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1、嵌入式系统与软件嵌入式系统与软件3嵌入式软件系统概述嵌入式软件系统概述l嵌嵌入入式式软软件件和和通通用用计计算算机机的的软软件件一一样样，一一般般分分为为系系统软件、支撑软件和应用软件三大类。统软件、支撑软件和应用软件三大类。l系统软件：系统软件：控制、管理计算机系统的资源。控制、管理计算机系统的资源。l如如：嵌嵌入入式式操操作作系系统统、嵌嵌入入式式中中间间件件（CORBACORBA、JavaJava）等等l支撑软件：支撑软件：辅助软件开发的工具。辅助软件开发的工具。l如如：系系统统分分析析设设计计工工具具、仿仿真真开开发发工工具具、交交叉叉开开发发工工具、测试工具、配置管理工具、维护工具等
2、。具、测试工具、配置管理工具、维护工具等。l应用软件：应用软件：是面向应用领域。是面向应用领域。l如如：手手机机软软件件、路路由由器器软软件件、交交换换机机软软件件、飞飞控控软软件件等等2循环轮询系统循环轮询系统l循环轮询系统优点：循环轮询系统优点：对于简单的系统而言，便于编程和理解对于简单的系统而言，便于编程和理解没没有有中中断断机机制制，程程序序运运行行良良好好，不不会会出出现现随机问题随机问题l循环轮询系统缺点：循环轮询系统缺点：有限的应用领域（由于不可确定性）有限的应用领域（由于不可确定性）对于大量的对于大量的I/OI/O服务的应用，不容易实现服务的应用，不容易实现大的程序不便于调试大
3、的程序不便于调试l因此，它适合于慢速和非常快速的简单系统。因此，它适合于慢速和非常快速的简单系统。9有限状态机系统有限状态机系统 有限状态机是实时系统设计中一种重要的、有限状态机是实时系统设计中一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的为主的建模方法建模方法，它可以应用于从系统分析到设，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。计的所有阶段。 10有限状态机系统有限状态机系统l有限状态机组成有限状态机组成 一个有限的状态集合一个有限的状态集合Q Q 一个有限的输入集合一个有限的输入集合I I 一个变迁函数一个变迁函数集合集合：QIQ Q
4、IQ l有限状态机通常用有限状态机通常用“状态转移图状态转移图”和和“状态转移表状态转移表”的方式来表示的方式来表示11有限状态机系统有限状态机系统l状态转移图中的节点代表状态，状态转移图中的节点代表状态，l若在输入下状态由若在输入下状态由q1q1转变为状态转变为状态q2q2，则有一条标有输入的弧线从状态则有一条标有输入的弧线从状态q1q1指指向向q2q2。l此时，其变迁函数此时，其变迁函数(q1,i)=q2(q1,i)=q2。 q1q2i/12l有限状态机举例有限状态机举例state0state3state2state1a/f0b/f0b/f1a/f2b/f1b/f2a/f1有限状态机系统有
5、限状态机系统13有限状态机系统有限状态机系统14l有限状态机优点：有限状态机优点：简单易用，状态间的关系能够直观看到，便于编程简单易用，状态间的关系能够直观看到，便于编程可以快速的执行可以快速的执行 只是通过改变输出功能来改变机器的响应只是通过改变输出功能来改变机器的响应l有限状态机缺点：有限状态机缺点：任任何何时时刻刻系系统统只只能能有有一一个个状状态态，无无法法表表示示并并发发性性，不能描述异步并发的系统不能描述异步并发的系统 在在系系统统部部件件较较多多时时，状状态态数数随随之之增增加加，导导致致复复杂杂性性显著增长显著增长 对于大的应用系统，难于调试对于大的应用系统，难于调试有限状态机
6、系统有限状态机系统15后台后台是一个一直在运行的系统。是一个一直在运行的系统。前台前台是由一些中断处理过程组成的。是由一些中断处理过程组成的。当当有有一一前前台台事事件件( (外外部部事事件件) )发发生生时时，引引起起中中断断, , 于于是是将将中中断断后后台台运运行行而而进进行行前前台台处处理理, , 处处理理完完成成后后又又回回到到后后台台( (通通常常又又称主程序称主程序) )。前后台系统前后台系统16运行方式主程序中断1中断2中断1中断2中断117流程初始化初始化处理处理1 1事件事件1 1处理处理2 2事件事件2 2N NY YY YN NISR1ISR1ISR2ISR2前台处理后
