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1、2018/9/23,1,ARM9嵌入式系统设计基础教程,江苏大学计算机科学与通信工程学院 通 信 工 程 系 陈祖爵 E-mail: TEL: 13775360008,2018/9/23,2,课程理论教学内容安排,第1章 嵌入式系统基础知识 第2章 ARM体系结构 第3章 32 Bit RISC微处理器S3C2410A 第4章 嵌入式系统的存储器系统 第5章 嵌入式系统输入/输出设备接口 第6章 嵌入式系统总线接口 第7章 嵌入式系统网络接口 第8章 嵌入式系统软件及操作系统基础 第9章 ARM汇编语言程序设计基础 第10章 Bootloader设计基础 第11章 Linux操作系统基础 第
2、12章 嵌入式Linux软件设计 第13章 图形用户接口（GUI）,2018/9/23,3,第8章 嵌入式系统软件及操作系统基础,8.1 嵌入式软件基础 4-10 8.2 嵌入式操作系统基础 11-23 8.3 嵌入式系统的任务管理 24-54 8.4 嵌入式系统的存储管理 55-71 8.5 I/O设备管理 72-80,2018/9/23,4,8.1 嵌入式软件基础,8.1.1 嵌入式软件的特点 8.1.2 嵌入式软件的分类 8.1.3 嵌入式软件的体系结构 8.1.4 嵌入式系统的设备驱动层 8.1.5 嵌入式中间件,2018/9/23,5,8.1.1 嵌入式软件的特点,应用在嵌入式计算机
3、系统当中的各种软件统称为嵌入式软件，作为嵌入式系统的一个组成部分，目前嵌入式软件的种类和规模都得到了极大的发展，形成了一个完整、独立的体系。除了具有通用软件的一般特性，同时还具有一些与嵌入式系统密切相关的特点，如： （l）规模较小 （2）开发难度大 （3）高实时性和可靠性要求 （4）软件固化存储,2018/9/23,6,8.1.2 嵌入式软件的分类,1系统软件系统软件控制和管理嵌入式系统资源，为嵌入式应用提供支持的各种软件，如设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式中间件等。 2应用软件应用软件是嵌入式系统中的上层软件，它定义了嵌入式设备的主要功能和用途，并负责与用户进行交互。应用软件是嵌入式系统
4、功能的体现，如飞行控制软件、手机软件、MP3播放软件、电子地图软件等，一般面向于特定的应用领域。 3支撑软件支撑软件指辅助软件开发的工具软件，如系统分析设计工具、在线仿真工具、交叉编译器、源程序模拟器和配置管理工具等。在嵌入式系统当中，系统软件和应用软件运行在目标平台的（即嵌入式设备上），而对于各种软件开发工具来说，它们大部分都运行在开发平台（PC机）上，运行Windows或Linux操作系统。,2018/9/23,7,8.1.3 嵌入式软件的体系结构,1无操作系统的嵌入式软件早期在嵌入式系统的应用范围主要集中在控制领域，硬件的配置比较低，嵌入式软件的设计主要是以应用为核心，应用软件直接建立在
5、硬件上，没有专门的操作系统，软件的规模也很小。无操作系统的嵌入式软件采用循环轮转和中断(前后台)两种实现方式。 （1）循环轮转方式 （2）中断方式,2018/9/23,8,2.有操作系统的嵌入式软件,嵌入式软件体系结构,2018/9/23,9,8.1.4 嵌入式系统的设备驱动层,嵌入式系统的设备驱动层用来完成嵌入式系统硬件设备所需要的一些软件初始化和管理。设备驱动层直接对硬件进行管理和控制，并为上层软件提供所需的驱动支持。 1.板级支持包 2.BootLoader（1）片级初始化（2）板级初始化（3）加载内核 3.设备驱动程序,2018/9/23,10,8.1.5 嵌入式中间,中间件是一种软件
6、平台技术，在银行、证券、电信等行业的大型计算机应用系统中广泛应用。近年来，中间件技术也被引入到嵌入式系统的设计中，并与实时多任务操作系统紧密结合。利用中间件技术可以使用户把精力集中到系统功能的实现上，实现嵌入式系统的软硬件协同设计。 嵌入式中间件是指不包括操作系统内核、设备驱动程序和应用软件在内的所有系统软件。嵌入式中间件把原本属于应用软件层的一些通用的功能模块抽取出来，形成独立的一层软件，为应用软件提供一个灵活、安全、移植性好、相互通信、协同工作的平台。嵌入式中间件可分为消息中间件、对象中间件、远程过程调用(Remote Procedure Calls，RPC)、数据库访问中间件、安全中间件
