嵌入式系统及应用Chaer嵌入式软件系统

嵌入式系统及应用第三章

嵌入式软件系统基础主要内容嵌入式软件系统概述嵌入式操作系统嵌入式软件开发工具第一节

嵌入式软件系统概述软件系统嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统的体系结构嵌入式软件运行流程软件系统软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统软件支撑软件应用软件控制、管理计算机系统的资源嵌入式操作系统嵌入式中间件（CORBA、Java）等等辅助软件开发的工具系统分析设计工具仿真开发工具交叉开发工具测试工具配置管理工具维护工具等面向应用领域手机软件路由器软件交换机软件飞控软件等嵌入式软件系统的分类从运行平台来分，嵌入式软件可以分为运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。运行在嵌入式系统上的软件：嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序及部分开发工具。嵌入式软件系统的体系结构硬件应用层驱动层操作系统层中间件层板级初始化FLASH驱动RTC/定时器驱动串口驱动以太网驱动LCD驱动键盘驱动其他驱动内核TCP/IP网络系统文件系统嵌入式GUI电源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向应用领域的中间件应用任务1应用任务2……应用任务n嵌入式软件系统的体系结构驱动层驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需的驱动的支持。该层主要包括三种类型的程序。板级初始化程序这些程序在嵌入式系统上电后初始化系统的硬件环境，包括嵌入式微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等的初始化。与系统软件相关的驱动这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的驱动程序，它们的开发要按照系统软件的要求进行。目前操作系统内核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微处理器中了，因此操作系统厂商提供的内核驱动一般不用修改。与应用软件相关的驱动

与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连接，这些驱动的设计和开发由应用决定。嵌入式软件系统的体系结构操作系统层操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分。其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。嵌入式软件系统的体系结构中间件层目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向应用领域的中间件软件。如基于嵌入式CORBA的应用于软件无线电台的应用中间件SCA（SoftwareCoreArchitecture）等。嵌入式软件系统的体系结构应用层应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算的任务、通信任务等，由操作系统调度各个任务的运行。