1、嵌入式系統(tǒng)簡介Introduction to EmbeddedSystem南開大學 孫鳳池 Mar. 12, 2007.報告內(nèi)容認識嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)的來源嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)WinCE系統(tǒng)開發(fā)展望與總結(jié).認識嵌入式技術(shù)豐富多彩的嵌入式產(chǎn)品無處不在的嵌入式技術(shù)嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)造.豐富多彩的嵌入式產(chǎn)品.無處不在的嵌入式技術(shù)消費電子：數(shù)碼相機、MP3、游戲機等信息家電：數(shù)字電視、機頂盒智能電器：能上網(wǎng)的冰箱、空調(diào)、洗衣機等通訊設備：手機、IP、網(wǎng)絡設備等便攜設備：PDA、數(shù)據(jù)采集、測試安裝等工業(yè)設備: 數(shù)控設備、過程工業(yè)控制設備商業(yè)金融：售貨機、收款機、

2、取款機等汽車電子：智能化汽車航空航天：飛行器控制、外星探測器醫(yī)療設備：CT機，電子血壓計等交通管理：GPS導航、智能監(jiān)控設備軍事領(lǐng)域：武器控制、車載電子設備等.嵌入式系統(tǒng)的概念定義：嵌入式系統(tǒng)是以運用為中心，以計算機技術(shù)為根底，軟件、硬件可裁剪，功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴厲要求的公用計算機系統(tǒng)。與通用計算機系統(tǒng)的不同：嵌入式系統(tǒng)是不同于常見計算機系統(tǒng)的一種計算機系統(tǒng)，它不以獨立設備的物理形狀出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的部件根據(jù)主體設備及其運用的需求，嵌入在主體設備內(nèi)部，發(fā)揚著運算、處置、存儲及控制的作用，是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的安裝。.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)造從體系構(gòu)造來看，嵌入式系統(tǒng)包

3、括兩部分：1嵌入式處置器為中心的嵌入式硬件系統(tǒng)；2由嵌入式操作系統(tǒng)和用戶運用程序組成的嵌入式軟件系統(tǒng)。留意： 與傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)相比，如今的嵌入式系統(tǒng)，強調(diào)“系統(tǒng)-指的是嵌入式操作系統(tǒng)。.處置器存儲器輸入輸出操作系統(tǒng)運用程序軟件構(gòu)造硬件構(gòu)造.嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)是多學科交融的結(jié)果：計算機、電子、半導體、通訊、控制等；嵌入式系統(tǒng)通常是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向特定運用，開發(fā)人員很能夠是各個運用領(lǐng)域的專家；產(chǎn)品具有較長的生命周期；軟件固化存儲，OS內(nèi)核小，OS和運用程序的區(qū)分不明顯；需求另外的開發(fā)工具和環(huán)境：宿主機+目的機的開發(fā)方式/集成開發(fā)環(huán)境；.報告內(nèi)容認識嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)的來源嵌

4、入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)WinCE系統(tǒng)開發(fā)展望與總結(jié).嵌入式技術(shù)的來源早期的嵌入式技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)采用嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點.早期的嵌入式技術(shù)微處置器-單板機-單片機、DSP等早期的嵌入式運用大都不采用操作系統(tǒng)，只是為了實現(xiàn)某些特定功能，運用一個簡單的循環(huán)控制程序?qū)ν饨绲目刂茟┣筮M展處置。問題：不利于擴展新功能；參與網(wǎng)絡協(xié)議棧比較費事；運用程序移植性差；.嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)隨著嵌入式系統(tǒng)的功能要求日益復雜，硬件功能越來越強大，運用操作系統(tǒng)是必需的，并且能夠的；C言語被廣泛用于嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)；從20世紀80年代開場，出現(xiàn)了各種各樣；商用嵌入式操作系統(tǒng)，大多為公用系統(tǒng)開發(fā)，從而構(gòu)

