嵌入式计算机系统.pptx

嵌入式计算机系统,姓名：学号：指导老师：,嵌入式计算机系统,6.4、嵌入式软件结构和组成，什么是嵌入式软件，嵌入式系统的体系结构，嵌入式软件的分类，嵌入式软件的开发，嵌入式软件移植，嵌入式操作系统，嵌入式linux开发，cLinux6.5、嵌入式网络，嵌入式网络现状，分布式嵌入式网络，分布式嵌入式硬件平台设计，嵌入式系统中支持TCP协议，嵌入式网络的发展,6.4、嵌入式软件结构和组成,、什么是嵌入式软件 Pc机拥有强大而丰富的计算机系统，它是pc机的大脑，数码相机也需要脑，我们为它设计一套小小的可以嵌在里面的脑系统，这个嵌在里面的脑系统就是一个嵌入式计算机系统。第一个被大家认可的现代嵌入式系统是麻省理工学院仪器研究室的查尔斯斯塔克德雷珀开发的阿波罗导航计算机。在两次月球飞行中他们在太空驾驶舱和月球登录舱都是用了这种惯性导航系统。在计划刚开始的时候，阿波罗导航计算机被认为是阿波罗计划风险最大的部分。为了减小尺寸和重量而使用的当时最新的单片集成电路加大了阿波罗计划的风险。嵌入式系统经常没有操作系统、专用的嵌入式操作系统（经常是实时操作系统）或者指定程序员移植到这些新系统。嵌入式软件是指应用在嵌入式计算机系统当中的各种软件。嵌入式系统的发展非常快，而嵌入式软件的发展更快。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、什么是嵌入式软件从应用角度分，嵌入式软件分为三类：1、嵌入式操作系统：嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件。现在国际上有名的嵌入式操作系统有Windows CE、Palm OS、Linux、VxWorks、pSOS、QNX、OS-9、LynxOS等，已进入我国市场的国外产品有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等。我国嵌入式操作系统的起步较晚，国内此类产品主要是基于自主版权的Linux操作系统，其中以中软Linux、红旗Linux、东方Linux为代表。2，嵌入式支撑软件：支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括数据库和开发工具，其中以数据库最为重要。嵌入在移动设备上的数据库系统由于涉及数据库技术、分布式计算技术，以及移动通讯技术等多个学科领域，目前已经成为一个十分活跃的研究和应用领域。国际上主要的嵌入式移动数据库系统有Sybase、Oracle等。我国嵌入式移动数据库系统以东软集团研究开发出了嵌入式数据库系统OpenBASE Mini为代表。3，嵌入式应用软件：嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件。嵌入式系统中的应用软件是最活跃的力量,每种应用软件均有特定的应用背景,尽管规模较少,但专业性较强，所以嵌入式应用软件不象操作系统和支撑软件那样受制于国外产品垄断，是我国嵌入式软件的优势领域。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件体系结构无操作系统的情形在嵌入式系统的发展初期，由于硬件的配置比较低，对于是否有系统软件的支持，要求还不是很强烈。在那个阶段，嵌入式软件的设计主要是以应用为核心，应用软件直接建立在硬件上，没有专门的操作系统。有操作系统的情形比较复杂些，参考下页：,6.4、嵌入式软件结构和组成,硬件,板级初始化,设备驱动层,以太网驱动,串口驱动,LCD驱动,键盘驱动,操作系统层,中间件层,应用软件层,TCP/IP网络系统,文件系统,内核,嵌入式GUI,嵌入式CORBA,嵌入式JAVA,嵌入式DCOM,面向领域的中间件,WWW浏览器,MP3播放器,电子邮件,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的分类 按照软件结构划分，嵌入式软件的分类如图所示。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的分类 对单线程程序而言，没有主控程序，结构如图2所示，一种是循环轮询系统，一种是有限状态机。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的分类 在中断驱动系统中，有一循环轮询的主程序控制中断响应程序的执行，程序结构如图3所示。对于多个中断请求同时发生，要考虑中断请求优先级，以及响应出现错误等情况发生时，主程序就须处理更复杂的任务管理，这时主程序已成为一个简单的嵌入式操作系统。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的分类 考虑更多的任务、多个中断处理过程的多任务系统的情况，比如要考虑存储的分配与管理、I/O的控制与管理、多个任务或中断请求同时发生等，中断驱动系统就无法应付了，这时嵌入式操作系统的支持是必不可少的。