《嵌入式系统基础》PPT课件.ppt

Windows CE嵌入式系统,长春师范学院,嵌入式系统的定义嵌入式到对象体系(设备或产品应用)中的专用计算机应用系统嵌入性：完成应用系统或产品功能的智能内核 专用性：实现特定的用途 计算机系统：简化的、软硬件一体化 应用性：面向用户、面向产品、面向应用传统PC机是面向个人的，是一个通用平台嵌入式计算机系统是面向设备的，是一个专用平台,嵌入式系统技术发展的历史20世纪70年代：单片机引入20世纪80年代：嵌入式RISC CPU与DSP20世纪90年代：嵌入式实时操作系统占主导地位21世纪初期：网络化、智能化的嵌入式系统广泛的应用于：网络、通讯多媒体消费电子工控、医疗电子、仪器仪表等领域,嵌入式系统技术特点：智能内核：嵌入式处理器RISC结构/DSP软硬一体化：无冗余；软件固化(Firmware)；硬件要求高专用性：主要完成单一功能/用途实时性：时间相关任务高可靠性：适用于应用环境的多样性移动性：低功耗、高性价比技术融合性：计算机、微电子、通讯、控制、多媒体、传感器、网络等技术,嵌入式系统结构框架,嵌入式处理器：MCU、MPU、DSP、SoC硬件：I/O interface、Memory.嵌入式应用软件：基于C、Java Assembler嵌入式实时操作系统：Windows CE、Linux、VxWorks或用户自定义的专用系统,嵌入式系统的组成,嵌入式处理器：MPU、DSP存储器系统：FlashRAMMEM cardmini HD输入：Keypad,video/audio in,A/D输出：显示(LED/LCD/OLED)，video/audio out,A/D通讯接口：Ehternet(802.3),WIFI(802.11)总线接口：RS232/RS485,USB,1394(Firewire)电源管理：待机、休眠、功耗管理等,嵌入式系统的硬件系统组成,嵌入式产品的开发步骤,规格制定（Specification）电路设计印刷电路板(PCB)制作印刷电路板(PCB)焊接电路调试Bootloader移植底层驱动程序移植(BSP硬件相关部分)测试与QA（Quality Assurance）操作系统移植高级驱动移植应用程序开发(UI、Protocol),嵌入式产品开发流程图,Windows CE的功能简介,Company Logo,Windows CE 的主要特点Windows CE 的主要功能Windows CE 的主要应用,Windows CE 的主要特点,精简的模块化操作系统 高度模块化，可裁减性，体积非常小，可定制多硬件平台支持 x86，ARM，MIPS，SuperH等嵌入式领域主流的CPU结构支持有线和无线的网络连接,Company Logo,Windows CE 的主要特点,稳健的实时性支持 支持嵌套中断。(2)允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。(3)更好的线程响应能力。(4)对高级别IST（中断服务线程）的响应时间上限的要求更加严格，(5)更多的优先级别。(6)更强的控制能力提示：关于实时性 实时系统需要软件和硬件的协作支持,Company Logo,Windows CE 的主要特点,丰富的多媒体和多语言支持 可以提供高性能的视频、音频、流式多媒体和3D图形处理服务强大的开发工具 应用程序开发人员：eMbedded Visual C+和Visual Studio.NET操作系统定制设计人员Platform Builder,Company Logo,Windows CE 的主要功能,从操作系统内核的角度看，Windows CE具有灵活的电源管理功能，包括睡眠/唤醒模式。在Windows CE中，还使用对象存储（Object Store）技术，包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆（Heap）等。,Company Logo,Windows CE 的主要功能,Company Logo,Windows CE拥有良好的通信能力。它广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域网连接以及拨号连接，并提供与PC、内部网以及Internet的连接，包括用于应用级数据传输的设备至设备间的连接。在提供各种基本的通信基础结构的同时，Windows CE还提供与Windows9x/NT的最佳集成和通信。,Windows CE 的主要功能,Company Logo,Windows CE的图形用户界面相当出色。它拥有基于Microsoft Internet Explorer的Internet浏览器，此外，还支持TrueType字体。