工學嵌入式系統(tǒng)概述第1頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點，分類及應用領域嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計方法第2頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的概念(1)計算機的分類：按照計算機的體系結構、運算速度、結構規(guī)模、適用領域，分為大型機、中型機、小型機和微型機。以應用分類：分為通用計算機和嵌入式計算機

, 嵌入式計算機以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中第3頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的概念(2)國內(nèi)定義： 嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystems） 以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) 計算機技術、半導體技術、電子技術和具體應用相結合的產(chǎn)物。IEEE定義：用于控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置。

Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.第4頁/共109頁一般定義 “以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?！睆囊韵聨讉€方面來理解國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義：嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。可以這樣理解上述三個方面的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。第5頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式技術無處不在

各種使用嵌入式技術的電子產(chǎn)品，如：MP3、PDA、手機、智能玩具，網(wǎng)絡家電、智能家電、車載電子設備等。在工業(yè)和服務領域中，大量嵌入式技術也已經(jīng)應用于工業(yè)控制、數(shù)控機床、智能工具、工業(yè)機器人、服務機器人等各個行業(yè)，正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務方式。第6頁/共109頁2023/4/27自動控制領域：數(shù)控機床、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備監(jiān)測、發(fā)電站和電力傳輸、污水處理、自動化工廠、石油提煉和貯運設施、建筑設備、計算機輔助制造、能源控制、核電站、機器人傳感器-控制器-執(zhí)行單元家電領域機頂盒、PDA、DVD、MP3播放器、數(shù)碼相機、數(shù)字電視、網(wǎng)絡冰箱、網(wǎng)絡空調(diào)、家庭網(wǎng)關交通領域汽車導航系統(tǒng)、不停車收費系統(tǒng)、移動電子警察、智能交通路口機、汽車Telematics系統(tǒng)、各種汽車ECU醫(yī)療領域心臟除顫器、心臟起搏器、病員監(jiān)視系統(tǒng)、X光設備、理療控制系統(tǒng)、電磁成像系統(tǒng)通信網(wǎng)絡領域手機、交換機、路由器、Hub等后PC時代--豐富的嵌入式產(chǎn)品市場第7頁/共109頁嵌入式視頻服務器第8頁/共109頁現(xiàn)代化家庭第9頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)第10頁/共109頁馬達控制器車燈嵌入式系統(tǒng)示例——汽車控制系統(tǒng)尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)第11頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點，分類嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計方法第12頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個計算機系統(tǒng)，但與通用計算機系統(tǒng)相比，它具有以下一些特點（1）嵌入式系統(tǒng)與應用密切相關。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的。嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約。（2）嵌入式系統(tǒng)存儲資源有限。盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高，芯片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，另外還有實時性的要求。為此要求程序的編寫質(zhì)量和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進制代碼長度，提高執(zhí)行速度。第13頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的特點（3）嵌入式系統(tǒng)具有實時約束。嵌入式系統(tǒng)很多是實時系統(tǒng)。在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調(diào)度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成，因此系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。（4）需要交叉開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設計完成以后，用戶通常也不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。第14頁/共109頁硬件組成嵌入式處理器存儲器輸入設備輸出設備外圍接口軟件硬件單元中央處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，它負責控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行。括微處理器、微控制器、DSP處理器、專用處理器、SOC(SystemonChip)存儲器按存儲信息的功能可分為只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）和隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）嵌入式系統(tǒng)中的輸入形式一般包括觸摸屏、語音輸入、按鍵和虛擬鍵盤輸出設備則主要有LCD顯示和語音輸出外圍接口主要有GPIO、串口、I2C總線、USB總線和IEEE1394總線等等第15頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的分類1.2嵌入式系統(tǒng)的特點及分類---------嵌入式系統(tǒng)的硬件嵌入式微控制（MCU）嵌入式DSP處理器(DSP)嵌入式微處理器MPU嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）嵌入式處理器第16頁/共109頁嵌入式處理器——嵌入式微處理器CPUROMRAM外設1外設2單板計算機第17頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式微處理器(MicroprocessorUnit,MPU)Intel: x86（Am186/88、386EX）Atom（凌動）

