1、2第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎主要內容嵌入式系統嵌入式系統概念概念嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統嵌入式操作系統實時操作系統的實時操作系統的內核內核嵌入式嵌入式技術發展現狀及趨勢技術發展現狀及趨勢3第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.1.1 嵌入式系統的定義 一般定義一般定義以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪, ,應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用環境有特殊要求的專用計算機系統。是將應用程序、環境有特殊要求的專用計算機系統。是將應用程序、操作系統

2、和計算機硬件集成在一起的系統（技術角度）操作系統和計算機硬件集成在一起的系統（技術角度）嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。（系統角度）其緊密耦合在一起的計算機系統。（系統角度）術語嵌入式反映了這些系統通常是更大系統（被稱之為嵌入的系統）術語嵌入式反映了這些系統通常是更大系統（被稱之為嵌入的系統）的一個完整子系統。嵌入式的系統可以包含多個嵌入式系統。的一個完整子系統。嵌入式的系統可以包含多個嵌入式系統。廣義定義廣義定義任何一個非計算機的計算系統任何一個非計算機的計算系統4第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系

3、統基礎 IEEIEE定義定義嵌入式系統是嵌入式系統是“用于控制、監視或者輔助操作用于控制、監視或者輔助操作的機器、設備或裝置的機器、設備或裝置”（原文為（原文為devices used devices used to control, monitor, or assist the to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or operation of equipment, machinery or plantsplants）。）。 通常執行特定功能通常執行特定功能 嵌入式系統的核心嵌入式系統的核心

4、-嵌入式微處理器嵌入式微處理器 嚴格的時序和穩定性要求嚴格的時序和穩定性要求 全自動操作循環全自動操作循環5第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.1.2 嵌入式系統的組成嵌入式系統通常由嵌入式系統通常由嵌入式處理器嵌入式處理器、外圍設備外圍設備、嵌嵌入式操作系統入式操作系統和和應用軟件應用軟件等幾大部分組成。等幾大部分組成。 嵌入式系統組成嵌入式系統組成嵌入式系統硬件組成嵌入式系統硬件組成6第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 嵌入式處理器嵌入式處理器 嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部件。嵌入式處是嵌入式系統的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器的最大不同點在于理

5、器與通用處理器的最大不同點在于嵌入式處理器大嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群設計的系統中多工作在為特定用戶群設計的系統中。它通常把通用。它通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，并具有高效率、而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。高可靠性等特征。 大的硬件廠商會推出自己的嵌入式處理器，因而現大的硬件廠商會推出自己的嵌入式處理器，因而現今市面上有今市面上有10001000多種嵌入式處理器芯片，其中使用最多種嵌入式處理器芯片，其中使用最為廣泛的有為廣泛的有ARMARM，MIP

6、SMIPS，PowerPCPowerPC，MC68000MC68000等。等。 7第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 外圍設備外圍設備外圍設備外圍設備是指在一個嵌入式系統中，除了嵌入式處理器以外是指在一個嵌入式系統中，除了嵌入式處理器以外的完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。的完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。根據外圍設備的功能可分為以下根據外圍設備的功能可分為以下3 3類：類：存儲器存儲器：靜態易失型存儲器：靜態易失型存儲器( (RAMRAM，SRAM)SRAM)、動態存儲器動態存儲器( (DRAM)DRAM)和非易失型存儲器和非易失型存儲器( (Fla

7、sh)Flash)。其中，其中，FlashFlash以可擦寫次以可擦寫次數多、存儲速度快、容量大及價格低等優點在嵌入式領域得數多、存儲速度快、容量大及價格低等優點在嵌入式領域得到了廣泛的應用。到了廣泛的應用。接口接口：應用最為廣泛的包括并口、：應用最為廣泛的包括并口、RS-232RS-232串口、串口、IrDAIrDA紅外紅外接口、接口、SPISPI串行外圍設備接口、串行外圍設備接口、I2C(Inter IC)I2C(Inter IC)總線接口、總線接口、USBUSB通用串行總線接口、通用串行總線接口、EthernetEthernet網口等。網口等。人機交互人機交互：LCDLCD、鍵盤和觸摸屏

8、等人機交互設備。鍵盤和觸摸屏等人機交互設備。 8第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 嵌入式操作系統嵌入式操作系統嵌入式操作系統嵌入式操作系統是用來管理存儲器分配、是用來管理存儲器分配、中斷處理、任務間通信和定時器響應，以中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等的軟件模塊集合。及提供多任務處理等的軟件模塊集合。 嵌入式操作系統嵌入式操作系統常常有實時要求，所以嵌入常常有實時要求，所以嵌入式操作系統往往又是式操作系統往往又是“實時操作系統實時操作系統”。 9第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 應用軟件應用軟件嵌入式系統的應用軟件嵌入式系統的應用軟件是針對特定的

