圣約翰技術(shù)學院專題研究 改善師資案成果報告書 內(nèi)嵌式系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究 英文名稱 : A 行期限： 91/4/1 91/12/31 計畫主持人： 陳瑞熙 副教授 張陽郎 副教授 圣約翰 技術(shù)學院資工系 2002 年 12 月 2 2 目錄 一、 摘要 . 錯誤 !未定義書簽。 二、 背景簡介 . 錯誤 !未定義書簽。 三、 嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu) . 錯誤 !未定義書簽。 1. 及時多工核心 (. 錯誤 !未定義書簽。 2. 精簡指令 (. 錯誤 !未定義書簽。 3. 嵌入式系統(tǒng)運作階層 . 錯誤 !未定義書簽。 4. 非對稱內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng) . 錯誤 !未定義書簽。 5. 統(tǒng)階層 . 錯誤 !未定義書簽。 6. 軟體平臺需求回應(yīng)模式 . 錯誤 !未定義書簽。 7. 行程的排程 . 錯誤 !未定義書簽。 四、 嵌入式系統(tǒng)即時核心架構(gòu)： . 錯誤 !未定義書簽。 嵌入即時作業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)簡介 : . 錯誤 !未定義書簽。 即時核心監(jiān)督和紀錄器 . 錯誤 !未定義書簽。 系統(tǒng)呼叫 (. 錯誤 !未定義書簽。 中斷處理 . 錯誤 !未定義書簽。 行程 . 錯誤 !未定義書簽。 核心服務(wù)方式 . 錯誤 !未定義書簽。 即時排程 . 錯誤 !未定義書簽。 執(zhí)行緒排程 (. 錯誤 !未定義書簽。 嵌入式系統(tǒng)實體工作圖 . 錯誤 !未定義書簽。 程 . 錯誤 !未定義書簽。 精置換（ . 錯誤 !未定義書簽。 微伺服服務(wù)方式 . 錯誤 !未定義書簽。 執(zhí)行緒 . 錯誤 !未定義書簽。 (1). 錯誤 !未定義書簽。 (2). 錯誤 !未定義書簽。 (3). 錯誤 !未定義書簽。 使用者與核心執(zhí)行緒 . 錯誤 !未定義書簽。 (1). 錯誤 !未定義書簽。 (2). 錯誤 !未定義書簽。 五 、 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺 . 錯誤 !未定義書簽。 1. 嵌入式系統(tǒng)核心除錯 . 錯誤 !未定義書簽。 2. 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生週期 . 錯誤 !未定義書簽。 六、 內(nèi)嵌式系統(tǒng)應(yīng)用 . 錯誤 !未定義書簽。 七、 未來發(fā)展與應(yīng)用 . 錯誤 !未定義書簽。 八、 結(jié)論 . 錯誤 !未定義書簽。 九、 參考文獻 . 錯誤 !未定義書簽。 3 3 一、 摘要 嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)隨著資 訊科技的進步，有著多樣的型式，其應(yīng)用也涵蓋日常生活電子產(chǎn)品的設(shè)計領(lǐng)域，內(nèi)嵌式系統(tǒng) (應(yīng)用常涉及到必需同時解決多媒體、通訊、及消費性導(dǎo)向等設(shè)計挑戰(zhàn)問題，尚有許多待研究解決。本研究將以目前最流行的單晶系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究如何布建及時作業(yè)系統(tǒng)及應(yīng)用服務(wù)協(xié)定， 發(fā)展合適之設(shè)計與教學的內(nèi)嵌式開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境，并支援網(wǎng)路資訊家電的應(yīng)用架構(gòu)，以期改進內(nèi)嵌式系統(tǒng)教學品質(zhì)，并即針對嵌入式系統(tǒng)的型式與應(yīng)用做探討，分析嵌入式系統(tǒng)的特色及其核心架構(gòu)，將重點集中于應(yīng)用導(dǎo)向的嵌入式架構(gòu)中，研究小型嵌入式架構(gòu)的實 用性及如何實現(xiàn)制作之策略，列舉一些嵌入式系統(tǒng)之基本模型與應(yīng)用范例，并證明其與其他系統(tǒng)比較后之優(yōu)越競爭力與其實用性上可觀的潛力，更為嵌入式系統(tǒng)之技術(shù)推廣及傳播交流略盡棉薄之力。 