嵌入式系统——基础知识

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1、嵌入式系统基础知识操作系统OS 控制和管理计算机软硬件资源，合理组织计算机工作流程，方便用户使用计算机的系统软件。 可将OS看成是应用程序与硬件间的接口或虚拟机。 OS功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络和通信管理等。嵌入式操作系统EOS 运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其所操作的部件装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件。 EOS特点：微型化、可裁剪性、实时性、高可靠性、易移植性 重点关注：高实时性、硬件相关依赖性、软件固化、应用专用性、网络功能。实时操作系统TROS 能使计算机及时响应外部事件请求，并能及时控制所有实时设备与实时任务协调运行，且能在规定时间内完成事件

2、处理的OS。 RTOS基本要求： 1、逻辑功能正确：RTOS的计算必须产生正确的结果； 2、时间正确：RTOS的计算必须在预定的周期内完成。 RTOS应满足条件： 1、多任务系统； 2、任务的切换时间应与系统中的任务书无关； 3、中断延时的时间可预知并尽可能短。 无论在什么情况下，OS完成任务所需的时间应该是在程序设计时就可预知的。嵌入式实时操作系统ERTOS 用于嵌入式系统，对系统资源和多个任务进行管理，且具有高可靠性、良好可裁剪性等优良性能的，为应用程序提供运行平台和实时服务的微型系统软件。 ERTOS最重要的三项服务： 1、多任务管理 2、内存管理 3、外围资源管理嵌入式微处理器（特点）

3、 1、对实时多任务OS有很强的支持能力； 2、具有功能很强的存储区域保护功能； 3、处理器结构可扩展； 4、低功耗； 微处理器主要发展方向：小体积、高性能、低功耗 微处理器分类：MCU、MPU、DSP、SOC嵌入式系统发展方向 1、嵌入式开发是一项系统工程，嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，还需要提供强大的硬件开发工具与软件支持包； 2、网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、宽带的提高而日益提高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂； 3、网络互连成为必然趋势（IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth等网络接口）； 4、精简系统内核、算法、降低功耗和软硬

4、件成本； 5、提供友好的多媒体人机界面。嵌入式系统特点 机软硬件于一体，可独立工作的计算机系统。 1、专用性强； 2、可裁剪性； 3、实时性与可靠性； 4、功耗低； 5、系统内核小； 6、系统精简； 7、实时多任务OS； 8、专门开发工具与环境； 嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核。 通常把嵌入式系统概念的重心放在“系统”上，指能够运行OS的软硬件总体。 嵌入式系统构成，硬件：微处理器、外围接口和存储器；中间层：BSP/HAL；软件：RTOS及其上运行的应用软件。 嵌入式系统框架可分为4部分：处理器、存储器、I/O、软件。 嵌入式CPU将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成

5、到芯片内部。 多数嵌入式设备的应用软件和OS紧密结合。嵌入式软件体系结构 1、无OS情形 （1）循环轮转方式：把系统功能分成若干不同的任务，然后把它们包含在一个无限的循环语句中，按照顺序逐一执行，之后再循环。 缺点：过于简单，无法处理异步事件，缺乏并发处理能力。 （2）前后台系统：在循环轮转的基础上，增加了中断处理功能； foreground（前台程序：事件处理级程序）：中断服务程序ISR，处理异步事件； background（后台程序：任务级程序）：系统管理调度程序，无限循环，负责嵌入式系统软硬件资源的分配、管理及任务调度。 2、有OS情形 （1）提高了系统可靠性； （2）提高了系统开发效率

6、，降低了开发成本，缩短了开发周期； （3）有利于系统的扩展和移植； 对不同的嵌入式操作系统，所包含的组件可能各不相同。一般来说，所有的OS都会有一个内核Kernel，内核指OS中的一个组件，包含了OS的主要功能，即OS的各种特性及其相互间的依赖关系。（任务管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络管理）嵌入式操作系统分类 1、按“系统类型”分类：商用系统、专业系统、开源系统； 2、按“响应时间”分类：RTOS、非RTOS； 3、按“软件结构”分类：单体结构、分层结构、微内核结构； 差别体现在两方面：（1）内核的设计，即内核中包含了哪些功能组件；（2）系统中集成了哪些其他的系统软件。 （1）单体结

7、构（eg：linux）：在单体结构的OS中，中间件和设备驱动程序通常集成在系统内核中，整个系统通常只有一个可执行文件，包含了所有的功能组件。整个OS由一组功能模块构成，这些功能模块间可以相互调用。 优点：性能较好，系统各模块间可以相互调用，通信开销小； 缺点：OS体积庞大，高度集成，在系统裁剪、修改和调试等方面较为困难。 （2）分层结构：在分层结构中，一个OS被划分为若干个层次，各层间的调用关系是单向的。分层结构的OS也只有一个大的可执行文件，包含设备驱动程序和中间件。要求在每个层次上都要提供一组API接口函数。 （3）微内核结构（eg：VxWorks）：在内核中，把OS的大部分功能都剥离出去