9、實際專業領域的，基于相是針對特定的實際專業領域的，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的計算機軟件計算機軟件。 嵌入式軟件的特點如下：嵌入式軟件的特點如下：(1)(1)軟件要求固態化存儲。軟件要求固態化存儲。(2)(2)軟件代碼要求高質量、高可靠性。軟件代碼要求高質量、高可靠性。(3)(3)系統軟件的高實時性是基本要求。系統軟件的高實時性是基本要求。(4)(4)多任務實時操作系統成為嵌入式應用軟件的必需。多任務實時操作系統成為嵌入式應用軟件的必需。 10第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.1.3 嵌入式系統的特點 軟硬件一體化，集

10、計算機技術、微電子技術、軟硬件一體化，集計算機技術、微電子技術、行業技術為一體；行業技術為一體； 需要操作系統支持，代碼小、執行速度快；需要操作系統支持，代碼小、執行速度快； 專用緊湊，用途固定，成本敏感；專用緊湊，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高；可靠性要求高； 多樣性，應用廣泛、種類繁多。多樣性，應用廣泛、種類繁多。 11第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.1.4 嵌入式系統的應用嵌入式應用嵌入式應用信息家電信息家電智能玩具智能玩具軍事電子軍事電子通信設備通信設備移動存貯移動存貯工控設備工控設備智能儀表智能儀表汽車電子汽車電子網絡設備網絡設備消費電子消費電子軍事國防軍事國防電

11、子商務電子商務工業控制工業控制12第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.1.5 實時系統實時系統實時系統( (Real Time System)Real Time System)是指產生系統是指產生系統輸出的時間對系統至關重要的系統。從輸入輸出的時間對系統至關重要的系統。從輸入到輸出的滯后時間必須足夠小到一個可以接到輸出的滯后時間必須足夠小到一個可以接受的時限內。受的時限內。 實時系統通常具備以下重要的特性：實時系統通常具備以下重要的特性： 1 1實時性實時性 2并行性并行性 3 3多路性多路性 4 4獨立性獨立性 5可預測性可預測性 6可靠性可靠性 概念概念特性特性13第第1 1章

12、章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎 實時系統中主要通過實時系統中主要通過3 3個指標來衡量系統的實時性，個指標來衡量系統的實時性，即：即： 響應時間響應時間( (Response Time)Response Time)：指計算機從識別指計算機從識別一個外部事件到做出響應的時間。一個外部事件到做出響應的時間。 生存時間生存時間( (Survival Time)Survival Time)：指數據的有效等指數據的有效等待時間，在這段時間里數據是有效的。待時間，在這段時間里數據是有效的。 吞吐量吞吐量( (Throughput)Throughput)：指在一段給定時間內，指在一段給定時間內，系統可以處

13、理事件的總數。吞吐量通常比平均響系統可以處理事件的總數。吞吐量通常比平均響應時間的倒數小一點。應時間的倒數小一點。衡量實時性的指標衡量實時性的指標14第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎實時系統的分類實時系統的分類v 根據響應時間可分為根據響應時間可分為3 3種類型：種類型： 1 1強實時系統強實時系統 2 2弱實時系統弱實時系統 3 3一般實時系統一般實時系統v 根據確定性可分為根據確定性可分為2 2種類型：種類型： 1 1硬實時系統硬實時系統 2 2軟實時系統軟實時系統15第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎主要內容嵌入式系統嵌入式系統概念概念嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式

14、操作系統嵌入式操作系統實時操作系統的實時操作系統的內核內核嵌入式嵌入式技術發展現狀及趨勢技術發展現狀及趨勢16第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎一、 嵌入式處理器分類 嵌入式微處理器嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 微控制器微控制器(Microcontroller Unit, MCU) DSP處理器處理器(Digital Signal Processor, DSP) 片上系統片上系統(System On Chip，SOC) 17第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 嵌入式微處理器嵌入式微處理器 嵌入式微處理器是由通用計算

15、機中的嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPUCPU演變而來的。演變而來的。與計算機處理器不同的是，只保留和嵌入式應用緊密相關與計算機處理器不同的是，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的擴展的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的擴展外圍電路，如存儲器的擴展電路、外圍電路，如存儲器的擴展電路、I/OI/O的擴展電路和一些專的擴展電路和一些專用的接口電路等，這樣就可以最低的功耗和資源滿足嵌入用的接口電路等，這樣就可以最低的功耗和資源滿足嵌入式應用的特殊要求。嵌入式微處理器雖然在功能上與標準式應用的特殊要求。嵌入式微處理器雖然在功能上與標準微處理器基本相同，

16、但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可微處理器基本相同，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面都做了各種增強。與工業控制計算機相比，嵌靠性等方面都做了各種增強。與工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點。優點。 目前主要的嵌入式處理器類型有目前主要的嵌入式處理器類型有ARM ARM 、MIPSMIPS、Am186/88Am186/88、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等系列等。 18第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎二、典型的嵌入式處理器1 1ARMARM處