7、等不同类型。一些公司可提供嵌入式中间件集成解决方案,如Sun的嵌入式Java,微软的.NET Compact Frame-work,OMG(Object Management Group)嵌入式CORBA等,2018/9/23,11,8.2 嵌入式操作系统基础,8.2.1 嵌入式操作系统的功能 8.2.2 嵌入式操作系统的分类 8.2.3 常见的嵌入式操作系统简介,2018/9/23,12,8.2.1 嵌入式操作系统的功能,在嵌入式系统中工作的操作系统称为EOS（Embedded Operating System，嵌入式操作系统），EOS的基本功能主要体现在以下两个方面： 1.构成一个易于编程
8、的虚拟机平台EOS构成一个虚拟机平台，EOS把底层的硬件细节封装起来，为运行在它上面的软件（如中间件软件和各种应用软件）提供了一个抽象的编程接口。软件开发在这个编程接口的上进行，而不直接与机器硬件层打交道。EOS所提供的编程接口实际上就是操作系统对外提供的系统调用函数。 2.系统资源的管理者EOS是系统资源的管理者,负责管理系统中各种软硬件资源,如处理器、内存、各种I/O设备、文件和数据等,使得整个系统能够高效、可靠地运转。,2018/9/23,13,8.2.2 嵌入式操作系统的分类,EOS可以按照系统的类型、响应时间和软件结构等不同的标准来分类。 1按系统的类型分类可以把EOS分为商业化系统
9、、专用系统和开放源代码系统三大类。 （1）商业化系统商业化的EOS有风河公司(WindRiver)VxWorks，微软Windows CE，Palm的PalmOS等,特点是功能强,性能稳定,辅助软件工具齐全，应用广，成本高。 （2）专用系统专用系统是一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入式操作系统，一般不提供给应用开发者使用。 （3）开放源代码系统开放源代码的嵌入式操作系统有C/OS和各类嵌入式Linux系统等，具有免费、开源、性能优良、资源丰富、技术支持强等优点，是近年来发展迅速的一类操作系统。,2018/9/23,14,2.按响应时间分类,按照系统对响应时间的敏感程度，EOS可以分为RTOS（
10、Real Time Operating Systems，实时操作系统）和非实时操作系统两大类。RTOS对响应时间有非常严格的要求，当某一个外部事件或请求发生时，相应的任务必须在规定的时间内完成相应的处理。RTOS可以分为硬实时和软实时两种情形。 （1）硬实时系统硬实时系统对响应时间有严格的要求，如果响应时间不能满足可能会引起系统的崩溃或致命的错误。 （2）软实时系统软实时系统对响应时间有要求，如果响应时间不能满足，将需要支付能够接受的额外代价。非实时系统对响应时间没有严格的要求，各个进程分享处理器，以获得各自所需要的运行时间。,2018/9/23,15,3.按软件结构分类,按软件体系结构,EO
11、S可分为单体结构、分层结构和微内核结构三大类。 （1）单体结构单体结构是一种常见的组织结构，嵌入式Linux操作系统、Jbed RTOS、C/OS-II和PDOS都属于单体内核系统。在单体结构（monolithic）的操作系统中，中间件和设备驱动程序通常就集成在系统内核当中，整个系统通常只有一个可执行文件，里面包含了所有的功能组件。单体结构的操作系统由一组功能模块组成，系统的各个模块之间可以相互调用，通信开销比较小，系统高度集成和相互关联，系统剪裁、修改、调试和维护不方便。 （2）分层结构采用分层结构（layered）的操作系统内部分为若干个层次（0N），各个层次之间的调用关系是单向的，即某一
