<<ARM與嵌入式技術(shù)>>這門課是同學(xué)們學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)的”引子”課,是入門的一門課,”登堂入室”,則要待同學(xué)們付出更進(jìn)一步的努力!

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C語言匯編語言計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)數(shù)電,模電

參考書嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用田澤北航出版社ARMSOC體系結(jié)構(gòu)[英]FurburARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程北航周立功ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)北航馬宏梅嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)----基于ARM微處理器與uc/os-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)清華大學(xué)王田苗嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-Ⅱ原理及應(yīng)用北航任哲

考證內(nèi)容

考芯片:飛利浦LPC2294—ARM7TDMI

考匯編指令

考EmbestIDE集成開發(fā)環(huán)境參考教材：

ARM與嵌入式技術(shù)孫紅波等編著電子工業(yè)出版社2006年3月

學(xué)習(xí)的基本方法

書,參考書等書后習(xí)題----前十章

試驗(yàn)及試驗(yàn)習(xí)題第1章嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式計(jì)算機(jī)在電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)一直是“供養(yǎng)”在特殊的機(jī)房中的大型、昂貴的專用設(shè)備，主要是實(shí)現(xiàn)一些特殊的數(shù)值計(jì)算。直到20世紀(jì)70年代微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用才出現(xiàn)了歷史性的變化。這也使計(jì)算機(jī)摘掉神圣的光環(huán)走下了神壇，步入平民化的時(shí)代。同時(shí)微處理器表現(xiàn)出的智能化水平引起了設(shè)備制造、機(jī)電控制等專業(yè)人士的興趣，要求將微型機(jī)嵌入到一個(gè)控制對(duì)象的體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。1.1嵌入式計(jì)算機(jī)微處理器的問世極大的促進(jìn)了控制領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)雜的控制系統(tǒng)最初只是由簡(jiǎn)單的設(shè)備組成，以微處理器這樣的部件作為主要的控制和反饋器件，極大的提高了系統(tǒng)的可控性和智能化。例如，汽車排放物在過去的20%年間減少90%，這主要?dú)w功于在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了微處理器。以前的開環(huán)燃油控制系統(tǒng)的特性由汽化器決定，現(xiàn)在的閉環(huán)燃油噴射系統(tǒng)使用了多個(gè)傳感器，能在相當(dāng)寬的操作范圍內(nèi)控制排放物。如果沒有微處理器作為控制部件，如此大的性能改變是不可能的。微控制器在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅引發(fā)了控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，而且引起了微處理器功能和存在形式的顯著變化。為了滿足控制領(lǐng)域?qū)ξ⑻幚砥鞯男枨?，?976年初便出現(xiàn)了與微處理器類似的產(chǎn)品，即微控制器，或稱為微計(jì)算機(jī)，也是國內(nèi)俗稱的“單片機(jī)”。1.1嵌入式計(jì)算機(jī)

經(jīng)過發(fā)展，到80年代初微處理器及微控制器各自已發(fā)展為一個(gè)龐大的家族，以Intel公司x86為主流的應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)PC的微處理器格局已形成。為了區(qū)別于原有使用在PC的通用計(jì)算機(jī)，把嵌入到對(duì)象體系中、實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的微控制器的計(jì)算機(jī)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)。因此，嵌入式計(jì)算機(jī)是誕生于微處理器發(fā)展時(shí)代;

