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1、第1章绪论1.1嵌入式系统1.1.1嵌入式系统简介随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式系统应用领域越来越广泛。当今,嵌入式系统已成为一个时髦的名词,就像当初的计算机热潮,似乎比当初的计算机热潮涉及的领域更广泛,应用技术人员更多,相关国民经济产值也更庞大。报纸、杂志、网络都把嵌入式系统当作讨论的热门话题。嵌入式系统一般指非PC系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁减的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成,它是集软硬
2、件于一体的可独立工作的器件。嵌入式系统的软件部分包括操作系统软件和应用程序编程。操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用,而应用程序控制着系统的运作和行为。嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件,它是嵌入式系统极为重要的组成部分,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等Browser。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点,如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化,使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬
3、件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。1.1.2实时多任务操作系统RTOS,即实时多任务操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写,没有采用商品化的RTOS,不能将系统软件和应用软件分开处理。RTOS是一段嵌入在目标代码中的软件,用户的其它应用程序都建立在RTOS之上。不但如此,RTOS还是一个可靠性和可信性很高的实时核,将CPU时间、中断、I/O、定时器等资源都包装起来,留给用户一个标准的API,并根据各个任务的优先级,合理地在不同任务之间分配CPU时间。 TOS是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务核,优
4、秀商品化的RTOS可以面对几十个系列的嵌入式处理器MPU、MCU、DSP、SOC等提供类同的API接口,这是RTOS基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于RTOS上的C语言程序具有极大的可移植性。据专家测算,优秀RTOS上跨处理器平台的程序移植只需要修改15%的容。在RTOS基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数,和通用性的应用程序一起,可以作为产品销售,促进行业的知识产权交流,因此RTOS又是一个软件开发平台。 RTOS是嵌入式系统的软件开发平台。RTOS最关键的部分是实时多任务核,它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理
5、、消息管理、队列管理、旗语管理等, 这些管理功能是通过核服务函数形式交给用户调用的,也就是RTOS的API。 RTOS的引入,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序越来越大,对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。引入RTOS相当于引入了一种新的管理模式,对于开发单位和开发人员都是一个提高。 基于RTOS开发出的程序,具有较高的可移植性,实现90%以上设备独立,一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化,减少重复劳动,提高知识创新的效率。 嵌入式工业的基础是以应用为中
6、心的芯片设计和面向应用的软件开发。实时多任务操作系统进入嵌入式工业的意义不亚于历史上机械工业采用三视图的贡献,对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑。 目前,商品化的RTOS可支持从8BIT的8051到32BIT的PowerPC及DSP等几十个系列的嵌入式处理器。提供高质量源代码RTOS的著名公司主要集中在美国。1.1.3嵌入式操作系统的发展状况国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟,主要有Vxwork、QNX、PalmOS、Windows CE、嵌入式Linux等。国的嵌入式操作系统研究开发有2种类型,一类是基于国外操作系统2次开发完成的,如海信的基于Windows CE的机顶盒系统；
7、另一类是中国自主开发的嵌入式操作系统,如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统Hopen OS等。 Windows CE核较小,能作为一种嵌入式操作系统应用到工业控制等领域。其优点在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。置的标准通信能力使Windows CE能够访问Internet并收发E_mail或浏览Web。除此之外,Windows CE特有的与Windows类似的用户界面使最终用户易于使用。Windows CE的缺点是速度慢、效率低、价格偏高、开发应用程序相对较难。 3Com公司的Palm OS在掌上电脑和PDA市场上独占其霸主地位,它有开放的操作系统应用程序接口,开
8、发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 Microwave的OS-9是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统,广泛应用于高科技产品中,包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比,它的灵活性和可升级性非常突出。Lynx Real-time Systems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统,它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。LynxOS支持线程概念,提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特征；包括基于调用需求的虚拟存,一个基于Mo
9、tif的用户图形界面,与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。pSOS 。ISI公司已经被WinRiver公司兼并,现在pSOS属于WindRiver公司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统,专为嵌入式微处理器设计,提供一个完全多任务环境,在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。QNX是由加拿大QSSL公司开发的分布式、实时的、可扩充的操作系统,它部分遵循POSIX相关标准,如：POSIX.1b实时扩展。它提供了一个很小的微核以及一
10、些可选的配合进程,具有高度的伸缩性,可灵活地剪裁。其核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理,其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务,都实现为协作的用户进程,因此QNX核非常小巧而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求,将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。因此,可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、PDA等应用中去。Hopen OS是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统,由一个体积很小的核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心Hopen Kernel一般为10KB左右大小,占用空间小
11、,并具有实时、多任务、多线程的系统特征。在众多的实时操作系统和嵌入式操作系统产品中,WindRiver公司的VxWorks是较为有特色的一种实时操作系统。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。VxWorks 支持各种工业标准,包括POSIX、ANSI C 和TCP/IP网络协议。同时支持多种处理器,如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS RX000、POWER PC等等。大多数的VxWorks API是专有的。采用GNU的编译和调试器。VxWorks 运行系统的核心是一个高效率的微核,该微核支持各种实时功能,包括快速多
12、任务处理、中断支持、抢占式和轮转式调度。目前在全世界装有VxWorks 系统的智能设备数以百万计,其应用围遍及互联网、电信和数据通信等众多领域。开放源代码的嵌入式Linux操作系统无疑有着很大的优势。嵌入式Linux自身具备一整套工具链,容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境,并且可以跨越在嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。核的完全开放,使得可以自己设计和开发出真正的硬实时系统；对于软实时系统,在Linux中也容易得到实现。强大的网络支持,使得可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。1.1.4嵌入式系统软件的特点嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能
13、的关键,对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 1.软件要求固态化存储。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。 2.软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 3.系统软件的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中,对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键,单纯通过提高处理器速度是
14、无法完成和没有效率的,这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成,因此系统软件的高实时性是基本要求。 4.多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。1.2嵌入式开发概述1.2.1 嵌入式系统开发需要开发工具和环境通用计算机具有完善的人机接口界面,在上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 1.2.2 嵌入式系统软件需要RTOS开发平台通用计算机具有完
15、善的操作系统和应用程序接口,是计算机基本组成不可分离的一部分,应用程序的开发以及完成后的软件都在OS平台上面运行,但一般不是实时的。嵌入式系统则不同,应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。 1.2.3 嵌入式系统开发人员以应用专家为主通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士,而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合的,要求更多的计算机以外的专业知识,其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。1.2.4嵌入式系统高级编程语言Ada语言是20世纪70年代美国国防部开发并投入使用的功能强大的通用系统开发语言,最初为Ada83。它支持模块化、独立编译、协处理等功能。其可靠性、可维护性、可读性都是相当好的。后来,为了更好地支持OOPObject-Oriented Programming,对其进行了改进,形成了目前广泛使用的Ada95。使用Ada语言可以大大改善系统的清晰性、可靠性、可维护性等性能指标2,3。它是美国国防部指定的唯一一种可用于军用系统开发的语言。C语言是由Denni