7、台处理ISR3ISR318l需要考虑的是中断的现场保护和恢复，需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌套，中断处理过程与主程序的协中断嵌套，中断处理过程与主程序的协调调( (共享资源共享资源) )问题。问题。l系统的性能主要由中断延迟时间系统的性能主要由中断延迟时间(Interrupt latency time), (Interrupt latency time), 响应时间响应时间(response time)(response time)和恢复时间和恢复时间(recovery (recovery time)time)来刻画。来刻画。前后台系统前后台系统19对于一个复杂的嵌入式实时系统来说对
8、于一个复杂的嵌入式实时系统来说, ,当当采采用用中中断断处处理理程程序序加加一一个个后后台台主主程程序序这这种种软软件件结结构构难难以以实实时时的的、准准确确的的、可可靠靠的的完完成成时时存存在在一一些些互互不不相相关关的的过过程程需需要要在在一一个个计计算算机机中同时处理时中同时处理时, , 就需要采用实时多任务系统。就需要采用实时多任务系统。单处理器多任务系统单处理器多任务系统20结构结构由多个任务，多个中断处理过程，实时由多个任务，多个中断处理过程，实时操作系统组成的有机的整体。操作系统组成的有机的整体。 每个任务是顺序执行的，并行性通过操每个任务是顺序执行的，并行性通过操作系统来完成，
9、任务间的相互通信和同步也作系统来完成，任务间的相互通信和同步也需要操作系统的支持。需要操作系统的支持。 21流程并发多任务：后台前台 ISRsTasks22l单处理器多任务系统主要特点：单处理器多任务系统主要特点：多个顺序执行的程序并行运行（任务）多个顺序执行的程序并行运行（任务）宏宏观观上上看看，所所有有任任务务同同时时运运行行，每每个个任任务务运运行行在在自自己独立的己独立的CPUCPU上上实实际际上上，不不同同的的任任务务是是共共享享同同一一个个CPUCPU和和其其它它硬硬件件。因因此此，需需要要RTOSRTOS来来对对这这些些共共享享的的设设备备和和数数据据进进行行管管理理每每个个程程
10、序序都都被被编编制制成成无无限限循循环环的的程程序序，等等待待特特定定的的输入，执行相应的任务输入，执行相应的任务这这种种程程序序模模型型将将系系统统分分成成相相对对简简单单的的，相相互互合合作作的的模块模块单处理器多任务系统单处理器多任务系统23l单处理器多任务系统主要优点：单处理器多任务系统主要优点：将将复复杂杂的的系系统统分分解解为为相相对对独独立立的的多多个个线线程程， 达达到到“分分而而制制之之”的的目目的的，从从而而降降低低系系统统的的复杂性复杂性保证系统的实时性保证系统的实时性系统的模块化好，提高系统的可维护性系统的模块化好，提高系统的可维护性单处理器多任务系统单处理器多任务系统
11、24l单处理器多任务系统缺点：单处理器多任务系统缺点：需要采用一些新的软件设计方法需要采用一些新的软件设计方法需要增加功能：线程间的协调，同步和通信需要增加功能：线程间的协调，同步和通信功能功能需要对每一个共享资源互斥需要对每一个共享资源互斥导致线程间的竞争导致线程间的竞争需要使用需要使用RTOSRTOS，RTOSRTOS要增加系统的开销要增加系统的开销单处理器多任务系统单处理器多任务系统25l实时多任务系统的实现必须有实时多任务实时多任务系统的实现必须有实时多任务操作系统的支持，操作系统主要完成：操作系统的支持，操作系统主要完成：任务切换任务切换任务调度任务调度任务间通信、同步、互斥任务间通
12、信、同步、互斥实时时钟管理实时时钟管理中断管理中断管理单处理器多任务系统单处理器多任务系统26多多任任务务可可运运行行在在多多个个处处理理器器上上，由由操操作作系系统统一调度和处理。统统一调度和处理。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。多处理器系统还不成熟。多处理器系统还不成熟。多处理器系统多处理器系统27多处理器多处理器系统系统l紧偶合系统紧偶合系统l多个微处理器通过高速总线互连，共享存储器多个微处理器通过高速总线互连，共享存储器和和I/O设备，并要求主存划分为若干个能独立访设备，并要求主存划分为若干个能独立访问的存储模块；问的存储模块；l松偶合系统松
