嵌入式系统课件打印

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1、第一部分 入门篇 教学内容:1.嵌入式系统概述2.嵌入式操作系统介绍3.嵌入式Linux操作系统4.嵌入式Linux开发环境5.嵌入式Linux系统开发要点1.1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和 一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交 替发展的双螺旋式发展。 第一款微处理器是Intel的4004，它出现在1971年，然后是 是Intel公司的8048，它出现在1976年。Motorola同时推出了 68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256 字节

2、的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位 定 时 器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础 上研制成功了8051。 1. 嵌入式系统概述1981年Ready System发展了世界上第1个 商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传 统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通 讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等 功能。 随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks 、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入 式Linux，Lynx，uCOS

3、、Nucleus，以及国内的 Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。 今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根 据美国EMF（电子市场分析）报告，1999年全 球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个 嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、 软件编译器和调试器）则高达9亿美元。 IEEE定义根据IEEE（国际电气和电子工程师协 会）的定 义：嵌入式系统是“用于控制、监视 或者辅助 操作机器和设备的装置” （原文为:devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery o

4、r plants）。可以看出此定义是从应用上考虑的 ，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。 国内一般定义“以应用为中心、以计算 机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统。”n专用的计算机系统(非PC智能电子设备) l以应用为中心 l以计算机技术为基础 l软件硬件可裁剪 l适应应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗严格要求n 知识集成系统 l 技术密集资金密集 l 高度分散不可垄断 l 面向应用不断创新嵌入式系统一般指非PC系统，它包 括硬件 和软件两部分。 硬件包括:微处理器、存储器及外 围设备器 件和IO端口、图形控制器等。 软件包括:嵌入式操

5、作系统软件（ OS）（要 求实时和多任务操作）和应用程序 软件。 应用程序控制着系统的运作和行为 ；而操 作系统控制着应用程序编程与硬件 的交互 作用。1.2嵌入式系统组成处理器存储器输入输出操作系统应用程序软件 结构硬件 结构1、嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的 核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元 。 位、 位单片机，16位、 32位、64 位嵌入式CPU。 2、外围设备：存储器、接口、人 机交互 3、嵌入式操作系统实时操作系统是嵌入式系统目 前最主要的组成部分。实时性需要调度一 切可利用的资源完成实时控制任务，着眼 于提高计算机系统的使用效率，满足对时 间的限制和要求。 4、应用软

6、件嵌入式系统与PC机比较嵌入式系统的特点 1）嵌入式系统低功耗、体积小，专用性强。嵌入式系统与PC机的最大不同就是嵌入式CPU大多 工作在为特定用户群设计的系统中，能够把PC机中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌 入式系统设计趋于小型化。 2）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而 不是存贮于磁盘等载体中。 3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 系统要精简。 4）对软件代码质量要求很高。应该尽最大可能 避免死机的情况发生。 5）嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发 环境。1.3嵌入式系统的应用（1）军用； （2）家

7、用； （3）工业用； （4）商用； （5）办公用； （6）医用电子设备；现代化家庭家用电子产品嵌入式系统与机器人技术图：卡耐基梅隆大学和瑞士EPFL研制的机器人控制器（采用卡西欧PDA和Windows CE） 智能机器人智能机器人2.嵌入式操作系统介绍嵌入式软件的核心:嵌入式实时多任务操作系统(RTOS real time operation system)。现代信息社会的高效性、协同性客 观上要求软件的编写便于多人分工合作、编写 的软件具有可重用性。软件则日趋复杂。所有 这些迫切需要有一个屏蔽底层硬件的、功能强 大的操作系统来支持。why RTOS?数据采集终端：采集，处理，键盘 ，LCD显

8、示，微打数据采集处理数据处理键盘显示打印传统编程中断中断RTOS数据采集处理数据显示打印处理键盘中断基于RTOS编程嵌入式操作系统定义嵌入式操作系统：支持嵌入式系统 的工作的操作系统。嵌入式系统一般具有实 时特点，这里把嵌入式操作系统和实时操作 系统不加区别对待。实时操作系统的概念实时系统：系统的正确运行要同时满 足特定的逻辑和时间关系。 实时操作系统RTOS（real time operation system)：是指能支持实时控制 系统工作的操作系统 硬实时(hard)与软实时(soft)的概念硬实时：通过系统特定的时序得不 到满足，将会引起灾难性的后果。 软实时：通过系统特定的时序得不

9、到满足，系统的性能会严重下降。deadlinetime01Hard System Soft System嵌入式操作系统的分类从嵌入式系统的应用来分类，可以 分为面向低端设备的嵌入式操作系统和面向 高端设备的嵌入式操作系统。低端：各种工业控制系统，计算机 外设，民用消费品的微波炉，洗衣机，冰箱 等,ucos高端：信息化家电，掌上电脑，机 顶盒、WAP手机，路由器 ，VxWorks、 QNX、wince, linux.从嵌入式系统的商业模式来分类， 可以分为商用型和免费型。商用型：功能稳定、可靠，有完善 的技术支持和售后服务，价格昂贵。免费型：价格优势。 linux. uCOS 。从实时性的角度来

