嵌入式系统课件ARM微控制器基础与实战.ppt

1,嵌入式系统及应用,主要参考书ARM&Linux嵌入式系统教程,2,第1章 嵌入式系统基础,1.1嵌入式系统概述1.2嵌入式处理器1.3嵌入式操作系统1.4实时操作系统的内核1.5嵌入式技术发展现状及趋势,3,1.1 嵌入式系统概述,嵌入式系统的定义电气工程师协会(IEE)的定义:嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,4,嵌入式系统无处不在内部含有中央处理器CPU的设备都含有嵌入式系统。消费类电子产品：从家庭的洗衣机、电冰箱、个人数字助理(PDA)、MP3、数码相机、数码摄像机、电子表、烹调用的微波炉、天天必用的移动电话等等。办公室设备：办公室里的电话机、打印机、传真机、远程会议系统等。工业控制中的嵌入式系统。汽车里的控制系统：供油喷射控制系统、防锁死刹车系统(ABS)。,5,嵌入式系统应用实例,6,嵌入式系统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510个嵌入式微处理器：键盘、硬盘、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线器等，均是由嵌入式处理器进行控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等方面，嵌入式系统都有用武之地。美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福特出售的计算能力已超过了IBM。”由此可以想像嵌入式计算机工业的规模和广度。资料显示，年世界的产量达83亿片，用于通用计算机的只有3亿片，其余80亿片均用于嵌入式系统,7,112 嵌入式系统组成,8,1嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其工作在为特定用户群设计的系统中。嵌入式处理器通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。现今市面上有1 000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有ARM、MIPS、PowerPC、MC68000等。,9,2外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类：存储器：SRAM、DRAM、Flash。其中，Flash以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。接口：应用最为广泛的包括并口、串口、红外接口、SPI串行外围设备接口、I2C(Inter IC)总线接口、USB通用串行总线接口、Ethernet网口等。人机交互：LCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。,10,3嵌入式操作系统嵌入式操作系统可以使嵌入式开发更方便、快捷。其软件模块的集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等。嵌入式操作系统的引人大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统常常有实时要求。,11,4应用软件（1）基本了解嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌人式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统。由于对成本十分敏感，为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。,12,（2）嵌入式软件的特点：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中。软件代码要求高质量、高可靠性。因此，程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。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低效和无法完成的。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。系统软件的高实时性是基本要求。随着嵌入式应用的深入和普及，涉及到的实际应用环境越来越复杂，嵌入式软件也越来越复杂。支持多任务的实时操作系统成为嵌入式软件必需的系统软件,13,典型嵌入式系统基本组成硬件,14,典型嵌入式系统基本组成软件,15,113 嵌入式系统的特点,嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点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。嵌入式系统通常面向特定应用，集成度高、低功耗、小体积、低成本等，便于嵌入式系统设计的小型化、专业化，使移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本。在具体应用中，对处理器的选择决定了其市场竞争力。,16,嵌入式系统常常还有减小功耗的要求。这一方面是为了省电，另一方面是要减少发热量。可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义。嵌入式系统提供的功能以及面对的应用和过程都是预知的、相对固定的专用系统，一般而言，嵌入式系统对CPU计算能力的要求并不像通用计算机那么高。许多嵌入式系统都有实时要求，需要有对外部事件迅速作出反应的能力。特别是在操作系统中有所反映，从而使嵌入式软件的开发与常规软件的开发出现显著的区别。