嵌入式软件运行流程上电复位系统升级引导/升级系统系统初始化应用初始化多任务应用板级初始化远程升级本地升级基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程该运行流程主要分为5个阶段嵌入式软件运行流程上电复位、板级初始化阶段嵌入式系统上电复位后完成板级初始化工作。板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编语言实现。不同的嵌入式系统，板级初始化时要完成的工作具有一定的特殊性，但以下工作一般是必须完成的：CPU中堆栈指针寄存器的初始化。BSS段（BlockStorageSpace表示未被初始化的数据）的初始化。CPU芯片级的初始化：中断控制器、内存等的初始化。返回嵌入式软件运行流程系统引导/升级阶段根据需要分别进入系统软件引导阶段或系统升级阶段。软件可通过测试通信端口数据或判断特定开关的方式分别进入不同阶段。嵌入椒式软患件运耀行流摆程系统面引导摇阶段系统盘引导削有几凯种情蝇况：将系谦统软违件从NO鲁R短Fl还as搭h中读暑取出吃来加欣载到RA砖M中运举行：惹这种售方式猜可以摄解决辨成本鼻及Fl恩as木h速度惧比RA如M慢的栏问题将。软居件可聪压缩激存储较在Fl苏as偿h中。不需觉将软荷件引菠导到RA泰M中而赤是让禾其直苦接在No桂rF丝式la鞠sh上运超行，霞进入丧系统睛初始渐化阶劈燕段。将软汇件从削外存硬（如Na徐nd滴Fl押as码h、CF卡、MM稍C等）铃中读究取出演来加邻载到RA趟M中运妖行：呼这种消方式然的成蔑本更培低。嵌入饥式软略件运谨行流些程系统肾升级危阶段进入谊系统廉升级沃阶段油后系巡寿统可递通过网络肌进行荷远程楼升级或通累过串口辫进行挡本地罪升级。远程裤升级一般搭支持TF那TP、FT乒P、HT碍TP等方坛式。本地借升级可通泥过Co是ns半ol罢e口使欺用超爸级终侦端或棕特定路的升欢级软捎件进珠行。返回嵌入栗式软标件运炮行流徒程系统步初始蒜化阶刻段在该挎阶段忧进行欲操作念系统唯等系遣统软惯件各逝功能跪部分张必需庙的初柄始化际工作猫，如衔根据倾系统庙配置巨初始晋化数趋据空值间、壮初始帆化系翠统所盆需的诉接口盏和外图设等云。系统役初始机化阶昆段需穴要按需特定卖顺序需进行袭，如昆首先戚完成器内核拜的初泥始化练，然食后完听成网梅络、股文件圈系统食等的第初始础化，或最后芳完成馅中间桌件等卵的初轮始化堵工作崖。返回嵌入幻玉式软垮件运再行流沉程应用散初始浆化阶挥段在该导阶段葱进行屯应用虹任务厦的创确建，葡信号弊量、消消息滔队列线的创填建和臭与应迅用相阶关的征其它始初始火化工盯作。多任晌务应舰用运挽行阶冰段各种瞒初始窑化工脑作完龟成后店，系顺统进天入多旧任务园状态遣，操狭作系甩统按崭照已疏确定剃的算防法进役行任浆务的果调度乓，各董应用浅任务最分别区完成捏特定厕的功炊能。第二或节揪嵌个入式框操作涨系统概述嵌入雨式操形作系陷统的并演变嵌入罗式操远作系庸统分鲜类嵌入撇式操先作系丽统体触系结饰构嵌入咏式操燃作系贺统的速组成嵌入牧式实邀时操慰作系今统µC污/O搂S-冲II简介概述嵌入寒式操艰作系脊统可脖以统蒸称为浆应用额在嵌洋入式锐系统赵的操蜻作系驾统，雷它具秋有一号般操强作系绘统的咱功能萝，同补时具辫有嵌吸入式邪软件裙的特黑点，左主要给有：可固灭化可配狐置、巧可剪档裁独立或的板冲级支萍持包渴，可长修改不同常的CP旅U有不危同的老版本应用爬的开婚发需项要有轧集成墙的交跑叉开专发工肌具概述近十泻年来矮，嵌弓入式视操作粒系统杆得到酿飞速衬的发擦展从支制持8位微屡处理绪器到16位、32位甚英至64位微境处理柿器；从支行持单咐一品尾种的鱼微处叮理器盘芯片默到支戒持多掘品种死微处嘴理器菊芯片中；从只华有内贱核到摧除了缘瑞内核毒外还吓提供晚其他劫功能拥模块恶，如门文件是系统闯，TC支P/拨IP网络传系统梯，窗雀口图浑形系降统等冠。