早期嵌入式計(jì)算機(jī)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)具體應(yīng)用的控制對(duì)象的體系中去，這些是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的起點(diǎn)。這也標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式計(jì)算機(jī)兩大分支、并行發(fā)展時(shí)代，從而導(dǎo)致20世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的高速發(fā)展并由此引發(fā)了計(jì)算機(jī)分類方式的變化。1.1嵌入式計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分類是按照計(jì)算機(jī)的處理字長(zhǎng)、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域進(jìn)行的，如通常所說的大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，并以此標(biāo)準(zhǔn)來組織學(xué)科和產(chǎn)業(yè)分工，這種分類方法也沿襲了多年。隨著近20年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)際情況已經(jīng)產(chǎn)生了根本性的變化。例如在70年代末定義的微型計(jì)算機(jī)演變出來的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC，其處理速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)年對(duì)大、中、小型計(jì)算機(jī)的定義。1.1嵌入式計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其它行業(yè)的廣泛滲透和與其它行業(yè)應(yīng)用技術(shù)的相互結(jié)合，以應(yīng)用為中心的分類方法變得似乎更加切合實(shí)際發(fā)展。按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)。而通用計(jì)算機(jī)具有一般計(jì)算機(jī)的基本標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以基本雷同的面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC。而非通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)－嵌入式計(jì)算機(jī)，則是非通用計(jì)算機(jī)形態(tài)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，它是以作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件的形式隱藏在各種裝置、設(shè)備、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。因此嵌入式計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中的一種計(jì)算機(jī)存在的形式，是從計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展中分離出來的。1.2嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向。國內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，可靠性，成本，體積，功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.2嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境差異大比通用PC系統(tǒng)資源少功耗低，體積小，集成度高，成本低具有系統(tǒng)測(cè)試和可靠性評(píng)估體系具有固化在非易失性存儲(chǔ)器中的代碼使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS需要專用開發(fā)工具和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)包含專用調(diào)試電路是知識(shí)集成系統(tǒng)1.2嵌入式系統(tǒng)—分類嵌入式系統(tǒng)按表現(xiàn)形式及使用硬件種類分為：系統(tǒng)中使用含程序或算法的處理器的嵌入式系統(tǒng)為芯片級(jí)嵌入；系統(tǒng)中使用某個(gè)核心模塊的嵌入式系統(tǒng)為模塊級(jí)嵌入；嵌入式系統(tǒng)按軟件實(shí)時(shí)性需求分：非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如PDA）；軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)（如消費(fèi)類產(chǎn)品）；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)（工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)）。1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小沒，性能好，功耗低，可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防，消費(fèi)電子，信息家電，網(wǎng)絡(luò)通信，工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)可以說是無所不在，無處不在，就周圍的日常生活用品而言，各種電子手表，電話，PDA，洗衣機(jī)，電視機(jī)，電飯鍋，微波爐，空調(diào)器都有嵌入式系統(tǒng)的存在，如果說我們生活在一個(gè)到處是嵌入式的世界，是毫不夸張的。1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍消費(fèi)電子嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工業(yè)軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

無線電的發(fā)展BTH礦石收音機(jī)

單二極管Bush收音機(jī)

7個(gè)晶體管

單二極管EvokeDAB收音機(jī)

1億個(gè)晶體管

2-3個(gè)嵌入式處理器1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

電話的發(fā)展電話

無晶體管BTDECT1千萬個(gè)晶體管

3個(gè)處理器諾基亞手機(jī)

超過7億個(gè)晶體管

(多數(shù)用于存儲(chǔ)器)

5-6個(gè)處理器1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

計(jì)算機(jī)的發(fā)展+=AppleMacintosh

黑白顯示器

1MIPs

處理器AcornArchimedes

彩色顯示器

10MIPs

處理器

…RISC集惠普－康柏掌上電腦

彩色顯示

200MIPs

處理器64MB內(nèi)存

…袖珍型1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

航海儀器的發(fā)展地圖、時(shí)鐘、指南針

印刷及磁技術(shù)