Motolora:PowerPCMotolora68K/ColdFire/DragballMIPS: MIPSARM: ARM Intel: XSCALE第18頁/共109頁Intel凌動處理器IntelAtom產(chǎn)品主要分為五大系列：一、N系列：主要面向上網(wǎng)本（Netbooks）。該系列產(chǎn)品主要有N270/N450/N455等，二、D系列：主要面向入門臺式機（Nettops），功耗稍大。D525,D425三、Z系列：主要面向平板機和掌上電腦（Handhelds），功耗低。Z510,Z530四、E系列：主要面向嵌入式設備（Embedded）。

E680,E660五、CE系列：主要面向消費電子設備（ConsumerElectronics）。主要型號有：AtomCE4100/CE4200等第19頁/共109頁Intel凌動處理器體積小，攜帶方便，功能適中，支持無線上網(wǎng)，價格便宜,這類7英寸-10.2英寸的超便攜筆記本稱為上網(wǎng)本。九成MID，即MobileInternetDevice，移動互聯(lián)網(wǎng)設備，2008年英特爾推出的一種新概念迷你筆記本電腦。在英特爾的定義中，這是一種體積小于筆記電腦，但大于手機的移動互聯(lián)網(wǎng)裝置。通過MID，用戶可進入互聯(lián)網(wǎng)，隨時享受娛樂、進行信息查詢、郵件收發(fā)等操作。第20頁/共109頁PowerPCPowerPC是一種RISC架構的CPU，其基本的設計源自IBM的POWER（PerformanceOptimizedWithEnhancedRISC的縮寫）架構。Motorola的基于PowerPC體系結構的嵌入式處理器芯片有MPC505、821、850、860、8240、8245、8260、8560等近幾十種產(chǎn)品，其中MPC860是PowerQUICC系列的典型產(chǎn)品，主流的PowerPC處理器制造商有IBM、Freescale?Semiconductor（原摩托羅拉半導體部）、目前Freescale公司已經(jīng)調(diào)整其PowerPC產(chǎn)品策略，將其劃分成3個主要市場：網(wǎng)絡設備、汽車電子(MPC5xx系列)和工業(yè)控制。

第21頁/共109頁MIPS處理器MicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages

“無內(nèi)部互鎖流水線微處理器”也是現(xiàn)在比較流行的一種RISC處理器，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題最早是在20世紀80年代初由美國斯坦福大學Hennessy教授領導的研究小組研制出來的在嵌入式方面，僅次于ARM應用領域覆蓋游戲機，移動電話，數(shù)碼相機，ATM，路由器，打印機，掌上電腦等等各個方面，非常廣泛第22頁/共109頁MIPS處理器索尼SNOYPSP2000處理器：MIPSR4000第23頁/共109頁嵌入式處理器

嵌入式微控制器又稱單片機，它是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

——嵌入式微控制器復位部件看門狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時器部件CPU核第24頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

Intel: 8051/96Motolora:MC68HC08/12,MC9S08/12Microchip: PICAtmel: AVRTI: MSP430第25頁/共109頁嵌入式DSP處理器DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。第26頁/共109頁嵌入式DSP處理器有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的

TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。Motorola公司的DSP56000已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100,DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。PHILIPS公司今年來也推出了基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加器單元，應用目標是大批量消費類電子產(chǎn)品。第27頁/共109頁2023/4/228多處理器-TIOMAPDSP加RISC的多處理器，針對通訊、多媒體C55xDSPOMAP5910/161x/171x/24xx:ARM9MMUMemoryctrlMPUinterfaceSystemDMAcontrolbridgeI/O第28頁/共109頁SoC就是SystemonChip，SoC是一種基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系統(tǒng)設計技術。它結合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中。有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)第29頁/共109頁SOC體系結構ASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface第30頁/共109頁31SoC化實例:手機SoC化前SoC化后第31頁/共109頁MPEG-2視頻調(diào)制解調(diào)器第32頁/共109頁知識產(chǎn)權第33頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的分類嵌入式片上系統(tǒng)

SystemOnChip,SOC SystemOnProgrammableChip,SOPCAtmel：FPSLIC(AVRwithFPGA)ST：uPSD(8051withCPLD)