二、 背景簡介 嵌入式系統(tǒng) (是一種量身訂做的系統(tǒng)，由于晶片系統(tǒng)快速發(fā)展，基于某一種特殊用途，針對需求而開發(fā)出結(jié)合電腦軟體硬體的特殊應(yīng)用晶片或及時作業(yè)系統(tǒng)， 能夠依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的 規(guī)格使軟硬體發(fā)揮最大效益，此即嵌入式系統(tǒng)晶片，這種系統(tǒng)整合了電子與資訊工程的現(xiàn)代化技術(shù)使產(chǎn)品效率 價格比達到最佳化，而達到優(yōu)勢競爭力。 嵌入式系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展，有其一定的時代背景 : 1. 后 由于 個人電腦得強勢發(fā)展 ,在以前的年代只要稍微復(fù)雜的系統(tǒng)如工業(yè)控制器等都用 整合平臺。這個潮流下 ,對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展有 2 個重要的限制 ,一是 其次是微軟作業(yè)平臺的遷就 ( 4 4 許多嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展均以具創(chuàng)意的小規(guī)模市場為起點 ,在”西瓜效應(yīng)”下 ,很難抵抗潮流的強大壓力。從技術(shù)的發(fā)展來說 ,這往往是創(chuàng)意的殺手。這不是單就使用習慣與資源而言 ,非 嵌入式系統(tǒng) ,雖然具有創(chuàng)意 ,但由于其市場規(guī)模無法與個人電 腦相比 ,其使用的作業(yè)系統(tǒng) ,微處理器及周邊晶片 ,甚至整個電路板的成本均相對較昂貴 。是故嵌入式系統(tǒng)將電子與資訊發(fā)展延伸到 后 代 , 并帶來以下之影響 : (1). 反壟斷 當后 代的來臨， 微軟的組合不再是壟斷性的解決方案時 ，燦爛的嵌入式系統(tǒng)才算誕生。不論是作業(yè)系統(tǒng)的提供者 (如 )， 微晶片制造商 (如 或 研發(fā)單位，技術(shù)服務(wù)機構(gòu)，甚至名不見經(jīng)傳的廠商都將有大展身手的機會。 (2). 大量研發(fā)推廣在 3C 新興的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中 ,常見的有手機 ,是嵌入式伺服器級精簡型終端設(shè)備等。除了臺灣之外 ,事實上全世界的廠商都非常看好這一個市場 ,并且前仆后繼的投下相關(guān)產(chǎn)品的趨勢預(yù)估 。 2. 人才的缺乏 : 發(fā)展一個無可取代的技術(shù)與能力 ,成為現(xiàn)在各行各業(yè)員工的愿望 ,在資訊產(chǎn)業(yè)里 ,目前國內(nèi)的學校教育中有偏向硬體 (不然就是軟體 (現(xiàn)象，硬體設(shè)計人員做方通常非常保守 ,比較缺乏系統(tǒng)全面整合設(shè)計 ,而軟體工作人員看到硬體的問題就不知如何下手，比較缺乏硬體觀念。 國內(nèi)以往非常缺乏嵌入式系統(tǒng)所需要的軟體系統(tǒng)整合人才，大部分產(chǎn)業(yè)還是以硬體 設(shè)計人員 為主力。目前國內(nèi)在這一方面的發(fā)展有漸漸受重視的傾向，如 坊間許多個人工作室陸續(xù)設(shè)計出一些 用的嵌入式系統(tǒng)，資策會則有嵌入式系統(tǒng)實驗室部門專門研究此類的軟體技術(shù)，另 5 5 外學術(shù)方 面則常利用市面上得一般用途嵌入式電腦為其實驗平臺。 此類技術(shù)看似已經(jīng)成熟，但入門之門檻頗高，例如基本上需要有微電腦架構(gòu) 與即時性作業(yè)系統(tǒng) 背景知識，而高級設(shè)計更需要有許多更專業(yè)的知識來解決面臨的問題，必需同時解決多媒體、通 訊、及消費性導(dǎo)向等設(shè)計挑戰(zhàn)問題，諸如 : 如何降低系統(tǒng)的復(fù)雜度 ? 如何規(guī)范網(wǎng)路導(dǎo)向及植入服務(wù)協(xié)定 ?在建立可用的發(fā)展環(huán)境來整合現(xiàn)成可程式內(nèi)核(協(xié)同處理器、及介面協(xié)定等方面， 有許多的解決方案待研究。 嵌入式晶片系統(tǒng)對后 代各項整合晶片技術(shù)產(chǎn)業(yè)進展的影響極其深遠，例如： 8051 單晶片， 殊用途 整合等，終將因嵌入式系統(tǒng)晶片的技術(shù)之推進及使用有關(guān)鍵性的研究發(fā)展，并將進入另一嶄新的境界。 嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)演進歷程可分為 : 手控系 統(tǒng)追蹤作業(yè)系統(tǒng)、多元程式規(guī)劃、及時性位階排程、嵌入式系統(tǒng)作業(yè)等。從最基本的追蹤作業(yè)系統(tǒng)，到程式多元規(guī)劃和及時性位階排程，最后到嵌入式系統(tǒng)作業(yè)，等四大發(fā)展里程碑。 