無晶體管Raytheon

船用航海儀器GarminGPS定位器

約1億個(gè)晶體管

2-3個(gè)處理器

…+4個(gè)人造衛(wèi)星!1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

日用電器的發(fā)展AppleIPOD

100張CDs

袖珍型四處理器HP1315

照片質(zhì)量彩色打印機(jī)雙處理器GameBoyAdvance

手持式彩色聯(lián)網(wǎng)型雙處理器1.2嵌入式系統(tǒng)--應(yīng)用范圍

其他產(chǎn)品發(fā)展SeagateCheetahX15DisconKeySagemMorphoSmart我們正步入一個(gè)嶄新的“數(shù)字世界”無線連接是“數(shù)字膠水”嵌入式應(yīng)用嵌入式無線Internet的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用化，無線Internet的應(yīng)用可能會(huì)發(fā)展到無處不在1.2嵌入式系統(tǒng)--嵌入式技術(shù)是中國IT發(fā)展的難得機(jī)遇嵌入式系統(tǒng)工業(yè)基礎(chǔ)是以具體應(yīng)用為中心，以片上系統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)為核心和面向?qū)嶋H應(yīng)用的軟硬件產(chǎn)品開發(fā)，為遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的我們提供了技術(shù)上發(fā)展和存在的可能空間。利用嵌入十系統(tǒng)帶來的良好機(jī)遇，采取特色產(chǎn)品戰(zhàn)略，瞄準(zhǔn)SoC，在發(fā)展系統(tǒng)產(chǎn)品的同時(shí)，大力發(fā)展各種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP核，形成技術(shù)積累和IC產(chǎn)品特色，滿足國內(nèi)嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)需求，縮短技術(shù)差距，進(jìn)而參與國際分工并進(jìn)入國際市場(chǎng)，這也可能是我國電子產(chǎn)業(yè)走出的一條新的成功道路。1.3嵌入式處理器分類嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器嵌入式微控制器嵌入式DSP處理器1.3嵌入式處理器--嵌入式微處理器嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU。在應(yīng)用中，早期的嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在電路板上設(shè)計(jì)了和嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的功能模塊，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主要包括：Am186/88、386EX、PowerPC、Motorola68000、ARM、MIPS系列等等?，F(xiàn)在嵌入式微處理器在汽車和飛機(jī)上已得到了廣泛應(yīng)用，一輛豪華汽車可能裝配了70個(gè)以上的微處理器，它們控制著從發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞，傳動(dòng)軸一直到避免由于關(guān)門時(shí)產(chǎn)生的壓力而使司機(jī)耳朵脹痛的控制系統(tǒng)等眾多部件。一架現(xiàn)代噴氣式客機(jī)裝配有200個(gè)以上的機(jī)載專用微處理器。1.3嵌入式處理器--嵌入式微控制器(單片機(jī))嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器（少量的RAM、ROM或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里。常見的有8051。嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)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(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。目前嵌入式微控制器的品種個(gè)數(shù)量很多，比較有代表性的通用系統(tǒng)包括8051，P51XA，MCS-96/196/296等。1.3嵌入式處理器--嵌入式DSP嵌入式DSP專門用來對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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。在數(shù)字濾波，F(xiàn)FT，譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。DSP應(yīng)用正在從通用微處理器中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器實(shí)現(xiàn)DSP功能。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展方向：是嵌入式DSP處理器和嵌入式處理器經(jīng)過單片化設(shè)計(jì)，片上增加豐富的外設(shè)成為具有高性能DSP功能的SoC；是在通用微處理器、微控制器或SoC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。1.3嵌入式處理器--嵌入式DSP

推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入和實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)等。這些應(yīng)用的智能化算法的運(yùn)算量一般都較大，特別是矢量運(yùn)算，指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。而隨著嵌入式處理器技術(shù)的發(fā)展，許多嵌入式微處理器核已設(shè)計(jì)，集成了DSP的主要功能，也留有特殊算法的協(xié)處理器接口，這樣很容易設(shè)計(jì)具有DSP功能的高性能嵌入式SoC.1.3嵌入式處理器--嵌入式SoC

20世紀(jì)90年代后，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從以嵌入式微處理器/DSP為核心的“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)，提出了SoC的基本概念。目前嵌入式系統(tǒng)已進(jìn)入單片系統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)階段，并開始逐步進(jìn)入實(shí)用化，規(guī)范化階段了，集成電路已進(jìn)入SoC的設(shè)計(jì)流程。

SoC技術(shù)的出現(xiàn)，表明了微電子設(shè)計(jì)由以往的IC（電路集成）向IS（系統(tǒng)集成）發(fā)展，因此，以功能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)流程必須轉(zhuǎn)變到以功能整合為基礎(chǔ)的SoC設(shè)計(jì)全新流程，而面向嵌入式系統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)將是未來推動(dòng)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要的因素，下面以HMS30C720為例介紹一個(gè)實(shí)際的SoC。1.4嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口

