《嵌入式系统概述》PPT课件

1.3 嵌入式操作系统

基本概念 ——共享资源
可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。 为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道 时，必须独占该资源，这叫做互斥。
访问共享资源之 其它任务访问受阻 而不能使用共享资源 前申请信号量
得到允许后，才 能使用共享资源 共享资源
任务A
任务B 信号量
任务C
1.3 嵌入式操作系统

基本概念 ——任务
一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序， 该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。实时应用程 序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每 个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一 定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空 间。
1.3 嵌入式操作系统

概述
经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度 改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变 还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有 自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有 很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽 车更轻快、更干净、更容易驾驶。

现实中的嵌入式系统
嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业 中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工 业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和 长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统 也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式 系统。 在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统 。“智 能”家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入 式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得 视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。
操作系统
硬件驱动 硬件
1.3 嵌入式操作系统

基本概念 ——实时操作系统（RTOS）
实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执 行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的 各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括 存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处 理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个 优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各 个任务，保证对实时性的要求。

嵌入式系统示例 ——汽车控制系统

嵌入式系统示例 ——汽车控制系统
前车门控 制系统 后车门控 制系统 尾灯控制 系统 所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统
发动器控 制系统
马达
座椅控制 系统
控制器 车灯

嵌入式系统的未来
产品周期：6～9个月。 全球重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。 网络：有线和无线技术。 产品：更复杂。 互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。 微处理器的处理能力按莫尔定律（Moore’s L aw） 预计的速度在增加。
1.3 嵌入式操作系统

实时操作系统的特点
实时操作系统是事件驱动的，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。强调的是实 时性、可靠性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为 有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工 作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。 从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分 为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。
1.3 嵌入式操作系统

基本概念
——前后台系统
对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无 限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计， 例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处 理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在 停机状态，所有事都靠中断服务来完成。
SRAM 部件 ROM 部件 中断 部件

嵌入式处理器
——嵌入式DSP处理器
DSP处理器编译效率较高，指令执行速度也较高。在 数字滤波、FFT、谱分析等方面。 DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通 用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式 DSP处理器。 嵌入式DSP处理器比较有代表性是Texas Instruments 的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。PHILIPS公司 近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗 技术上制造的DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双 乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。
第1章 目录
1. 嵌入式百度文库统 2. 嵌入式处理器 3. 嵌入式操作系统
1.3 嵌入式操作系统

概述
计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有 操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。 随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软 件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应 用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发 展形成了操作系统(Operating System)。发展到现在， 广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、 分时操作系统以及实时操作系统。

现实中的嵌入式系统

嵌入式系统的概念
目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一 种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义： ●从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技 术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。 ●从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂 功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算 机系统。
1.3 嵌入式操作系统

实时操作系统的特点
一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机 和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供 了开发、调试、运用一致的环境。 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时 控制系统，而且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。 嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几 十K 内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级 上)的特点 。

基本概念
——前后台系统
后台
前台 中断服务程 序处理异步事件， 这部分可以看成 前台行为，前台 也叫中断级。时 间相关性很强的 关键操作一定是 靠中断服务程序 来保证的。
循环中调用 相应的函数完成 相应的操作，这 部分可以看成后 台行为，后台也 可以叫做任务级。 这种系统在处理 的及时性上比实 际可以做到的要 差。

嵌入式处理器
——嵌入式片上系统(SOC)
System On Chip(SOC)：一个硅片上实现一个复杂的系统。 各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许 多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准 的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以 将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成 的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几 块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体 积和功耗、提高可靠性非常有利。

基本概念
——任务切换
当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正 在运行任务的当前状态，即CPU寄存器中的全部内容。 这些内容保存在任务的当前状态保存区，也就是 任务自已的栈区之中。入栈工作完成以后，就把下一 个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入 CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就 称为任务切换。
1.3 嵌入式操作系统

基本概念
——代码的临界区
代码的临界区指处理时不可分割的代码，运行这 些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行，则 不允许任何中断打入。 为确保临界区代码的执行，在进入临界区之前要 关中断，而临界区代码执行完成以后要立即开中断。
1.3 嵌入式操作系统

——资源 基本概念
程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。 资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示 器。资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。
第1章 目录
1. 嵌入式系统 2. 嵌入式处理器 3. 嵌入式操作系统

嵌入式处理器
——概述
早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中 的通用处理器。近年来，随着大量先进的微处理器制造技 术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造， 而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处理器可以大致 分为以下几类： 注重嵌入式处理器的尺寸、能耗和价格。应用于PDA 等不注重计算的设备； 注重嵌入式处理器的性能。应用于路由器等计算密集 型的设备； 注重嵌入式处理器的性能、尺寸、能耗和价格。应用 于蜂窝电话等设备；
ROM CPU 外设1
RAM
外设2
单板计算机

嵌入式处理器
——嵌入式微控制器
嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统 集成到一块芯片中。 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式 系统工业的主流。 复位 看门狗 晶振 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表 部件 部件 部件 性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296 、C166/167 、 定时器 I/O CPU核 部件 部件 MC68HC05/11/12/16、68300、ARM芯片等。
中断服务程序 ISR
时
间
ISR ISR
ISR
1.3 嵌入式操作系统

基本概念 ——操作系统
操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负 责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与 协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户 获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统 功能提供软件平台。
用户程序
1.2 嵌入式处理器

分类
嵌入式处理器可以分为以下几大类： 嵌入式微处理器； 嵌入式微控制器； 嵌入式DSP处理器； 嵌入式片上系统（SOC）。

嵌入式处理器
——嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。将微 处理器装配在专门设计的电路板上，保留和嵌入式应用有 关的母板功能。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠 性高的优点，电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各 种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也 较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在 一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。
2、相关网站：
1）、www.zlgmcu.com 2）、www.embedinfo.com 3）、www.eetop.cn 4）、 www.arm.com
C H A P T E R
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嵌入式系统概述
第1章 目录
1. 嵌入式系统 2. 嵌入式处理器 3. 嵌入式操作系统
1.1 嵌入式系统
1.3 嵌入式操作系统

基本概念 ——内核
多任务系统中，内核负责管理各个任务，为每个 任务分配CPU时间，负责任务之间的通信。内核提供的 基本服务是任务切换。 实时内核简化应用系统的设计，因为实时内核允 许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。 内核需要消耗一定的系统资源，比如2％～5％的CPU运 行时间、RAM和ROM等。 内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息 队列、延时等。
1.3 嵌入式操作系统

概述
多道批处理操作系统 监 控 程 序 操 作 系 统 分时操作系统 实时操作系统 适用于计算中心等较大 的计算机系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中
时 间 先 后
1.3 嵌入式操作系统

实时操作系统的特点
IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具 备以下的几点: 异步的事件响应 切换时间和中断延迟时间确定 优先级中断和调度 抢占式调度 内存锁定 连续文件 同步
嵌入式技术与应用
智能电器与智能系统省重点实验室
1、参考书
1）、《嵌入式实时操作系统--μC/OS-Ⅱ》，Jean J. Labrosse 著，邵贝
贝 等译，北京航空航天大学，2003年 2）、《ARM体系结构与编程》，杜春雷编著，清华大学出版社，2003年 3）、《ARM嵌入式处理器结构与应用》, 马忠梅等, 北京航空航天大学出 版社，2002年 4）、《ARM微控制器基础与实战》，周立功 等编著，北京航空航天大学 出版社，2003年 5）、《嵌入式系统设计与实例开发》，王田苗 主编，清华大学出版社， 2002年