5、成了目前多種嵌入式操作系統(tǒng)并存的局面；嵌入式操作系統(tǒng)的功能包括：義務管理、存儲管理、時鐘管理、進程間通訊與同步、設備管理、文件系統(tǒng)、圖形界面、網(wǎng)絡接口等。.采用嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點在嵌入式運用中運用操作系統(tǒng)，可以把復雜的運用分解成多個義務，簡化了運用系統(tǒng)軟件的設計；程序的設計和擴展變得容易，不需求大的改動就可以添加新的功能；使控制系統(tǒng)的實時性得到保證；經(jīng)過有效的系統(tǒng)效力，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用；良好的多義務設計，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.報告內(nèi)容認識嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)的來源嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)WinCE系統(tǒng)開發(fā)展望與總結(jié).嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式微處置器

6、開展現(xiàn)狀嵌入式操作系統(tǒng)開展現(xiàn)狀嵌入式技術(shù)市場現(xiàn)狀.嵌入式微處置器現(xiàn)狀由于嵌入式系統(tǒng)運用環(huán)境比較特殊，因此嵌入式微處置器在對實時系統(tǒng)的支持才干、任務溫度、電磁兼容性、功耗、可靠性方面的要求較通用微處置器更高；但嵌入式微處置器在根本功能方面與通用微處置器類似.嵌入式處置器分類.五種主流的嵌入式微處置器體系A(chǔ)RMXscaleMIPSIBM的Power PCINTEL的X86Motorola的 68000(68K).嵌入式操作系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)運用的操作系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備管理、網(wǎng)絡通訊、圖形界面、文件系統(tǒng)等模塊；嵌入式操作系統(tǒng)具有

7、通用操作系統(tǒng)的根本特點，可以有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源；可以把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從忙碌的驅(qū)動程序移植和維護中解脫出來；可以提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及一些典型運用程序。 .嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類：面向控制、通訊等領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng)RTOS，實時系統(tǒng)能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能，并對外部的異步事件做出呼應；面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng)，這類系統(tǒng)用于對呼應時間要求不嚴厲的場所。.實時系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計算的邏輯結(jié)果，還取決于結(jié)果產(chǎn)生的時間。特點：經(jīng)過義務調(diào)度，使得對于重要事件在規(guī)定的時間內(nèi)做出正確的呼應。硬實時系統(tǒng)：必需對事件做出及時的反響，絕對不能錯過事件處

8、置的時限。軟實時系統(tǒng)：假設在系統(tǒng)負荷比較嚴重的時候，允許發(fā)生錯過時限的情況，而不會呵斥太大的危害。.內(nèi)核是操作系統(tǒng)的中心程序，多義務系統(tǒng)中，內(nèi)核擔任管理各個義務：為每個義務分配CPU時間，并且擔任義務之間的通訊。義務調(diào)度Scheduler是內(nèi)核的主要職責，就是要決議運轉(zhuǎn)哪一個義務。多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度法的：每個義務根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓“處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的義務先運轉(zhuǎn)。.當系統(tǒng)呼應時間很重要時，要運用占先式preemptive調(diào)度的內(nèi)核：最高優(yōu)先級的義務一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當一個運轉(zhuǎn)著的義務使一個比它優(yōu)先級高的義務進入了就緒態(tài)，當前義務的

9、CPU運用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的義務立刻得到了CPU的控制權(quán)。假設是中斷效力程序使一個高優(yōu)先級高的義務進入了就緒態(tài)，那么中斷完成時，原來被中斷了的義務被掛起，優(yōu)先級高的義務開場運轉(zhuǎn)。占先式內(nèi)核的義務級呼應時間是可知的。調(diào)度方式.幾款主流嵌入式操作系統(tǒng)VxWorksWindows CE嵌入式LinuxuC/OSPalm OSQNX.VxWorks VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS，具有良好的擴展才干、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境。該公司在實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域是世界公認最具有指點作用的公司。VxWorks