嵌入式外圍設(shè)備，是指在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，除了核心控制部件—嵌入式微處理器/DSP（或以嵌入式微處理器/DSP為核心的微控制器，SoC）以外的各種存儲(chǔ)器，輸入/輸出接口，人機(jī)接口的顯示器，串行通信接口等。根據(jù)外圍設(shè)備的功能可分為存儲(chǔ)器類型，通信接口，輸入/輸出設(shè)備，設(shè)備擴(kuò)展接口，電源及輔助設(shè)備這5類。1.4嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口①存儲(chǔ)器類型：存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的功能部件。目前常見的存儲(chǔ)設(shè)備按使用的存儲(chǔ)器類型分為：●靜態(tài)易失性存儲(chǔ)器（RAM，SRAM）●動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）●非易失性存儲(chǔ)器ROM（MASK，ROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)lash）●硬盤，軟盤，CD-ROM等。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)器所處的位置分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器。內(nèi)部存儲(chǔ)器位于嵌入式處理器所在的同一個(gè)芯片中，位于嵌入式處理器內(nèi)部，這樣處理器就不需要多余的訪問電路即可快速地訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器與嵌入式處理器分別處于不同的芯片中，位于嵌入式處理器外部。1.4嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口②通信接口：目前存在的所有計(jì)算機(jī)通信接口在嵌入式領(lǐng)域中都有其廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用最為廣泛的接口設(shè)備包括RS-232（串口UART），USB接口（通用串行總線接口），IrDA(InfraRedDataAssociation,紅外線接口)，SPI（串行外圍設(shè)備接口），藍(lán)牙接口，以太網(wǎng)接口，IEEE1394接口和通用可編程接口GPIO。一般在嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)調(diào)試時(shí)，常常通過UART來進(jìn)行各種輸入/輸出操作。目前以太網(wǎng)接口已成為嵌入式應(yīng)用中最普遍的網(wǎng)絡(luò)接口，用于嵌入式系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。USB接口和IEEE1394接口普遍使用在連接各種數(shù)字設(shè)備，如數(shù)碼攝像機(jī)，數(shù)碼照相機(jī)，移動(dòng)U盤等。在無線數(shù)據(jù)傳輸中，常見的有IEEE802.11系列無線網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，藍(lán)牙接口以及紅外線接口。1.4嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口③輸入/輸出設(shè)備

CRT，LCD和觸摸屏等，構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)中重要的信息輸入/輸出設(shè)備，其應(yīng)用十分廣泛。觸摸屏可方便地實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤功能。1.4嵌入式外圍接口電路和設(shè)備接口④設(shè)備擴(kuò)展接口由于目前的嵌入式系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，需要大容量?jī)?nèi)存大的內(nèi)存使得系統(tǒng)成本提高和體積加大，因此目前一些高端的嵌入式系統(tǒng)都會(huì)預(yù)留可擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備接口，為日后用戶有特別需求時(shí)，可購買符合擴(kuò)展接口規(guī)格的裝置，直接接入系統(tǒng)使用⑤電源及輔助設(shè)備嵌入式系統(tǒng)力求外觀小型化，質(zhì)量輕以及電源使用壽命長(zhǎng)，例如移動(dòng)電話或PDA，體積較大或者過重的機(jī)型已被淘汰。目前發(fā)展的目標(biāo)是體積小，易攜帶和外觀設(shè)計(jì)新穎等，在便攜嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，必須特別關(guān)注電源裝置等輔助設(shè)備。1.5嵌入式操作系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)由硬件和軟件兩部分組成，操作系統(tǒng)OS是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件。操作系統(tǒng)可解釋或理解為補(bǔ)平硬件差異的界面或者說隱藏硬件，讓應(yīng)用程序可以在上面運(yùn)行。通過由操作系統(tǒng)統(tǒng)一提供出來的系統(tǒng)界面來寫應(yīng)用程序，無須考慮不同硬件所造成的差異，讓程序設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谒瞄L(zhǎng)領(lǐng)域的開發(fā)。從用戶的觀點(diǎn)看，OS是用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口，用戶在OS的幫助下能夠方便，快捷，安全，可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序；從資源管理的觀點(diǎn)看，可以把OS視為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。1.5嵌入式操作系統(tǒng)概述