典型的嵌人式实时操作系统与常规的操作系统也有着显著的区别，并因而成为操作系统的一个重要分支和一个独特的研究方向。嵌入式系统本身不具备自举开发能力。必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统 开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。,17,现在人们谈及嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门、具有操作系统的嵌入式系统。归纳嵌入式系统的几个特点如下：软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体；需要操作系统支持，代码小，执行速度快；专用紧凑，用途固定，成本敏感；可靠性要求高；多样性，应用广泛，种类繁多。,18,114 嵌入式系统的应用,嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。,19,军用：各种武器控制：坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备；雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。,20,21,高性能武器平台的基础,22,23,家用：我国各种信息家电产品(如数字电视机、机顶盒、数码相机、VCDDVD音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等)广泛采用微处理器、微控制器及嵌入式软件，EMIT(嵌入式Internet技术)已用于社区对家用电、水、煤气表远程抄表以及洗衣机遥控。,24,25,工业用：各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等。广泛采用微处理器和控制器芯片级、标准总线的模板级、嵌入式计算机系统级的嵌入式系统。,26,27,商用：各类收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备等。,28,办公用：复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、手机、寻呼机、个人数字助理(PDA)、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音频广播系统等。,29,医用电子设备：各种医疗电子仪器，如X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起搏器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。,30,医用机器人技术平台,31,社会发展方面：嵌入式Internet应用,32,嵌入式系统应用最热门的有以下几种：个人数字助理PDA。它具有网络、多媒体等强大的功能，一般都预装操作系统。例如Microsoft 公司的PocketPC操作系统。现在，PDA手机已成为新的热点。机顶盒STB。所谓的机顶盒STB(SetTopBox)，表面上理解只是放在电视机上的盒子，能提供通过电视机直接上网的功能。但它更吸引入的地方在于简单易用，是专为那些不很了解电脑的人设计的。现今用户端机顶盒的趋势是朝微型电脑发展，即逐渐集成电视和电脑的功能，成为一个多功能服务的工作平台。IP电话。IP电话(IP Phone)把电话网和Internet结合成一个功能强大的通信网络，在IP网络上实时传输被压缩的语音信息。IP电话以数字形式作为传输媒体，占用资源小，所以成本很低，价格便宜。,33,社会对嵌入式系统的需求正在慢慢扩大，特别是最近几年随着国际互联网的发展，从PC时代步入到后PC时代，对信息家电的需求越来越明显。嵌入式系统在信息家电的应用，是对嵌入式系统概念和应用范围的一个变革，从而打破了过去PC时代被单一微处理器厂家和单一操作系统厂家垄断的旧局面，出现了一个由多芯片、多处理器占领市场的新局面。,34,115 实时系统的概念,实时系统(Real Time System)是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统。实时系统是在逻辑和时序控制中，如果出现超时偏差，将会引起严重后果的系统。实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正确性，还取决于输出结果的响应时间。实时系统要求从输入到输出的滞后时间必须小到一个可以接受的时限内。实时系统是一个能够在指定的时间内完成系统功能以及对外部或内部事件在同步或异步时间内做出响应的系统。,35,实时系统应具备的几个重要特性：,实时性。在实时系统中，每个任务都有一个截止期限，任务必须在这个截止期限之前完成，以保证系统所产生的结果在时间上的正确性。并行性。要求系统具有并行处理的能力，以便能同时响应来自不同端口的输入信号。多路性。实时系统的多路性表现在对多个不同的现场信息进行采集，以及对多个对象和多个执行机构实行控制。,36,独立性。每个用户向实时系统提出服务请求，相互间是独立的。在实时控制系统中对信息的采集和对象控制也是相互独立的。可预测性。实时系统的实际行为必须处在一定的限度内，而这个限度可以由系统的定义而获得。这意味着系统对来自外部输入的反应必须是全部可预测的，即使在最坏的条件下，系统也要严格遵守时间的约束。因此，在出现过载时，系统必须能以一种可预测的方式来降级它的性能。可靠性。可靠性一方面指系统的正确性，即系统所产生的结果在返回值和运行费时上都是正确的；另一方面指系统的健壮性，也就是说，虽然系统出现了错误，或外部环境与预先假定的外部环境不符合，但系统仍然可以处于可预测状态，仍可以安全地带错运行和平缓地降级。