开发人员可以利用丰富灵活的控件库在Windows CE环境下为嵌入式应用建立各种专门的图形用户界面。Windows CE甚至还能支持诸如手写体和声音识别、动态影像、3D图形等特殊应用。,Windows CE 的主要功能,Company Logo,Windows CE是一个多任务的操作系统，可以同时执行多个任务，并在他们之间来回切换，这其实就是Windows的简化版本，可以通过我们熟悉的Windows操作方式来控制Windows CE，它也带有“我的文档”，也有很多软件如MediaPlay、WordPad等。Windows CE内置了多媒体功能，通过Windows Media Play可以播放章音乐，甚至是视频。Windows CE具有可扩充的Compact Flash/MMC/SD插槽，通过扩充卡可以实现多种功能，例如网页浏览、无线接入或者增加更大的存储空间。,Windows CE的实时性,Company Logo,实时操作系统（real-time operation system,简称RTOS）是完全的实时系统（包括硬件、操作系统和应用程序）的一部分，它必须满足特定的系统需求。RTOS必须提供足够的功能来满足系统需求。尽管Windows CE操作系统以前的版本提供一些RTOS特性，但是自Windows CE3.0 以来，内核的许多重大改变极大地增加了Windows CE实时性能。,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，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元,当前嵌入式产品应用规模,嵌入式产品应用示例,嵌入式Windows CE的应用领域,信息家电领域移动计算领域手机、PDA、掌上电脑。（以语音功能和数据处理为中心）工业控制领域,Company Logo,Platform Builder和Embedded Visual C+简介,Company Logo,Platform Builder介绍Embedded Visual C+介绍,Platform Builder介绍,Company Logo,Platform Builder是微软提供给Windows CE开发人员进行基于Windows CE平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境。它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试Windows CE操作系统平台的工具。它运行在桌面Windows下，开发人员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时，开发人员还可以利用Platform Builder来进行驱动程序开发和应用程序项目的开发等等。Platform Builder的强大功能，已使其成为Windows CE平台下嵌入式操作系统开发和定制的必备工具。,Platform Builder的主要特性,Company Logo,平台开发向导（Platform Wizard）和BSP（主板支持软件包）开发向导（BSP Wizard）。开发向导用来引导开发人员去创建一个简单的系统平台或BSP，然后再根据要求作进一步的修改。提高了平台和BSP创建的效率。基础配置。为各种流行的设备类别预置的可操作系统基础平台，为自定义操作系统的创建提供了一个起点。开发人员可以很容易地定制并编译出一个具备最基本功能的操作系统。然后再在其上做后续的修改。特性目录（Catalog）。操作系统可选特性均在特性目录（Catalog）中列出，开发人员可以选择相应的特性来定制操作系统。,Platform Builder的主要特性,Company Logo,自动化的依靠性检查。特性（Feature）之间的依赖关系是系统自动维护的。开发人员在选择一个特性时，系统会自动将这一特性所依赖的特性加上；反之，当删除一个特性时，系统会自动检测是否已经选择了依赖于它之上的其它特性，如果有，系统会给出提示，通知开发人员这一特性现在不能删除。系统为驱动程序开发提供了基本的测试工具集：Windows CE Test Kit（测试工具包）.内核调试器：可以对自定义的操作系统映像进行调试，并且向用户提供有关映像性能的信息。,Platform Builder的主要特性,Company Logo,导出向导（Export Wizard）：可以向其他Platform Builder用户导出自定义的目录（Catalog）特性。