10、具有很高的可靠性、實時性和可裁減性，它支持多種處置器，被廣泛運用在通訊、軍事、航空、航天等對實時性要求極高的領(lǐng)域中，在美國的 F-16、FA-18 戰(zhàn)斗機、B-2 隱形轟炸機和愛國者導彈、火星探測器上也運用到了VxWorks。.VxWorks的特點具有高性能實時微內(nèi)核Wind；友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境Tornado:運轉(zhuǎn)在宿主機上，包含編輯器、編譯器、調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境；兼容POSIX 100.1b 規(guī)范;良好的自在配置才干；廣泛的CPU支持.基于VxWorks的火星探測機器人.VxWorks在高性能武器中廣泛運用.Windows CE Windows CE是一種針對小內(nèi)存、挪動式、智能化設備推出

11、的模塊化嵌入式操作系統(tǒng)。由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)容易接受，系統(tǒng)功能豐富，如具有多媒體才干、網(wǎng)絡和通訊支持、高級運用程序效力。 Win CE3.0 以前的版本實時性能不高。 另外兩種版本：Windows Mobile 和Windows Automotive.Windows CE的開發(fā)環(huán)境Platform Builder用于定制Windows CE平臺 Platform Builder可以根據(jù)用戶的需求，選擇構(gòu)建定制具有不同功能配置的CE系統(tǒng)；定制的平臺編譯后，就會得到一個OS映像文件；將該文件下載到目的平臺，就可以調(diào)試、運轉(zhuǎn)CE系統(tǒng)了。 Visual Sudio.NET 2003/e

12、Mbedded Vsiual C+ 用于Windows CE運用程序的開發(fā)。.基于Win CE的自動裝配平臺.基于Win CE的挪動機器人平臺.嵌入式Linux嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，固化在容量只需幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，運用于特定嵌入式場所的公用Linux操作系統(tǒng)。前幾年的嵌入式Linux主要有RTLinux和uCLinux兩個版本。uClinux內(nèi)核不關(guān)懷實時性問題，可用于各種手持設備等場所，RTLinux適宜處置實時義務，可用于工業(yè)控制等場所。Linux是開放源碼的，并具有內(nèi)核小、功能強大、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、系統(tǒng)強壯、

13、效率高、易于定制剪裁等優(yōu)點，在價錢上極具競爭力，因此嵌入式Linux是一種最有出路的嵌入式操作系統(tǒng)。.嵌入式Linux的交叉編譯環(huán)境Linux內(nèi)核編譯時，默許的配置是對i386平臺，假設要編譯其他CPU內(nèi)核，要先建立針對該處置器的編譯環(huán)境，包括：Linux內(nèi)核源代碼、GNU的C庫和線程庫、GNU的C編譯器、銜接器ld、匯編代碼編譯器as、用來將文件打包重組的ar以及為ar打包的文件建立符號表的ranlib等。例如針對ARM處置器的交叉開發(fā)環(huán)境中：arm-linux-gcc是編譯器， arm-linux-ld是銜接器.嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)節(jié)引導裝載程序(BootLoader)Linux系統(tǒng)內(nèi)

14、核嵌入式設備文件系統(tǒng)設備驅(qū)動程序運用程序.基于RTLinux的仿人機器人 高 48 cm重: 6 kg靈敏性：20 DOF操作系統(tǒng): RT-Linux接口方式: USB 1.0 (12Mbps)呼應周期: 1ms能源： DC24V x 6.2A (150W)制造：富士通.基于嵌入式Linnux的電子書.uc/OSuc/OS是一個源代碼公開、免費的嵌入式操作系統(tǒng)，是一個高實時性的多義務系統(tǒng)內(nèi)核，其運用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機、網(wǎng)絡設備、醫(yī)療器械、音響設備、高速公路系統(tǒng)、自動提款機等，并于2000年得到美國航空管理局FAA的認證，可以用于飛行器中。.基于uc/OS的產(chǎn)品3-Axis Motor