,37,衡量系统实时性的3个指标：,响应时间(Response Time)：指计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。生存时间(Survival Time)：指数据的有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。吞吐量(Throughput)：指在一段给定时间内，系统可以处理事件的总数。吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。,38,实时系统根据响应时间可分为3种类型：,强实时系统：在强实时系统中，各任务不仅要保证执行过程和结果的正确，同时还要保证在系统能够允许的时间内完成任务，否则将造成灾难性的后果。这对于实时控制领域的软硬件系统来说是至关重要的。它的响应时间在毫秒或微秒数量级上。弱实时系统：弱实时系统中，各个任务运行得越快越好，但并没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成。弱实时系统更多地关注软件运行的结果正确与否，而时间问题不会造成灾难性的后果。一般它的响应时间可以是数十秒或更长，可能随着系统的负载轻重而有所变化。一般实时系统：一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷。它的响应时间可以在秒的数量级上，可广泛应用于许多消费电子设备中。如PDA、手机等都属于一般实时系统。,39,根据确定性实时系统可以分为以下两类：,硬实时。硬实时指系统对系统响应时间有严格的要求。如果系统响应时间不能满足，就会引起系统崩溃或出现致命的错误。软实时。软实时指系统对系统响应时间有要求。但是如果系统响应时间不能满足，它并不会导致系统出现致命的错误或崩溃。,40,1.2嵌入式处理器,121 嵌入式处理器的分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行的体系结构包括MCU、MPU等30多个系列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。嵌入式处理器可分为：低端的微控制器(Micro Controller Unit，MCU)；中高端的嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)；通信领域的DSP处理器(Digital Signal Processor)；高度集成的片上系统(System on Chip，SoC)。,41,122 嵌入式微处理器,嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的。在实际嵌入式应用中，嵌入式微处理器只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、IO的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。目前主要的嵌入式处理器类型有ARM、MIPS、Aml8688、386EX、PowerPC、68000系列等。,42,嵌入式微处理器一般具有以下特点：,嵌入式微处理器在设计中需要考虑低功耗，以满足靠电池工作的便携式和无线应用中的低功耗要求。采用可扩展的处理器结构，以方便对应用的扩展。具有功能很强的存储区保护功能。提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发很多都是在交叉调试中进行，丰富的调试接口会更便于对嵌入式系统的开发。对实时多任务具有很强的支持能力。处理器内部具有精确的振荡电路、丰富的定时器资源，从而有较强的实时处理能力。,43,123 微控制器,微控制器(Micro Controller Unit，MCU)俗称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成Flash、RAM、总线逻辑、定时器计数器、WatchDog、IO、串行口、脉宽调制输出、AD、DA等各种必要功能模块和外围部件。8051系列单片机是单片机教学的首选机型。,44,为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品。每种衍生产品的处理器内核都是相同的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使不同的单片机适合不同的应用。与微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，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中的主流产品。微控制器的片内资源一般比较丰富，适合于控制。,45,采用微控制器可以在相当程度上缩短产品的设计、开发、调试的时间，从而节约用于这些方面的开支。系统中芯片数量的减少，使整个系统的故障率就会降低。而且系统的体积也可以缩小。由于一些接口电路和功能模块与CPU集成在同一块芯片上，这些电路之间的连线长度就降到很小。对于一些高速系统，这是个很重要的优点。微控制器在品种数量上远远超过微处理器,46,124 DSP处理器,DSP(Digital Signal Processor)是数字信号处理器的缩写。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行DSP算法，编译效率和指令执行速度都较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正在大量引入嵌入式领域。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DSP处理器。