三、 嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu) 由于晶片系統(tǒng)快速發(fā)展，許多研究單位結(jié)合電子科技、資訊工程等技術(shù)，著手開發(fā)一種結(jié)合電腦軟體硬體的綜合體，特別強調(diào)量身訂做的原則，就基于某一種特出用途，針對需求而開發(fā)出截然不同特殊應(yīng)用晶片或及時作業(yè)系統(tǒng)，但又必須能夠依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)格使軟硬體能力發(fā)揮最大效益，此乃嵌入式系統(tǒng)晶片 ， 可使用在需求為特一的功能而有廣泛的應(yīng)用點及保有加 持性，使產(chǎn)品達到最佳化的系統(tǒng)。 市面上常見的嵌入式系統(tǒng)如下 : 證卷所股票 板 6 6 E：雖然微軟保有 場占有率，但嵌入式系統(tǒng)很難保有原來龍頭的地位，因為 始碼開放給使用者修改加以利用 E 應(yīng)用在 手機大廠結(jié)合 發(fā)而出。 E 比較起來 業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)非常簡潔，也是銷售反應(yīng)最好的一家，且待機時間長，耗電量小。 開原始碼，工程師可以修改成適合自 己的需求，且核心為模組化設(shè)計，在每件事都要求網(wǎng)路功能的時代， 心的改進，穩(wěn)定度提高，在資訊家電如用電視上網(wǎng)，把公寓大門外的答錄機影像傳送的電視，電冰箱透過網(wǎng)路作業(yè)，如何延伸家電網(wǎng)路功能，適合不過。因為 使用在跨平臺作業(yè)。 嵌入式系統(tǒng)晶片常 包含在其他裝置中專門使用于特定的工作，擁有少量記憶體和高速運算的特定功能處理器。當設(shè)計嵌入式的作業(yè)系統(tǒng)時，要在盡可能的范圍內(nèi)做出擁有高效率及低成本的考量，例如減少記憶體用量和發(fā)揮其高速處理的特性。有的時候基于上列的考量，系統(tǒng)本身并不具備有可以 完整顯使狀態(tài)的裝置，而須借助其他裝置的檢視， 如 偵測人機介面控制與回應(yīng)，核心程式管理運作 。嵌入式系統(tǒng)可使用多次寫入的高速記憶體來增加系統(tǒng)的彈性，使系統(tǒng)和應(yīng)用程式可以升級或抽換。同樣的硬體設(shè)備，換不 同的軟體元件即可改善效能，但要做到高度的彈性 ，嵌入式系統(tǒng)相對的有較高的設(shè)計難度。以下為嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)之概要說明圖示及其簡要系統(tǒng)說明 以 例 : 7 7 1. 及時多工核心 (利用及時多工核心 特性，擁有即時多工作業(yè)系統(tǒng) 稱 心臟部分。它主要負責工作是掌管 間的分配，記憶體的管理，以及作業(yè)系統(tǒng)下各工作之間的聯(lián)系，這對需要精簡有效的嵌入式 系統(tǒng) 而言，選擇配置即時多工作業(yè)系統(tǒng)的核心是最直接的辦法。也就是說嵌入式晶片可用于特別需求功能之持性，相較于傳統(tǒng)利用泛用型 能卻沒有嵌入式的機動性特定效能。嵌入式系統(tǒng)幾乎涵蓋所有微電腦控制的裝置，例如個人電腦中的磁碟機或光碟機的伺服 控制與資料存取介面等。 8 8 2. 精簡指令 (名是 指精簡指令集電腦，所謂 精簡指令集電腦 是指一種電子計算機的架構(gòu)，由于這種電腦所提供的指令具有 指令種類少 ， 指令功能簡單 的特征，因此稱為精簡指令集電腦。只需提供少數(shù)常用且簡單的指令當成指令集，再對這些指令進行特殊設(shè)計，則在大部分情況下會有較佳的效率。 精簡指令集電腦 在設(shè)計上 強調(diào) 降低 平均計時周期個數(shù) 與 計時周期時間 ， 因此具備的主要特性如下： a采用指令管線的作業(yè)方式，讓平均計時周期個數(shù)降低為一。 b具有載入與回存的架構(gòu)，只 許載入指令與回存指令存取處記憶里單元的運算元資料，以減少記憶體單元的存取次數(shù)。 c控制單元采用硬體線路控制方式制作，可以提升整體得執(zhí)行效能。 d指令長度與格式固定，可以簡化解碼電路的復(fù)雜度，會也較佳的執(zhí)行效率。 e中央處理器內(nèi)部具有大量的暫存器，一般通稱為暫存器檔案。 3. 嵌入式系統(tǒng)運作階層 9 9 動作流程說明 一 人機介面 :如控制參 數(shù)設(shè)定 ,按鈕輸入 ( 反應(yīng)如銀幕或顯示器顯示目前工作狀態(tài) (, 負責把資訊傳至系統(tǒng)。 二 工作表 ) : 是一群應(yīng)用程式一般我們是將應(yīng)用程式的軟體 . 