Altera:Nios、NiosII

軟核心嵌入式處理器

Xilinx:MicroBlaze軟核嵌入式處理器

第34頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點，分類嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計方法第35頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的概念嵌入式操作系統(tǒng)的組成常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)方式第36頁/共109頁按嵌入式系統(tǒng)軟件復雜程度來分類循環(huán)輪詢系統(tǒng)有限狀態(tài)機系統(tǒng)前后臺系統(tǒng)單處理器多任務系統(tǒng)多處理器多任務系統(tǒng)第37頁/共109頁循環(huán)輪詢系統(tǒng)initialize()while(true){ if(condition_1)action_1(); if(condition_2)action_2(); ...... if(condition_n)acition_n();}CheckforInputDoSomething第38頁/共109頁優(yōu)點對于簡單的系統(tǒng)而言，便于編程和理解。沒有中斷的機制，程序運行良好，不會出現(xiàn)隨機的問題。缺點有限的應用領域。對于大量的I/O服務的應用，不容易實現(xiàn)。大的程序不便于調(diào)試。適合于慢速和非常快速的簡單系統(tǒng)循環(huán)輪詢系統(tǒng)第39頁/共109頁前后臺系統(tǒng)是中斷驅(qū)動系統(tǒng)的一種后臺是一個循環(huán)輪詢系統(tǒng)一直在運行。前臺是由一些中斷處理過程組成的。當有一前臺事件(外部事件)發(fā)生時，引起中斷,進行前臺處理,處理完成后又回到后臺(通常又稱主程序)。中斷1中斷2主程序中斷1中斷1中斷2第40頁/共109頁初始化處理1事件1處理2事件2NYYNISR1ISR2前臺處理后臺處理ISR3第41頁/共109頁單處理器多任務系統(tǒng)對于一個復雜的嵌入式實時系統(tǒng)來說，當采用中斷處理程序加一個后臺主程序這種軟件結構難以實時的、準確的、可靠的完成時存在一些互不相關的過程需要在一個計算機中同時處理時需要采用實時多任務系統(tǒng)！第42頁/共109頁結構由多個任務，多個中斷處理過程，實時操作系統(tǒng)組成的有機的整體。每個任務是順序執(zhí)行的，并行性通過操作系統(tǒng)來完成，任務間的相互通信和同步也需要操作系統(tǒng)的支持。單處理器多任務系統(tǒng)第43頁/共109頁流程并發(fā)多任務：：：：：：后臺前臺ISRsTasks第44頁/共109頁多任務系統(tǒng)多個順序執(zhí)行的程序并行運行。宏觀上看，所有的程序同時運行，每個程序運行在自己獨立的CPU上。實際上，不同的程序是共享同一個CPU和其它硬件。因此，需要RTOS來對這些共享的設備和數(shù)據(jù)進行管理。每個程序都被編制成無限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，執(zhí)行相應的任務等。這種程序模型將系統(tǒng)分成相對簡單的，相互合作的模塊。單處理器多任務系統(tǒng)第45頁/共109頁優(yōu)點將復雜的系統(tǒng)分解為相對獨立的多個線程，達到“分而制之”的目的，從而降低系統(tǒng)的復雜性。保證系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的模塊化好，提高系統(tǒng)的可維護性。缺點需要采用一些新的軟件設計方法。需要增加功能：線程間的協(xié)調(diào)，同步和通信功能。需要對每一個共享資源互斥。導致線程間的競爭。需要使用RTOS，RTOS要增加系統(tǒng)的開銷。單處理器多任務系統(tǒng)第46頁/共109頁多處理器多任務系統(tǒng)多任務可運行在多個處理器上，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，處理。宏觀上看是并發(fā)的，微觀上看也是并發(fā)的。多處理機系統(tǒng)分為緊耦合系統(tǒng)(tightly-coupledsystem)和松耦合系統(tǒng)(loosely-coupledsystem)兩種。第47頁/共109頁為什么要使用嵌入式操作系統(tǒng)早期的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，一般都是由一個工程師完成的，軟件開發(fā)工作只占全部工作的5%～10%；隨著科技的發(fā)展，80年代軟件開發(fā)工作已經(jīng)占到全部工作的50％；近幾年，隨著硬件復雜性、多樣性和應用復雜性的增加，軟件開發(fā)工作急劇增長，經(jīng)常達到全部工作的70％～80％。傳統(tǒng)的開發(fā)模式已經(jīng)不能適應系統(tǒng)復雜性的增長，而嵌入式操作系統(tǒng)的引入，極大的方便了嵌入式軟件的開發(fā)和維護第48頁/共109頁RTOS嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺嵌入式操作系統(tǒng)體現(xiàn)了一種新的系統(tǒng)設計思想和一個開放的軟件框架，軟件工程師只做少量改動，就可以添加或刪除一個系統(tǒng)模塊。通過操作系統(tǒng)所提供的應用程序編程接口（API）訪問系統(tǒng)資源，使得應用軟件工程師能夠?qū)⒕杏谒鉀Q的問題，而不是煩瑣的系統(tǒng)底層操作，提高了開發(fā)效率。它解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的問題，更好地支持了系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)開發(fā)出的程序，具有較高的可移植性，能實現(xiàn)90%以上設備獨立。第49頁/共109頁1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