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的分类 嵌入式系统的需求已越来越复杂，PC机上的应用几乎都有移到嵌入式系统的需要，如通过手机、PDA等移动设备进行的网络游戏、网上购物、网上银行交易等，这使嵌入式软件变得更加复杂，不仅需要嵌入式操作系统、嵌入式数据库，还需要网络通讯协议、应用支撑平台等，在此基础上的应用软件的架构也变得复杂起来。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的开发 基于PC 的软件设计只需考虑选择使用何种操作系统，而嵌入式软件设计不仅要慎重选择嵌入式操作系统，应用软件的设计与操作系统密切结合，甚至要根据需要对操作系统进行适当裁剪。早期的嵌入式系统开发者认为嵌入式系统不需要操作系统，随着软硬件技术的发展，人们对嵌入式系统的功能要求越来越复杂（比如，手机可以照相、摄影、播放MP3，还可以上网读新闻、玩游戏、购物等），而性能（比如，可靠性、安全性、响应速度、功耗等）要求也越来越高。现在除了最简单的系统外，越来越多的嵌入式系统都引入了操作系统，比如中断驱动系统在引入嵌入式操作系统之后，系统的可靠性、安全性、可扩展性、功能性、灵活性、可管理性都大大提高。嵌入式软件开发已经成为一项很复杂的系统工程，嵌入式软件的开发必须遵循系统工程和软件工程的要求。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的开发一个嵌入式系统的开发过程：1)嵌入式系统的需求获取与需求分析；2)设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平台以及软硬件的分割和总体系统集成；3)硬件的结构设计、软件的系统设计；4)软硬件详细设计：5)软件代码开发，软件测试与调试；6)软硬件的联调和集成；7)系统的测试。,6.4、嵌入式软件结构和组成,，嵌入式软件的移植 软件移植：由于不同嵌入式系统的硬件体系结构不同，要想实现在某系统上开发的软件在另一类嵌入式系统上运行，就需要软件移植。交叉编译工具：不同硬件平台之间移植软件一般要用到编译工具。交叉编译：就是在一种平台上运行的编译器能够编译产生在另一种平台上运行的二进制程序。,6.4、嵌入式软件结构和组成,移植设计的要求是，移植后的软件必须保持原有软件功能的完整性并具有直观化、自动化、良好的人机交互性。具体的功能设计要求如下所述：,1）良好的图形用户界面和方便直观的数据输入模式良好的图形用户界面成为有限元程序发展的主流，尤其是多任务图形化的用户界面。除需要输入正文参数外，用户仅用鼠标便可方便地操作菜单、对话框、按钮，实现各种功能的执行。,2）纠错和容错功能有限元模型的输入参数错综复杂。用户在运用前、后处理器观察可视化信息时需要输入各种参数。因此，前、后处理器对用户输入参数的合法性需给出提示或警告;对一些重要的参数，程序给出参数的有效范围，避免用户输入不合理的参数。,3）透明的数据检查和修改功能用户在建立有限元模型后，前处理器要把用户每次针对有限元模型所做的修改在计算机屏幕上直观的显示出来，使用户能对模型操作中出现的错误做出及时的修正。,4）适应不同水平用户的使用习惯前、后处理器需要提供至少两种形式的数据输入模式以适应不同水平的用户，为初级用户提供图形化用户界面，为高级用户提供命令输入方式。,5）良好的人机交互和帮助对于用户的每一步操作(正确或错误)，处理器程序都需给出下一步的操作提示或错误提示。移植后的程序提供全面的帮助文档，以便用户迅速掌握使用。,6.4、嵌入式软件结构和组成,软件方法学 以软件方法为研究对象的学科 软件复用重要性：提高软件的移植开发效率和保证移植开发后软件运行的正确性中关键的一项措施是软件复用。软件移植重要性：为了软件的编译和运行，必须将有关函数库移植过来，但这些函数库可能还依赖别的函数库。因此，要么放弃这部分代码要么只能把所有直接或间接依赖的函数库一一移植过来。,软件复用的基本内容包括:思想、概念、算法、构件、过程等,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)又称实时操作系统RTOS（Real Time Operation System）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(包括硬、软件系统)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、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browser 等,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统20世纪60年代出现于国防系统中20世纪7080年代逐渐进入工业控制领域目前已广泛应用于工业、交通、能源、通信、医疗卫生、国防、日常生活,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统为什么使用嵌入式操作系统：使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率。