DSP处理器有两个发展来源：DSP处理系统经过单片化、电磁兼容(EMC)改造以及增加片上外设，成为DSP处理器，如TI公司的TMS320C2000C5000等属于此范畴；在通用单片机或SoC中增加DSP协处理器，例如Intel公司的MCS296和Infineon(Siemens)的TriCore。DSP处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSPglXX系列和Motorola公司的DSP56000系列。,47,1.2.5 片上系统,基本概念结合许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上，这就是片上系统SoC(System on Chip)。片上系统是基于EDA（电子设计自动化）技术和VLSI（超大规模集成电路）技术，以及半导体工艺技术的迅速发展。将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，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。嵌入式系统实现的最高形式是SoC，而SoC的核心技术是IP核(Intellectual Property Core，知识产权核)构件。,48,SoC设计要点SoC设计公司的标准库：各种通用处理器内核与许多其他嵌入式系统外设一样，构成VLSI设计中的标准器件库。标准器件库中的库元件用VHDL等语言描述。用户在EDA设计平台下，只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以用FPGA制作样品。一种全新的硬件设计模式：EDA软件加硬件调试平台。,49,在EDA技术中把不同功能的电路模块称为IP，这些IP都是经过实际制作并证明是正确的。在EDA设计工具中把这些IP组织在一个IP元件库中，供用户使用。IP核分为硬核、软核和固核，IP核是嵌入式技术的重要支持技术。嵌入式片上系统设计的关键是IP核资源的利用。在设计嵌入式系统时，可以通过使用IP核技术完成系统硬件的设计。用户需要知道IP模块的功能和技术性能。通过把不同的IP模块嵌在一个硅片上，就形成完整的应用系统。IP技术极大地简化了SoC的设计过程，缩短了设计时间，因此，已经成为目前电子系统设计重要的基本技术。,50,SoC的优点：通过改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外的引脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成的系统杂讯,51,126 典型的嵌入式处理器,1ARM处理器2MIPS处理器 3PowerPC处理器 4MC68KC01dfire处理器5x86处理器,52,ARM处理器有3大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；1632位双指令集；全球众多的合作伙伴。,53,1.3 嵌入式操作系统,131 操作系统的概念和分类操作系统OS(OperationSystem)是一组计算机程序的集合；OS用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，并为用户提供方便的应用接口。为应用软件提供运行环境，为程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。,54,从资源管理的角度，操作系统主要包含如下功能：处理器管理对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多任务环境下，合理分配由任务共享的处理器，使CPU能满足各程序运行的需要，提高处理器的利用率，并能在恰当的时候收回分配给某任务的处理器。处理器的分配和运行都是以进程为基本单位进行的，因此，对处理器的管理可以归结为对进程的管理。,55,存储器管理。存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境；存储器管理包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充。例如：为每道程序分配必要的内存空间，使它们各得其所，且不致因互相重叠而丢失信息；不因某个程序出现异常而破坏其他程序的运行；方便用户使用存储器，并能从逻辑上扩充内存等。,56,设备管理。完成用户提出的设备请求，为用户分配IO设备；提高CPU和IO的利用率；提高IO速度，方便用户使用IO设备。设备管理包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。,57,文件管理。文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等。,58,用户接口。用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键。用户可以用命令形式（例如DOS命令）、系统调用(例如DOS功能调用)形式与系统打交道。图形用户接口(GUl)，用非常容易识别的图标将系统的各种功能、各种应用程序和文件直观地表示出来，用户可以通过鼠标来取得操作系统的服务。,59,按程序运行调度的方法，可以将计算机操作系统分为以下几种类型：,顺序执行系统。分时操作系统。实时操作系统。,60,顺序执行系统。,系统内只含一个运行程序。它独占CPU时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。DOS操作系统就属于这种系统。,61,分时操作系统。