操作系統(tǒng)是計算機中最基本的程序。操作系統(tǒng)負責計算機系統(tǒng)中全部軟硬資源的分配與回收、控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動；操作系統(tǒng)提供用戶接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；操作系統(tǒng)為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。——操作系統(tǒng)硬件硬件驅(qū)動操作系統(tǒng)用戶程序第50頁/共109頁1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

一個任務，也稱作一個線程，是一個簡單的程序，該程序可以認為CPU完全屬于該程序自己。實時應用程序的設計過程，包括如何把問題分割成多個任務，每個任務都是整個應用的某一部分，每個任務被賦予一定的優(yōu)先級，有它自己的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。——任務第51頁/共109頁1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

程序運行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源。資源可以是輸入輸出設備，例如打印機、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個變量、一個結構或一個數(shù)組等?！Y源第52頁/共109頁任務A共享資源任務B任務C信號量1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

可以被一個以上任務使用的資源叫做共享資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個任務在與共享資源打交道時，必須獨占該資源，這叫做互斥?！蚕碣Y源訪問共享資源之前申請信號量其它任務訪問受阻而不能使用共享資源得到允許后，才能使用共享資源第53頁/共109頁1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

任務的優(yōu)先級是表示任務被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個任務都具有優(yōu)先級。任務越重要，賦予的優(yōu)先級應越高，越容易被調(diào)度而進入運行態(tài)?！蝿諆?yōu)先級第54頁/共109頁前后臺系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷ISR任務ISR非占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務CISR占先操作系統(tǒng)任務A任務B任務C第55頁/共109頁一、嵌入式操作系統(tǒng)概念 嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn),解決了嵌入式軟件開發(fā)標準化的難題。具有操作系統(tǒng)的最基本的功能：進程調(diào)度（沒有虛擬內(nèi)存的管理）內(nèi)存管理、設備管理、文件管理，中斷管理系統(tǒng)功能接口(API調(diào)用，如網(wǎng)絡功能)、設備驅(qū)動嵌入式操作系統(tǒng)具有的特點：系統(tǒng)可裁減、可配置系統(tǒng)具有實時性系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠1.3.2嵌入式操作系統(tǒng)第56頁/共109頁1.3嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使計算機能及時響應外部事件的請求在規(guī)定的嚴格時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時設備和實時任務協(xié)調(diào)一致地工作的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)要追求的目標是：對外部請求在嚴格時間范圍內(nèi)做出反應，有高可靠性和完整性。因此實時邏輯的正確性不僅依賴于計算結果的正確性,還取決于輸出結果的時間.第57頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)簡介實時性實時性的本質(zhì)是任務處理所花費時間的可預測性，即任務需要在規(guī)定的時限內(nèi)完成。任務執(zhí)行的時間可以根據(jù)系統(tǒng)的軟硬件的信息而進行確定性的預測。也就是說，如果硬件可以做這件工作，那么基于實時操作系統(tǒng)的軟件將可以確定性的做這件工作。實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)的正確性依賴于運行結果的邏輯正確性和運行結果產(chǎn)生的時間正確性，即實時系統(tǒng)必須在規(guī)定的時間范圍內(nèi)正確地響應外部物理過程的變化。嵌入式系統(tǒng)≠實時系統(tǒng)有些嵌入式系統(tǒng)沒有實時性要求第58頁/共109頁