17、理器處理器2 2MIPSMIPS處理器處理器 3 3PowerPCPowerPC處理器處理器 4 4MC68K/MC68K/ColdfireColdfire處理器處理器 5 5x86x86處理器處理器 19第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v ARM ARM處理器處理器 ARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）公司是全球領公司是全球領先的先的16/3216/32位位RISCRISC微處理器微處理器知識產權設計知識產權設計供應商。供應商。 ARM ARM處理器有處理器有3 3大大特點特點：小體積、低功耗、低成本而高性能；小

18、體積、低功耗、低成本而高性能；16/3216/32位雙指令集；位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。全球眾多的合作伙伴。 ARM ARM處理器分處理器分ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10、ARM11ARM11和和SecurCoreSecurCore系列。系列。 20第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v MIPS MIPS處理器處理器 MIPSMIPS（Microprocessor without Interlocked Microprocessor without Interlocked Pipeline StagesPipeline Stage

19、s）技術公司是一家設計制造高技術公司是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式性能、高檔次及嵌入式3232位和位和6464位處理器的廠商。位處理器的廠商。 MIPS MIPS的定位很廣。在高端市場它有的定位很廣。在高端市場它有6464位的位的2020KcKc系列，在低端市場有系列，在低端市場有SmartMIPSSmartMIPS。 21第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎 PowerPC PowerPC體系結構的特點是體系結構的特點是可伸縮性好，方便靈活可伸縮性好，方便靈活。PowerPCPowerPC處理器處理器品種很多品種很多，既有通用的處理器，又有，既有通用的處理器，又有微控制器和內核

20、。其微控制器和內核。其應用范圍非常廣泛應用范圍非常廣泛，從高端的，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統，從消費類電子工作站、服務器到桌面計算機系統，從消費類電子產品到大型通信設備，無所不包。產品到大型通信設備，無所不包。 基于基于PowerPCPowerPC架構的處理器有架構的處理器有IBM IBM 公司開發的公司開發的PowerPC 405 GPPowerPC 405 GP，它是一個集成它是一個集成10/10010/100MbpsMbps以太網以太網控制器、串行和并行端口、內存控制器以及其它外控制器、串行和并行端口、內存控制器以及其它外設的高性能嵌入式處理器。設的高性能嵌入式處理器。v P

21、owerPC PowerPC處理器處理器22第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎 Apple Apple機以前使用的就是機以前使用的就是Motorola 68000(68K)Motorola 68000(68K)，比比IntelIntel公司的公司的80888088還要早。但現在，還要早。但現在，AppleApple、MotorolaMotorola公司已放棄公司已放棄6868K K而專注于而專注于ARMARM了。了。 v MC68K/ MC68K/ColdfireColdfire處理器處理器23第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎 x86 x86系列處理器是最常用的，它起源于

22、系列處理器是最常用的，它起源于IntelIntel架架構的構的80808080，發展到現在，發展到現在Pentium 4Pentium 4、AthlonAthlon和和AMDAMD的的6464位處理器位處理器HammerHammer。486DX486DX是當時和是當時和ARMARM、68K68K、MIPSMIPS、SuperHSuperH齊名的五大嵌入式處理器之一。現有齊名的五大嵌入式處理器之一。現有基于基于x86x86的的STPCSTPC高度集成系統。高度集成系統。 v x86 x86處理器處理器24第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎主要內容嵌入式系統嵌入式系統概念概念嵌入式處理器

23、嵌入式處理器嵌入式操作系統嵌入式操作系統實時操作系統的實時操作系統的內核內核嵌入式嵌入式技術發展現狀及趨勢技術發展現狀及趨勢25第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.3.1 操作系統的概念和分類操作系統的概念和分類 操作系統的概念操作系統的概念 操作系統操作系統OS(Operation System)OS(Operation System)是一組計算是一組計算機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的機程序的集合，用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調度，并硬件和軟件資源，即合理地對資源進行調度，并為用戶提供方便的應用接口。它為應用支持軟件為用戶提供方便的應

24、用接口。它為應用支持軟件提供運行環境，即對程序開發者提供功能強、使提供運行環境，即對程序開發者提供功能強、使用方便的開發環境。用方便的開發環境。 26第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎操作系統的功能操作系統的功能 處理器管理處理器管理 存儲器管理存儲器管理 設備管理設備管理 文件管理文件管理用戶接口用戶接口 對處理器進行分配，并對其運行進行有效地控制和管理。處理器的分配對處理器進行分配，并對其運行進行有效地控制和管理。處理器的分配和運行都是以和運行都是以進程進程為基本單位進行的，因此對處理器的管理可以歸結為對進為基本單位進行的，因此對處理器的管理可以歸結為對進程的管理，包括程的管理，

25、包括進程控制、進程同步、進程通信、作業調度和進程調度進程控制、進程同步、進程通信、作業調度和進程調度等。等。 為多道程序的運行提供良好的環境，包括內存分配、內存保護、地址映射、為多道程序的運行提供良好的環境，包括內存分配、內存保護、地址映射、內存擴充等。內存擴充等。 包括緩沖管理、設備分配、設備處理、形成虛擬邏輯設備等。包括緩沖管理、設備分配、設備處理、形成虛擬邏輯設備等。 文件管理的主要任務就是對系統文件和用戶文件進行管理，方便用戶的使文件管理的主要任務就是對系統文件和用戶文件進行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。文件管理包括對文件存儲空間的管理、目錄管理、文用，保證文件的安全性。文件

