式操作系统1-嵌入式系统概述

1、 嵌入式操作系统 嵌入式系统概述李春杰主要内容一、嵌入式系统概念二、嵌入式系统应用三、嵌入式系统特点四、嵌入式系统组成五、嵌入式系统硬件六、嵌入式系统软件七、嵌入式系统开发一、嵌入式系统概念n嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”n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的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。一、嵌入式系统概念n可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义：n嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命

2、力、才更具有优势。即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。n明确需求、最好有（医疗、交通等）行业背景n它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。一、嵌入式系统概念n个人认为比较好的定义“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求，满足特定应用的专用计算机系统。”n嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是

3、一个比较好的发展模式。n是从软件角度对操作系统而言的一、嵌入式系统概念n嵌入式系统定义要素n专用计算机系统(非PC智能电子设备)n以应用为中心n以计算机技术为基础n软件硬件可裁剪n适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要求n 知识集成应用系统（CSEA）n技术密集 资金密集n高度分散 不可垄断n面向应用 不断创新n分类n按表现形式分：（硬件范畴）n芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）n模块级嵌入（系统中的某个核心模块）n系统级嵌入n按实时性要求分：（软件范畴）n非实时系统（PDA）n软实时系统（电子消费类产品）n硬实时系统（数控、航空航天等工业和军工系统）二、嵌入式系统应用n嵌入式

4、系统无处不在三、嵌入式系统特点n嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1、嵌入式系统通常是面向特定应用面向特定应用的。2、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率高效率地设计，量体裁衣、去除冗余。（资源受限）3、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化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。4、嵌入式系统本身不具备自举开发能力不具备自举开发能力，即设计完成以后用户通常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。四、嵌入式系统组成n一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：n处理器、存储器、输入输出(I/O)、软件n嵌入式系统

5、的软件: 操作系统和应用软件n多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都紧密结合，这也是嵌入式系统和Windows 系统的最大区别 。软件处理器存储器输入输出嵌入式系统组成-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外设外设嵌入式系统组成-软件处理器处理器存储器存储器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五、嵌入式系统硬件n从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。1、嵌入式微控制器（、嵌入式微控制器（ Microcontroller U

6、nit，MCU）2、嵌入式微处理器（ Microprocessor Unit，MPU）3、嵌入式DSP（ Digital Signal Processor ）处理器 4、嵌入式片上系统（ System on Chip，SoC）嵌入式处理器的选择n够用原则n少量处理和少数的I/O功能，一般选用8位单片机，如数码手表、空调、冰箱等。n有网络和嵌入操作系统需求，一般选用32位处理器n有信号处理和数学计算需求，一般选用DSP。n成本原则n价格、供货渠道嵌入式处理器的选择n参数原则n封装n温度n片内存储器n速度n功耗n电源管理n特殊总线接口（SPI、CAN、LCD等）n成熟度n成功案例n开发板、开发包、

7、设计方案n技术支持n团队知识结构六、嵌入式系统软件n简单的嵌入式应用（不带操作系统）n若嵌入式系统的功能需求比较简单，如电动玩具、空调、冰箱等，则嵌入式系统软件只需完成较简单的功能，就不需要嵌入式操作系统的支持。n如：基于8051的应用n儿童玩具、汽车系统等等n复杂的嵌入式应用（带操作系统）n若功能比较复杂，需要网络功能、存储器管理、进程/线程管理等，则通过嵌入式操作系统的帮助，可以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性。简单的嵌入式应用n简单的嵌入式应用不需要使用操作系统n当系统上电后，main函数将被调用，首先初始化，然后进入循环直到系统停电或者出现重大错误。n超级循环void main(v

8、oid)/prepare for function XX_init();While(1) X();简单的嵌入式应用的开发过程n简单的嵌入式应用的开发过程n在个人电脑上配置交叉开发环境、安装仿真器，编写程序，交叉编译，在仿真器上运行测试并修改直到软件满足需求；n利用面包板开发和调试软、硬件n利用编程器将软件烧到开发好的系统中进行现场运行测试复杂嵌入式系统应用程序应用程序驱动程序、硬件抽象层、板级支持包驱动程序、硬件抽象层、板级支持包文件系统文件系统/图形用户接口图形用户接口驱动层驱动层OS层层应用层应用层扩展模块扩展模块基本模块基本模块进程调度进程调度内存管内存管理调度理调度文件管理文件管理进程

9、调度进程调度OS核核图形驱动图形驱动数据数据库模库模块块应用程序接口（应用程序接口（API） 硬件硬件 （Hardware）网络模网络模块调度块调度RTOS系结构图系结构图复杂的嵌入式应用n嵌入式系统软件组成n初始化引导代码 n嵌入式操作系统代码 n驱动程序代码 n文件系统 nGUI(可选)n应用程序代码 n嵌入式系统软件一般采用交叉开发环境开发n交叉开发环境复杂的嵌入式应用n嵌入式系统软件主要开发工作 基于嵌入式操作系统的嵌入式应用开发1.确定需求2.根据需求选择合适的硬件(开发板)n硬实时/软实时系统？n什么处理器？哪些辅助硬件？3.选择嵌入式操作系统4.选择开发平台n编程语言、软件开发工

