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嵌入式MP3播放器的研究与实现
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嵌入式MP3播放器
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​在​播​放​控​制​方​面​能​够​实​现​最​基​本​的​流​程​控​制​(​播​放​、​暂​停​、​快​进​、​快​退​)​并​能​够​实​现​播​放​列​表​功​能​。
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嵌入式课件01
嵌入式系统―基于32位微处理器与实时操作系统2006年春季 北京航空航天大学计算机学院联系方法主讲教师: 白跃彬 地 电 址: 话: 副教授 牛建伟 副教授体育馆南配楼404房间 如新楼307房间 010－－ niujianwei@buaa.e
<邮件地址: byb@ftp://es:es@ldmc./课程网址: 课件下载，阅读参考资料指定，作业布置和提交2课程目的??本课程介绍了嵌入式系统的前沿技术和发展趋势， 重点讲述了基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台、 嵌入式操作系统（RTlinux）和嵌入式软硬件系统 开发技术。 采用理论学习和实践并重的教学方法，着重培养 学生的实际动手能力，通过熟悉开发环境与开发 流程、编程实践等基础实验，使学生能够掌握嵌 入式系统设计的基本方法。此外还增加了嵌入式 多媒体应用、游戏开发等开放式实验，使得基础 较好的同学能够获得进一步的嵌入式开发实践机 会。3需要的基础知识?先导课程计算机操作系统 微机原理 C＋＋语言?需要了解的基础知识了解操作系统、单片机和微机原理的基本概念， 能够熟练使用C＋＋语言。4学时分配? ? ? ? ? ?课程属性： 专业基础课 总学时数： 48 课内学时： 48 讲课学时数：30 实验学时数：18 学分： 35课程大纲（约30学时）时间：周五晚8:00-11:00 地点：4号楼315课次 第2周 第3周 第4周 第5周 第6周 第8周 第10周 第12周 学时 3 3 3 3 3 3 3 3 形式 讲课 讲课 讲课 讲课 讲课 讲课 讲课 讲课 内容 绪论 嵌入式硬件基础 ARM微处理器体系结构 ARM指令集 基于ARM的嵌入式硬件接口设计 嵌入式硬件设计工具使用－－Cadence 嵌入式操作系统概述 嵌入式Linux第14周第16周 第19周33 2讲课讲课 考试嵌入式软件开发方法概述嵌入式系统设计实例分析6专题实验内容（18学时）地点：2号楼机房（上午9:00－12:00）课次第 7周 第 9周学时 形式3 3 实验 实验内宾实验一：熟悉基本开发环境及软硬件平台 C和ARM汇编程序混合设计（整数排序算法） 实验二：嵌入式Linux程序设计（串口通信程序）第11周第13周33实验实验实验三：嵌入式linux内核实验四：嵌入式Linux图形程序设计第15周第17周33实验实验实验五：触摸屏及LED驱动程序设计（大作业）实验六：触摸屏及LED驱动程序设计（大作业）注：1、实验1-6在实验室统一讲解辅导，要求在课内18个学 时内完成7开放式项目实验（约20学时）地点：开放实验室 内容： 学生可以单独或者合作（最多3人）开发一个简单的嵌入式系统设备，可从下面的命题中选取，也可自己设计题 目。 ?MP3播放器 ?MP4播放器 ?基于Linux的PDA（记事本、通讯录、备忘录等功能） ?基于Linux的可视电话 ?便携式旅游信息终端 ?简单Email编辑、收发器（具有RJ45和Wi-fi接口） ?简单游戏（游戏杆控制）8大家能够期望的收获?掌握一种学习方法--理论学习和实践并重?学习嵌入式软硬件系统的基本概念、基本原理 和设计方法 获得嵌入式开发设计的实践经验获得学分 为未来职场的发展奠定技术基础9???您的期望合理吗？通过本门课程的学习，你将获得以下知识： ? 了解嵌入式软件开发流程（期望值：★） ? 学会使用实时操作系统，了解多任务（期望值：★★） ? 掌握基本嵌入式硬件知识（期望值：★★） ? 提高C语言编程能力（期望值：★★★） ? 独立或合作开发出嵌入式应用软件（期望值：★★★） ? 掌握嵌入式软件编程（期望值：★★★） ? 掌握硬件设计知识（期望值：★★★★） ? 学会操作系统移植（期望值：★★★★） ? 成为嵌入式系统设计高手（期望值：★★★★★）10参考教材1. 符意德 编著. 嵌入式系统设计原理与应 用. 北京：清华大学出版社，20042.孙玉芳 等译. 嵌入式计算系统设计原理 （computers as components, principles of embedded computing system design, wayne wolf）.北京：机械工业出版社，200211考核方式和评分标准?考核方式?平时作业和表现（占20%）+大作业（占 30%）+笔试（50%）分数分配表20% 50% 30%12作业 实验 考试C H A P T E R1绪论13主要内容1 嵌入式系统简介 2 嵌入式处理器 3 4 5 嵌入式操作系统 嵌入式系统的典型应用嵌入式系统的基本设计过程14嵌入式系统简介?计算机系统的三大领域?服务器市场? ? ? ?功能强 利润最大的市场 可用性强 可扩展性 最广阔的市场 潜力最大的市场?桌面市场??嵌入式市场?15嵌入式系统简介?以往计算机分类：?大型计算机、中型机、小型机和微计算机 超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、 亚微计算机?目前计算机分类：?亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的 形式隐藏在各种装置、产品和系统中16嵌入式系统简介17嵌入式系统简介?一般定义??以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪, 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用 环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、 操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度） 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。（系统角度）?术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统） 的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。 任何一个非计算机的计算系统?广义定义?18嵌入式系统简介?IEEE定义?嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作 的机器、设备或装Z”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。? ???通常执行特定功能 嵌入式系统的核心----嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环19嵌入式系统简介?