10、分： 具有强实时特点的嵌入式操作系统：其系 统响应时间在毫秒或微秒级（航空/航天控制 装配），VxWORKS 具有弱实时特点的嵌入式操作系统：其系 统响应时间在毫秒几秒的数量级上，其实时 性的要求比强实时系统要差一些（电子菜谱的 查询）。 没有实时特点的嵌入式操作系统。当前主流的嵌入式操作系统 1.Linux在所有操作系统中,Linux是一个发展最快,应用最为广泛的操作系统, 这是由Linux本身的种种特性决定了它成为嵌入式开发中操作系统的首选。Linux已经成为全球第二大操作系统.预计在服务器市场上, Linux在 未来风年内将以每年25%的速度增长,中国的Linux市场将保持40%左右的增

11、 长速度。20042008年国内Linux软件市场总量预测2. uC/OSuC/OS是一个典型的实时操作系统.目前流行的是第二个版本,即:uC/OS II 。该操作系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选特点:公开源代码,代码结构清晰,注释详尽,组织有条理,可移植性好;可裁减,可固化等。3. Windows CEWindows CE 是微软的产品现在大部分的高价掌上电脑都采用了Windows CE嵌入式操作系统特点: Windows CE, 是弱实时操作系统, 非免费。4. VxWorksWindRiver 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件。主要应用在单板机、数据网络（以太网

12、交换机、路由器）和通信方面等多方面特点:可靠、实时、可裁减，多种CPU支持,非免费,价格昂贵。5. QNX是一款实时操作系统，由加拿大QNX 软件系统有限公司开发。主要应用于自动化、控制、机器人科学、电信、数据通信、航空航天、计算机网 络系统、医疗仪器设备、交通运输、安全防卫系统、POS机、零售机等任务关键 型应用领域。特点:用户可以把应用程序代码和QNX 内核直接编译在一起,非常好的可移植性。3.嵌入式Linux操作系统 Linux简介姓名： Linux 生日： 1991 年10月 父亲： Linus Torvalds 堂兄： UNIX 国别：芬兰 家庭住址： http:/www.linux

13、.org/ 吉祥物：Linux优点 1.开放源代码,丰富的软件资源2.功能强大的内核,性能高效、稳定、多任务3.支持多种体系结构4.完善的网络通信、图形和文件管理机制5.支持大量的硬件设备,驱动丰富6.大小功能都可定制认识Linux内核版本主版本 1.0 2.0 2.2 2.4 2.6 2,3年更新稳定版 2.0.40 2.2.12 2.4.18 2.6.7 1,2月更新稳定版更新 2.6.11.1 - 2.6.11.7 1,2周更新4.嵌入式Linux开发环境通用计算机:可以直接安装发行版的Linux 操作系统，使用编辑器 、编译器等工具为本机开发软件，甚至可以完成整个Linux 系统的升级

14、。嵌入式系统:硬件一般有很大的局限性，或者处理器频率很低，或 者存储空间很小，或者没有键盘、鼠标设备。这样的硬件 平台无法胜任（或者不便于）庞大的Linux 系统开发任务 。因此，开发者提出了交叉开发环境模型。交叉开发环境交叉开发环境:是由开发主机和目标板两套计算机系统构成的。目 标板Linux 软件是在开发主机上编辑、编译，然后加载 到目标板上运行的。 n 宿主机 开发机器（编辑器、编译器、调试器、.） n 目标机 程序运行的机器 l 宿主机和目标机一样时为本地编译 l 交叉编译是指宿主机和目标机是不同的系统（必须做目 标文件下载）宿主机目标机磁带 磁盘 网络 串口连接 .Target bo

15、ard: UP-NETARM2410-S平台交叉开发环境举例(一)交叉开发环境举例(二)5.嵌入式Linux系统开发要点嵌入式Linux开发就是构建一个Linux系统，要求: 熟悉Linux系统组成部分;熟悉Linux开发工具;熟悉Linux 编程 。嵌入式Linux系统组成从整体上讲，可以分为五大部分 Bootloader Kernel Device drivers Filesystem Applications因此:嵌入式Linux系统开发要点可有如下几点(个人理解):（1）选择嵌入式Linux 发行版商业的Linux 发行版是作为产品开发维护的，经过 严格的测试验证，并且可以得到厂家的技

16、术支持。它为 开发者提供了可靠的软件和完整的开发工具包。（4）熟悉开发环境和工具交叉开发环境是嵌入式Linux 开发的基本模型。 Linux 环境配置、GNU工具链、测试工具甚至集成开 发环境都是开发嵌入式Linux开发的利器。（2）熟悉Linux 编程（3）熟悉处理器的体系结构及指令（5）熟悉Linux 内核因为嵌入式Linux 开发一般需要重新定制Linux 内核 ，所以熟悉内核配置、编译和移植也很重要。 （6）熟悉目标板引导方式开发板的Bootloader 负责硬件平台的最基本的初始 化，并且具备引导Linux 内核启动的功能。由于硬件平台 是专门定制的，一般需要修改编译Bootloader。 （7）熟悉Linux 根文件系统Linux 离不开文件系统，程序和文件都存放在文件系 统中。系统启动必需的程序和文件都必须放在根文件系统 中。Linux 内核命令行参数可以指定要挂接的根文件系统 。（8）理解Linux 内存模型Linux 是保护模式的操作系统。