實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應的系統(tǒng)。響應時間要有保證。對外部事件的響應包括：事件發(fā)生時要識別出來在給定時間約束內(nèi)必須輸出結果實時操作系統(tǒng)必須有以下特征：多任務有線程優(yōu)先級(是否為進程)多種中斷級別1.3嵌入式操作系統(tǒng)第59頁/共109頁

二、 嵌入式操作系統(tǒng)的分類

嵌入式操作系統(tǒng)非實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)硬實時操作系統(tǒng)軟實時操作系統(tǒng)1.3嵌入式操作系統(tǒng)第60頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)簡介硬實時軟實時“軟”意味著如果沒有滿足指定的時間約束并不會導致災難性的后果，而對于硬實時系統(tǒng)來說卻是災難性的從實踐上說，軟實時和硬實時之間的區(qū)別通常（隱含的和錯誤的）與系統(tǒng)的時間精度有關：由于這個原因，典型的，軟實時任務的調(diào)度精度必須大于千分之一秒，而硬實時任務為微秒級。

第61頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的概念嵌入式操作系統(tǒng)的組成常見的嵌入式操作系統(tǒng)第62頁/共109頁2023/4/263軟件組成有時也叫板級支持包，是一個介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作

HardwareAbstractionLayer：BSP&DeviceDriverSCSI

DriverFlashDriverMMU

DriverCache

DriverSerial

DriverEthernet

DriverDevice

Drivers支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件,它是嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器Browser等HardwareIndependentSoftwareTCP/IPStackI/OSystemRTOSlibrariesRTOSKernelFileSystemBootLoader中間件位于操作系統(tǒng)和應用軟件之間，屏蔽了各種操作系統(tǒng)提供不同應用程序接口的事實，向應用程序提供統(tǒng)一的接口，從而便于用戶開發(fā)應用程序，同時也使應用程序具有跨平臺的特性。

嵌入式應用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能的嵌入式應用，不同的系統(tǒng)需要設計不同的嵌入式應用程序。它是整個系統(tǒng)功能的體現(xiàn)，系統(tǒng)的能力總是通過應用程序表現(xiàn)出來。一個嵌入式系統(tǒng)可簡單的沒有支撐軟件，甚至沒有操作系統(tǒng)，但卻不能沒有應用軟件，否則它就不能成為一個系統(tǒng)。

第63頁/共109頁2023/4/264嵌入式系統(tǒng)組成（軟件）Linux第64頁/共109頁2023/4/265引導程序：bootloader第65頁/共109頁2023/4/266內(nèi)核（kernel）以嵌入式Linux為例第66頁/共109頁2023/4/267文件系統(tǒng)（rootfs）root根文件系統(tǒng)唯一性包括啟動時第一個運行/sbin/init服務內(nèi)核掛載root文件系統(tǒng)，運行所有的應用和后臺服務，例如:sh,telnet,ftp,webserver等，其他有共享庫、數(shù)據(jù)、設備節(jié)點等包含：可執(zhí)行程序、數(shù)據(jù)文件、共享庫等第67頁/共109頁2023/4/268嵌入式操作系統(tǒng)選擇LinuxuC/OSWindowsCEVxWorksPalmOSQNXSymbian第68頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的概念嵌入式操作系統(tǒng)的組成常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)方式第69頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)分類按收費模式劃分商用型Vxworks,Nucleux，PlamOS,Symbian,WinCE,QNX,pSOS,VRTX,LynxOS,Hopen,DeltaOS免費型Linux,μCLinux,μC/OS-Ⅱ,eCos,uITRON按實時性劃分硬實時Vxworks軟實時WinCE,RTLinux無實時EmbeddedLinux第70頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)簡介嵌入式LinuxμcLinuxAndroidWindowsCEVxWorksSymbianOSPalmOSQNXOSEC/OS-IIOSENucleusPLUS第71頁/共109頁