微机学会定义?嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。 可分为系统级、板级、片级? ? ?系统级：各种类型的工控机、PC104模块 板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品 片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品20嵌入式系统简介?广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为 嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较 为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没 有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复 杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成 独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定?场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。21嵌入式系统简介?发展历史嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的 MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入 式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软 件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列， 这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位 并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的 基础上研制成功了8051。22嵌入式系统简介1981年Ready System开发了世界上第1个 商业嵌入式实时内核（VTRX32），包含了许 多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务 间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管 理等功能。 随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、 QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式 Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的 Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统也相继出 现。23嵌入式系统简介?基于8位，16位，32位的嵌入式系统?微处理器飞速发展的结果是嵌入式计算成为一门 学科 。在嵌入式系统的早期阶段，所有基本硬 件构件相对较小也较简单，如：8位的CPU、74 系列的芯片及晶体管等，其软件子系统是采用一 体化的监控程序，不存在操作系统平台。而今天 组成嵌入式系统的基本硬件构件已较复杂，如： 16位、32位CPU或特殊功能的微处理器、特定功 能的集成芯片、FPGA或CPLD等，其软件设计的 复杂性成倍增长。因此研究嵌入式系统的设计原 理及技术，提供系统的设计方法和开发工具是嵌 入式计算学科的关键技术。24嵌入式系统简介?典型的8位微处理系统?MCS-51系列的单片机是低端嵌入式系统中用得最多 的微处理器。25嵌入式系统简介?典型的16位微处理系统?MCS-96系列单片机和16位DSP芯片26嵌入式系统简介?典型的32位微处理系统?ARM系列是应用较广泛的32位微处理器。实际上该系 列的MCU芯片很多，但大都是已ARM微内核为核心的。 32位的DSP应用的也很广泛。27嵌入式系统简介?特点 ? 功耗限制?嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一 个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电 源寿命以及带来散热问题。 包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处 理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测， 但一个好的设计方法有利于降低软件成本。 系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作， 但这些动作有些速度慢，有些速度快。?低成本??多速率??环境相关性?嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。28嵌入式系统简介?特点 ? 系统内核小??由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装Z的，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如ENEA公司的OSE实时OS，内核只有5K，而Windows的内核则 要大得多。 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常 紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的 编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是 完全不同的概念。?专用性强??29嵌入式系统简介?特点 ? 不可垄断性? ?PC有WinTel垄断 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片” 设计和面向应用的软件产品开发。 普通处理器18月 嵌入式处理器8－10年?产品相对稳定性? ?30嵌入式系统简介?实时性?实时性的本质是任务处理所化费时间的可预测性，即 任务需要在规定的时限内完成。?任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性 的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么基于实 时操作系统的软件将可以确定性的做这件工作。 实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果 产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正 确地响应外部物理过程的变化。 有些嵌入式系统没有实时性要求?实时系统??嵌入式系统≠实时系统?31嵌入式系统简介?硬实时软实时??“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。