12、层次上的代码只能调用比它低层的代码。分层结构要求在每个层次上都要提供一组API接口函数，增加了系统的额外开销，但系统的开发和维护较为简单。典型代表有MS-DOS，其结构就是一个有代表性的、组织良好的分层结构。,2018/9/23,16,单体和分层结构操作系统框架,单体结构 分层结构,2018/9/23,17,(3)微内核结构,微内核(microkernel)结构把操作系统的大部分功能都剥离出去，在内核中只保留最核心的功能单元(如进程管理和存储管理),大部分的系统功能都位于内核之外,例如,将所有的设备驱动程序都被置于内核之外,如下图。在微内核操作系统中，大部分的系统功能被放置在内核之外，客户单元
13、和服务器单元的内存地址空间是相互独立的，系统具有更高的安全性。新的功能组件也可以被动态地添加进来，扩展、调试、移植方便。在微内核操作系统中，核内组件与核外组件之间的通信方式是消息传递，而不是直接的函数调用，运行速度可能会慢一些。另外，由于它们的内存地址空间是相互独立的，在切换的时候，也会增加额外的开销。,2018/9/23,18,8.2.3 常见的嵌入式操作系统简介,嵌入式操作系统是操作系统研究领域中的一个重要分支，许多公司从事相关方面的研究，开发了数以百计各具特色的嵌入式操作系统,其中较有影响的有VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE、C/OS-II和PalmOS等。 1.V
14、xWorks美国WindRiver System公司开发的嵌入式实时操作系统VxWorks采用基于微内核的体系结构，整个系统由四百多个相对独立、短小精练的目标模块组成，用户可以根据自己的需要选择适当的模块，进行裁减和配置。VxWorks采用GNU类型的编译和调试器，专有的API函数，支持x86、Motorola MC68xxx、Coldfire、PowerPC、MIPS、ARM、i960等主流的32位处理器，具有良好的可靠性和卓越的实时性，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的商业系统之一。,2018/9/23,19,VxWorks操作系统,在VxWorks操作系统中，主要包含有实
15、时微内核Wind、I/O处理系统、文件系统、网络处理模块、虚拟内存模块VxVMI、板级支持包BSP等功能模块。其中：实时微内核Wind包括基于优先级的任务调度、任务间的通信、同步和互斥、中断处理、定时器和内存管理机制等功能。与ANSI C兼容的I/O系统包括UNIX标准的缓冲I/O和POSIX标准的异步I/O。文件系统主要包括与MS-DOS兼容的文件系统、与RT-11兼容的文件系统、Raw Disk文件系统和SCSI磁带设备。网络处理模块能与如TCP/IP、NFS、UDP、SNMP、FTP等许多运行其他协议的网络进行通信。虚拟内存模块VxVMI主要用于对指定内存区的保护，以加强系统的安全性。板
16、级支持包BSP由初始化和驱动程序两部分组成，用来管理硬件的功能模块，对各种板卡的硬件功能提供统一的接口。,2018/9/23,20,2.嵌入式Linux,嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对标准Linux进行小型化剪裁处理之后，可固化在存储器或单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。常见的嵌入式Linux有Clinux、RT-Linux、Embedix和Hard Hat Linux等，具有如下特点： 具有高性能、可裁剪的内核，其独特的模块机制使用户可以根据自己的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走，很适合于嵌入式系统的小型化的需要。 具有完善的网络通信和文件管理机制，支持所有标准的Internet网络协议，支持ext2，fat16, fat32, romfs等文件系统。 提供完整的工具链(Tool Chain),用GNU的gcc做编译器,用gdb, kgdb, xgdb做调试工具,能够方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 嵌入式Linux是开放源码的自由操作系统，用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行修改和优化。,