但是在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有“操作系統(tǒng)”這個(gè)概念。為了給用戶提供一個(gè)與計(jì)算機(jī)的接口，同時(shí)提高計(jì)算機(jī)的資源利用率，便出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序，使用戶能通過監(jiān)控程序來使用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件，軟件資源也又進(jìn)一步發(fā)展形成了操作系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在，廣泛使用的有三種操作系統(tǒng)，即多道批處理操作系統(tǒng)，分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。1.5嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時(shí)間先后適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中1.5嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展監(jiān)控程序操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)多道批處理操作系統(tǒng)時(shí)間先后適用于多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源適用于計(jì)算中心等較大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備和有實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是我們介紹的重點(diǎn)1.5嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所謂實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是指一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)能夠獲得立即的，沒有延遲的服務(wù)，它不需要等候任何其他任務(wù)，而且在得到CPU的使用權(quán)后，可一直執(zhí)行到工作結(jié)束或者有更高級(jí)的進(jìn)程出現(xiàn)為止。從實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來看，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)兩種：●一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的上位機(jī)和實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性較弱的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并且提供了開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)用一致的環(huán)境?！袂度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用程序的開發(fā)過程是通過交叉開發(fā)來完成的，即開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是不一致。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有規(guī)模小(一般在幾K～幾十K內(nèi))、可固化使用實(shí)時(shí)性強(qiáng)(在毫秒或微秒數(shù)量級(jí)上)的特點(diǎn)。1.5嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)時(shí)環(huán)境中，因此嵌入式操作系統(tǒng)跟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)密切聯(lián)系在一起。嵌入式操作系統(tǒng)大部分是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。RTOS嵌入在系統(tǒng)的目標(biāo)代碼中，系統(tǒng)復(fù)位并執(zhí)行完BootLoader后執(zhí)行，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。RTOS是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，將CPU時(shí)間，中斷，I/O，定時(shí)器等資源都包裝起來，留給用戶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API接口。嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用程序文件系統(tǒng)/圖形用戶接口應(yīng)用層OS層驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)程序、硬件抽象層、板級(jí)支持包硬件基本模塊內(nèi)存管理文件管理OS核進(jìn)程調(diào)度擴(kuò)展模塊網(wǎng)絡(luò)模塊圖形驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫模塊1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

對(duì)基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)用程序一般是一個(gè)無限的循環(huán)，可稱為前后臺(tái)系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為。很多基于微處理器的產(chǎn)品采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如微波爐、電話機(jī)、玩具等。在另外一些基于微處理器應(yīng)用中，從省電的角度出發(fā)，平時(shí)微處理器處在停機(jī)狀態(tài)，所有事都靠中斷服務(wù)來完成?！昂笈_(tái)系統(tǒng)基本概念

中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為，前臺(tái)也叫中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序來保證的。循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為，后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)。這種系統(tǒng)在處理的及時(shí)性上比實(shí)際可以做到的要差。ISRISRISRISR后臺(tái)前臺(tái)中斷服務(wù)程序時(shí)間——前后臺(tái)系統(tǒng)1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

代碼的臨界區(qū)也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼，運(yùn)行這些代碼不允許被打斷。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打入（這不是絕對(duì)的，如果中斷不調(diào)用任何包含臨界區(qū)的代碼，也不訪問任何臨界區(qū)使用的共享資源，這個(gè)中斷可能可以執(zhí)行）。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界區(qū)之前要關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完成以后要立即開中斷。

——代碼的臨界區(qū)1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

程序運(yùn)行時(shí)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(shè)備，例如打印機(jī)、鍵盤、顯示器。資源也可以是一個(gè)變量、一個(gè)結(jié)構(gòu)或一個(gè)數(shù)組等?！Y源任務(wù)A共享資源任務(wù)B任務(wù)C信號(hào)量1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

可以被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源叫做共享資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占該資源，這叫做互斥?！蚕碣Y源訪問共享資源之前申請(qǐng)信號(hào)量其它任務(wù)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1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

一個(gè)任務(wù)，也稱作一個(gè)線程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全屬于該程序自己。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程，包括如何把問題分割成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間?！蝿?wù)1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即CPU寄存器中的全部?jī)?nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)保存區(qū)，也就是任務(wù)自已的棧區(qū)之中。入棧工作完成以后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)從任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄予存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。這個(gè)過程就稱為任務(wù)切換。這個(gè)過程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧?！蝿?wù)切換1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核需要消耗一定的系統(tǒng)資源，比如2％～5％的CPU運(yùn)行時(shí)間、RAM和ROM等。內(nèi)核提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、消息隊(duì)列、延時(shí)等?！獌?nèi)核1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

調(diào)度是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度法的。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程序的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)?；趦?yōu)先級(jí)的調(diào)度法指CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。然而究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內(nèi)核，是非占先式的還是占先式的內(nèi)核?！{(diào)度1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