13、偶合系统l通过通道或通信线实现计算机之间的互连，每通过通道或通信线实现计算机之间的互连，每个计算机有自己的存储器和个计算机有自己的存储器和I/O设备，并配置了设备，并配置了OS来管理本地资源和本地运行的进程；来管理本地资源和本地运行的进程；l协处理器系统协处理器系统l由两个或多个由两个或多个CPU并发执行某一指令流。并发执行某一指令流。2829多处理器系统的网络拓扑多处理器系统的网络拓扑30多处理器系统的网络拓扑多处理器系统的网络拓扑31嵌入式操作系统嵌入式操作系统l嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具操
14、作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：有嵌入式软件的特点，主要有：及时性及时性可确定性可确定性并发性并发性高可信性高可信性可固化可固化 可配置、可剪裁可配置、可剪裁 可扩展性可扩展性 不同的不同的CPUCPU有不同的版本有不同的版本 32嵌入式操作系统嵌入式操作系统l近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展l从支持从支持8 8位微处理器到位微处理器到1616位、位、3232位甚至位甚至6464位微处理器；位微处理器；l从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片；芯片；l从
15、只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，系统，TCP/IPTCP/IP网络系统，窗口图形系统等网络系统，窗口图形系统等l随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产品，这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。品，这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。33嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类l从应用领域来分：从应用领域来分：l面向信息家电的嵌入式操作系统面向信息家电
16、的嵌入式操作系统l面向智能手机嵌入式操作系统，如面向智能手机嵌入式操作系统，如SymbianOSSymbianOS、PalmOSPalmOS、Smartphone2003Smartphone2003、Embedded LinuxEmbedded Linux等等l面向汽车电子的嵌入式操作系统面向汽车电子的嵌入式操作系统 l面向工业控制的嵌入式操作系统面向工业控制的嵌入式操作系统 .34嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类l从实时性的角度来看，嵌入式操作系统可分为从实时性的角度来看，嵌入式操作系统可分为l嵌入式实时操作系统：嵌入式实时操作系统：具有强实时特点，如具有强实时特点，如VxWorksVx
17、Works、QNXQNX、NuclearNuclear、OSEOSE、DeltaOSDeltaOS、各种各种ItronOSItronOS等。等。l非实时嵌入式操作系统：非实时嵌入式操作系统：一般只具有弱实时一般只具有弱实时特点，如特点，如WinCEWinCE、版本众多的嵌入式版本众多的嵌入式LinuxLinux、PalmOSPalmOS等。等。 35lIEEEIEEE的实时的实时UNIXUNIX分委会认为实时操作系统应具备分委会认为实时操作系统应具备以下的几点以下的几点: :1.1.异步的事件响应异步的事件响应 实时系统为能在系统要求的时间内响应异实时系统为能在系统要求的时间内响应异步的外部事
18、件，要求有异步步的外部事件，要求有异步I/OI/O和中断处理能和中断处理能力。力。2.2.任务切换时间和中断延迟时间确定任务切换时间和中断延迟时间确定3.3.优先级调度优先级调度 允许用户定义被调度任务优先级。允许用户定义被调度任务优先级。实时操作系统实时操作系统364.4.抢占式调度抢占式调度 为保证响应时间，实时系统必须允许高优先级任务为保证响应时间，实时系统必须允许高优先级任务一旦准备好运行，就马上抢占低优先级任务的执行。一旦准备好运行，就马上抢占低优先级任务的执行。5.5.内存锁定内存锁定 内存锁定是一种保证某进程驻留在内存而不需换页内存锁定是一种保证某进程驻留在内存而不需换页的方法。