8、，只保留最核心的功能单元。内核非常小，大部分的系统功能都位于内核之外。在微内核OS中，新的功能组件可以被动态地添加进来，具有易于扩充、调试方便和易于移植等特点。核内组件与核外组件间的通信是消息传递，而不是直接的函数调用。嵌入式操作系统重要概念 1、先占式内核：当前最高优先级任务一旦就绪，就立即获得CPU控制权，且控制权可知； 2、调度策略分析：（强实时、弱实时） 3、任务优先级分配：（静态优先级、动态优先级） 4、时间的可确定性： 强RTOS的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。系统完成某个确定任务的时间可预测。 5、任务切换时间：（取决于CPU

9、有多少Reg要入栈） 6、中断响应时间：在先占式内核中，中断响应时间 = 关中断最长时间 + 保护CPU内部寄存器时间 + 进入中段服务函数的执行时间 + 开始执行ISR第一条指令的时间； 7、优先级反转：（解决方法：优先级继承、优先权极限） 8、任务执行时间的抖动 9、任务划分：（原则：I/O原则、优先级原则、大量原则、功能耦合、偶然耦合、频率组合）uC/OS-II内核架构解析（1）-嵌入式RTOS1. 嵌入式系统基本模型2. RTOS设计原则 采用各种算法和策略，始终保持系统行为的可预测性。即在任何情况下，在系统运行的任何时刻，OS的资源配置策略都能为争夺资源（包括CPU、内存、网络带宽等

10、）的多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。3. GPOS与RTOS GPOS：注重每次执行的平均响应时间，而不是某次特定执行的响应时间。 RTOS：除满足应用功能需求外，还要满足实时性要求，始终保证系统行为的可预测性（predictability）。 与GPOS不同，RTOS注重的不是系统的平均表现，而是要满足每个实时任务在最坏情况下的实时性要求。也就是说，RTOS注重的是个体表现，更准确地说是个体最坏情况表现。 RTOS与GPOS的差别主要表现在： a)任务调度策略不同； b)内存管理方式不同； c)中断处理方式不同； d)系统管理方式不同；4.嵌入式开发模式

11、单片机系统的前后台程序：不使用OS，将应用程序设计成死循环，系统轮流处理各事件，对时间响应要求高的异步事件采用中断进行处理。 基于任务（进程）的软件设计方法：使用OS，由OS管理硬件资源，任务只是在需要资源时申请即可，至于when/which，完全由OS决定。 5.（不）可重入 (1) 可重入函数：指函数代码在运行过程中可以被中断，中断返回后仍能够恢复到原来的状态，并能准确无误执行的函数。 可重入函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据被破坏。可重入函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器或堆栈中；或者使用全局变量，则要对全局变量予以保护。 (2) 不可重入函数：函数在运行过程中不

12、可以被中断。6.互斥条件实现任务间通信最简便的办法是使用共享数据，但要保证任务在处理共享数据时的排它性。使共享资源满足互斥条件，最一般的方法有： (1)关中断 使用某种实时内核，一般情况下关中断的时间最长不超过内核本身的关中断时间，这样就不会影响系统中断延迟。 (2)使用测试并置位指令 Test&Set操作可能是微处理器一条不会被中断的指令，否则应该在程序中关中断做TAS操作再开中断。 (3)禁止做任务切换 此时任务切换虽然是禁止的，但仍允许中断。如果这时中断来了，ISR会在这一临界区内立即执行。 (4)利用信号量；7.临界状态 临界状态指当前程序处于不可中断状态。一般情况下，在调用不可重入函

13、数前或在修改全局变量数据时，都需要先进入临界状态。进入临界状态的主要操作是关闭所有可以屏蔽的中断；而退出临界状态的主要操作是恢复到上次进入临界状态时前中断管理的状态。 在uC/OS-II中，宏OS_ENTER_CRITICAL()描述进入临界状态所完成的操作，宏OS_EXIT_CRITICAL()描述退出临界状态的操作。uC/OS-II提供了3种进入和退出临界状态的办法，可以根据CPU类型由宏OS_CRITICAL_MOTHOD指定具体的临界状态处理办法。uC/OS-II内核架构解析（2）-uC/OS-II基本介绍1.uC/OS-II文件结构2.uC/OS-II组成部分 uC/OS-II大致可

14、以分成系统核心(包含任务调度)、任务管理、时间管理、多任务同步与通信、内存管理、CPU移植等部分。 (1)核心部分(OSCore.c) ：uC/OS-II处理核心，包括初始化、启动、中断管理、时钟中断、任务调度及事件处理等用于系统基本维持的函数。 (2) 任务管理(OSTask.c) ：包含与任务操作密切相关的函数，包括任务建立、删除、挂起及恢复等，uC/OS II以任务为基本单位进行调度。 (3) 时钟部分(OSTime.c) ：uC/OS-II中最小时钟单位是timetick（时钟节拍），其中包含时间延迟、时钟设置及时钟恢复等与时钟相关的函数。 (4) 多任务同步与通信(OSMbox.c, OSQ.c,