32嵌入式系统简介?实时频谱图33嵌入式系统简介?市场???2001年嵌入式系统国际会议年会Jim Turley的报 告中，统计得到 PC的数量只占CPU 总耗量的 0.1%。 据CCID2003年的数据显示，2000年嵌入式软件 市场规模为70.33亿元，2001年为95.43亿元， 亿元，三年平均增长38.85%。 2002年中国软件市场为345.0亿元，嵌入式软件 约占软件总市场的34.37％。34嵌入式系统简介?市场? ?2004年，软件统计数据为： 套装软件共计478亿元，为具有独立产品形态的软件。???其中包括系统软件89亿元（操作系统44.19亿元、数据库管理系 统20.06亿元、支撑软件25.71亿元）、 中间件软件6.98亿元、 应用软件304.53亿元（包括通用应用软件（安全软件、办公软 件、管理软件、游戏软件、教育软件等）与行业应用软件（金 融、电信、政府等））、? ?嵌入式软件（673.62亿元） 相关软件服务（937.48亿元）：除生产产品化软件之外 的所有的软件研发及相关活动，包括系统集成、软件外 包、咨询、数据加工和处理等。35嵌入式系统简介嵌入式系统组成应用程序 操作系统 (协议栈) 外围设备 存储器 软件子系统 硬件子系统输入接口处理器输出接口36嵌入式系统的软/硬件框架功能层 文件系统 软件层 应用程序 图形用户 接口 实时操作系统(RTOS) 中间层 BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包 D/A 硬件层 A/D I/O 人机交互接口 嵌入式计算机系统37任务管理通用接口 嵌入式 微处理器 ROM SDRAM嵌入式系统简介?硬件子系统38嵌入式系统简介?嵌入式外围设备?在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存 储、通信、I/O、调试等功能的其它部件。存储器类型：静态易失型存储器(RAM/SRAM)，动态存 储器(DRAM)，非易失型存储器(ROM、EPROM、 EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(闪存)以可擦写次数 多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领 域得到广泛的应用。 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其 广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括 RS-232接口(串口)、IrDA(红外)、SPI(串行设备接口)、 I2C、USB、Ethernet和普通并口。 显示类型：CRT、LCD和触摸屏等外围显示设备。?分类???39嵌入式系统简介?最小硬件系统40嵌入式系统简介?嵌入式软件子系统Hardware Independent SoftwareApplicationsI/O System File System RTOS libraries TCP/IP Stack RTOS KernelHardware Abstraction Layer: BSP & Device Driver SCSI Driver Flash Driver MMU Driver Cache Driver Serial Driver Ethernet Driver Device DriversHardware41嵌入式系统与单片机、PC相比的优势?采用32位RISC嵌入式微处理器和实时操作系统组成的 嵌入式控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基 于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：????性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到 624MHz以上，处理能力大大超出单片机系统，接近PC机的水 平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中； 实性性方面：嵌入式机控制器内嵌实时操作系统（RTOS）， 能够完全保证控制系统的强实时性； 人机交互方面：嵌入式控制器可支持大屏幕的液晶显示器， 提供功能强大的图形用户界面；输入方法多种多样； 系统升级方面：嵌入式控制器可为控制系统专门设计，其功 能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了 系统能够快速升级和更新。42主要内容1 嵌入式系统简介 2 嵌入式处理器 3 4 5 嵌入式操作系统 嵌入式系统典型应用嵌入式系统的基本设计过程43嵌入式处理器分类? ? ?微处理器(Microprocessor Unit, MPU)微控制器(Microcontroller Unit, MCU)嵌入式DSP (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 片上系统(System On Chip)?44嵌入式微处理器45嵌入式微处理器?目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400 、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等46嵌入式微控制器? ???又称单片机，这种８位的电子器件目前在嵌入式设 备中仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线 逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽 调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种 必要功能和外设。 代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、 MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12 /16、 68300等。 另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、 LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式 系统约70％的市场份额。47嵌入式微控制器? ?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。微控制器的片上外设资源一 般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。48嵌入式DSP处理器???DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其 在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数 字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规 模的应用。