Linux是開放源碼和免費使用的，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強大技術后盾。嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領域的一個熱點。主要有RTLinux和CLinuxLinux的內(nèi)核小、功能強大、API豐富，系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。近幾年Linux在嵌入式領域異軍突起，過去的一年中有13%的用戶已經(jīng)開始使用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā)工作；有52%的用戶決定在未來24個月內(nèi)開始使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)原型。嵌入式Linux及應用第72頁/共109頁基于RTLinux的仿人機器人高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通第73頁/共109頁μcLinux第74頁/共109頁WindowsEmbeddedWindowsCE：一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)（縮減的Win95）。針對掌上設備、無線設備的動態(tài)應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，屬于軟實時操作系統(tǒng)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認可。可以使用大多數(shù)Windows開發(fā)工具（如VB，VC等），大多數(shù)Windows應用程序經(jīng)過移植后就可以運行在WinCE平臺上。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。第75頁/共109頁wince第76頁/共109頁基于WinCE的移動機器人平臺第77頁/共109頁VxWorksVxWorks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），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點是： －可靠性、實時性和可裁減性。 －它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如火星探測器（1997年7月4日登陸火星表面）。第78頁/共109頁基于VXworks的火星探路者第79頁/共109頁C/OS及C/OS-IIC/OS—MicroControllerOSC/OS簡介美國人JeanLabrosse1992年完成，已應用于數(shù)百種產(chǎn)品中。應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.722000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器中是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼采用ANSIC寫的，移植性好。高校教學可免費使用。網(wǎng)站www.ucos-II.com（)第80頁/共109頁C/OS-II的文件結構第81頁/共109頁AndroidAndroid一詞的本義指“機器人”，Android是Google在2007年11月5日公布的基于Linux平臺的開源智能手機操作系統(tǒng)名稱。該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應用軟件組成，首個為移動終端打造的真正開放和完整的移動軟件。第82頁/共109頁AndroidAndroid手機系統(tǒng)最震撼人心之處在于它的開放性和服務免費。Android是一個對第三方軟件完全開放的平臺，開發(fā)者在為其開發(fā)程序時擁有更大的自由度，突破了iPhone等只能添加為數(shù)不多的固定軟件的枷鎖；同時與WindowsMobile、Symbian等廠商不同，Android操作系統(tǒng)免費向開發(fā)人員提供。第83頁/共109頁嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的概念嵌入式操作系統(tǒng)的組成常見的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)方式第84頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)模式——交叉開發(fā)交叉開發(fā)：在一臺通用計算機上進行軟件的編輯、編譯，然后下載到嵌入式設備中運行調(diào)試的開發(fā)方式。第85頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點，分類及應用領域嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計方法第86頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的設計方法嵌入式系統(tǒng)的設計準則嵌入式系統(tǒng)的設計流程嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式第87頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的設計準則

嵌入式系統(tǒng)設計不同于桌面系統(tǒng),它非常受制于功能和具體的應用環(huán)境。所以嵌入式系統(tǒng)的設計具有一些特殊的要求。 嵌入式系統(tǒng)的設計要求:并發(fā)處理,及時響應接口方便,操作容易穩(wěn)定可靠,維護簡便功耗管理,降低成本功能實用,便于升級第88頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的設計流程第89頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的設計流程第90頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)分層設計模型第91頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)的軟硬件并行設計第92頁/共109頁嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的特點，分類及應用領域嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設計方法第93頁/共109頁教學軟件平臺－Linux近200種操作系統(tǒng)，WinCE、Linux、Vxworks、QNX、Nucleus、……適于學習的源代碼開放的操作系統(tǒng)：Linux、C/OSLinux:層次結構且內(nèi)核完全開放、網(wǎng)絡功能強大、完整開發(fā)工具、廣泛的硬件支持、遵循通用國際標準，便于程序的移植C/OS：源代碼公開、實時內(nèi)核、易懂、易學、易用第94頁/共109頁教學硬件平臺—ARM2002嵌入式內(nèi)核總量:6.265億498M87M19M17.6M*包括用于32位、64位RISC結構的片上系統(tǒng)第95頁/共109頁Sm卡FLASHSDRAM電源UARTUSB設備USB主機PS2ETHW90P710SD鍵盤晶振JTAG第