19、在实时环境中，系统应保证将某进程锁定在的方法。在实时环境中，系统应保证将某进程锁定在内存中，以减少数据访问、指令读取、进程间缓冲区内存中，以减少数据访问、指令读取、进程间缓冲区切换等等引起的延迟。将一个进程的地址空间锁定在切换等等引起的延迟。将一个进程的地址空间锁定在内存中，就为应用的响应时间满足实时需要提供了保内存中，就为应用的响应时间满足实时需要提供了保障。一般来说，对时间要求苛刻的进程应锁定在内存障。一般来说，对时间要求苛刻的进程应锁定在内存中。中。实时操作系统实时操作系统376.6.连续文件连续文件 应提供存取盘上数据的优化方法，使得应提供存取盘上数据的优化方法，使得存取数据时查找时间
20、最少。通常要求把数存取数据时查找时间最少。通常要求把数据存储在连续文件上。据存储在连续文件上。7.7.同步同步 提供同步执行的手段。提供同步执行的手段。 总之，总之，实时系统是事件驱动实时系统是事件驱动的，能对来自外的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应，界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应，强调实时性、可靠性、灵活性。强调实时性、可靠性、灵活性。实时操作系统实时操作系统38 嵌入式实时操作系统：嵌入式实时操作系统：嵌入式和实时性嵌入式和实时性相结合的产物。由于其优良的特性，广泛应相结合的产物。由于其优良的特性，广泛应用于制造工业、通信、航空航天、军事武器用于制造工业、通信
21、、航空航天、军事武器装备等实时性要求高的实时控制系统中。装备等实时性要求高的实时控制系统中。应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致的。即开发环境与运行环境是不一致的。具有规模小具有规模小( (一般在几十一般在几十K K内内) )、可固化使用、实、可固化使用、实时性强时性强( (在毫秒或微秒数量级上在毫秒或微秒数量级上) )的特点。的特点。嵌入式操作系统嵌入式操作系统39l 从嵌入式系统的商业模式来分类，可以分为从嵌入式系统的商业模式来分类，可以分为商用型和开源型。商用型和开源型。 商用型商用型：功能稳定、可靠，有完善的技
22、术：功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，开发费用支持和售后服务，开发费用+ +版税。版税。 开源型开源型：开放源码，只有服务费，没有版：开放源码，只有服务费，没有版税。税。 如如Embedded Embedded linuxlinux。嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类40嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 l体系结构体系结构是操作系统的基础，它定义了硬件与软件是操作系统的基础，它定义了硬件与软件的界限、内核与操作系统其它组件（文件、网络、的界限、内核与操作系统其它组件（文件、网络、GU
23、IGUI等）的组织关系、系统与应用的接口。等）的组织关系、系统与应用的接口。l体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只有梁架搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦有梁架搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦上添花的工作才有意义。上添花的工作才有意义。l 目目前前操操作作系系统统的的体体系系结结构构可可分分为为：整整体体结结构构（即即无无序序模模块块结结构构）、层层次次结结构构和和客客户户/ /服服务务器器（微微内内核）结构。核）结构。41整体结构概述：整体结构
24、概述： 操作系统是一个整块结构，内部分为若干模块，操作系统是一个整块结构，内部分为若干模块，每个模块可以是一个子程序。模块之间直接相互调每个模块可以是一个子程序。模块之间直接相互调用，不分层次，形成网状调用模式。用，不分层次，形成网状调用模式。 这类操作系统与具体机器硬件特性紧密相关，这类操作系统与具体机器硬件特性紧密相关，一般用低级语言实现。很显然，一般用低级语言实现。很显然，这种系统结构紧凑，这种系统结构紧凑，运行效率高，但各部分之间联系复杂，安全性难以运行效率高，但各部分之间联系复杂，安全性难以保证，很难进行扩充或修改。保证，很难进行扩充或修改。这一代操作系统这一代操作系统始于始于202
