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1、单片机与嵌入式系统,第三章 嵌入式软件系统（一）,王浩 副教授,中南大学信息科学与工程学院,本节内容,嵌入式软件的基本特征 嵌入式软件结构和组成 嵌入式软件的移植 嵌入式操作系统的基本概念,本节概念列示在黑板右侧,1.1 嵌入式软件开发需要交叉编译 1.2 嵌入式软件不一定需要操作系统 1.3 嵌入式软件都是无限循环 1.4 嵌入式软件都要响应中断 1.5 嵌入式软件的硬件相关性,一、基本特征,1.1 嵌入式软件开发需要交叉编译 由于其本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 调试需要各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。,一、基本特征,概念列示,嵌入式系统采用“宿主机/目标
2、机”方式交叉编译。,USB/RS232/以太网,宿主机：通用计算机（PC），开发环境。 目标机：嵌入式系统，运行环境。,通用计算机程序开发和编译在一台计算机上完成直接编译。,内存小 存储空间有限 计算能力有限,1.1 交叉编译,提问：为何嵌入式要用这种方式,交叉编译方式是嵌入式系统软件开发的唯一选择。 也是它的典型特征。,1.1 交叉编译,1.2 嵌入式软件不一定需要操作系统 简单的嵌入式系统上，譬如MCS-51处理器上，可以直接运行裸机程序。 复杂嵌入式系统上，需要嵌入式操作系统来调度资源和控制。,一、基本特征,裸机与,8,操作系统是一段核心程序 作为软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的
3、方法组织多个用户共享计算机的各种资源。 作为一台功能强大的虚拟机，给用户一个方便、有效、安全的工作环境和开发环境，提供人机交互接口和API函数。,1.1 操作系统,操作系统,举例：上节课word和excel、打印机打印、UNIX多用户,简单的嵌入式应用 若嵌入式系统的功能需求比较简单，如电动玩具、空调、冰箱等，则嵌入式系统软件只需完成较简单的功能，就不需要嵌入式操作系统的支持。 如：基于8051的应用 儿童玩具、汽车系统等等,1.2 操作系统非必需,复杂的嵌入式应用 若功能比较复杂，需要网络功能、存储器管理、进程/线程管理等，则通过嵌入式操作系统的帮助，可以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性
4、。 提高移植能力，商用化 需要嵌入式操作系统,1.2 操作系统非必需,1.3 嵌入式软件都是无限循环 嵌入式软件的结构上都是没有出口的，程序不能退出，整个程序的基本结构是无限循环。配合中断构成整体。,一、基本特征,列概念,main() Init_HardWare(); /* 硬件初始化 */ /* 超级循环 */ while(1) action1(); /* 常规循环操作 */ action2(); ,1.3无限循环,1.4 嵌入式软件都要响应中断 中断嵌入式系统实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。 有无限循环就必须有中断，两者相互对应，互相依存。,一、基本特征,举例：写程序时老婆孩子的事
5、,中断工作原理 当某种内部或外部事件发生时，产生中断信号，嵌入式系统的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的无限循环，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的无限循环处，继续执行下去。 中断信号 中断后要干的事 循环的恢复 中断机制 中断服务程序 中断现场入栈,1.4 中断,列概念/举例,main() /* 超级循环 */ while(1) action1(); /* 常规循环操作 */ action2(); /* 中断1对应的服务程序 */ _interrupt ISR1() /* 中断服务工作 */ ,CPU中断源1,外部事件,执行 ISR1,1.4 中断,编译器自动加入现场出
6、入栈代码,main() /* 超级循环 */ while(1) action1(); /* 常规循环操作 */ action2(); /* 中断1对应的服务程序 */ _interrupt ISR1() /* 中断服务工作 */ ,后台,1.4 中断,前台,“中断+无限循环”构成的“前台/后台”软件结构是嵌入式软件的基本结构特征 裸机程序就是直接实现的“前台/后台”软件 名词解释：前台/后台 常规循环任务 = 后台 = 无限循环 设备中断任务 = 前台 = 中断。,1.4 中断,列概念,main() /* 超级循环 */ while(1) enter_low_power(); /* 进入低功耗
7、状态 */ /* 中断1对应的服务程序 */ _interrupt ISR1() /* 中断服务工作 */ /* 中断n对应的服务程序 */ _interrupt ISRn() /* 中断服务工作 */ ,1.4 中断,低功耗程序设计,简单“中断+无限循环”实时性有问题，需要操作系统协助。 中断出现随机性，导致执行时间不可预测。 多个中断会出现阻塞，影响中断响应时间。 程序修改后，执行时间发生巨大变化。,1.4 中断,提问,main() c = 3; a = 6; /* 超级循环 */ while(1) b = a * c; action(b); /* 中断1对应的服务程序 */ _inter
8、rupt ISR1() a = 100； ,中断 b = 18,中断 b = 300,action(b) if(b 50) ; /* 操作持续200ms */ else ; /* 操作持续10ms */ ,1.4 中断,中断服务程序限制 中断不能返回值； 不能向中断传递参数； 中断应该尽可能的短小精悍； printf() 函数会带来重入和性能问题，不能在中断中采用。 忌中大忌：不要再中断中停留太久,1.4 中断,中断向量表 写在BSP中的汇编代码； 列示出各种程序异常及其对应的中断服务程序，这段代码称为中断向量表。 编写设备驱动的主要内容 本质：汇编代码,1.4 中断,列概念,1.5 嵌入式软