15、Control Card C/OS-II Hitachi SH2 running at 29.4912 MHz 7 Tasks / 10 Hz Tick RateSelf Service Terminal (SST) C/OS-II Intel 80386 CPU 33 MHz 9 Tasks 20 Hz Tick Rate.基于uc/OS的機器魚.機器魚的嵌入式控制器uC/OS-II RTOS.PalmOSPalm OS是Palm Computing公司為其掌上電腦產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，Palm OS在PDA市場上占有很大的市場份額，目前主要與WinCEPocket PC進展猛烈競爭。采

16、用Palm OS的掌上電腦：.QNX加拿大QNX公司的產(chǎn)品。內(nèi)核只需8K字節(jié)，QNX是一個實時的、可擴展的嵌入式操作系統(tǒng)，遵照POSIX可移植操作系統(tǒng)接口相關(guān)規(guī)范，QNX具有強大的圖形界面功能。運用于機頂盒、手持設備手掌電腦、手機、GPS設備等，在工業(yè)控制領(lǐng)域也有比較廣泛的運用。.采用QNX的機器人“EMIEW 日立公司設計，在2005年愛知世博會展出。050317hit1.mpeg050317hit2.mpeg.附：手機操作系統(tǒng)Linux微軟Windows MobileSymbine .嵌入式技術(shù)市場現(xiàn)狀援用：“PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明，“福特出賣的計算才干已超越了IBM開展嵌入式軟件有

17、以下幾個有利條件：1.通用軟件容易被盜版，但是嵌入式軟件由于固化存儲的緣由不易被盜版。2.和開發(fā)通用系統(tǒng)軟件相比，嵌入式軟件的開發(fā)本錢低，風險小，門檻低。3.嵌入式軟件和詳細行業(yè)、運用聯(lián)絡嚴密，國外壟斷程度和壟斷才干相對較弱。嵌入式運用軟件是除行業(yè)運用軟件、軟件外包之外的又一個有出路的方向.嵌入式技術(shù)市場現(xiàn)狀嵌入式技術(shù)相關(guān)的企業(yè)的運營方式：消費、銷售嵌入式系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的大公司;提供嵌入式技術(shù)、運用途理方案的中小型技術(shù)公司;用嵌入式技術(shù)進展消費設備改造或者產(chǎn)品晉級的傳統(tǒng)企業(yè);.報告內(nèi)容認識嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)的來源嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)WinCE系統(tǒng)開發(fā)展望與總結(jié).嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設計

18、流程軟件開發(fā)調(diào)試方式宿主機-目的機開發(fā)方式嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境操作系統(tǒng)移植系統(tǒng)定制Boot Loader設計BSP的概念.設計流程系統(tǒng)需求分析：分功能性需求和非功能性需求兩方面.體系構(gòu)造設計：對硬件、軟件和執(zhí)行安裝的功能劃分，對操作系統(tǒng)、微處置器選型.硬件/軟件協(xié)同設計：軟硬件設計任務并行；采用基于開發(fā)平臺的方式進展硬件開發(fā)；大部分任務集中在軟件設計上，采用規(guī)范化的軟件設計方法.系統(tǒng)集成與測試.軟件開發(fā)調(diào)試方式在線仿真器 運用仿真頭替代目的板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行為，速度快。但構(gòu)造較復雜，價錢昂貴，通常用于ARM硬件開發(fā)中。JTAG仿真器 經(jīng)過ARM芯片的JTAG邊境掃描口與

19、ARM內(nèi)核進展通訊，不占用目的板的資源，是目前運用最廣泛的調(diào)試手段。指令集模擬器駐留監(jiān)控軟件.宿主機-目的機開發(fā)方式.嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境IDE的意義：加快開發(fā)進度，節(jié)省開發(fā)本錢。IDE集成了豐富的功能模塊和資源：編輯、編譯、銜接、調(diào)試、工程管理、函數(shù)庫等。例如：ARM SDT ARM Software Development Toolkit用于在ARM微處置器上進展運用軟件開發(fā)的集成開發(fā)工具，由ARM公司提供，可以直接用于uC/OS系統(tǒng)移植和運用程序開發(fā)。ARM SDT 可以在多個系統(tǒng)平臺上運轉(zhuǎn)，可以支持C言語和匯編言語。.嵌入式操作系統(tǒng)的移植操作系統(tǒng)的移植，是指使一個實時操作