25、0世纪世纪6060年代初年代初。 嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 42整体结构整体结构整体结构整体结构 43层次结构概述：层次结构概述： 所谓层次结构，所谓层次结构，就是把系统程序按照功能分就是把系统程序按照功能分成若干基本模块成若干基本模块，再根据其作用和相互关联分别，再根据其作用和相互关联分别划归不同的层次。各模块之间的组织结构和依赖划归不同的层次。各模块之间的组织结构和依赖关系清晰明了，这不仅增加了系统的可靠性和可关系清晰明了，这不仅增加了系统的可靠性和可适应性，而且提高了系统的可移植性。这一代操适应性，而且提高了系统的可
26、移植性。这一代操作系统作系统始于始于6060年代末年代末7070年代初年代初。嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 44层次结构层次结构 45客户客户/ /服务器（微内核）结构概述：服务器（微内核）结构概述：微内核概念微内核概念：操作系统的小核心，它将各种操作系：操作系统的小核心，它将各种操作系统共同需要的核心功能（进程调度、进程间通信、统共同需要的核心功能（进程调度、进程间通信、存储管理、处理存储管理、处理I IO O设备）提炼出来，形成微内核设备）提炼出来，形成微内核的基本功能。微内核直接与硬件打交道，运行于核的基本功能。微内核直
27、接与硬件打交道，运行于核心态。操作系统的其他功能由各心态。操作系统的其他功能由各服务器服务器实现，服务实现，服务器处于微内核之上，在用户态下工作。器处于微内核之上，在用户态下工作。 由于微内核只有操作系统最基本的功能，因此由于微内核只有操作系统最基本的功能，因此规模非常小。例如规模非常小。例如QNXQNX微内核，只占微内核，只占8k8k内存，只有内存，只有1414条系统调用。条系统调用。嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 46微内核由以下两部分组成：微内核由以下两部分组成： （1 1）在核心态下运行的内核，通常采用层次结构）在核心态
28、下运行的内核，通常采用层次结构并构成了基本操作系统。并构成了基本操作系统。 （2 2）在用户态下运行的并以客户）在用户态下运行的并以客户/ /服务器方式活动服务器方式活动的的进程层进程层，将内核以外操作系统的其他部分都被分，将内核以外操作系统的其他部分都被分成若干个相对独立的进程，每个进程完成一组服务，成若干个相对独立的进程，每个进程完成一组服务，称为服务器进程，简称服务器。而客户可以是一个称为服务器进程，简称服务器。而客户可以是一个用户，一个应用程序。用户，一个应用程序。 这些外层模块通过这些外层模块通过消息传消息传递递手段与微内核联系；这些模块相互间也通过手段与微内核联系；这些模块相互间也
29、通过消息消息传递传递方式相互通信。方式相互通信。47l客户客户/ /服务器（微内核）结构服务器（微内核）结构 硬硬 件件进程服务进程服务用户态用户态核心态核心态应用程序客户应用程序客户内存服务内存服务微内核微内核文件服务文件服务网络服务网络服务显示服务显示服务发送发送应答应答消息消息消息消息嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 48微内核优点：微内核优点：（1 1）精简核心的功能，提供了一种简单的高速）精简核心的功能，提供了一种简单的高速模块化的体系结构，提高了系统设计及使用的灵模块化的体系结构，提高了系统设计及使用的灵活性。同一个微
30、内核可以同时支持一个或多个不活性。同一个微内核可以同时支持一个或多个不同界面的操作系统的运行，从而方便用户软件的同界面的操作系统的运行，从而方便用户软件的继承。继承。（2 2）可移植性好。所有与具体机器特征相关）可移植性好。所有与具体机器特征相关的代码，全部隔离在微内核中。如果操作系统要的代码，全部隔离在微内核中。如果操作系统要移植到不同的硬件平台上，只需修改微内核中少移植到不同的硬件平台上，只需修改微内核中少而集中的代码即可。而集中的代码即可。嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 49（3 3）可伸缩性好。这是现代操作系统的主要性能