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使 其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行 速度也较高。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专 门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能 通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了 首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了 广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域 也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。49嵌入式DSP处理器????有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和 Motorola的DSP56000系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的 C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。 Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000，DSP56100, DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。 PHILIPS公司今年来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/累加器单元，应用目标是大批量消费类电子产品。50嵌入式片上系统(SoC)? ??SoC就是System on Chip，SoC是一种基于IP（Intellectual Property）核嵌入式系统设计技术。 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上 通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、TCP/IP通 信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝 牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做 成一个个独立的处理芯片。 SOC可以分为通用和专用两类。??通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core， Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。 专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips 的Smart XA51SOC体系结构MemoryASIC CoreCommunicationAnalog FunctionsEmbedded Processor CoreSensor Interface52知识产权53主要内容1 嵌入式系统简介 2 嵌入式处理器 3 4 5 嵌入式操作系统 嵌入式系统典型应用嵌入式系统的基本设计过程54操作系统的发展?计算机系统由硬件和软件构成，在发展初期并没有操作系统 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、软件资源越来越丰富，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 控程序进一步发展形成了操作系统。到目前为止，主流的操 作系统有三种：多道批处理、分时和实时操作系统。55嵌入式操作系统结构?操作系统分类? ? ?微内核（micro-kernel）单晶内核（monolithic kernel） 混合内核（hybrid kernel）56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57嵌入式操作系统?实时操作系统的特点总的来说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。它 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。58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 。59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。60嵌入式操作系统?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。中断服务程序 ISR时 间ISRISRISR61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 操作系统 硬件驱动 硬件62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。63嵌入式操作系统?基本概念――代码的临界区 代码的临界区也称为临界区，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（这不是绝对的， 如果中断不调用任何包含临界区的代码，也不访问任 何临界区使用的共享资源，这个中断可能可以执行）。 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。64嵌入式操作系统?基本概念――资源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。65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 前申请信号量任务A 得到允许后，才 能使用共享资源 共享资源任务B 信号量任务C66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。67嵌入式操作系统?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 的寄予存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就 称为任务切换。这个过程增加了应用程序的额外负荷。 CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。做任务切 换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。68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，或者说 为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。 内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以 大大简化应用系统的设计，是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。