系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上来看，实际上系统把CPU的时间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。Unix操作系统即属于这种系统。,62,实时操作系统。系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系统按事件触发使程序运行。当多个事件发生时，系统按优先级高低来确定哪道程序在此时此刻占有CPU，以保证优先级高的事件、实时信息及时被采集。实时操作系统是操作系统的一个分支，也是最复杂的一个分支。,63,从应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：,面向低端信息家电的嵌入式操作系统；面向高端信息家电(如数字电视等)的嵌入式操作系统；面向个人通信终端的嵌入式操作系统；面向通信设备的嵌入式操作系统；面向汽车电子的嵌入式操作系统；面向工业控制的嵌入式操作系统。,64,从实时性的角度，嵌入式操作系统可分为：,具有强实时特点的嵌入式操作系统；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；没有实时特点的嵌入式操作系统。,为了较好地了解操作系统的功能，一下介绍几个关于操作系统的基本概念：,65,1任务、进程和线程,任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当作一个基本工作单元来调度。进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动态过程，即执行任务体的动态过程。线程：比进程更小的、能独立运行和调度的基本单位。,66,2多用户及多任务,多用户的含义：允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享同一个操作系统及各种系统资源。多任务的含义：每个用户的应用程序可以设计成不同的任务，这些任务可以并发执行。多用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效地利用系统资源。,67,3任务的驱动方式,68,内部事件驱动：,内部事件驱动是指某一程序运行的结果导致另一任务的启动。运行结果可能是数据满足一定条件；或数据超出某一极限值；也可能是释放了某一资源，例如得到了某一设备而使任务得到运行环境。内部事件驱动的任务一般属于同步（时间相关）任务范畴。,69,外部事件驱动：,最典型的实时任务是由外部事件驱动的。外部事件常指工业现场状态发生变化或出现异常，外部事件发生时，CPU将中断正在执行的任务而优先响应外部请求，立即执行对应于该请求的中断服务任务。在实时系统中，外部事件的发生是不可预测的，由外部事件驱动的任务是最重要的任务，其优先级最高。键入命令也是一种外部事件，但与现场状态变化相比，它的实时性要求要低得多，通常把这类任务安排在后台作业中。,70,由时间驱动的任务有两种：,绝对时间驱动：绝对时间驱动是指监控系统在某指定时刻执行的指定任务。在网络系统中有些数据交换、控制命令是以绝对时间为基准执行的。监控系统需要与卫星、电视台对时，就是为了与外部绝对时间同步。相对时间驱动：相对时间驱动是指周期性执行的任务，总是相对上一次执行时间计时，等待时间是编程设定的，相对时间可用计算机内部时钟或软时钟计时。,71,4中断与中断优先级,相关概念:中断:中断是计算机中硬件系统与软件系统共同提供的功能。中断源:系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则称系统有几个中断源。中断优先级：操作系统对每个中断级指定了优先级，在多个中断源同时发出申请时，CPU按优先级的高低顺序处理。中断处理程序:与每个中断源对应的处理程序叫着中断处理程序。,72,中断的执行：CPU接到请求后，先仲裁该中断源的优先级是否比当前正在执行的任务优先级更高。若更高，则中断当前正在执行的程序而转向执行对应于该外部信号的中断处理程序。中断处理程序不宜太长，因而有些系统中，每个中断处理程序还可对应一个任务入口，使中断发生时执行任务中的代码，以便得到更多处理。这一任务提交给操作系统作为任务调度。与中断级对应、由外部事件驱动的任务称为中断任务。中断源及中断优先级是实时系统赖以工作的基础。,73,实时操作系统中的任务调度实时操作系统中，每个任务对应一个任务号。有些系统任务号与优先级数是一致的，有些却不一致，而是具有一种固定的对应关系。实时系统内任务按优先级排列，操作系统按优先级调度任务。有的实时系统还允许多个任务有相等的优先级，对同优先级任务再采取分时方式调度。应用任务的任务号和优先级，由应用系统设计人员根据现场需求的轻重缓急，在程序设计时指定，由应用系统初始化程序执行分配。,74,5同步与异步,实时系统中常用同步或异步来说明事件发生的时序关系或任务执行的顺序关系。同步：由于事件1停止而引起事件2发生，或者必须有事件2发生，事件3才可能发生如此类推，这一系列时间相关事件称为同步事件。由同步事件驱动的任务称为同步任务。使任务同步的目的是使相关任务在执行顺序上协调，不至于发生时间相关的差错，以保证任务互斥地访问系统的内存、外设等共享资源。异步：异步事件是指随机发生的事件。异步事件发生的原因很复杂，往往与工业现场有关，难以预测其发生的时间。由异步事件驱动的任务称为异步任务。中断任务都是异步任务，异步任务的优先级高于同步任务。,75,6资源与临界资源,资源：程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。主要包括CPU的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数据、通用外部设备等。系统资源由操作系统统一分配管理。用户定义的任务可向系统申请资源。