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1、目录一、嵌入式系统简介21.1 嵌入式系统的定义和特点21.2 嵌入式系统的构成.31.3 嵌入式系统的应用.51.4 嵌入式系统的工具链.61.5 嵌入式系统的发展趋势.7二、嵌入式系统的学习实践8三、实验内容93.1 ZedBoard-Zynq7000 介绍.93.2 软件的安装设置.103.3 main 函数分析.103.4 任务管理.123.4.1 任务优先级133.4.2 任务的堆栈143.4.3 任务的状态143.5 就绪任务的管理.153.6 任务调度.173.6.1 任务抢占 .173.6.2 轮转调度 .183.6.3 调度时机 .193.6.4 调度实现 .193.7 上下
2、文切换.20四、工作总结22一、嵌入式系统简介1.1 嵌入式系统的定义和特点嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS）是一种“嵌入机械或电气系统内部、具有专属功能的计算机系统”，通常要求实时计算性能。被嵌入的系统通常是包含硬件和机械部件的完整设备。相反，通用计算机如个人计算机则设计灵活，以满足广大终端用户的需求。现在常见的很多设备都采用嵌入式系统控制。EOS 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用
3、要求，不断扩展对象系统要求的外围电路(如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等)，形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA 等。嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义
4、中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境(小型)、电气/气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求的特点。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性。满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。目前，已推出一些应用比较成功的 EOS 产品系列。随着 Internet 技术的发展、信息家电的普及应用及 EOS 的微型化和专业化，EOS 开始从单一的弱功能向高专
5、业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：(1)可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。(2)强实时性。EOS 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。(3)统一的接口。提供各种设备驱动接口。(4)操作方便、简单、提供友好的图形 GUI，图形界面，追求易学易用。(5)提供强大的网络功能，支持 TCP/IP 协议及其它协议，提供TCP/UDP/IP/PPP 协议支持及统一的 MAC 访问层
6、接口，为各种移动计算设备预留接口. (6)强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的 EOS 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。(7)固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的 ROM 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统.(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性.1.2 嵌入式系统的构成嵌入式系统按形态可分为设备级(工控机)、板级(单板、模块)、芯片级(MCU、SoC)。嵌
7、入式系通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路(如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等)，形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。(1)嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征
8、。嵌入式处理器大概可分为两类。一类是普通微处理器：使用独立的集成电路存储器和外设。另一类是单片机：具有片上外设，降低了功耗、尺寸和成本。嵌入式系统的软件是为某种应用定制的，而不是像个人计算机那样的由终端用户安装的商品，因此可以使用各种不同的基本 CPU 架构：既有范纽曼型架构也有不同程度的哈佛结构；既有 RISC也有非精简指令集处理器；字长从 4 位到 64 位甚至更高，当然最典型的仍然是8/16 位。多数架构由几家不同的公司生产，使用了大量不同的变量和类型。嵌入式系统也会使用通用型微处理器，但比单片机需要更多外围电路。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有 1000 多种嵌入
9、式处理器芯片，其中使用最为广泛的有 ARM 、MIPS、PowerPC、MC6800 等。SoC 是一种常见的为超大批量嵌入式系统设计的可配置阵列。它在单个芯片内包含了多处理器、乘法器、缓存和接口，形成一个完整的系统；通过特定用途集成电路或现场可编程门阵列来实现。（2）嵌入式主板嵌入式主板一般理解为嵌入在设备里面做控制、数据处理使用的 CPU 板，也就是设备的“大脑”。嵌入式到设备里面，当然就会对主板的体积以及功耗（嵌入式主板的散热问题）有比较严格的要求。所以一般来讲嵌入式主板会具备尺寸小、高集成度、低功耗等特性。目前嵌入式主板比较常见的一般有两大类：基于 X86 的嵌入式主板(一般使用 IN