26、管理包括對文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護等。件的讀寫管理以及文件的共享與保護等。 用戶與操作系統的接口是用戶能方便地使用操作系統的關鍵所在。用戶與操作系統的接口是用戶能方便地使用操作系統的關鍵所在。 27第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎計算機操作系統的分類計算機操作系統的分類按按程序運行調度的方法程序運行調度的方法分類：分類： 1 1順序執行系統順序執行系統 即系統內只有一個運行程序，它獨占即系統內只有一個運行程序，它獨占CPUCPU時間，按語句順序執行該時間，按語句順序執行該程序，直至執行完畢，另一程序才能啟動運行。程序，直至執行完畢，另一程序才

27、能啟動運行。DOSDOS操作系統就屬于操作系統就屬于這種系統。這種系統。 2 2分時操作系統分時操作系統 系統內同時可有多道程序運行。所謂同時，只是從宏觀上說；實際系統內同時可有多道程序運行。所謂同時，只是從宏觀上說；實際上系統把上系統把CPUCPU的時間按順序分成若干時間片，每個時間片內執行不同的時間按順序分成若干時間片，每個時間片內執行不同的程序。這類系統支持多用戶，當今廣泛用于商業、金融領域。的程序。這類系統支持多用戶，當今廣泛用于商業、金融領域。UNIXUNIX操作系統就屬于這種系統。操作系統就屬于這種系統。 3 3實時操作系統實時操作系統 系統內同時有多道程序運行，每道程序各有不同的

28、優先級，操作系系統內同時有多道程序運行，每道程序各有不同的優先級，操作系統按事件觸發使程序運行。當多個事件發生時，系統按優先級高低確統按事件觸發使程序運行。當多個事件發生時，系統按優先級高低確定哪道程序在此時此刻占有定哪道程序在此時此刻占有CPUCPU，以保證優先級高的事件先運行，從以保證優先級高的事件先運行，從而實現實時信息及時被采集。而實現實時信息及時被采集。 28第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎嵌入式操作系統的分類嵌入式操作系統的分類從從實時性的角度實時性的角度來看，嵌入式操作系統可以分為：來看，嵌入式操作系統可以分為：具有強實時特點的嵌入式操作系統；具有強實時特點的嵌入式操

29、作系統；具有弱實時特點的嵌入式操作系統；具有弱實時特點的嵌入式操作系統；沒有實時特點的嵌入式操作系統。沒有實時特點的嵌入式操作系統。從從應用的角度應用的角度來看，嵌入式操作系統可以分為：來看，嵌入式操作系統可以分為：面向低端信息家電面向低端信息家電IAIA（Internet ApplianceInternet Appliance，如智能電話、家庭網關如智能電話、家庭網關等）的嵌入式操作系統；等）的嵌入式操作系統；面向高端信息家電（如數字電視等）的嵌入式操作系統；面向高端信息家電（如數字電視等）的嵌入式操作系統；面向個人通信終端（如手機、面向個人通信終端（如手機、PDAPDA、Pocket PC

30、Pocket PC等）的嵌入式操作等）的嵌入式操作系統；系統；面向通信設備的嵌入式操作系統；面向通信設備的嵌入式操作系統；面向汽車電子的嵌入式操作系統；面向汽車電子的嵌入式操作系統；面向工業控制的嵌入式操作系統。面向工業控制的嵌入式操作系統。29第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念任務、進程和線程任務、進程和線程 任務：任務是指一個程序分段，這個分段被操作系統當任務：任務是指一個程序分段，這個分段被操作系統當作一個基本工作單元來調度。任務是在系統運行前已設計作一個基本工作單元來調度。任務是在系統運行前已設計好的。好的。 進程：進程是指任

31、務的一次運行過程，它是動態過程。進程：進程是指任務的一次運行過程，它是動態過程。有些操作系統把任務和進程等同看待，認為任務是一個動有些操作系統把任務和進程等同看待，認為任務是一個動態過程，即執行任務體的動態過程。態過程，即執行任務體的動態過程。 線程：線程：2020世紀世紀8080年代中期，人們提出了比進程更小的能年代中期，人們提出了比進程更小的能獨立運行和調度的基本單位獨立運行和調度的基本單位線程，并以此來提高程序線程，并以此來提高程序并發執行的程度。近些年，線程的概念已被廣泛應用。并發執行的程度。近些年，線程的概念已被廣泛應用。 30第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作

32、系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念多用戶及多任務多用戶及多任務多用戶的含義是，允許多個用戶通過各自的終端使用多用戶的含義是，允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺主機，共享同一個操作系統及各種系統資源。同一臺主機，共享同一個操作系統及各種系統資源。每個用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任每個用戶的應用程序可以設計成不同的任務，這些任務可以并發執行。務可以并發執行。多多用戶及多任務系統可以提高系統的吞吐量，更有效用戶及多任務系統可以提高系統的吞吐量，更有效地利用系統資源。地利用系統資源。 31第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念任