导出SDK向导（Export SDK Wizard）：使用户可以导出一个自定义的软件开发工具包（SDK）。即可以将客户定制的SDK导出到特定的开发环境中（如EVC）去。这样开发人员就可以使用特定的SDK写出符合特定的操作系统平台要求的应用程序。远程工具：可以执行同基于Windows CE的目标设备有关的各种调试任务和信息收集任务。,Platform Builder的主要特性,Company Logo,仿真器（Emulator）：通过硬件仿真加速和简化了系统的开发，使用户可以在开发工作站上对平台和应用程序进行测试，大大简化了系统开发流程，缩短了开发时间。应用程序调试器：可以在自定义的操作系统映像上对应用程序进行调试。提供了对NET FrameWork Compact Edition即.NET平台精简框架）的支持。,Platform Builder概况（1）,Company Logo,Windows CE一般应用于特定的嵌入式系统中，在许多情况下，不但需要向目标平台添加基本的操作系统特性，以使它能够完成基本的控制任务，另外，还要向目标平台中加入外部设备的驱动程序和一些附加的设置。但是，对于一些通用性较强的嵌入式系统，如PDA、机顶盒、智能电话等，微软都为其特别定制了专用的操作系统，如SmartPhone、PocketPC 等。开发者可以利用这些特定的操作系统，并在此基础上进行调整，从而更快地定制出适合需要的目标操作系统平台。深刻理解Windows CE的重要组件及系统提供的可选特性，并灵活运用Platform Builder的配置文件.REG、.BIB、.DAT、.DB是定制适合目标平台的Windows CE操作系统的关键。,Platform Builder概况（2）,Company Logo,其中比较重要的两个部分是工作区窗口和特性目录窗口。其中特性目录窗口是操作系统可选特性的一个集合，包括BSP、Core OS、设备驱动程序，还包括开发人员自已通过CEC文件（Catalog Feature File 是可编辑的一个文件，通过编辑该文件，开发人员可以加入自已定制的特性到特性目录中，详细内容见第四章）导入的自定义特性，以及通过设备提供商提供的CEC文件加入到系统中的特性。工作区窗口是开发人员已经选定的特性的列表，这些特性都将用到一个新定制的操作系统中。另外，如果存在与正在定制的操作系统系统相关的应用软件，在工作区窗口还会出现类似于Visual C+工程的Class view、Resource View和File View等可选标签。最后，在窗口底部状态栏中，Size代表正在定制的操作系统已经选定的特性占用空间的大小，也就是定制的操作系统的大小，Size右侧的图标代表Platform Builder当前处于的状态，当编译操作系统时，图标会变成。对于菜单栏和工具栏中具体功能的使用，这里就不一一介绍了，它们都和Windows中其它软件一样，遵循相似的风格设计的。通过几个操作系统的定制过程，就会熟悉Platform Builder的操作。,Embedded Visual C+介绍,Company Logo,编写在Windows CE下运行的应用程序，需要使用专门用于Windows CE的开发工具。工具的选择由你使用的编程语言而定，可以选择的编程工具有Embedded Visual C+和Embedded Visual Basic。但是最佳选择莫过于Embedded Visual C+，因为嵌入式系统资源有限，C+编译器效率高、性能好，编译出的应用程序结构紧凑；而Embedded Visual Basic应用程序代码过于冗长且效率低下。现在应用最广泛的开发工具就是Embedded Visual C+（EVC），最新版本是4.0。EVC开发和Windows下的VC开发在界面、语法和开发流程上基本上都是一样的，对熟悉VC的人很快就会使用EVC进行开发。,Windows CE系统编程特性（1）,从内存管理上。运行Windows CE的设备一般被设计用来运行在很少的内存上，通常也没有大容量存储设备。Windows CE支持了一些特有的管理有限内存的函数、结构、消息等，编程上要利用这些资源，但在利用这Windows CE提供的这些编程资源时，有时不得不自已定义一些消息、进行程序结构上的调整等等。,EVC编程依旧是Windows编程,Company Logo,虽然EVC与VC编程有许多不同，但是，它依旧是Windows编程，Windows下VC开发人员所积累的对类、COM/ATL的使用，程序的调试方法、开发流程等编程经验都可以用于EVC的编程。这也是Windows CE嵌入式操作系统占据优势并迅速成功的重要条件。