9、件的硬件相关性 软件功能必须硬件可实现 回忆：Bootloader和BSP的硬件相关性。更换硬件，全部重编。 嵌入式系统专用性的体现。,一、基本特征,提问：专用性,本节内容,嵌入式软件的基本特征 嵌入式软件结构和组成 嵌入式软件的移植 嵌入式操作系统的基本概念,本节概念列示在黑板右侧,二、嵌入式软件结构和组成,2.1 初始化引导代码BootLoader 2.2 板级支持包BSP （可选） 2.3 嵌入式操作系统（可选） 2.4 应用软件,Bootloader内核启动前的最原始的初始化 本质：一段程序，不是死循环。 Bootloader的工作：初始化，带给系统一个干净的环境，将接力棒交给操作系统
10、。 Bootloader的安装媒介：嵌入式的存储器 有操作系统才会出现，也是BSP的一部分,2.1 BootLoader,main() Init_HardWare(); /* 硬件初始化 */ /* 超级循环 */ while(1) action1(); /* 常规循环操作 */ action2(); ,学名：硬件抽象层HAL Hardware Abstract Layer 工程：板极支持包BSP Board Supporting Package 作用：它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。 为便于移植，裸机程序也用HAL方式实现模块化,2.2 板级支持包,优点
11、： 1. 便于移植 2. 便于开发 BSP具有以下两个特点： 1. 操作系统相关性 依赖于嵌入式操作系统 2. 硬件相关性 嵌入式处理器多种多样,2.2 板级支持包,提问：换芯片要改吗,板级支持包BSP的组成,设备驱动程序 配置文件,2.2 板级支持包,设备的中断 中断向量表 硬件配置参数,操作系统通过驱动程序和硬件直接打交道。,编写全新的BSP 需要编写所有的部分包括 OEM抽象层, 驱动, 引导程序 大约消耗 20人/月工作量 改写现有的BSP 对与目标板具有相似硬件组成的BSP的基础上进行某些改写，使其适用与目标板。,开发方式,2.2 板级支持包,操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台
12、。 本质：也是一段程序，系统启动（Bootloader）后首先执行，相当于用户的主程序和API函数接口，运行完将接力棒交给应用程序。 无限循环 它是软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享计算机的各种资源。,2.3 操作系统,作用,举例：word和powerpoint都用文件,基于操作系统的软件开发模式 精简模式：基于嵌入式操作系统内核，只包含任务调度、处理器管理和存储器管理。 完整模式：基于完整的嵌入式操作系统，包含操作系统内核和文件系统、人机界面等。,2.3 操作系统,运行必要条件 外存空间：存储数据、程序 内存空间：程序运行、中间计算变量 定时器：等优先级，调度任务
13、中断：中断服务、任务关联 堆栈：保护现场,2.3 操作系统,2.3.1 图形用户界面GUI 2.3.2 文件系统 2.3.3 网络协议栈,2.3 操作系统,定义 图形用户界面 - Graphics User Interface, 是指带界面显示的嵌入式系统与其使用者之间的 图形化对话接口。,2.3.1图形用户界面,组成要素 1、窗口（Windows），每个窗口是用户或系统的一个工作区域 2、图标（Icons），采用形象化的图标或图符，易于操作者理解与操作 3、菜单（Menu），供用户选择的功能提示 4、点触设备（Pointing Devices） ，指鼠标、按键、触摸屏等，便于用户进行操作,2
14、.3.1图形用户界面,主要特征 体积小 占用系统资源少 系统独立，可移植性好,2.3.1图形用户界面,定义 处理文件的操作系统的部分称为文件系统。 是操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用 功能 文件的构造、命名、存取、采用、保护和实 现等。,2.3.2 文件系统,41,嵌入式系统的物理存储 Flash存储器由于其安全性高，存储密度大，体积小，价格相对便宜，是嵌入式领域中最受欢迎的一类存储器 使用Flash存储器，通常有两种使用方式 只进行只读访问：程序 在系统运行的时候既需要进行读操作，也需要进行写操作：数据。,2.3
15、.2 文件系统,通用文件系统不适用于嵌入式系统。 Flash上实现文件系统，了解Flash的特点： 擦除-写入、块操作 Flash上文件系统： （1）数据管理：读取、修改、删除 （2）考虑擦写时间，协调数据吞吐量,2.3.2 文件系统,43,JFFS文件系统,2000年Axis公司发布了他们开发的Flash文件系统 JFFS JFFS文件系统是开放源代码的文件系统，可以说是专门用于嵌入式Linux等系统的 JFFS是直接在Flash上实现的文件系统 JFFS为Flash设备专门设计一个转换层来模拟普通的文件系统,2.3.2 文件系统,用途 对于具有网络功能的嵌入式产品是必要的。 根据网络协议的
16、不同（TCP/IP，UDP，NetBIOS等），进行网络协议的解析、转换，将数据最终对应到嵌入式系统的硬件中断上。,2.3.3网络协议栈,本节内容,嵌入式软件的基本特征 嵌入式软件结构和组成 嵌入式软件的移植 嵌入式操作系统的基本概念,本节概念列示在黑板右侧,3.1 嵌入式软件移植的必要性 基于嵌入式处理器的原因。 基于操作系统的原因。,三、移植,举例：龙珠ezvz、显示地图,3.2 裸机系统的软件移植 汇编语言编写的：放弃移植，重写。 C语言编写，无硬件抽象层，重写。 C语言编写，有硬件抽象层，移植很简单，更改硬件抽象层即可。,四、移植,3.3 嵌入式操作系统的移植 重新编写BootLoader（如果硬件变化） 重新编写板级支持包BSP。 移植设备驱动程序，更改与新系