33、務的事件驅動任務的事件驅動32第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念中斷與中斷優先級中斷與中斷優先級 中斷中斷是計算機中是計算機中軟件系統與硬件系統軟件系統與硬件系統共同提供的功能。共同提供的功能。它包括它包括中斷源、中斷優先級、中斷處理程序及中斷任務中斷源、中斷優先級、中斷處理程序及中斷任務等相等相關概念。關概念。實時操作系統實時操作系統充分利用充分利用中斷中斷來改變來改變CPUCPU執行程序的執行程序的順序，順序，達到實時處理目的達到實時處理目的。 系統中所有中斷控制器一共可以連接幾個外部信號，則系統中所有中斷控制器一共可以連接幾個外

34、部信號，則稱系統有幾個稱系統有幾個中斷源中斷源。 操作系統對每個中斷級指定了優先級，稱之為操作系統對每個中斷級指定了優先級，稱之為中斷優先中斷優先級級。在多個中斷源同時發出申請時，。在多個中斷源同時發出申請時，CPUCPU按優先級的高低按優先級的高低順序處理。這種總是保證優先級最高的任務占用順序處理。這種總是保證優先級最高的任務占用CPUCPU的方的方式，稱為式，稱為按優先級搶占式調度按優先級搶占式調度。 33第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念同步與異步同步與異步 實時系統中常用同步或異步來說明事件發生的時序或任實時系統中常用同步或異

35、步來說明事件發生的時序或任務執行的順序關系。務執行的順序關系。 由于事件由于事件1 1停止而引起事件停止而引起事件2 2發生，或者必須有事件發生，或者必須有事件2 2發生，發生，事件事件3 3才可能發生，如此類推，這一系列與時間相關的事件才可能發生，如此類推，這一系列與時間相關的事件稱為稱為同步事件同步事件。由同步事件驅動的任務稱為。由同步事件驅動的任務稱為同步任務同步任務。使任。使任務同步的目的是使相關任務在執行順序上協調，不至于發生務同步的目的是使相關任務在執行順序上協調，不至于發生時間相關的差錯，以保證任務互斥地訪問系統的內存、外設時間相關的差錯，以保證任務互斥地訪問系統的內存、外設等共

36、享資源。等共享資源。 異步事件異步事件是指隨機發生的事件。異步事件發生的因素很是指隨機發生的事件。異步事件發生的因素很復雜，往往與工業現場有關，難以預測其發生的時間，因此復雜，往往與工業現場有關，難以預測其發生的時間，因此異步事件又稱隨機事件異步事件又稱隨機事件。由異步事件驅動的任務稱為。由異步事件驅動的任務稱為異步任異步任務務。中斷任務都是異步任務，優先級高于同步任務中斷任務都是異步任務，優先級高于同步任務。34第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念資源與臨界資源資源與臨界資源 程序運行時可使用的軟、硬件環境統稱為程序運行時可使用的軟、

37、硬件環境統稱為資源資源。主要包。主要包括括CPUCPU的可利用時間、系統可提供的中斷源、內存空間與數的可利用時間、系統可提供的中斷源、內存空間與數據、通用外部設備等等。據、通用外部設備等等。 沒有指派給具體任務的資源屬于系統所有，是沒有指派給具體任務的資源屬于系統所有，是共享資源共享資源。 如果系統中出現如果系統中出現2 2個以上任務可能同時訪問的共享資源，個以上任務可能同時訪問的共享資源，則稱為則稱為臨界資源臨界資源。系統中的公共數據區、打印機等都是臨界。系統中的公共數據區、打印機等都是臨界資源。資源。 系統內任務應采取系統內任務應采取互斥互斥的方式訪問共享資源。在實時多的方式訪問共享資源。

38、在實時多任務系統中，當異步任務被激活時，容易出現資源的臨界狀任務系統中，當異步任務被激活時，容易出現資源的臨界狀態。實時多任務操作系統中應保證態。實時多任務操作系統中應保證任何時刻臨界資源內只有任何時刻臨界資源內只有一個任務在訪問一個任務在訪問。資源臨界問題解決不好，執行任務交不出。資源臨界問題解決不好，執行任務交不出資源的控制權，將引起系統資源的控制權，將引起系統死鎖死鎖。35第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v嵌入式操作系統的基本概念嵌入式操作系統的基本概念容錯與安全容錯與安全 容錯容錯是指這樣一種性能或措施，當系統內某些軟、硬是指這樣一種性能或措施，當系統內某些軟、硬件出現故障

39、時，系統仍能正常運轉，完成預定的任務或某件出現故障時，系統仍能正常運轉，完成預定的任務或某些重要的不允許間斷的任務。容錯能力包括系統自診斷、些重要的不允許間斷的任務。容錯能力包括系統自診斷、自恢復、自動切換等多方面能力，由自恢復、自動切換等多方面能力，由軟、硬件共同軟、硬件共同采取措采取措施才能實現。容錯是實時系統提高可靠性的手段。施才能實現。容錯是實時系統提高可靠性的手段。 安全性控制安全性控制是操作系統對自身文件和用戶文件的存取是操作系統對自身文件和用戶文件的存取合法性的控制。在實時操作系統中安全性極為重要，必須合法性的控制。在實時操作系統中安全性極為重要，必須保證系統工作的高度可靠和安全