充分发挥32位CPU多任务的潜力，实现多任务设计，能够充分利用硬件资源和实现资源共享。实时性和健壮性能够得到更好的保证。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统嵌入式操作系统的发展史：,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统,操作系统分类微内核（micro-kernel）单晶内核（monolithic kernel）混合内核（hybrid kernel）操作系统组成进程管理内存管理驱动程序文件系统,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统嵌入式操作系统常常有实时要求早期:嵌入式操作系统=实时操作系统近期:1)手持计算机和掌上计算机的出现;2)CPU速度的提高;3)常规操作系统增加实时进程调度的支持,如POSIX.4 嵌入式操作系统 实时操作系统,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统硬实时 vs软实时“软”意味着如果没有满足指定的时间约束并不会导致灾难性的后果，而对于硬实时系统来说却是灾难性的 从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常（隐含的和错误的）与系统的时间精度有关：由于这个原因，典型的，软实时任务的调度精度必须大于千分之一秒，而硬实时任务为微秒级。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统按收费模式划分商用型Vxworks,Nucleux，PlamOS,Symbian,WinCE,QNX,pSOS,VRTX,Lynx OS,Hopen,Delta OS免费型Linux,CLinux,C/OS-,eCos,uITRON按实时性划分硬实时Vxworks，Nucleux软实时WinCE,RTLinux无实时Embedded Linux,Hopen：这是一个完全国产化的嵌入式操作系统。有人可能想到了Android，android是一种基于linux的自由及开放源代码的操作系统。Ios是苹果公司与2007年1月公布的嵌入式操作系统。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统嵌入式linux Linux是开放源码和免费使用的，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和CLinux Linux的内核小、功能强大、API丰富，系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。近几年Linux在嵌入式领域异军突起，过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式操作系统嵌入式linux Linux是开放源码和免费使用的，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发的强大技术后盾。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百K字节或几兆字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。主要有RTLinux和CLinux Linux的内核小、功能强大、API丰富，系统健壮、效率高，易于定制剪裁，在价格上极具竞争力。Linux不仅支持x86 CPU，还可以支持其他数十种CPU芯片。近几年Linux在嵌入式领域异军突起，过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月内开始使用Linux作为嵌入式操作系统的开发原型。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 交叉开发环境（主机目标机的工作方式）,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 嵌入式linux开发环境Linux下开发Windows下开发CygwinVmware（虚拟机）+Linux其他集成开发环境,为什么不能直接在windows下进行嵌入式linux开发呢？答：宿主机使用linux系统，可以方便地配置交叉编译环境！,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 嵌入式Linux系统软件由以下部分组成：嵌入式Linux启动装载器：Boot Loader Boot Loader驱动程序 嵌入式Linux操作系统内核 Linux设备驱动程序 最小支持文件系统 应用程序,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 嵌入式linux开发大致设计三个层次：引导装载程序、Linux内核和图形用户界面。