31、）可伸缩性好。这是现代操作系统的主要性能之一。之一。操作系统应能方便地进行定制，扩充或缩操作系统应能方便地进行定制，扩充或缩减，以适应硬件的快速更新和应用需求的不断变减，以适应硬件的快速更新和应用需求的不断变化化。微内核可以保证系统有序地增长和演变。另。微内核可以保证系统有序地增长和演变。另外，随着应用领域的扩大，并非所有的用户都需外，随着应用领域的扩大，并非所有的用户都需要有相同的系统功能和使用环境。重要的是将这要有相同的系统功能和使用环境。重要的是将这些可变动的部分做成可选构件，以利于系统规模些可变动的部分做成可选构件，以利于系统规模的扩大或缩小。的扩大或缩小。（4 4）实时性好。微内核可
32、以方便地支持实时处理。）实时性好。微内核可以方便地支持实时处理。嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 50（5 5）提供多线程机制，支持多处理器的体系结构）提供多线程机制，支持多处理器的体系结构和分布式系统及计算机网络。和分布式系统及计算机网络。（6 6）系统安全性好。传统的操作系统将安全性）系统安全性好。传统的操作系统将安全性功能建立在内核之外，因而它并不是很安全的。功能建立在内核之外，因而它并不是很安全的。而微内核则将安全性作为系统内特性来进行设计。而微内核则将安全性作为系统内特性来进行设计。用户级的任务是通过高度安全的通信通道调
33、用的用户级的任务是通过高度安全的通信通道调用的接口传递信息来访问诸如虚拟内存空间，文件及接口传递信息来访问诸如虚拟内存空间，文件及处理器之类的系统资源对象。处理器之类的系统资源对象。嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 51l微内核性能问题：微内核性能问题：-通通过过微微内内核核构构造造和和发发送送信信息息、接接受受应应答答并并解解码码所所花花费费的的时时间间比比进进行行一一次次系系统统调调用的时间多用的时间多-很大程度取决于微内核的大小和功能很大程度取决于微内核的大小和功能嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系
34、统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 52l目目前前嵌嵌入入式式操操作作系系统统主主要要采采用用分分层层和和模模块块化化相相结结合合的结构或微内核结构的结构或微内核结构l分分层层和和模模块块化化结结合合的的结结构构将将操操作作系系统统分分为为硬硬件件无无关关层层、硬硬件件抽抽象象层层和和硬硬件件相相关关层层，每每层层再再划划分分功功能能模模块块。这这样样移移植植工工作作便便集集中中在在硬硬件件相相关关层层，与与其其余余两两层层无无关关，功功能能的的伸伸缩缩则则集集中中在在模模块块上上，从从而而确确保保其其具具有有良良好好的的可可移移植植性性和和可可伸伸缩性。缩性。l而而采采用用微微内内核核结结
35、构构，则则可可利利用用其其可可伸伸缩缩的的特特点点适应硬件的发展，便于扩展。适应硬件的发展，便于扩展。 嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 53l（1 1）DeltaCOREDeltaCORE的的体体系系结结构构：层层次次模模块块结结构构 应用程序应用程序任务管理任务管理硬硬 件件用户扩展处理用户扩展处理调度管理调度管理硬件抽象层硬件抽象层应用编程接口应用编程接口内存管理内存管理中断管理中断管理时钟时钟/定时器管理定时器管理I/O管理管理出错处理出错处理同步、通信管理（消息队列，信号量，事件，同步、通信管理（消息队列，信号量，事件，
36、异步信号异步信号）嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 54l（2 2）QNX4.25QNX4.25的体系结构：的体系结构：客户客户/ /服务器服务器结构结构 用户模式用户模式应用应用应用应用应用应用网络管理器网络管理器图形管理器图形管理器设备管理器设备管理器文件系统管理器文件系统管理器网络驱动网络驱动图形驱动图形驱动设备驱动设备驱动文件系统驱动文件系统驱动硬硬件件内核模式内核模式 内核（微内核）内核（微内核）嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构嵌入式操作系统的体系结构 55l嵌嵌入入式式操操作作系