40、，防止對應用系統有意或保證系統工作的高度可靠和安全，防止對應用系統有意或無意的破壞。通常采用一些無意的破壞。通常采用一些軟件控制方法軟件控制方法來保證系統的安來保證系統的安全性，如標記檢查、多級口令設置、加密等等。全性，如標記檢查、多級口令設置、加密等等。36第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.3.2 實時操作系統實時操作系統 實時操作系統實時操作系統( (RTOS)RTOS)是具有實時性且能支持實時控制是具有實時性且能支持實時控制系統工作的操作系統。系統工作的操作系統。 RTOSRTOS與通用計算機與通用計算機OSOS的區別：的區別：實時性。響應速度快，只有幾微秒；執行時間確定、

41、實時性。響應速度快，只有幾微秒；執行時間確定、可預測；可預測；代碼尺寸小。代碼尺寸小。1010100100KBKB，節省內存空間，降低成本；節省內存空間，降低成本；應用程序開發較難；應用程序開發較難；需要專用開發工具：仿真器、編譯器和調試器等。需要專用開發工具：仿真器、編譯器和調試器等。37第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 實時操作系統的發展實時操作系統的發展 實時操作系統的研究是從實時操作系統的研究是從2020世紀世紀6060年代年代開始的。從系統結構上看，開始的。從系統結構上看，實時操作系統經歷了以下實時操作系統經歷了以下3 3個發展階段。個發展階段。（1 1）早期的實時操作

42、系統）早期的實時操作系統 不能稱為真正的實時操作系統。它只是一個小而簡單、具有一定專不能稱為真正的實時操作系統。它只是一個小而簡單、具有一定專用性的軟件，其功能較弱，可以認為是一種實時監控程序。它一般為用用性的軟件，其功能較弱，可以認為是一種實時監控程序。它一般為用戶提供對系統的初始管理以及簡單的實時時鐘管理。戶提供對系統的初始管理以及簡單的實時時鐘管理。（2 2）專用實時操作系統）專用實時操作系統 在國外稱為在國外稱為Real-Time Operating System Developed in HouseReal-Time Operating System Developed in Hou

43、se。它是早期它是早期用戶為滿足自身開發需要而研制的，一般只能用于特定的硬件環境，且用戶為滿足自身開發需要而研制的，一般只能用于特定的硬件環境，且缺乏嚴格的評測，移植性也不太好。缺乏嚴格的評測，移植性也不太好。（3 3）通用實時操作系統）通用實時操作系統 大多采用軟組件結構，以大多采用軟組件結構，以“標準組件標準組件”構成通用的實時操作系統。構成通用的實時操作系統。一方面，在實時操作系統內核的最底層將不同的硬件特性屏蔽掉；另一一方面，在實時操作系統內核的最底層將不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，對不同的應用環境提供了標準的、可剪裁的系統服務軟組件。方面，對不同的應用環境提供了標準的、可剪裁的系統

44、服務軟組件。 38第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 實時操作系統的組成實時操作系統的組成根據面向實際應用領域的不同根據面向實際應用領域的不同, ,實時操作系統的組成也有所不同。但一般實時操作系統的組成也有所不同。但一般都包括以下幾個重要組成部分：都包括以下幾個重要組成部分： (1) (1) 實時內核實時內核 實時內核一般都是多任務的。它主要實現任務管理、定時器管理、存實時內核一般都是多任務的。它主要實現任務管理、定時器管理、存儲器管理、任務間通信與同步、中斷管理等功能。儲器管理、任務間通信與同步、中斷管理等功能。 (2) (2) 網絡組件網絡組件 網絡組件實現了鏈路層的網絡組件實

45、現了鏈路層的ARP/RARPARP/RARP協議、協議、PPPPPP及及SLIPSLIP協議，網絡層的協議，網絡層的IPIP協議，傳輸層的協議，傳輸層的TCPTCP和和UDPUDP協議。網絡組件為應用層提供服務協議。網絡組件為應用層提供服務, ,它本身是它本身是可裁減的。可裁減的。 (3) (3) 文件系統文件系統 對于比較復雜的文件操作應用來說，文件系統是必不可少的。它也是對于比較復雜的文件操作應用來說，文件系統是必不可少的。它也是可裁減的。可裁減的。 (4) (4) 圖形用戶界面圖形用戶界面 圖形用戶界面圖形用戶界面( (GUI)GUI)為用戶提供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入。為用戶提