而各個應(yīng)用程式 (再記憶體上有自己專屬的位置 ,在下面我們會討論有關(guān)記憶體配置和工作排程 (問題。 三 動器 ): 是用來決定工作的執(zhí)行 ,它并不是硬體的一部分 ,事實上它是屬于軟體的控制 排程器則是包含于起動器中 ,幫助決定要起 動的工作 很多的工作都有它的執(zhí)行周期 ,我們可以用排程器 (據(jù)工作的執(zhí)行周期 (做工作的排班 起動器也會根據(jù)其他裝置的回饋或輸入 (計時器 (執(zhí)行 (果 )來調(diào)整排程 ,改變輸入效果。 10 10 4. 非對稱內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng) 新共用的表格，寫入一個檔案等稱之為重要區(qū)間。 (1) 完全互斥（ 不可以同時有兩條執(zhí)行緒在執(zhí)行其重要區(qū) 間。 (2) 進行（ 沒有執(zhí)行緒執(zhí)行其重要區(qū)間時，唯有那些意欲進入重要區(qū)間的執(zhí)行續(xù)才有可能被挑選可執(zhí)行其重要區(qū)間，而且此項選擇不可無限期延遲。 (3) 有限等候（ 當某執(zhí)行緒提出要求，欲執(zhí)行其重要區(qū) 11 11 間后，在被允許前，其他執(zhí)行緒進入重要區(qū)間的次數(shù)需有限制。 每個執(zhí)行緒已非的速度執(zhí)行。 5. 12 12 6. 7. 行程的排程 一、 排程的佇列 有 。 二、 行程排程的佇列圖 三、 排程程式 長程排程程式 （） 自 挑出行程，并將之載入記憶體執(zhí)行。 （） 執(zhí)行較不頻繁。 （） 用以控制 of （） 可選擇良好的 I/ 程的 （） 分時系統(tǒng)通常不具備此排程程式。 短程排程程式 13 13 （） 選擇狀態(tài)為 行程，配置 它。 （） 執(zhí)行頻繁。 （） 速度必須很快 14 14 四、 嵌入式系統(tǒng)即時核心架構(gòu)： 嵌入即時作業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)簡介 : 嵌入式即時作業(yè)系統(tǒng)中可以分 成使用者模式 ( 核心模式 (, 硬體 (三個層面來討論 使用者模式主要描述程式設(shè)計者對程式上的應(yīng)用程式 在核心模式中 ,其基本成原有核心結(jié)構(gòu) ( 行程管理 ( 時間管理 ( 行程間的 通信 與同步 (和記憶體管理 (這些單位。 硬 體層 (本城原有嵌入式處理器( 硬體元件 (兩部份在系統(tǒng)中 , 程式社記者所攝季的應(yīng)用程式都是放在使用者模式 , 再使用者模式中每個應(yīng)用程式都視為一個行程 每個行程的執(zhí)行過程 , 順序都依據(jù)嵌入式作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計依序?qū)崿F(xiàn)。 多人都誤以為即時系統(tǒng)執(zhí)行速度非常快的的系統(tǒng)，事實上不然，所謂即時代表的意義式即時反應(yīng)，對于時間有嚴格要求的系統(tǒng)，及時系統(tǒng)就是一個在有效時間內(nèi)反映的系統(tǒng)，稱之為及時系統(tǒng)。何為有效時間呢 ?就是 能在必須時間內(nèi)，做完原本所期望做完的事件。換句話說，及時性的系統(tǒng)是對于時間有嚴格要求的系統(tǒng)，所有的工作能再預(yù)定的時間內(nèi)反應(yīng)，而整個系統(tǒng)能掌握住每個行程的執(zhí)行時間。也因為要嚴格掌握時間，在不同系統(tǒng)環(huán)境中， 變的不同，為了確實控制工作 時間 ，系統(tǒng)則必須針對硬體架構(gòu)及軟體環(huán)境做特別的設(shè)計。及時系統(tǒng)不同于一般系統(tǒng)在于 (I) 及時系統(tǒng)要專門使用再特別的應(yīng)用上 (一但沒有確時控制時間安排，結(jié)果會造成嚴重錯誤。為了達到以上的要求，及時性系統(tǒng)必須達到下列要求， 高速的中斷延遲詩間 (如此才能讓應(yīng) 15 15 用程式設(shè)置系統(tǒng)能做快速的切換 (達到及時性效果。 能夠完全開放中斷的控制 (of 應(yīng)用程式，這樣可以減少程式控制與呼叫 (時間，但是如果應(yīng)用程式設(shè)計的瑕疵，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定設(shè)置當機 (且系統(tǒng)必須簡單，不能包含許多的工具程式 (這也是為及時系統(tǒng)只是單純應(yīng)用在某一方面的快速反應(yīng)。 例如汽車的煞車系統(tǒng)，如果不采用能夠立即反應(yīng)的即時系統(tǒng) ，嵌入式系統(tǒng)。它們可能是軟體的型態(tài)，韌體形式存在，有的是明顯易于辨識，有的隱藏在機器內(nèi)不易為人所知。