随着根嵌入盒式系蒙统应愉用领穗域的吓扩展使，目拌前嵌得入式裹操作侦系统捷的市蜻场在狸不断诱细分狸，出羞现了叛针对帝不同渔领域庭的产肤品，狮这些使产品易按领帆域的油要求利和标赶准提坡供特陈定的驾功能睛。嵌入默式操使作系荒统的浪演变*Pe债rc艰en喜t腾of邪t劫ot奏al浅s累of软tw早ar然e彻su普pp维li湖ed蛮b部y值RT输OS舍v脱en绪do朝r峡in撕a检t傲yp挎ic痒al拜e柿mb鹅ed守de谎d无de愁vi骑ce10%*Kernel30%*KernelNetworkingFileSystem75%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIAp派pl怕ic援at朝io碑nAp载pl者ic委at抵io雕nAp违pl肿ic六at崇io偿nAp赏pl椒ic梁at貌io袖n90%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI嵌入涛式操躺作系皮统的夏演变在嵌要入式相系统肿的发葵展过匙程中帖，从轻操作挣系统终的角听度来岩看，身大致晋经历挪了以袭下几渴个阶诞段：无操烈作系括统阶烫段简单搜操作盒系统贝阶段实时姜操作中系统月阶段面向In志te匪rn尚et的阶肉段嵌入貌式操烤作系骑统的议演变无操赞作系枯统阶兆段嵌入浆式系天统最症初的睁应用戒是基召于单毅片机表的，麻大多贞以可宽编程翻控制斗器的为形式旋出现埋，具火有监农测、劳伺服煎、设烦备指岗示等角功能狗，通呈常应信用于权各类必工业非控制伪和飞者机、排导弹北等武轿器装溜备中抵，一拐般没镜有操输作系米统的个支持此，只贯能通厨过汇跟编语怪言对远系统锻进行晨直接脱控制豆，运谱行结蹲束后角再清塌除内贪存。这些边装置偿虽然逢已经裤初步产具备泰了嵌休入式谦的应率用特杯点，震但仅亭仅只租是使苗用8位的CP夕U芯片矿来执妈行一睛些单探线程眉的程萍序，拌因此球严格浓地说寒还谈著不上"系统"的概障念。这一昂阶段节嵌入剧式系虎统的梢主要净特点蔑是：榜系统蜜结构枕和功雕能相徒对单考一，洪处理知效率副较低跟，存肤储容舌量较慢小，但几乎智没有番用户维接口享。由卵于这李种嵌嘱入式交系统跪使用厚简便蛙、价册格低技廉，姿因而翻曾经桑在工状业控浩制领城域中早得到揪了非绪常广扬泛的鼻应用粪，但植却无迷法满纲足现煌今对爹执行重效率啊、存衣储容主量都诱有较足高要缝求的踏信息届家电后等场踩合的率需要巧。嵌入银式操单作系报统的弄演变简单超操作械系统石阶段20世纪80年代痒，随锣着微尝电子必工艺现水平艳的提扁高，IC制造站商开令始把俯嵌入堤式应慕用中筹所需扑要的肥微处书理器装、I/束O接口物、串决行接殃口以护及RA示M、RO玩M等部宿件统格统集嫁成到竿一片VL雁SI中，土制造申出面固向I/追O设计破的微控伙制器，并往一举眨成为遍嵌入陵式系苍统领握域中竿异军慢突起脉的新耀秀。五与此竞同时偏，嵌甘入式渐系统割的程饼序员织也开液始基刷于一秘些简伸单的"操作淹系统"开发爹嵌入权式应翠用软凳件，兼大大截缩短饶了开牧发周隆期、躺提高阵了开伙发效配率。这一栽阶段酒嵌入显式系疫统的巴主要裂特点殖是：遭出现落了大颗量高除可靠尝、低换功耗爪的嵌驶入式CP壳U（如Po速we旁r提PC等）与，各遭种简嫁单的保嵌入全式操主作系粒统开锦始出母现并沉得到刮迅速扶发展完。此左时的芝嵌入略式操膀作系输统虽技然还摇比较拦简单魂，但慢已经评初步烦具有避了一昌定的盒兼容教性和兆扩展敌性，胀内核勉精巧茅且效锦率高怨，主腾要用倦来控财制系遵统负枣载以涛及监祖控应缠用程坟序的奏运行虽。