46、供文字和圖形以及中英文的顯示和輸入。它同樣是可裁減的。它同樣是可裁減的。39第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 實時操作系統的特點實時操作系統的特點 (1) (1)支持異步事件的響應支持異步事件的響應 實時操作系統為了對外部事件在規定的時間內進行響應，要求具有實時操作系統為了對外部事件在規定的時間內進行響應，要求具有中斷和異步處理的能力。中斷和異步處理的能力。 (2) (2)中斷和調度任務的優先級機制中斷和調度任務的優先級機制 為區分用戶的中斷以及調度任務的輕重緩急，需要有中斷和調度任為區分用戶的中斷以及調度任務的輕重緩急，需要有中斷和調度任務的優先級機制。務的優先級機制。 (3)

47、 (3)支持搶占式調度支持搶占式調度 為保證高優先級的中斷或任務的響應時間，實時操作系統必須提供為保證高優先級的中斷或任務的響應時間，實時操作系統必須提供一旦高優先級的中斷或任務準備好，就能馬上搶占低優先級任務的一旦高優先級的中斷或任務準備好，就能馬上搶占低優先級任務的CPUCPU使用權的機制。使用權的機制。 (4) (4)確定的任務切換時間和中斷延遲時間確定的任務切換時間和中斷延遲時間 確定的任務切換時間和中斷延遲時間是實時操作系統區別于普通操確定的任務切換時間和中斷延遲時間是實時操作系統區別于普通操作系統的一個重要標志，是衡量實時操作系統實時性的重要標準。作系統的一個重要標志，是衡量實時操

48、作系統實時性的重要標準。 (5) (5)支持同步支持同步 提供同步和協調共享數據的使用。提供同步和協調共享數據的使用。40第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.3.3 常見的嵌入式操作系統常見的嵌入式操作系統 VxWorksC/OSC/OS-Windows CE嵌入式嵌入式LinuxPalmOS QNXDelta OS Hopen OSpSOS41第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎42第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎vC/OSC/OS和和C/OS-C/OS- C/OSMicro Controller O S C/OSC/OS簡介簡介美國人美國人Jean Jean

49、 LabrosseLabrosse 1992 1992年完成，已應用于數百種產年完成，已應用于數百種產品中。品中。應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音響設應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音響設備、發動機控制、高速公路電話系統、自動提款機等備、發動機控制、高速公路電話系統、自動提款機等 19981998年年 C/OSC/OS-II-II，目前的版本目前的版本 C/OSC/OS -II V2.72 -II V2.7220002000年，得到美國航空管理局（年，得到美國航空管理局（FAAFAA）的認證，可以用的認證，可以用于飛行器中于飛行器中是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源

50、少、搶先是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實時多任務操作系統。其絕大部分源碼采用式的實時多任務操作系統。其絕大部分源碼采用ANSI CANSI C寫的，移植性好。高校教學可免費使用。寫的，移植性好。高校教學可免費使用。43第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎C/OS-II的系統結構的系統結構44第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎C/OS-II的任務狀態轉移圖的任務狀態轉移圖45第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎46第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎47第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v ClinuxClinux48第第1 1章

51、章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎49第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎50第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v Delta OSDelta OS Delta OS Delta OS是電子科技大學嵌入式實時教研室和科銀公是電子科技大學嵌入式實時教研室和科銀公司聯合研制開發的全中文的嵌入式操作系統。司聯合研制開發的全中文的嵌入式操作系統。 提供強實時和嵌入式多任務的內核，任務響應時間快提供強實時和嵌入式多任務的內核，任務響應時間快速、確定，不隨任務負載大小改變。速、確定，不隨任務負載大小改變。 絕大部分的代碼由絕大部分的代碼由C C語言編寫，具有很好的移植性。語言編寫，具有很好

52、的移植性。 適用于內存要求較大、可靠性要求較高的嵌入式系統。適用于內存要求較大、可靠性要求較高的嵌入式系統。 主要包括嵌入式實時內核主要包括嵌入式實時內核DeltaCOREDeltaCORE、嵌入式嵌入式TCP/IPTCP/IP組組件件DeltaNETDeltaNET、嵌入式文件系統嵌入式文件系統DeltaFILEDeltaFILE以及嵌入式圖形以及嵌入式圖形用戶界面用戶界面DeltaGUIDeltaGUI等。等。 提供一整套的嵌入式開發套件提供一整套的嵌入式開發套件LamdaTOOLLamdaTOOL和一整套嵌入和一整套嵌入式開發應用解決方案，已成功應用于通信、網絡、信息式開發應用解決方案，

53、已成功應用于通信、網絡、信息家電等多個應用領域。家電等多個應用領域。51第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v HopenHopen OS OSHopenHopen OS OS是凱思集團自主研制開發的實時操作系統。是凱思集團自主研制開發的實時操作系統。由一個體積很小的內核及一些可以根據需要進行定制的系統由一個體積很小的內核及一些可以根據需要進行定制的系統模塊組成。模塊組成。其核心其核心HopenHopen Kernel Kernel的規模一般為的規模一般為1010KBKB左右，占用空間小。左右，占用空間小。具有實時、多任務、多線程的系統特征。具有實時、多任務、多線程的系統特征。52第第