没有指派给具体任务的资源属于系统所有，是共享资源，也可作为动态再分配的资源。,76,临界资源：系统中2个以上任务可能同时访问的共享资源称为临界资源。例如，系统中的公共数据区、打印机等都是临界资源。在实时多任务系统中，当异步任务被激活时，容易出现资源的临界状态。占用临界资源的任务应尽快使用并尽快释放资源，绝不能在没有释放资源前将自己挂起或执行某种等待操作，使得其他任务不能获得该资源。实时多任务操作系统中应避免出现资源临界现象，即保证任何时刻临界资源内只有一个任务在访问（互斥的方式）。若这一问题处理不好，执行任务交不出资源的控制权，将会引起系统死锁。因此，对临界资源的管理是实时操作系统重要任务之一。,77,7容错与安全性,容错：容错是指这样一种性能或措施，当系统内某些软、硬件出现故障时，系统仍能正常运转，完成预定的任务或某些重要的不允许间断的任务。容错能力包括系统自诊断、自恢复、自动切换等多方面能力，由软、硬件共同采取措施才能实现。容错是实时系统提高可靠性的手段。安全性：安全性控制是操作系统对自身文件和用户文件的存取合法性的控制。在实时操作系统中安全性极为重要，尤其是在一些重要的工业控制和军用系统中，必须保证系统工作得高度可靠和安全，防止对应用系统的有意或无意的破坏。通常采用一些软件控制方法来保证系统的安全性，如标记检查、多级口令设置、加密等等。,78,1.4 实时操作系统的内核,实时操作系统(RTOS)是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。其重要的特点是能满足对时间的限制和要求。从性能上讲，实时操作系统与普通操作系统存在的区别主要体现在“实时”二字上。在实时计算中，系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。实时操作系统是实时系统在启动之后运行的一段背景程序。应用程序是运行在这个基础之上的多个任务。实时操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度和异常处理等工作。在实时操作系统支持的系统中，每个任务都具有不同的优先级别，它将根据各个任务的优先级来动态地切换各个任务，以保证对实时性的要求。在任何时刻，实时操作系统总是保证优先级最高的任务占用CPU。这主要由实时操作系统内部的事件驱动方式及任务调度来决定。,79,RTOS与通用计算机OS的区别：实时性。响应速度快，只有几微秒；执行时间确定，可预测。代码尺寸小。10100KB，节省内存空间，降低成本。应用程序开发较难。需要专用开发工具：仿真器、编译器和调试器等。,80,3对实时操作系统的要求 IEEE的Unix委员会规定了实时操作系统必须具备的特点：支持异步事件的响应。要求具有中断和随机事件的处理能力。中断和调度任务的优先级机制。为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任务的优先级机制。支持抢占式调度。实时操作系统必须提供一旦高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢占低优先级任务的CPU使用权的机制。确定的任务切换时间和中断延迟时间是衡量实时操作系统的实时性的重要标准。支持同步。提供同步和协调共享数据的使用。,81,1.3.3 常见的嵌入式操作系统1VxWorkSVxWorks操作系统是美国WindRiver公司的实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境。它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。在美国的F16。FA18战斗机，B2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用了VxWorks。它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。它支持多种处理器，如ARM、x86、MotorolaMC68000、PowerPC、StrongARM等。大多数的VxWorksAPI函数是专有的。,82,2、COS 在控制领域很受推崇的实时操作系统。COS的内核精炼，全部核心代码只有83KB。COS的可移植性很强。从COS的结构图中，可以看到涉及到系统移植的源码文件只有3个，只要编写4个汇编语言的函数、6个C函数，再定义3个宏和1个常量，代码长度不过二三百行，移植起来并不困难。作为一个实时操作系统，COS的进程调度是按抢占式、多任务系统设计的，即它总是执行处于就绪队列中优先级最高的任务。COS最多可以运行64个进程，并且规定所有进程的优先级必须不同。进程的优先级同时也惟一地标识了该进程。即使两个任务的重要性是相同的，它们也必须有优先级上的差异。COS没有包括IO管理、文件系统、网络等额外模块，不适宜开发消费类的电子产品。,83,3Windows CEWindowsCE 是 Microsoft公司为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统，界面友好，类Windows风格。适宜于PDA的开发。,84,4嵌入式Linux 随着Linux的迅速发展，嵌入式Linux现在已经有许多版本：强实时的嵌入式Linux(如新墨西哥工学院的RTLinux和堪萨斯大学的KURTLinux)RTLinux通过把通常的Linux任务优先级设为最低，而所有的实时任务的优先级都高于它，以达到既兼容通常的Linux任务，又保证强实时性能的目的；一般的嵌入式Linux(如Clinux和PocketLinux等)；Clinux，它是针对没有MMU的处理器而设计的。它不能使用处理器的虚拟内存管理技术，对内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作。,