嵌入笨式操栏作系撕统的汤演变实时陪操作公系统嘉阶段20世纪90年代雀，在朗分布绕控制凯、柔统性制接造、造数字钻化通席信和需信息泻家电病等巨集大需岁求的京牵引达下，吗嵌入虚式系舌统进救一步峰飞速察发展滋，而本面向吩实时纤信号康处理咬算法损的DS虫P产品鞠则向圈着高始速度咏、高择精度冲、低煌功耗锈的方狠向发谷展。眉随着捉硬件挥实时腔性要乌求的绪提高怜，嵌耐入式威系统脱的软猪件规家模也拆不断摔扩大窜，逐助渐形庙成了煤实时群多任诱务操侵作系免统（RT拘OS），并开池始成赌为嵌扁入式鞋系统贴的主叔流。这一吸阶段插嵌入扶式系锅统的榴主要低特点正是：夜操作竞系统模的实油时性计得到美了很顾大改阵善，昂已经尸能够冷运行膀在各泉种不乔同类射型的霜微处尺理器堆上，堡具有离高度小的模轿块化被和扩饲展性挨。此迁时的朴嵌入长式操止作系析统已尖经具栽备了仗文件很和目救录管喷理、建设备掘管理匀、多谜任务限、网诸络、隐图形露用户喂界面虑（GU坟I）等功仇能，蔽并提惰供了摆大量助的应凭用程眉序接结口（AP筒I），从而稀使得童应用样软件慈的开角发变隙得更斧加简伯单。嵌入苦式操鹅作系环统的禽演变面向In册te嚼rn絮et的阶柱段21世纪落无疑粗将是祸一个它网络沿的时责代，稀将嵌梨入式抹系统赠应用骆到各混种网次络环发境中驱去的监呼声璃自然姥也越断来越拌高。秩目前揉大多割数嵌臣入式遭系统脊还孤虎立于In喜te篇rn视et之外双，随怖着In厘te蹄rn萝et的进熄一步缠发展驴，以亲及In垄te棕rn芹et技术喷与信犹息家愤电、伶工业允控制晃技术著等的姐结合鼓日益嫌紧密浇，嵌年入式市设备断与In逗te船rn缝et的结等合才桨是嵌芒入式去技术碧的真顺正未隙来。信息贸时代刃和数胜字时铁代的牙到来拔，为艳嵌入蜡式系蹄统的乖发展社带来肃了巨采大的栋机遇迎，同医时也致对嵌缓入式惹系统载厂商墙提出和了新恳的挑庆战。嵌入苗式操杰作系饭统的薪演变各类沙嵌入沿式Li侍nu柱x操作除系统冠迅速院发展捕，由估于具轻有源浑代码册开放厘、系层统内产核小婶、执哑行效比率高条、网体络结伸构完段整等刃特点呢，很唇适合呜信息径家电烘等嵌编入式歇系统拍的需杨要，韵目前蚕已经羞形成供了能施与Wi突nd态ow鸣s墙CE、Sy摄mb拉ia量n等嵌感入式江操作陡系统摊进行胸有力具竞争帅的局乎面。网络颈化、窃信息挽化的粥要求斑随着In同te鲁rn惜et技术蔬的成盾熟和独带宽挤的提锈高而谋日益首突出废，以碌往功毯能单鬼一的足设备扇如电匹话、落手机恢、冰杆箱、白微波积炉等璃功能磨不再治单一叠，结沙构变未得更纱加复教杂，疏网络亭互联贩成为弯必然找趋势速。精简竞系统戏内核单，优资化关峡键算却法，糊降低茫功耗辽和软阴硬件挨成本威。提供钉更加稀友好枕的多设媒体桥人机煎交互系界面闪。嵌入沙式操绞作系昨统体领系结拾构目前育嵌入重式操迷作系俊统主穷要采落用分详层和包模块便化相盼结合盏的结良构或般微内裕核结工构。分层撒和模扎块化税结合仇的结宇构将敏操作菊系统项分为焰硬件唉无关声层、尼硬件贷抽象牲层和扩硬件童相关胸层，玻每层懒再划本分功煤能模壤块。这样燥移植弟工作鞋便集样中在牢硬件役相关感层，解与其荣余两环层无叫关，尿功能掀的伸温缩则蜂集中书在模帜块上棍，从滔而确顽保其乓具有苦良好嫩的可父移植以性和企可伸会缩性调。而采喂用微乱内核弊结构昼，则误可利桐用其守可伸切缩的持特点耕适应把硬件仍的发张展，齐便于燃扩展侮。嵌入倘式操仁作系领统体扁系结徐构应用随程序任务梨管理硬恳件用户文扩展版处理调度种管理硬件乔抽象不层应用灿编程驶接口内存质管理中断岁管理时钟/定时干器管疏理I/顽O管理出错猜处理同步讨、通欠信管头理（增消息遭队列两，信名号量乔，事护件，填异步优信号)）De姜lt盐aC咳OR捎E的体趟系结萌构：咱层次闪＋模李块结抹构分层歌次模块窜化嵌入吗式操痰作系敲统的肆组成……赶……嵌入立式内肥核内核债是嵌非入式枕操作济系统庄的基腊础，靠也是钱必备首的部娱分。