引导加载程序：包括固化在固件（Firmware）中的Boot代码（可选）和Bootloader两部分。操作系统内核：通常还包含内核的启动参数。用户应用程序：针对特定用户的专用应用程序。在用户应用程序和内核层次之间可能还会包含一个嵌入式图形用户界面。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 启动装载器完成Linux操作系统内核的启动加载。系统上电后执行，初始化硬件。提供基本的交互操作界面，如内存查看与修改，设备查询等功能。提供下载（读取）Linux内核的功能。提供从装载器到Linux内核传送参数的功能。装载Linux操作系统到内存中，并将控制转移到Linux内核起始执行处。完成Linux内核的启动。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 启动装载器驱动程序驱动基本设备，提供获取内核能力。启动装载器驱动程序只在装载器环境中使用，与Linux驱动不同。一般采用相对较为简单的方式，如一般可以不必采用中断方式，而是采用查询方式。驱动串行接口，进行控制台(console)操作。驱动网口，提供从网络下载内核的能力。驱动FLASH,提供从FLASH读取内核能力。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 嵌入式Linux内核（Kernel）是整个嵌入式操作系统的核心，它直接管理硬件，并通过系统调用为上层应用提供服务。为了适应嵌入式环境，需要对内核进行裁减与配置。提供支持特定硬件平台的内核启动代码去除多余功能，减小体积增加实时功能添加特殊的系统调用,6.4、嵌入式软件结构和组成,、嵌入式linux开发 应用程序应用程序完成整个嵌入式系统的对外功能需求与功能接口。应用程序一般运行在Linux的用户空间，作为一个用户进程在运行。应用程序通过系统调用进入内核，访问内核提供的服务。存取硬件。可以有多个应用程序同时运行。应用程序崩溃一般不会导致系统崩溃。Linux支持Posix线程:pthread。,6.4、嵌入式软件结构和组成,、cLinux uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。,6.4、嵌入式软件结构和组成,Clinux在S3C4510B上的移植1）基于ARM的S3C4510B处理器和Clinux2）建立Clinux开发环境3）Bootloader的设计实现4）Clinux内核的编译和移植,S3C4510B是Samsung公司使用ARM7处理器内核开发的一块嵌入式微处理器。,Clinux是针对控制领域的嵌入式Linux操作系统，他从Linux 2.0/2.4内核派 生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。,6.4、嵌入式软件结构和组成,Clinux在S3C4510B上的移植1）基于ARM的S3C4510B处理器和Clinux2）建立Clinux开发环境3）Bootloader的设计实现4）Clinux内核的编译和移植,嵌入式系统的开发与一般的应用开发最大的差别在于，前者需要建立特殊的硬件环境。,嵌入式系统开发环境一般分成主机端(HOST)和目标板(TARGET)两个部分。,硬件环境建立之后，就需要创建软件开发环境从处下载工具链：（1）armelfbinutils2.115.i385.rpm（2）（3）genromfs0.5.11.i386.rpm 将这3个文件放在宿主机上的任意一个目录下，然后输入下面的命令来安装：#rpm ivh*.rpm,系统移植的硬件环境,6.4、嵌入式软件结构和组成,Clinux在S3C4510B上的移植1）基于ARM的S3C4510B处理器和Clinux2）建立Clinux开发环境3）Bootloader的设计实现4）Clinux内核的编译和移植,Bootloader被用于系统从硬件启动到操作系统启动的过渡，是嵌入式系统中必不可少的一段程序。,Bootloader需要固化在目标板中，每次启动目标板时，首先会运行Bootloader，在他完成CPU和相关硬件的初始化之后，才从事先规定的地址启动操作系统或嵌入式应用的固化程序。,在嵌入式系统开发过程中，Bootloader还担任了与主机端通信的任务，他相当于一个“服务器”，不断监听从主机端传来的控制信息和数据信息，完成相应的操作。,6.4、嵌入式软件结构和组成,Clinux在S3C4510B上的移植1）基于ARM的S3C4510B处理器和Clinux2）建立Clinux开发环境3）Bootloader的设计实现4）Clinux内核的编译和移植,Clinux内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件系统和网络系统，决定着系统的各种性能。