69嵌入式操作系统?基本概念――调度调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮 到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度 法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的 优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪 态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优 先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这 要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先 式的内核。70嵌入式操作系统?基本概念――非占先式内核非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU 的所有 权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务 彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来 处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状 态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原 来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的 使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用 权。71嵌入式操作系统?基本概念――占先式内核 当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。 因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。 最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。 当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入 了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或 者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU 的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的 任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起， 优先级高的那个任务开始运行。72嵌入式操作系统?基本概念――任务优先级任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每 个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应 越高，越容易被调度而进入运行态。73嵌入式操作系统?基本概念――中断 中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事 件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部） 上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程 序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序做 事件处理，处理完成后，程序回到： 1. 在前后台系统中，程序回到后台程序； 2. 对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务； 3. 对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高 的任务开始运行。74嵌入式操作系统?基本概念――中断任务 A ISR 任务 任务 B 任务 C 前后台系统ISR任务 A 任务 B 任务 CISR非占先操作系统占先操作系统75嵌入式操作系统?基本概念――时钟节拍时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看 作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不 同应用，一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中 断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以 及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时 钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。76使用嵌入式操作系统的优缺点?优点???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。 嵌入式操作系统增加ROM/RAM等额外开销，5～ 10％的CPU额外负荷。?缺点?77嵌入式操作系统分类?按收费模式划分?商用型?Vxworks, Nucleux ，PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS,VRTX,Lynx OS, Hopen, Delta OS Linux, μCLinux,μC/OS-Ⅱ,eCos,uITRON?免费型??按实时性划分?硬实时?VxworksWinCE,RTLinux Embedded Linux78?软实时??无实时?嵌入式Linux及应用? ??? ?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。79? cLinux80Windows Embedded????Windows CE：一种针对小容量、移动式、智能化、 32位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统（缩 减的Win95）。 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提 供了一种功能丰富的操作系统平台，属于软实时操 作系统， 由于其Windows背景，界面比较统一认可。可以使 用大多数Windows开发工具（如VB，VC等），大多 数Windows应用程序经过移植后就可以运行在WinCE 平台上。 操作系统的基本内核需要至少200K的ROM。81VxWorksVxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设 计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），具有 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，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据 着一席之地。 ? VxWorks所具有的显著特点是： － 可靠性、实时性和可裁减性。 － 它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、 Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。 ? 以其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，如火星探测器（日登陆 火星表面）。?82Symbian OS??? ?Symbian由诺基亚、西门子、索尼爱立信等几家大 型移动通讯设备商共同出资组建的一个合资公司， 专门研发手机操作系统。Symbian操作系统的前身 是EPOC。 针对PDA及智能手机的，能够提供良好的软实时的 操作系统，目前占有60％的智能手机市场 与之竞争的有Windows Mobile、PalmOS以及Linux 主要版本? ?Series 60/90/80/40 UIQ83Palm OS? ???Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的Palm Computing掌上电脑公司的产品。 Palm OS是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，充分考虑 到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以Palm操作系统本 身所占的内存很小，基于Palm操作系统编写的应用程序所 占的空间也很小，通常只有几十KB，因此基于Palm操作系 统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程 序。 Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额， Palm OS的市 场份额占到将近90%，最近下降70％，目前主要与WIN CE进 行激烈竞争。 代表性的产品有Palm m505、Palm m500、Palm III等。84QNX?加拿大QNX公司的产品。QNX是在X86体系上面开发出来的，这和别的RTOS不一样， 别的好多RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟，然后再移植 到X86体系上面来的。 QNX是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循 POSIX相关标准，由于QNX具有强大的图形界面功能，因此 很适合作为机顶盒、手持设备（手掌电脑、手机）、GPS 设备的实时操作系统使用。??85?C/OS及?C/OS-II? ??C/OS―Micro Controller O S ?C/OS简介? ?? ???美国人Jean Labrosse 1992年完成，已应用于数百种产 品中。 应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设 备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 1998年?C/OS-II，目前的版本?C/OS -II V2.72 2000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用 于飞行器中 是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先 式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSI C 写的，移植性好。高校教学可免费使用。 网站www.（)86OSE???OSE主要是由瑞典的ENEA Data AB下属的ENEA OSE Systems AB 负责开发和技术服务的，一直以来都 充当着实时操作系统以及分布式和容错性应用的先 锋，并保持良好的发展态势。 OSE的客户深入到电信、数据、工控、航空邓领域， 尤其在电信方面，该公司已经有了十余年的开发经 验，同诸如爱立信、诺基亚、西门子等公司确立了 良好的关系。 目前手机市场占有率为15％左右，期望在未来3G手 机市场占有率达到50％。87Nucleus PLUSNucleus 主要应用:网络设备，例如，路由器，机顶盒等88主要内容1 嵌入式系统简介 2 嵌入式处理器 3 4 5 嵌入式操作系统 嵌入式系统的典型应用嵌入式系统的基本设计过程89嵌入式系统的应用领域军事国防 工业控制工控设备 智能仪表 军事电子 信息家电 智能玩具消费电子嵌入式应用通信设备 移动存贮汽车电子网络设备 电子商务网络90嵌入式系统的应用?家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、 手持通讯、存储设备的核心。92嵌入式视频服务器93现代化家庭94嵌入式Internet应用95嵌入式系统在信息家电中的应用?信息家电(Information Appliance）?一般可认为，那些低单价、操作简单、可 通过因特网发送或获取信息，将逐步分割 或替代PC的某些功能，并能与其它信息产 品交换资料或讯息的产品可统称为信息家 电。96信息家电的分类及特点?信息家电的分类??? ??网络电视（NetTV） 网上游戏机（Internet gaming device） 智能掌上型设备(Internet smart handheld device) 网络电话（Internet screen Phone） Consumer NC client等。 处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。 整合数字与模拟处理的技术。 较PC更强调通讯能力。 利用软件增加产品的差异性(高附加价值的关键)97?信息家电技术特点? ? ? ?典型的信息家电产品定义信息家电 网络电视 网络可视电话 网络游戏机 具有机顶盒或内建网络 连接的电视 具有集成网络接入的屏 幕电话 具有集成网络接入的游 戏操纵台 Microsoft WebTV InfoGear iPhone Sega Dreamcast代表性产品网络智能手持器件 蜂窝电话、个人数据助 3Com Palm AT&T PocketNet 理（PDA）和其它集成网 Phone Nokia I, 络接入的便携式器件 NC委托（clients） 提供网络接入以及能下 载应用软件的器件 IBM NetStationPC-中间器件通过PC接入网络以下载 内容的器件DIAMON Multimedia Rio Player Nuvomedia Rocket e-Book Audible Mobile Player98Source: IDC, Hambrecht & Quist99信息家电――数字机顶盒100嵌入式应用――汽车电子汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）――CAN 总线网络VOLVO S80汽车的CAN 总线网络101智能玩具与机器人102嵌入式技术应用――工业控制?