内核各还提皱供特壳定的妇应用磁编程岗接口洽，但怜目前你没有宇统一辜的标助准。任务闹管理内存及管理通信稍同步深与互扇斥机心制中断宵管理时间推管理任务锦扩展…………返回嵌入瓜式内旧核任务恰管理内核龙的核逐心部猫分，钱具有涨任务咏调度复、创桃建任抚务、汽删除姜任务皂、挂篮起任咸务、邮解挂喘任务怠、设臂置任谊务优惊先级俱等功疤能。通用陆计算峡机的姥操作创系统置追求首的是银最大盾的吞促吐率敬，为答了达够到最酿佳整盯体性堵能，表其调啄度原钱则是棉公平渡，采币用Ro同un雁d-溜Ro禾bi扇n或可槐变优词先级困调度堪算法运，调厌度时亲机主碗要以斜时间画片为宏主驱觉动。而嵌妈入式你操作酿系统逃多采滴用基裳于静箭态优般先级需的可齐抢占梁的调侨度，习任务赌优先勤级是按在运未行前佛通过壮某种尾策略沟静态盈分配朽好的关，一径旦有言优先催级更刑高的扒任务南就绪职就马挨上进女行调臣度。返回嵌入鞭式内反核内存异管理嵌入缎式操素作系遭统的坚内存幕管理宴比较错简单信。通常抖不采残用虚丸拟存晒储管糠理，引而采左用静辱态内邮存分雪配和瞒动态旷内存研分配装（固筛定大忆小内献存分裹配和保可变卫大小舒内存副分配絮）相肝结合北的管耽理方准式。有些选内核叔利用MM结U机制竭提供须内存盯保护畅功能卖。通用千操作慨系统设广泛闪使用进了虚谜拟内奋存的决技术山，为女用户梳提供阔一个砌功能耳强大戏的虚哥存管辟理机决制。返回嵌入肠式内拴核通信屋、同资步和俗互斥裙机制这些冠机制赞提供固任务点间、部任务化与中捷断处锈理程银序间煤的通键信、唯同步滑和互和斥功弊能。一般鸭包括傅信号水量、裂消息员、事俘件、调管道钳、异视步信缎号和腔共享教内存规等功插能。与通婚用操疮作系源统不耻同的坟是，歼嵌入净式操屡作系拘统需闸要解呢决在荡这些箱机制输的使寨用中连出现父的优仪先级攻反转受问题煤。返回嵌入拌式内押核中断古管理轰，一钻般具雪有以间下功典能：安装御中断敏服务区程序中断浅发生器时，朵对中敞断现荒场进西行保从存，世并且推转到包相应岔的服里务程秒序上必执行中断奴退出脖前，腔对中欺断现烧场进奔行恢慕复中断涌栈切骑换中断铲退出是时的凝任务辰调度返回嵌入承式内俯核时间净管理提供鞋高精神度、查应用领可设储置的遵系统灯时钟菊，该条时钟欢是嵌漏入式罚系统鲁的时明基，箱可设旋置为威十毫宁秒以斯下。提供湿日历桐时间蜘，负纽奉责与晴时间孟相关经的任桃务管赶理工复作如割任务替对资寺源有固限等垂待的息计时张、时绪间片符轮转百调度奖等，率提供吊软定擦时器摔的管枪理功劫能等庄。通用描操作造系统驳的系框统时百钟的蚂精度剖由操台作系榜统确址定，裂应用萄不可腊调，厉且一页般是探几十止个毫愁秒。返回嵌入佳式内住核任务鹊扩展愉功能任务灯扩展枪功能耀就是衬在内经核中宏设置支一些Ho庭ok的调羞用点妈，在励这些录调用诸点上尼内核木调用躬应用肉设置熄的、肺应用狱自己锯编写佣的扩仆展处增理程近序，零以扩蝇展内锯核的甜有关滚功能懂。Ho兽ok调用叉点有您任务胸创建基、任亮务切那换、笔任务折删除油、出仪错处艳理等蹲。返回嵌入坦式TC摄P/流IPTC臭P/偷IP协议晚已经血广泛分地应始用于逐嵌入骄式系宪统中嵌入痰式TC剂P/愧IP网络荷系统还提供蝇符合TC展P/确IP协议醉标准箱的协疼议栈暂，提俯供So遮ck垒et编程载接口拳。So存ck毯et接周口UDP协议TCP协议IP协议ICMP/IGMP协议网络接口层

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