非占先式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)自我放棄CPU的所有權(quán)。非占先式調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個(gè)任務(wù)彼此合作共享一個(gè)CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)時(shí)，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU的使用權(quán)。——非占先式內(nèi)核1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間很重要時(shí)，要使用占先式內(nèi)核。因此絕大多數(shù)商業(yè)上銷售的實(shí)時(shí)內(nèi)核都是占先式內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行?！枷仁絻?nèi)核1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是表示任務(wù)被調(diào)度的優(yōu)先程度。每個(gè)任務(wù)都具有優(yōu)先級(jí)。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高，越容易被調(diào)度而進(jìn)入運(yùn)行態(tài)?！蝿?wù)優(yōu)先級(jí)1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被識(shí)別，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序（ISR）。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后，程序回到：1.在前后臺(tái)系統(tǒng)中，程序回到后臺(tái)程序；2.對(duì)非占先式內(nèi)核而言，程序回到被中斷了的任務(wù)；3.對(duì)占先式內(nèi)核而言，讓進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行?！袛嗲昂笈_(tái)系統(tǒng)1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——中斷ISR任務(wù)ISR非占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)CISR占先操作系統(tǒng)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)C1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大?！獣r(shí)鐘節(jié)拍1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

所有嵌入式操作系統(tǒng)都是多任務(wù)的。目前所說的多任務(wù)大都是多線程方式或多進(jìn)程方式。和一般的操作系統(tǒng)一樣，嵌入式操作系統(tǒng)的作用也是決定在特定的某一時(shí)刻系統(tǒng)應(yīng)該運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程?，F(xiàn)在許多CPU都已提供多組寄存器來輔助執(zhí)行模式的切換，有比較便捷的指令來紀(jì)錄每個(gè)執(zhí)行程序的情況，操作系統(tǒng)主要是提供調(diào)度機(jī)制來控制這些執(zhí)行程序的起始，執(zhí)行，暫停和結(jié)束?！嗳蝿?wù)管理1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念

嵌入式操作系統(tǒng)中的進(jìn)程狀態(tài)有3種：運(yùn)行狀態(tài)，就緒狀態(tài)，等待狀態(tài)。3種狀態(tài)之間的關(guān)系如圖，其中進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件與一般操作系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換條件類似?！嗳蝿?wù)管理運(yùn)行就緒等待新進(jìn)程結(jié)束1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——存儲(chǔ)管理與一般操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理相比，嵌入式操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理要相對(duì)簡(jiǎn)單一些。由于虛擬存儲(chǔ)中經(jīng)常要對(duì)頁進(jìn)行換入/換出操作，所以內(nèi)存中頁命中率和換入/換出所耗費(fèi)的時(shí)間嚴(yán)重破壞了整個(gè)系統(tǒng)的確定性，而且虛擬系統(tǒng)中需要地址轉(zhuǎn)換表和其他一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣留給程序的內(nèi)存空間就減少了。總之，虛擬內(nèi)存管理占用了相當(dāng)一部分系統(tǒng)資源，因此在系統(tǒng)資源非常有限的嵌入式系統(tǒng)中，一般不采用虛擬內(nèi)存管理，而采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式，即當(dāng)程序的某一部分需要使用內(nèi)存時(shí)，利用操作系統(tǒng)提供的分配函數(shù)來處理，一旦使用完畢，可通過釋放函數(shù)來釋放所占用的內(nèi)存，這樣內(nèi)存可以重復(fù)使用。1.5嵌入式操作系統(tǒng)基本概念——周邊資源管理

在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)里，除了系統(tǒng)本身的中央處理器，內(nèi)存之外，還有許多不同的周邊系統(tǒng)，例如輸入/輸出設(shè)備，通信端口或外接的控制器等，操作系統(tǒng)中必須提供周邊資源的驅(qū)動(dòng)程序，以方便資源管理和應(yīng)用程序使用。對(duì)于應(yīng)用程序來說，必須向操作系統(tǒng)注冊(cè)一個(gè)請(qǐng)求機(jī)制，然后等待操作系統(tǒng)資源安排給應(yīng)用程序。1.5嵌入式操作系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)因素：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。1.5嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。缺點(diǎn)：但是，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還需要額外的ROM/RAM開銷，2~5%的CPU額外負(fù)荷，以及內(nèi)核的費(fèi)用。

uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼。uClinux從Linux

2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對(duì)沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。它保留了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。

1.5嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——嵌入式Linux1.5嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)

WindowsCE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作，它是精簡(jiǎn)的Windows95。WindowsCE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。WinCE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點(diǎn)。WinCE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在WinCE平臺(tái)上可以使用Windows95/98上的編程工具（如VisualBasic、VisualC++等）、使絕大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在WindowsCE平臺(tái)上繼續(xù)使用。

——WinCE1.5嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)——VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等，甚至在1997年4月登陸火星表面的火星探測(cè)器上也使用到了VxWorks。1.5嵌入式操作系統(tǒng)常見的嵌入式操作系統(tǒng)