37、系统统一一般般由由内内核核、嵌嵌入入式式TCP/IPTCP/IP网网络系统、嵌入式文件系统等组成。络系统、嵌入式文件系统等组成。l内核内核 l内内核核是是嵌嵌入入式式操操作作系系统统的的基基础础，也也是是必必备备的的部分。部分。l它它提提供供任任务务管管理理、内内存存管管理理、通通信信、同同步步与与互互斥斥机机制制、中中断断管管理理、时时间间管管理理及及任任务务扩扩展展等功能。等功能。l内内核核还还提提供供特特定定的的应应用用编编程程接接口口，但但目目前前没没有统一的标准。有统一的标准。 嵌入式操作系统组成嵌入式操作系统组成56嵌入式图形用户界面嵌入式图形用户界面GUI嵌入式嵌入式GUIGUI
38、的特点：的特点：l轻型、占用资源少轻型、占用资源少l高性能高性能l高可靠性高可靠性l可配置可配置常用的嵌入式常用的嵌入式GUIGUI有：有：lMicroWindowsMicroWindowslMiniGUIMiniGUIlQT/EmbeddedQT/EmbeddedlOpenGLOpenGL57l嵌入式嵌入式TCP/IPTCP/IPlTCP/IPTCP/IP协协议议已已经经广广泛泛地地应应用用于于嵌嵌入式系统中入式系统中l嵌嵌入入式式TCP/IPTCP/IP网网络络系系统统提提供供符符合合TCP/IPTCP/IP协协议议标标准准的的协协议议栈栈，提提供供SocketSocket编程接口。编程接
39、口。嵌入式网络嵌入式网络 Socket 接接 口口 UDP协议协议 TCP协议协议 IP 协议协议 ICMP/IGMP协议协议 网络接口层网络接口层 ARP/PPP协议协议 以太网驱动以太网驱动 异步串口驱动异步串口驱动物物 理理 设设 备备应用程序应用程序/应用协议应用协议58l嵌入式嵌入式TCP/IPTCP/IP网络系统具有以下的特点：网络系统具有以下的特点：l可剪裁：可剪裁： 能根据嵌入式系统的功能要求选择所需协议，能根据嵌入式系统的功能要求选择所需协议，对完整的对完整的TCP/IPTCP/IP协议簇进行剪裁，以满足用户协议簇进行剪裁，以满足用户的需要。的需要。l采用采用“零拷贝零拷贝”
40、（Zero CopyZero Copy）技术，提高实技术，提高实时性时性 所谓所谓“零拷贝零拷贝”技术，是指技术，是指TCP/IPTCP/IP协议栈没协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才进行真正的数据搬移。进行真正的数据搬移。 嵌入式TCP/IP59l采用静态分配技术采用静态分配技术 在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲
41、（其大小一般小于或了专门的发送和接收缓冲（其大小一般小于或等于物理网络上的等于物理网络上的MTUMTU值值（包或帧的最大长度），（包或帧的最大长度），从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会超过超过MTUMTU值，也就避免了数据处理任务的阻塞等值，也就避免了数据处理任务的阻塞等待。待。 嵌入式TCP/IP60无线应用协议无线应用协议WAPWAP61现场总线现场总线62无线传感器网络无线传感器网络63l通用操作系统的文件系统通常具有以下功能通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：l提供用户对文件操作的命令提供用户对文件操作的命令l提供用户共享文件的机制提供
42、用户共享文件的机制l管理文件的存储介质管理文件的存储介质l提提供供文文件件的的存存取取控控制制机机制制，保保障障文文件件及及文文件件系统的安全性系统的安全性l提供文件及文件系统的备份和恢复功能提供文件及文件系统的备份和恢复功能l提供对文件的加密和解密功能提供对文件的加密和解密功能嵌入式文件系统 64l嵌嵌入入式式文文件件系系统统相相比比之之下下较较为为简简单单，主主要要具具有有文文件的存储、检索、更新等功能。件的存储、检索、更新等功能。l它它以以系系统统调调用用和和命命令令方方式式提提供供对对文文件件的的各各种种操操作作，主要有：主要有：l设置和修改对文件和目录的存取权设置和修改对文件和目录的存取权限限 l提供建立、修改、改变、删除目录等服务提供建立、修改、改变、删除目录等服务l提提供供创创建建、打打开开、读读、写写、关关闭闭、撤撤消消文文件件等等服务服务 嵌入式文件系统 65嵌入式数据库系统嵌入式数据库系统66嵌入式系统功耗管理嵌入式系统功耗管理常用的功耗管理技术：常用的功耗管理技术：l动态功耗管理动态功耗管理DMPDMP技术技术l动态电压调整动态电压调整DVPDVP技术技术l存储器功耗管理技术存储器功耗管理技术67结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！68