20、系統(tǒng)可以在某個微處置器平臺上運轉(zhuǎn)。操作系統(tǒng)移植勝利的要求：微處置器可以支持編譯器可以支持移植步驟和移植任務復雜程度，因選定的嵌入式操作系統(tǒng)而異。.舉例：移植COS-II所需條件 處置器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼； 在程序中可以翻開或者封鎖中斷； 處置器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷通常在10-100Hz之間； 處置器支持可以包容一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧； 處置器有將堆棧指針和其他CPU存放器存儲和讀出到堆?；蛘邇?nèi)存的指令.移植C/OS-II所需任務在includes.h中設置與處置器和編譯器相關(guān)的代碼 用C言語編寫六個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)OS_CPU_C.C 用匯編言語編寫四個與處置器相關(guān)的函數(shù)OS_

21、CPU.ASM .系統(tǒng)定制嵌入式操作系統(tǒng)的定制：用戶可以根據(jù)本人系統(tǒng)的功能需求，經(jīng)過交叉開發(fā)環(huán)境對操作系統(tǒng)進展配置，保管所需求的功能，刪除不需求的功能，以節(jié)省硬件存儲空間。定制方式：選擇組件方式條件編譯方式在編譯之前定制.Boot Loader的設計BootLoader是嵌入式系統(tǒng)最底層的引導軟件,它在系統(tǒng)加電后初始化主板的根本設置，為接納外部程序做硬件上的預備。BootLoader是一段單獨的程序代碼，它存放于目的平臺的非易失存儲介質(zhì)中，如ROM或Flash ROM.Boot Loader的作用硬件系統(tǒng)自檢；配置其他存儲體或者端口、外設的任務方式；處置系統(tǒng)的中斷；Flash ROM編程、映像

22、文件下載；接納用戶命令，參數(shù)和數(shù)據(jù)的設置、存儲和傳送.引導操作系統(tǒng).BootLoader 設計方法從操作系統(tǒng)廠商提供的例程中尋覓與硬件平臺最接近的作為標本程序，然后再根據(jù)本人的硬件平臺做相應的改動。一些新的評價板能夠會由供應商或者第三方的廠商來提供Bootloader。假設硬件平臺是從這樣的基板設計而來，尋求廠商獲取Bootloader來移植，可以減少任務量。參考其他來源的近似系統(tǒng)的設計。編寫B(tài)ootLoader是開發(fā)第一步。.BSP的概念BSP是板級支持包，是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的層次，是操作系統(tǒng)的一部分,主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之可以更好的運轉(zhuǎn)于硬件主板。BSP是相對于操作系統(tǒng)

23、而言的，不同的操作系統(tǒng)對應于不同定義方式的BSP,BSP一定要按照該系統(tǒng)BSP的定義方式來寫，才干與上層OS堅持正確的接口。 通常，BSP包括硬件適配層和設備驅(qū)動程序，其編程過程大多數(shù)是在某一個成型的BSP模板上進展修正。.報告內(nèi)容認識嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)的來源嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)WinCE系統(tǒng)開發(fā)展望與總結(jié).WinCE系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)節(jié)操作系統(tǒng)定制BootLoader開發(fā)硬件適配層(OAL)開發(fā)驅(qū)動程序開發(fā)運用程序設計.WinCE運用程序開發(fā)WinCE支持本地運用程序和托管運用程序：Native application：開發(fā)工具是Embedded Visual C+Managed application：開發(fā)工具是Visaul Studio.NET.開發(fā)環(huán)境比較Embedded Visual C+：直接編譯C/C+代碼到CPU指令可運用Win32API運用程序接口存取Windows CE 函數(shù)可運用MFC(Microsoft Found