10、TEL、威盛、AMD 或其他产家的 X86芯片如：台湾 RDC、台湾 ICOP 等等)；基于 RISC 的 ARM 嵌入式主板（由ARM 公司授权生产，每个芯片产家各有自己特殊的功能）。嵌入式的 ARM 板一般都是板载 CPU，而基于 x86 CPU 的主板则不一定。基于 RISC 的 ARM 板一般都是根据产品的要求做具体设计，所以主板在尺寸外观上面通常没有做定义。PC/104 和 PC/104+是小型、小批量嵌入式强固系统的标准之一，大多基于x86 架构；通常比标准 PC 要小，而比多数简单的 8/16 位嵌入式系统要大；使用 MSDOS、Linux、NetBSD，或实时嵌入式操作系统如
11、MicroC/OS-II、QNX、VxWorks。有时这些主板也会使用非 x86 处理器。在某些应用中，小巧、高效并非主要关注点，因而可以使用与 x86 型 PC 主板兼容的部件。VIA EPIA 系列板卡则可以弥补这个空缺，它兼容 PC 但是高度集成、体积较小，或提供其他对嵌入式工程师很有吸引力的特性。这种方法的好处是低成本商品也可以使用通用的软件开发工具。用这种方法构建的系统仍然是嵌入式系统，因为它嵌入在较大的设备中、用于满足单一用途。例如 ATM 和电子游戏机，它们都包含了针对各自应用的代码。多数嵌入式主板都不是围绕 PC 设计的，也不使用 ISA 或 PCI 总线。如果采用 SoC 处
12、理器，用标准总线连接分立组件就不是上策，此外软硬件开发环境都可能会很不一样。一种常用的设计模式是采用小型系统模块也许只有商务卡片大小，容纳高密度的 BGA 芯片如 ARM 处理器和外设、用于存储的外部闪存、作为内存的 DRAM。模块厂商通常会提供引导软件和操作系统选项，一般包括 Linux 和一些实时操作系统。这些模块由熟悉专业测试方法的组织大批量生产，配合较小批量的、带特殊应用外设的定制主板使用。（3）外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据外围设备的功能可以分为存储器、接口和人机交互。嵌入式系统通过外设与外部通信串
13、行，包括通信接口：RS-232、RS-422、RS-485 等；同步串行通信接口：I2C、SPI、ESSI 等；USB；多媒体卡：SD 卡、CF 卡等；网络：以太网、LonWorks 等；现场总线：CAN 总线、LIN 总线、PROFIBUS 等；定时器：PLL、捕获比较模块和时间处理单元；分立 IO：GPIO；模拟-数字/数字-模拟转换(ADC/DAC)；调试接口：JTAG、ISP、ICSP、BDM 端口、BITP、DP9 端口等。（4）嵌入式操作系统在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响
14、应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大的提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式系统。嵌入式系统常常需要有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是“实时操作系统 ”。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的，从而或多或少都有些实时要求，所以从前“嵌入式操作系统”实际上是“实时操作系统”的代名词。今年来由于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现，也有了不带实时要求的嵌入式系统。另外一方面，由于 CPU 速度的提高，一些原先认为是“实时”的反应速度现在已经很普遍了。这样，一些原先需要在“实时
15、”操作系统上才能实现的应用，现在已不难在常的操作系统上实现。在这样的背景下，“嵌入式操作系统”和“实时操作系统”就成了不同的概念名词。常见的嵌入式操作系统有： Android、Firefox OS、iPhone OS、uC/OS 、uCLinux、VxWorks、pSOS、Nucleus、PalmOS、Windows CE、Windows XP Embedded、Windows Vista Embedded、嵌入式Linux、ECOS、QNX、Lynx、Symbian、Arm-Linux 等。(5)应用软件嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户的预
16、期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入操作系统的支持，但在简单的场合下不需要专门的操作系统。由于嵌入式应用软件对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能的减少应用软件的资源消耗，尽可能的优化。1.3 嵌入式系统的应用嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,一台通用计算机的外部设备中就包含了 5-10 个嵌入式微处理器。嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：工业控制：工业控制：业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统；交通管理：交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌 GPS 模块，GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用；信息家电：信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。家家庭智能管理系统：庭智能管理系统：水、电、煤气表的远