54、1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v pSOSpSOS pSOSpSOS是是ISI(Integrated Systems IncISI(Integrated Systems Inc) )公司研發的產品，公司研發的產品，是世界上最早的實時系統之一，也是最早進入中國市場的實時是世界上最早的實時系統之一，也是最早進入中國市場的實時操作系統。操作系統。 pSOSpSOS是一個模塊化、高性能、完全可擴展的實時操作系統。是一個模塊化、高性能、完全可擴展的實時操作系統。 專為嵌入式微處理器設計，提供了一個完全多任務環境，在專為嵌入式微處理器設計，提供了一個完全多任務環境，在定制的或是商業化的硬件上提供

55、高性能和高可靠性。定制的或是商業化的硬件上提供高性能和高可靠性。 包含單處理器支持模塊包含單處理器支持模塊( (pSOSpSOS+)+)、多處理器支持模塊多處理器支持模塊( (pSOSpSOS+m)+m)、文件管理器模塊文件管理器模塊( (pHILEpHILE) )、TCP/IPTCP/IP通信包通信包( (pNApNA) )、流式通信模塊流式通信模塊( (OpENOpEN) )、圖形界面、圖形界面、JavaJava，HTTPHTTP等。等。53第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎主要內容嵌入式系統嵌入式系統概念概念嵌入式處理器嵌入式處理器嵌入式操作系統嵌入式操作系統實時操作系統的內核

56、實時操作系統的內核嵌入式嵌入式技術發展現狀及趨勢技術發展現狀及趨勢54第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎在實時操作系統中在實時操作系統中最關鍵最關鍵的部分是的部分是實時多任務實時多任務內核內核。它主要實現的功能包括：。它主要實現的功能包括：任務管理任務管理任務間通信與同步任務間通信與同步存儲器管理存儲器管理定時器管理定時器管理中斷管理中斷管理1.4 1.4 實時操作系統的內核實時操作系統的內核 55第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎1.4.1 1.4.1 任務管理任務管理 任務任務實時操作系統中的任務與操作系統中的進程相似。它實時操作系統中的任務與操作系統中的進程相似。它是

57、具有獨立功能的無限循環的程序段的一次運行活動。是具有獨立功能的無限循環的程序段的一次運行活動。 任務的狀態任務的狀態 運行態運行態( (Executing)Executing)：獲得獲得CPUCPU控制權。控制權。 就緒態（就緒態（ReadyReady）：進入任務等待隊列，通進入任務等待隊列，通過調度轉為運行狀態。過調度轉為運行狀態。 掛起態（掛起態（SuspendedSuspended）：任務發生阻塞，移任務發生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統實時事件的發生出任務等待隊列，等待系統實時事件的發生而喚醒，從而轉為就緒或運行態。而喚醒，從而轉為就緒或運行態。 休眠態（休眠態（DormantDor

58、mant）：任務完成或錯誤等原任務完成或錯誤等原因被清除的任務，也可以認為是系統中不存因被清除的任務，也可以認為是系統中不存在的任務。在的任務。 56第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎 實時內核的任務管理實現在應用程序中建立任務，實時內核的任務管理實現在應用程序中建立任務，刪除任務，掛起任務，恢復任務，以及對任務的響刪除任務，掛起任務，恢復任務，以及對任務的響應、切換和調度等功能。應、切換和調度等功能。1.4.1 1.4.1 任務管理任務管理 任務任務管理管理常用的常用的任務調任務調度算法度算法 基于優先級的調度算法基于優先級的調度算法非搶占式調度非搶占式調度搶占式調度搶占式調度同一

59、優先級的時間片輪轉調度算法同一優先級的時間片輪轉調度算法單調速率調度算法單調速率調度算法 57第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 基于優先級的調度算法基于優先級的調度算法 實時系統為每個任務賦予一個優先級。實時系統實時系統為每個任務賦予一個優先級。實時系統允許多個任務共享一個優先級，通過同一優先級的允許多個任務共享一個優先級，通過同一優先級的時間片輪轉調度算法，完成任務間的調度。時間片輪轉調度算法，完成任務間的調度。 優先級調度原則是讓高優先級的任務在得到資源優先級調度原則是讓高優先級的任務在得到資源運行的事件上比低優先級任務更有優先權。運行的事件上比低優先級任務更有優先權。 實時

60、操作系統都采用基于優先級的任務調度算法。實時操作系統都采用基于優先級的任務調度算法。 按照任務在運行過程中是否能被搶占，可以分為按照任務在運行過程中是否能被搶占，可以分為搶占式調度和非搶占式調度兩種。搶占式調度和非搶占式調度兩種。 58第第1 1章章 嵌入式系統基礎嵌入式系統基礎v 基于優先級的調度算法基于優先級的調度算法非搶占式調度非搶占式調度 ISR低優先級任務低優先級任務中斷服務程序使中斷服務程序使高優先級任務就緒高優先級任務就緒高優先級任務高優先級任務低優先級任務釋放低優先級任務釋放CPU使用權使用權TIME非搶占式（非搶占式（Non-preemptiveNon-preemptive）