工业方面：机床、冶金、电子、交通、 航空航天等行业技术升级的重要基础103军事侦察阿富汗参加反恐作战的“ 赫耳墨斯”价值4万美元， 可携带2架摄像机，发挥了 很好作用。104反恐防暴2002年11月 28日，以色列 一选举投票点， 发生枪击事件， 造成至少7人 死亡，数十人 受伤。以警方 用机器人在检 查一具巴勒斯 坦枪手的尸体。105空中飞行器微型飞行器---“黑寡妇”106基于Win CE的移动机器人平台107基于RTLinux的仿人机器人高 48 cm 重: 6 kg 灵活性：20 DOF 操作系统: RT-Linux 接口形式: USB 1.0 (12Mbps) 响应周期: 1ms 能源： DC24V x 6.2A (150W) 制造：富士通108基于VXworks的火星探路者1092004年“勇气号”再次登陆火星110主要内容1 嵌入式系统简介 2 嵌入式处理器 3 4 5 嵌入式操作系统 嵌入式系统应用及发展趋势嵌入式系统的基本设计过程111嵌入式系统设计的主要步骤?以自顶向下的角度来看，系 统设计从系统需求分析开始； 第二步是规格说明，在这一 步我们对需设计的系统功能 进行更细致地描述，这些描 述并不涉及系统的组成；第 三步是系统结构设计，在这 一阶段以大的构件为单位设 计系统内部详细构造，明确 软、硬件功能的划分；第四 步是构件设计，它包括系统 程序模块设计、专用硬件芯 片选择及硬件电路设计；第 五步是系统集成，在完成了 所有构件设计的基础上进行 系统集成，构造出所需的完 整系统。需求分析规格说明体系结构设计构件设计系统调试与集成112需求分析与规格说明??在设计之前，我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶 段，我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述，在此 称其为需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明， 规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够 信息。 在此把需求和规格说明区分开是必要的，因为嵌入式系统 的用户不是专业人员，他们对系统的描述是建立在他们想 象的、系统应具备的功能基础上，对系统可能有些不切实 际的期望，表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因 而，必须将用户的描述转化为系统设计者的描述，从用户 的需求中整理形成正式的规格说明。113用户需求的格式?用户需求通常 包括功能部分 和非功能部分。 非功能部分需 求主要指：性 能、价格、尺 寸和重量、功 耗等。右边表 是一个在系统 设计的初始阶 段使用的需求 说明表格样本， 该表格用简练、 清晰的语句描 述系统的基本 需求。项目 名称 目的 输入 输出 功能 性能 生产成本 功耗 尺寸和重量说明114GPS移动地图系统:示例GPS移动地图是一种 手持设备，该设备 为用户（如汽车驾 驶员）显示他当前 所处位Z周围的地 图；显示的地图内 容应随用户以及该 设备所处位Z的改 变而改变。该设备 从GPS上得到其位Z 信息，移动地图的 显示看起来应类似 纸张上的地图。针 对用户的初步要求， 我们编写出如右表 所示的系统需求表。项目 名称 说明 GPS移动地图目的输入为司机等用户提供图形状的移动地图一个电源开关、两个操作按钮、GPS信号 输入输出功能 性能 生产成本LCD显示器，分辨率为400×600可接5种GPS接收器；三种用户可选的地图 比例；总是显示当前经纬度 0.25秒内即可更新一次屏幕，常温下工作 1500元（人民币）功耗尺寸和重 量四节电池供电应连续工作8小时，功耗约 100mW尺寸不大于20cm×30cm，重量不大于 0.25公斤115描述规格说明的工具??规格说明应更精确地反映用户的需求，它是设 计者在设计时必须明确遵循的要求。规格说明 应小心编写，描述应足够清晰，不能有歧义， 以便别人可以通过它来验证设计是否达到要求。 规格说明中通常只描述系统应做什么，而不描 述系统该怎么做。 描述规格说明的工具可采用统一建模语言 （UML）。UML语言是一种面向对象的建模语言， 它是软件工程课程中详细讲解的内容，本书附 录A中简要地介绍了它的概念和图形工具。116体系结构设计?系统结构设计的目的 是描述系统如何实现 系统的功能，它是系 统整体结构的一个计 划。右图以框图的形 式描述了GPS移动地图 的体系结构，图中展 示了移动地图的主要 操作和其间的数据流。 框图仍很抽象，还没 有规定软件完成什么， 专用硬件完成什么， 等等。但该图还是清 楚地描述了许多功能， 如需搜索地形图数据 库、需显示地图、需 接收GPS信号等。GPS 接 收 器 信号搜 索 引擎显 示 控制显 示 器数 据 库用 户 接口117系统硬件体系结构GPS信号接收器显示器显示控制器 (含显缓) CPU存储器 I/O接口118系统软件体系结构数据库查询 显示控制GPS接口 程序输入/输出控制 程序定时器119构件设计???体系结构设计中告诉我们需要什么样的构件，而构件设 计中就是设计或选择符合体系结构和规格说明中所需求 的构件。构件通常既包括硬件，如FPGA、电路板等，也 包括软件模块。 一些硬件构件是现成的。现成的硬件构件即有标准构件， 也有专用构件，例如CPU芯片，存储器芯片等就是标准 构件，而在移动地图中GPS接收器就是专用构件。同样 地，软件构件也可利用标准软件模块，如地图数据库及 数据库标准访问例程及函数。 更多的情况下，我们需要自己设计一些构件，即使采用 标准的集成电路，也必须设计连接它们的印刷电路板， 同时，需做大量的定制编程。当然，建立嵌入式软件模 块时，必须确保系统实时性良好，并且在允许的范围内 不占用更多的存储空间。在移动地图这个例子中，电能 消耗特别重要，设计时应尽量减少存储器读/写，因为 存储器访问是主要的功耗来源，存储器的访问必须精心 安排，以避免多次读取相同的数据。120系统调试与集成?只有建立构件后，才能将它们合并得到一个可以 运行的系统。当然在系统集成阶段并不是仅仅把 所有的构件连接在一起就行，通常都会发现以前 设计上的错误。在系统集成时按阶段构架系统， 并每次只对一部分模块排错，能够更容易地发现 并定位错误。我们必须确保在体系结构和各构件 设计阶段尽可能按阶段集成系统，并相对独立地 测试系统功能。系统集成时要准确定位出现的错 误是非常困难的，在这一阶段，设计者的专业知 识和经验将起很大的作用。121教学硬件平台―ARM2002嵌入式内核总量: 6.265亿MicroSPARC 3.1% MIPS 13.9% PowerPC 2.8% 其他 0.8% ARM 79.5%19M 87M17.6 M498M*包括用于32位、64位RISC结构的片上系统122教学硬件平台―ARMUP－NetARM2410－S123教学软件平台－Linux????近200种操作系统，WinCE、Linux、Vxworks、QNX、 Nucleus、…… 适于学习的源代码开放的操作系统：Linux、 ?C/OS Linux:层次结构且内核完全开放、网络功能强大、 完整开发工具、广泛的硬件支持、遵循通用国际标 准，便于程序的移植 ?C/OS：源代码公开、实时内核、易懂、易学、易 用124
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