所以如果你熟悉Windows 环境下的编程，再掌握Windows CE编程的特点，很快你就会进入Windows CE编程的世界。,基于Windows CE的产品的开发流程,Company Logo,硬件设计选定BSP获得驱动程序裁减内核生成SDK编写应用软件,硬件设计,Company Logo,任何一个计算机类产品就算有再好的软件，如果没有相关的硬件支持也是一个无法使用的产品。软件是为硬件服务的，嵌入式产品也不例外。首先，我们要为自己的产品选定相应的硬件平台，对于硬件的选择主要是根据产品所要实现的功能决定的，例如：假设你的产品需要触摸屏、支持优盘、支持声音、支持网络、支持GPS等。那么你就需要选定相关的硬件把它们集成到你的产品，也就是我们常说的目标机(Target machine)里面。目标机的基础平台可以自己研发也可以从硬件厂商直接购买，有了它，我们就可以开始下面的工作了。,获得驱动程序,Company Logo,Platform Builder虽然自带了一些标准的BSP，里面也有一些通用的驱动程序，例如Windows CE对串口的驱动、USB口的驱动、以及通用的总线驱动等。但是对于一些专用的设备，PlatformBuilder并没有给出驱动程序，也就是说通过Platform Builder自带的驱动无法满足这些硬件的要求。这个时候就需要单独的驱动程序。有些公司对于自己的产品定制了自己的BSP开发包，这个时候你只需要导入他们提供的BSP开发包到Platform Builder中，然后添加相关的驱动程序和组件就可以了。还有一种方式就是厂家只提供这个硬件的驱动程序和注册表部分的文件，这时候就需要开发人员自己订制出.cec文件。在早期的PB版本中没有cec文件，这就需要更改.bin和.reg文件来实现驱动程序的添加。Platform Builder4.0以后把这个添加动作做成了.cec文件，这样做的目的是方面管理。不过从原理上都是一样的。如果厂家没有提供硬件的驱动程序，这个时候就需要自己开发相关的驱动程序了。根据不同的硬件可以开发不同的驱动模型。这些我们将在以后的章节里面做详细的介绍。这里暂时不做详细的说明。,裁减内核,Company Logo,这个阶段就是对于内核的裁减，上面提到过微软的Platform Builder自带了很多的BSP，通过这些可以定制自己的Windows CE操作系统，除了拥有一些常用的驱动程序外更主要的是它包含了Windows CE的内核程序，也就是说通过Platform Builder你可以对Windows CE的系统结构进行裁减。对于一些不必要的系统组件可以不添加到你订制的内核里面，而对于一些必要的需要添加到目标操作系统里面的组件，你可以在这个阶段添加到内核里面去。,生成SDK,Company Logo,定制好自己的内核以后如果需要的话可以通过PB生成自己的SDK。这样做的目的是为了方便编写应用程序。生成的SDK很容易安装到其他的编辑器上面，例如你可以把自己生成的SDK安装到EVC下面，这样当你需要新建一个工程的时候，你自己定制的SDK就会出现在选择画面中。,编写应用软件,Company Logo,完成了上面的工作，就象搭好了一个舞台，接下来的工作就是在这个舞台上进行应用软件的编写，并完成最终的产品开发。,Company Logo,Company Logo,基于Windows CE产品的开发流程,Company Logo,基于Windows CE的产品的开发流程嵌入式操作系统的特点就是可移植、可裁减、可定制。大多数嵌入式产品都是针对特殊的目标板进行的开发。这些产品大多数都需要完成特定的功能，这就说明嵌入式操作系统是与应用环境密切相关的。但是为了提高系统的可移植性，嵌入式操作系统通常采用硬件抽象层(HAL，Hardware abstraction layer)和BSP(Board Support Package)的底层结构设计。HAL提供了与设备无关的特性，屏蔽了不同平台硬件的差异，向操作系统的上层提供了一套统一的接口。HAL隐藏了各种与硬件有关的细节，保证了整个系统的可移植性。而一般由硬件厂家提供的，按照给定的规范完成的BSP，保证了嵌入式操作系统可以在新推出的微处理器硬件平台上运行。微软公司的Windows CE操作系统就是采用HAL和BSP底层结构设计思想的例子。