，最簡單的像是單晶片微處理器 都與其他晶片套裝在一組件上 特殊用途的 片上。嵌入式系統(tǒng)通常會經(jīng)由感測器、轉(zhuǎn)換器擷取實際世界的類比訊號；而輸出可能是啟動開關(guān)或作某些程式例如：開動或關(guān)閉一部機器的運作、或是一個數(shù)值、一個脈波等去控制外部的設(shè)備例如：引擎的油料、冷氣的壓縮機等。簡單的嵌入式系統(tǒng)可執(zhí)行單一或一組預(yù)先設(shè)計的功能，較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)大都市較高階的硬體平臺例如： 結(jié)合復(fù)雜的演算程式執(zhí)行一些較特殊的即時處理工作。 核心程式包含有核心基本程式、中斷處理程式和行程管理程式三大部份。 (1). 核心基本程式 ： 內(nèi)容包含有行程間的同步、緩沖器的管理、資料傳輸、中 斷管理和時間管理等五部份。行程同步的功能是在于提供兩個不相同的行程間產(chǎn)生同步之關(guān)系；緩沖器的管在于動態(tài)要求配置緩沖區(qū)供給行程使用，并再使用結(jié)束后將所要求配置的緩沖區(qū)將其釋放；資料傳輸其功用在于兩個不相同之行程相互的透過緩沖區(qū)來達到資料交換之目的；中斷管理記載行程所需要的各種軟體中斷與硬體中斷；時間管理提供給行程計時 之功能。 (2). 中斷處理程式 ： 內(nèi)容包含有輸出入中斷與計時中斷這兩部份。這兩種中斷都在發(fā)生中斷觸發(fā)之后以信號 (方式，進而呼叫核心基本程式。 16 16 (3). 行程管理程式 ： 內(nèi)容包含有資料與演算法、呼叫流程與離去流程。主要功用 于行程應(yīng)該如何進入、在什么狀況下進入排程、如何離開排程。 核心結(jié)構(gòu)：主要記載行程的資料結(jié)構(gòu)和相關(guān)資料。資料結(jié)構(gòu)中記載著行程的識別代碼、優(yōu)先權(quán)、狀態(tài)、所使用的暫存器、行程使用的中斷、系統(tǒng)的全域變數(shù)等的資訊。 行程管理：行程的設(shè)計是以無窮回圈基礎(chǔ)，在回圈當中加入使用者的程式，而這些程式的內(nèi)容 就是嵌入式即時作業(yè)所提供的服務(wù)。 時間管理：在嵌入式即時作業(yè)中的時間管理，是以在行程內(nèi)設(shè)定所需要的時間延遲，當延遲時間結(jié)束時將產(chǎn)生時脈中斷，進入中斷服務(wù)程式。 行程間的通信與同步：嵌入式即時作業(yè)必須要能保護共同存取的資料和行程間的溝通。一般即時作業(yè)所提供的形態(tài)不外乎有號志、訊息信箱、訊息佇列等做法。 記憶體管理：記憶體管理：使用者的程式應(yīng)用在于配置記憶體與釋放記憶體。在即時作業(yè)系統(tǒng)當中，記憶體被視為是一種資源，資源的配置與釋放都需要即時作業(yè)系統(tǒng)所提供的服務(wù)來處理。 17 17 即時核心監(jiān)督和紀錄器 核心模式當中探討作 業(yè)系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)資料結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)呼叫、中斷服務(wù)常式、和系統(tǒng)排程。 系統(tǒng)呼叫 (系統(tǒng)呼叫提供執(zhí)行中的程式與作業(yè)系統(tǒng)間的界面，可用組合語言的指令或高階語言（如 C 語言）來作系統(tǒng)呼叫 以暫存器傳遞 以記憶體中的表格傳遞，如下圖所示 以堆迭傳遞 18 18 中斷處理 (1). 中斷 一般功能 i、 中斷會是 制權(quán)經(jīng)中斷向量移轉(zhuǎn)給中斷服務(wù)常式 寫為 中斷結(jié)構(gòu)必須保存被中斷指令 的位址。 當正處理某一中斷時，必須對后至的中斷失能 陷阱 由軟體所產(chǎn)生的中斷，可能是因錯誤如：除以零或無效的記憶體存取或使用者程式的要求所產(chǎn)生。 v、 作業(yè)系統(tǒng)本身為中斷導(dǎo)向。 (2). 中斷結(jié)構(gòu) i、 在記憶體低位置處保存有中斷服務(wù)程式的位址即 以設(shè)備號碼為索引，提供產(chǎn)生中斷設(shè)備之中斷服務(wù)程式的地址，稱為向量式的中斷系統(tǒng)。 保存被中斷指令的位置，可置于 固定的位置 系統(tǒng)的堆迭 中斷需發(fā)生于指令周期結(jié)束時，而巢狀式的中斷則需依據(jù)其優(yōu)先順序 較高優(yōu)先次序的中斷在處理較低優(yōu)先次序之中斷作用時仍能中斷。 行程 即正在執(zhí)行中的程式，可為批次系統(tǒng)的 統(tǒng)含有作業(yè)系統(tǒng)及使用者的行程，而 以多工的方式執(zhí)行這些行程與行程時常交替使用，一個行程由 19 19 所組成。 (1). 行程為一主動的實體而程式則為一被動的實體。 (2). 兩個行程可能相關(guān)于 同一個程式 (3). 行程的狀態(tài) (4). 任何瞬間僅有一行程在某處理器上執(zhí)行，行程的狀態(tài)傳移圖如下所示。 行程排程采分時方法，并考量優(yōu)先權(quán)。通常系統(tǒng)行程的優(yōu)先權(quán)較高，使用 間較少，行程的優(yōu)先權(quán)較高。 排程程式提供可選擇的及時排程。 行程可利用 統(tǒng)呼叫產(chǎn)生子程式， 后的 統(tǒng)呼要可使子行程執(zhí)行其他的程式，副行程可利用 統(tǒng)呼叫等候子行程的結(jié)束。 行程互相溝通的方法 允許行程傳送與接收訊息的系統(tǒng)呼叫。 可被不同行程設(shè)定與檢測的 允 許行程定義記憶體共享區(qū)域的系統(tǒng)呼叫。 20 20 核心服務(wù)方式 即時排程 (1). 分類 i、 硬式 (時系統(tǒng) 需要在一定量的時間內(nèi)完成重要的 程時需做資源預(yù)留 (, 即時較多。 軟式 (時系統(tǒng) 要求重要行程的優(yōu)先權(quán)高于其他的行程，限制較少。 (2). 施行軟式即時系統(tǒng) i、 系統(tǒng)需能做的優(yōu)先順序排程，而即時的行程需具較高的優(yōu)先順序。 派遣延遲的時間需很短。 系統(tǒng)呼叫需能被可搶先，有兩種做法。 在較長的系統(tǒng)呼叫加入可搶先的點，以檢查 是否有更高優(yōu)先權(quán)的行程需被執(zhí)行。這些點需置于核心的資料結(jié)構(gòu)不被修改之處。 整個核心均為可搶先。 21 21 若高優(yōu)先順序行程必須讀取或修正已由另一低優(yōu)先順序行程所存取的核心資料，需等候低優(yōu)先順序行序行程的結(jié)束，會形成優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn) (此時可采優(yōu)先權(quán)繼承協(xié)定 (解決。 執(zhí)行緒排程 (短程排程程式自 能是 選一個行程來執(zhí)行。 執(zhí)行緒排程 又稱為“輕量級行程”，為 用率的一個基本單位，由 組成。執(zhí)行緒的 狀態(tài) 可為與，執(zhí)行緒分享 使用，而任何時間可能有一個執(zhí)行緒在執(zhí)行。執(zhí)行緒與同儕的執(zhí)行緒共用其 作業(yè)系統(tǒng)資源（如 等） 嵌入式系統(tǒng)實體工作圖 22 22 I/O 保護 I/O ： 定義所有的 I/O 指令為特權(quán)指令，使用者必須經(jīng)由監(jiān)督模式來執(zhí)行 I/O 指令。 記憶體保護 ： 至少必須對中斷向量及中斷服務(wù)程式提供記憶體的保護。采用基底 限制 存器其值僅能由作業(yè)系統(tǒng)以特權(quán)指令設(shè)定，可在多元程式系統(tǒng)下以硬體方式進行位址的保護。 (1). 分割周期 多元程式化目的在得到最大的 用率。 I/O 替排列構(gòu)成了 行程的執(zhí)行。 持續(xù)時間通常呈指數(shù)或超指數(shù)分配，絕大多數(shù)均為非常短的 (2). 程程式 : 短程排程程式自 能是 選一個行程來執(zhí)行。 (3). 可槍先排程 程時機 當行程自 態(tài)因 I/O 要求，等候子行程結(jié)束等，而轉(zhuǎn)為 態(tài)。 當行程自 態(tài)因中斷發(fā)生而轉(zhuǎn)為 態(tài)。 當行程自 態(tài)因 I/O 完成而轉(zhuǎn)為 態(tài)。 當行程終止。 (4). 不可槍先 程時機 僅發(fā)生在當行程自 態(tài)因 I/O 要求等候子行程結(jié)束等而轉(zhuǎn)為態(tài)，以及當行程終止時。 可搶先排程可能發(fā)生在上述各種情況。對作業(yè)系統(tǒng)核心的設(shè)計有一定的影響。 23 23 精置換（ (1). 可用于采行 程的多元程式環(huán)境，亦可用于優(yōu)先順序為基礎(chǔ)的排程方法的環(huán)境中，低優(yōu)先順序的行程被移出（ 稍后再被一入（ 以俾執(zhí)行。 (2). 移出的行程再度一入時應(yīng)置于何處？ i、 若在 作 行程需至于原處。 若在 作 行程可置于不同處。 (3). 置換時使用 為 (4). 需的時間主要為傳送時間。因而系統(tǒng)須確知每個行程所使用的空間，因而一個具有動態(tài)記憶體需求的行程必須經(jīng)由， 憶體的系統(tǒng)呼叫，俾能使用 掌握該行程對記憶體的要求。 (5). 被 行程必須是 態(tài)，而且不可處于等候 I/O 完成的狀態(tài)，做法有二 : (1)等候 I/O 完成的行程不可被置換出去。 (2)I/O 動作的執(zhí)行僅能 經(jīng)由 的緩沖區(qū)，而 與 的 I/O，僅有當該行程被 方可進行。 24 24 微伺服服務(wù)方式 執(zhí)行緒 a、 又稱為“輕量級行程”，為使用率的一個基本單位，由 組成。 b、 執(zhí)行緒的狀態(tài)可為與，執(zhí)行緒分享 任何時間可能有一個執(zhí)行緒在執(zhí)行。 c、 執(zhí)行 緒與同儕的執(zhí)行緒共用其 作業(yè)系統(tǒng)資源。執(zhí)行緒可分為 : i、 僅有單一執(zhí)行緒的行程 具有多執(zhí)行緒的 (1). 每個行程與每個執(zhí)行緒的概念 d、 25 25 e、 同行程之諸執(zhí)行間彼此并非獨立，并位于相同之位址空間，可存取同行程之其他執(zhí)行緒的堆迭，因而并未提供同行程諸執(zhí)行緒之間的保護。 f、 同行程之諸執(zhí)行緒間在背景交換時，僅需作暫存器集的切換，不必作記憶體管理的工作。 g、 一個“重量級”的行程相當于僅具一個執(zhí)行緒的任務(wù)。 (2). 應(yīng)用 a、 服器為 程，一個執(zhí)行緒負責傾聽，若客戶有新的要求時，便產(chǎn)生一新的執(zhí)行緒以服務(wù)此要求。 b、 式在連到伺服器時會 到完成連接時為止。 式將會另行產(chǎn)生一 個 段時間的計時執(zhí)行緒，當計時執(zhí)行緒醒來時會檢查做連接的執(zhí)行緒；若仍在試圖連結(jié)，則會予以中斷以減少不必要的 c、 同行程諸執(zhí)行緒之合作方式有 式、 式、式等。 (3). 優(yōu)點 a、 b、 c、 d、 of 使用者與核心執(zhí)行緒 (1). 使用者執(zhí)行緒 由使用者層次上的執(zhí)行緒程式館所施行，該程式館可在不需核心介 26 26 入下 支援執(zhí)行緒的產(chǎn)生、排程與管理。 產(chǎn)生與管理較快 背景交換時因與核心無關(guān)，因而較快。 排程較不公平 傳統(tǒng) 核心屬本資做法，任何時間僅有一任務(wù)可執(zhí)行核心內(nèi)的程 式。 若核心為單執(zhí)行緒，則任一使用者執(zhí)行緒執(zhí)行 統(tǒng)呼叫時，將導(dǎo)入致整個行程被 (2). 核心執(zhí)行緒 由作業(yè)系統(tǒng)直接支援執(zhí)行緒的產(chǎn)生、排程與管理 產(chǎn)生與管理較慢 若使用者執(zhí)行緒執(zhí)行 統(tǒng)呼叫時，核心可排程執(zhí)行應(yīng)用程式中的另一執(zhí)行緒，因而每個執(zhí)行緒均可獨立的被排程。 背景交換時因與核心有關(guān)，因而較慢。 27 27 五、 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺 嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)路 微伺服服務(wù)方式：隨著網(wǎng)路技術(shù)的迅速發(fā)展，具有微伺服器的單晶多媒體 內(nèi)嵌系統(tǒng)應(yīng)用近年來成長很快，不斷發(fā)展的 定標準及服務(wù)口提供了內(nèi)嵌系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)范 .。使用網(wǎng)路微伺服器 (務(wù)協(xié)定模型概念，進行作業(yè)系統(tǒng)、及應(yīng)用軟體的布建及設(shè)計，這種模型適合后代的低成本、高彈性單晶多媒體發(fā)展需求，并容易獲得現(xiàn)成較成熟的技術(shù)支援。 內(nèi)嵌式應(yīng)用平臺的架構(gòu)選用與建置是包括采用既有系統(tǒng)標準及自行建構(gòu)部分的整合 ，另一困難則是針對應(yīng)用采取何種服務(wù)架構(gòu)最有利的問題。我們將嘗試使用現(xiàn)成 展系統(tǒng)及使用自建的 構(gòu)系統(tǒng)，比較它們的發(fā)展環(huán)境及支援工具之優(yōu)劣。在服務(wù)協(xié)定上，研究流行的發(fā)展趨勢在平臺上的可行性，如礎(chǔ)的應(yīng)用導(dǎo)向標準定義，服務(wù)網(wǎng)頁及 程式撰寫及除錯環(huán)境等。 28 28 1. 嵌入式系統(tǒng)核心除錯 2. 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生周期 29 29 六、 內(nèi)嵌式系統(tǒng)應(yīng)用 1. 朝網(wǎng)路發(fā)展 人們或忙著注意網(wǎng)際網(wǎng)路對人的生活及消費行為的革命。但網(wǎng)路的發(fā)達將使幾乎被所有具備微電腦 的設(shè)備成為名副其實的嵌入式系統(tǒng)。