可从处下载Clinux内核源代码,编译内核顺序：（1）make menuconfig（2）make dep（3）make clean（4）make lib_only（5）make user_only（6）make romfs（7）make image（8）make,CLinux的内核有2种可选的运行方式：可以在Flash上直接运行，也可以加载到RAM中运行。,6.5、嵌入式网络,、嵌入式网络现状 传统的以PC为中心的互联网应用现状已经开始转向以嵌入式设备为中心。嵌入式网络是嵌入式系统和internet的结合。与internet的介入必须有对应的接入协议。如通用的TCP/IP协议。嵌入式网络技术具有广阔的市场前景，其应用领域可以报考工业测控、信息家电、电子商务、环境监测等等。利用嵌入式网络技术对传统设备进行改造，更新换代或生产具有新概念的信息产品，将产生巨大的经济效益，并推动社会的信心花进程。嵌入式网络的实现还将使人们之间的交流、设备之间的通信变得更加便宜、更加自动化、更加智能化，使人们的生活更加惬意。,6.5、嵌入式网络,、嵌入式网络现状 嵌入式网络具有广阔的应用前景,嵌入式网络应用,虚拟现实机器人,植物工厂,信息家电,智能公路,环境工程与自然,工业制冷,VR库房,VR精品店,VR家政系统,工业自动化,POS网络及电子商务,6.5、嵌入式网络,、分布式嵌入式系统 由于嵌入式系统越来越复杂，需要多个嵌入式系统共同运行，所以产生了分布式嵌入式系统。一个简单的分布式嵌入式系统：,6.5、嵌入式网络,、分布式嵌入式系统 硬件设计 分布式嵌入式系统的硬件平台应该与选定的调度、分配测量密切相关，在设计硬件平台时，希望使用尽可能少的硬件，在建立人物调度表时，需要把进程分配到处理元素上，这需要有哪些可用的用那些硬件。在设计硬件平台时必须做出以下设计选择1、所需要的处理元素的数码2、所有处理元素的类型3、所需要的网络数目4、网络的类型以及数据速率,6.5、嵌入式网络,快速设计嵌入式系统的策略（1）对I/0密集型系统，从I/O设备及关联的处理器入手（2）对计算密集型系统，从进程入手,设计时，还应考虑如下问题：（1）编制所需设备的详细清单。（2）根据预算，确定哪个任务需要具有很短的进程期限，并判断网络传输是否能满足需求。（3）确定哪些任务处理元素或网络接口。（4）分析通信时间，确定关键性通信是否可能相互影响；确定为了达到通信的时限要求，是否需要使用复杂网络或多个网络。（5）为I/O设备分配所需的最小数量的处理元素。（6）用计算密集型系统的设计步骤设计系统的其他部分。,下面步骤来考虑进程、进程期限以及通信：（1）从具有最短进程期限的任务开始，任务的进程期限越短，越有可能单独需要一个或多个处理元素。（2）分析通信时间，确定关键性通信是否可能相互影响。（3）尽可能把低优先级任务分配到共享的处理元素上。,6.5、嵌入式网络,、支持TCP协议TCP报文格式：,6.5、嵌入式网络,、支持TCP协议TCP三次握手提供可靠服务第一次握手：主机A发送位码为syn1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器，主机B由SYN=1知道，A要求建立联机；第二次握手：主机B收到请求后要确认联机信息，向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包第三次握手：主机A收到后检查ack number是否正确，即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1，若正确，主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1，主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。完成三次握手，主机A与主机B开始传送数据。,6.5、嵌入式网络,、支持TCP协议嵌入式系统在以太网中使用TCP发送数据（1）通过3次握手建立连接。（2）根据接收到的窗口值确定远程主机可接收的数据大小。（3）在TCP报头的相应位置放置源端口号、目的端口号、序号、确认号、报头长度、源主机窗口值以及校验和等。计算校验和需要知道源和目的端的IP地址。（4）在报文段的数据部分放置待发送的数据。（5）在IP数据报的数据部分放置TCP报文段。IP数据报需要知道源和目的端的IP地址，并计算报头的校验和。（6）将IP数据报发送至以太网控制器的驱动程序，准备发送，并启动超时定时器。（7）等待接收表示远程主机收到数据的确认号。如果在超时之后确认号没有到达，则重发该报文段。,6.5、嵌入式网络,、支持TCP协议嵌入式系统在以太网中使用TCP接收数据（1）通过3次握手建立连接。（2）接收来自以太网控制器驱动程序的IP数据报。（3）从该IP数据报中剥离IP报头。计算校验和，并与接收到的数值比较。（4）如果校验和相同，则从TCP数据报中剥离TCP报头。计算校验和，并与接收到的数值比较。（5）检查接收到的确认号，确认目的主机是否已接收前次发送的数据，如果已接收，就从重发队列中删除前次发送的数据。（6）将接收到的序号与期望值比较。如果两者相同，则设置确认号，并置于TCP报文段中返回给发送方。（7）使用目的端口号决定数据传送到何处。,嵌入式计算机系统,谢谢,