10、具n实际的开发平台包括硬件开发平台、操作系统、编程语言以及软件开发工具基于嵌入式操作系统的嵌入式应用开发5.编写并优化代码n一般在主机系统上进行开发和优化工作。n代码优化主要在软件执行速度和软件尺寸之间取得平衡，满足嵌入式系统对速度和存储空间的限制。在嵌入式开发中，一般需要避免使用大型的软件库，避免使用递归编程，减少堆栈的消耗。6.在模拟器或者开发板上调试嵌入式系统与PC设备名称设备名称嵌入式系统嵌入式系统PCPC机机CPUCPU嵌入式处理器（嵌入式处理器（ARMARM，MIPSMIPS） CPUCPU（IntelIntel的的PentiumPentium、AMDAMD的的AthlonAthl

11、on等等）内存内存SDRAMSDRAM芯片芯片SDRAMSDRAM，DDRDDR内存条内存条存储设备存储设备FlashFlash芯片芯片硬盘硬盘输入设备输入设备 按键、触摸屏按键、触摸屏鼠标、键盘鼠标、键盘 输出设备输出设备LCDLCD显示器显示器声音设备声音设备音频芯片音频芯片声卡声卡接口接口MAX232MAX232等芯片等芯片主板集成主板集成其他设备其他设备USBUSB芯片、网卡芯片芯片、网卡芯片主板集成或外接卡主板集成或外接卡嵌入式系统与PC (2)嵌入式系统嵌入式系统PC机机引导代码Bootloader引导，针对不同电路板进行移植主板的BIOS引导，无须改动操作系统WinCE、VxWo

12、rks、Linux等，需要移植Windows、Linux等，不需要移植驱动程序每个设备驱动都必须针对电路板进行重新开发或移植，一般不能直接下载使用操作系统含有大多数驱动程序，或从网上下载直接使用协议栈需要移植操作系统包括，或第三方提供开发环境借助服务器进行交叉编译在本机就可开发调试仿真器需要不需要七、嵌入式系统开发n嵌入式系统的技术构成n应用程序 PROGRAMn设备驱动程序 DRIVERn操作系统 OSn板级支持软件包 BSPn硬件平台 HW应用程序层多数由用户自己编写设备驱动一般由设备提供商提供微软 红旗 等由底层解决方案提供商提供如PC104、相应ARM平台n嵌入式系统软件主要开发工作n

13、嵌入式系统硬件开发工作n最小系统设计n外部接口设计n电源设计 嵌入式系统软件开发的内容嵌入式系统课程实验回顾n嵌入式系统开发工作n交叉环境构建n编译bootloadern编译内核n构建文件系统n编写驱动模块程序n编写应用程序n嵌入式系统开发实验n嵌入式环境构建nAD实验（应用程序开发，驱动程序编译在内核中）n图形实验（应用程序开发）n内核与文件系统实验（编译内核、构建文件系统）n驱动模块实验嵌入式Linux开发流程电路设计电路设计（第（第1版）版）BootLoader内核移植内核移植编译器移植编译器移植电路设计电路设计（第（第2版）版）电路设计电路设计（第（第3版）版）设备驱动设备驱动程序开发

14、程序开发应用程序应用程序开发开发嵌入式系统开发方法-传统MCU系 统定 义硬 件 需求 分 析软 件 需求 分 析硬 件 系统 设 计软 件 系统 设 计硬 件 分析 设 计软 件 分析 设 计原 理 图设 计软 件 流程 设 计PCB设计 生 产软 件 测试硬 件 测试系 统 集成 测 试代 码 编写 测 试整 体 系统 测 试硬件设计硬件设计软件设计软件设计嵌入式系统开发方法-协同设计系 统定 义硬 件 需求 分 析软 件 需求 分 析硬 件 系统 设 计软 件 系统 设 计硬 件 分析 设 计软 件 分析 设 计原 理 图设 计软 件 流程 设 计PC B 设计 生 产软 件 测试硬 件

15、 测试系 统 集成 测 试代 码 编写 测 试整 体 系统 测 试系系 统统 模模 型型 、 评评 估估 与与 协协 同同硬件设计软件设计系统开发的主要文档n明确客户需求n客户需求 转化为系统开发需求形成技术规格书n在技术规格书的基础上明确项目的约束条件,确定项目可行性.n完成系统设计明确客户需求n分析客户对产品的需求n罗列客户需求n确认客户需求形成记录明确客户需求n了解客户的意图,明确客户需要开发什么样的产品,包括产品的性能功能价格开发时间等要求.n性能n价格n系统尺寸和质量n功耗:对于靠电池供电的系统来说,电池和功耗特别重要n运行环境有无安全要求n需要做那些产品认证,满足那些标准n有无参考产品规格说明书n规格说明书是在需求说明书基础上的一种技术化文档资料,是联系客户和具体模块开发工程师的桥梁.n一个我曾开发过的产品规格说明书n矩阵规格书n预研分工系统设计n在系统设计阶段要确定以下任务:n系统是