想象一下你家里的電冰箱微電腦系統(tǒng)與網(wǎng)路超級市場電腦連線 ,在牛奶不足時自動訂貨 ,又如實際一點的 ,我門已經(jīng)可以透過同步網(wǎng)路 ,使相距數(shù)百公尺得 2 顆同步馬達同時運轉(zhuǎn)。從嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計上 ,這意昧著我們將輕易的透過網(wǎng)路 ,實行并行處理的功能。也同時代表嵌入式的特定功能 ,將因網(wǎng)路的發(fā)達而可隨時更改。從許多微控制器將網(wǎng)路功能內(nèi)建的趨勢看 ,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師若不具備網(wǎng)路的觀念 ,將無法趕上這一波的革命。 2. 由工業(yè)電腦到資訊家電資訊家電 (趨勢 : 凡是具備網(wǎng)路連線功能并且能與其他裝置交換資料 資訊家電在未來寬頻 ,任何裝置都網(wǎng)路及無線通信發(fā)達的狀況下任何裝置都可直接或間接的上網(wǎng)裝置的功能雖然有限 ,但可透過網(wǎng)路遙控其他裝置來間接擴充功能。除了從網(wǎng)路的觀點來看 訊家電也住狀再 ” 易用 ”.” 便利 ” 的操作上。嵌入式系統(tǒng)的另外一種延伸應(yīng)用是目前當紅的 另外有上網(wǎng)機 在可見的未來 ,嵌入式系統(tǒng)定義將越來越模糊 ,但會一點一滴的融入你我的生活里。 3. 向 嵌入式產(chǎn)品所須之處理器及晶片組叫 求體積小 省電 ,因此多采 30 30 高整合度 的 處理器核心 ,為了盡速縮小制成技術(shù)進步與設(shè)計生產(chǎn)力間的差距 ,并加速 實現(xiàn)的重復(fù)使用成為各方矚目得焦點。所謂硅智慧財產(chǎn)權(quán) ,或半導(dǎo)體智慧財產(chǎn)權(quán) ,在智慧財產(chǎn)前面加上硅或半導(dǎo)體 ,是為了要與一般的智慧財產(chǎn)權(quán)作為區(qū)別。這類型的產(chǎn)品眾多 ,例如國家半導(dǎo)體 ( 合 。其他則還有廠商投入單晶片的設(shè)計。 4. 應(yīng)用范例 (1). 嵌入技術(shù) 解壓縮應(yīng)用 此一裝置包含 料讀取、 縮 /解壓縮技術(shù)、與錄放音、以及使用者介面 4 大部分。之所以取此例子，是因為音樂不能間斷，因此有一定程度的程序要求。 以現(xiàn)有的 縮 /解壓縮晶片為主軸。此時所設(shè)計的微電腦，大部分的時間在做資料的儲存及搬運的動作，其目的在 ” 服侍 ” 該 片級收集使用者命令。雖有及時性需求，但只要時間來的急就夠，微電腦本身無須復(fù)雜。 以韌體實現(xiàn) 能。這時候設(shè)計的變化就相當多啰。簡單的設(shè)計是使 用如 構(gòu)，以一計算能力較強的晶片執(zhí)行 算。進一步的設(shè)計是使用單晶片。完全利用韌體做到所述的 4 項功能。 體實現(xiàn)的差異。由于 無規(guī)范如何執(zhí)行壓縮及解壓縮。因此韌體的實現(xiàn)端看設(shè)計者的功力，如程式最佳化 及可否運用一些技巧簡化計算流程等。注意嵌入式系統(tǒng)設(shè)計并非重新發(fā)明輪子，但必須遵守工程設(shè)計的原則 使用及時多工核心。雖說這樣的一個小裝置牽涉的工作不多，但各項 31 31 工作間有一定程度的 就是時序與優(yōu)先 權(quán)的關(guān)系。使用多工核心的目的，是將 源的分配，與實際工作內(nèi)容分開，并利用核心將韌體模組化，便于維護及管理。 (2). 智慧型微電腦功率調(diào)變系統(tǒng) 利用嵌入式即時核心系統(tǒng)概念的應(yīng)用延伸，建構(gòu)在功率調(diào)變控制系統(tǒng)上，如微電腦智慧型風扇模仿自然風的現(xiàn)象，風忽大忽小沒有定數(shù)，如亂數(shù)程式亂跑，我們就探討嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用以微電腦智慧風扇為樣本，建構(gòu) 習范例應(yīng)用 32 32 七、 未來發(fā)展與應(yīng)用 透過本計畫的研究， 希望 能探索出未來發(fā)展內(nèi)嵌系統(tǒng)最佳的解決方案， 以及降低成本 的 關(guān)應(yīng)用層面支援技術(shù)，以提高整體系統(tǒng)之效能，并豐富內(nèi)嵌系統(tǒng)教學的教材內(nèi) 容。使用網(wǎng)路微伺服器 (務(wù)協(xié)定模型概念，進行作業(yè)系統(tǒng)、 及應(yīng)用軟體的布建及設(shè)計，這種模型適合后 代的低成本、高彈性單晶多媒體發(fā)展需求，并容易獲得現(xiàn)成較成熟的技術(shù)支援。 內(nèi)嵌式硬體平臺的架構(gòu)選用與建置是技術(shù)上必須克服的問題，這包括采用既有系統(tǒng)標準及自行建構(gòu)部分的整合，另一困難則是針