,本次课程需具备的条件,有一定的嵌入式系统概念，尤其是Windows CE 系统知识有一定的硬件基础有一定的软件编程经验,驱动开发工具,Windows CE 驱动可以使用Platform Builder或者Visual Studio开发平台开发人员一般使用Platform Builder开发设备驱动程序，驱动程序作为BSP（Board Support Package）的一部分进行整体编译开发独立硬件供应商（IHVs）更多的使用Platform Builder开发驱动程序，对于部分驱动也会使用Visual Studio开发应用程序开发人员更多的使用Visual Studio开发驱动，某些情况下会使用Platform Builder,驱动程序分类,按加载方式和接口类型分类 本机驱动程序（Built-In Drivers）通常由GWES加载，驱动接口一般都是定制的（Custom Purpose）流驱动程序（Stream Drivers）通常由Device Manager加载，驱动接口是标准的流式接口 混和型驱动程序 同时有定制式和流驱动两套驱动接口，但是和系统交互只使用流式驱动接口，比如PC卡槽驱动,流驱动程序的特点,流驱动程序必须实现一套标准接口流驱动程序尤其适用于IO操作，这也是嵌入式系统中最常见的设备驱动操作接口和文件系统操作相似，通过CreateFile,ReadFile,WriteFile,IOControl函数等来操作应用程序和流驱动交互时，可以把设备当作文件操作,流驱动程序的实现,选择代表设备的文件名前缀实现驱动的各个标准接口函数建立.DEF文件在注册表中为驱动程序建立表项,选择代表设备的文件名前缀,文件前缀名在系统中必须唯一文件前缀名必须是三个字母，若有多个同类设备，由后缀一个阿拉伯数字区分，例如COM1，LPT3等等。文件前缀名将会在驱动的标准接口函数中体现，比如XXX_Init,XXX_Close等,流驱动程序中的标准接口函数,XXX_Init通知设备管理器为设备初始化分配资源XXX_Deinit通知设备管理器回收设备初始化时分配的资源XXX_Open打开设备。应用程序调用CreateFile时，通过文件系统映射为XXX_OpenXXX_Close关闭设备。应用程序调用CloseFile时，通过文件系统映射为XXX_Close,流驱动程序中的标准接口函数,XXX_PowerUp设备上电时，操作系统调用该函数完成必要的上电操作 XXX_PowerDown设备掉电时，操作系统调用该函数完成必要的关机操作 XXX_Read从打开的设备文件中读取数据，可以通ReadFile映射XXX_Write向打开的设备文件写数据，可以通过WriteFile映射,流驱动程序中的标准接口函数,XXX_Seek文件定位，根据设备情况决定是否支持XXX_IOControlIO操作扩展，可以根据设备情况来决定支持何种特殊的操作模式。,流驱动函数接口原型分析,DWORD XXX_Init(DWORD dwContext)参数dwContext指向一个描述设备接口的字符串函数返回设备上下文句柄 BOOL XXX_Deinit(DWORD hDeviceContext)参数hDeviceContext指向设备上下文句柄函数返回是否卸载成功,流驱动函数接口原型分析,DWORD XXX_Open(DWORD hDeviceContext,DWORD AccessCode，DWORD ShareMode）hDeviceContext是设备上下文句柄AccessCode是打开设备的权限描述符ShareMode是设备的文件共享模式函数返回设备打开后的上下文句柄DWORD XXX_Close(DWORD hOpenContext)hOpenContext是要关闭的设备上下文句柄非0返回代表函数关闭失败,流驱动函数接口原型分析,DWORD XXX_Read(DWORD hOpenContext,LPVOID pBuffer,DWORD count)hOpenContext是打开设备的上下文句柄pBuffer指向应用程序用于存放读取数据的缓冲区Count指定从设备中读取多少字节的数据函数返回实际读取的数据数量DWORD XXX_Write(DWORD hOpenContext,LPVOID lpBuffer,DOWRD count)XXX_Write的参数与XXX_Read的参数相似，方向相反函数返回实际写入的数据数量,流驱动函数接口原型分析,DWORD XXX_Seek(DWORD hOpenContext,long Amount,WORD type)hOpenContext是打开设备的上下文句柄Amount指定指针要移动多少字节，正值向文件尾移动，负值向文件头移动type描述了设备文件起始点位置函数返回设备文件的当前指针,流驱动函数接口原型分析,void XXX_PowerUp(DWORD hDeviceContext）hDeviceContext是设备的上下文句柄void XXX_PowerDown(DWORD hDeviceContext）hDeviceContext是设备的上下文句柄,