1.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2嵌入式處理器1.3嵌入式操作系統(tǒng)練習(xí)題第1章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，有些人對(duì)嵌入式系統(tǒng)不甚了解，因此，下面我們先從現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程來(lái)了解嵌入式系統(tǒng)的由來(lái)，從其本質(zhì)特點(diǎn)來(lái)探討嵌入式系統(tǒng)較為準(zhǔn)確的定義。1.1.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

1．始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用

早期的計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)始于微型機(jī)時(shí)代的嵌入式應(yīng)用。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生于1946年，在其后漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)始終是安裝在特殊的機(jī)房中，實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀(jì)70年代微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)以其體積小、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，迅速走出機(jī)房；基于高速數(shù)值計(jì)算能力的微型機(jī)，表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，通過(guò)將微型機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)的智能化控制。例如，將微型計(jì)算機(jī)經(jīng)電氣加固、機(jī)械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構(gòu)成自動(dòng)駕駛儀或輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這樣一來(lái)，計(jì)算機(jī)便失去了原來(lái)的形態(tài)與通用的功能。為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象系統(tǒng)智能化控制的計(jì)算機(jī)稱做嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機(jī)時(shí)代，其嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象系統(tǒng)中，這是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。

2．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支

由于嵌入式系統(tǒng)要嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)對(duì)象的智能化控制，因此，它有著與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求和技術(shù)發(fā)展方向。

通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計(jì)算；技術(shù)發(fā)展方向是速度的無(wú)限提升，存儲(chǔ)容量的無(wú)限擴(kuò)大。而嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對(duì)對(duì)象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力和控制的可靠性。早期，人們想通過(guò)對(duì)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在大型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，眾多的對(duì)象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、工控單元等)都無(wú)法嵌入通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而且嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同。因此，必須獨(dú)立地發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支。

如果說(shuō)微型機(jī)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)進(jìn)入到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展階段，那么嵌入式系統(tǒng)的誕生，則標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展的時(shí)代。

3．兩大分支的發(fā)展

20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速?gòu)?86、386、486發(fā)展到奔騰系列，操作系統(tǒng)則迅速擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)對(duì)高速、海量的數(shù)據(jù)文件的處理能力，使通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的高度。嵌入式系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路，這條獨(dú)立發(fā)展的道路就是單芯片化道路。它動(dòng)員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家與專業(yè)人士，接過(guò)起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)，承擔(dān)起發(fā)展與普及嵌入式系統(tǒng)的歷史任務(wù)，迅速地將傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代。

因此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的兩大分支的意義在于：它不僅形成了計(jì)算機(jī)技術(shù)的專業(yè)化分工，而且將發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的任務(wù)擴(kuò)展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計(jì)算機(jī)成為進(jìn)入人類社會(huì)全面智能化時(shí)代的有力工具。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義和特點(diǎn)

我們?cè)诹私饬饲度胧较到y(tǒng)的由來(lái)與發(fā)展后，按照歷史性、本質(zhì)性、普遍性要求，將嵌入式系統(tǒng)定義為“嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。對(duì)象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是由定義中的三個(gè)基本要素衍生出來(lái)的。不同的嵌入式系統(tǒng)，其特點(diǎn)會(huì)有所差異。

與“嵌入性”相關(guān)的特點(diǎn)：由于是嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中的，因此必須滿足對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣環(huán)境(可靠)、成本(價(jià)廉)等要求。與“專用性”相關(guān)的特點(diǎn)：軟、硬件的裁減性；滿足對(duì)象要求的最小軟、硬件配置等。

與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”相關(guān)的特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對(duì)象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與前兩個(gè)特點(diǎn)相呼應(yīng)，這樣的計(jì)算機(jī)必須配置有與對(duì)象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路。

另外，在理解嵌入式系統(tǒng)定義時(shí)，不要與嵌入式設(shè)備相混淆。嵌入式設(shè)備是指內(nèi)部有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)備，如內(nèi)含單片機(jī)的家用電器、儀器儀表、工控單元、機(jī)器人、手機(jī)、PDA等。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成

從組成上看，嵌入式系統(tǒng)可分為嵌入式硬件系統(tǒng)與嵌入式軟件系統(tǒng)兩大部分，如圖1-1所示。

嵌入式硬件系統(tǒng)主要由嵌入式處理器和外圍接口電路及相關(guān)支撐硬件等組成。其中，嵌入式處理器在嵌入式硬件系統(tǒng)中處于核心地位，按照功能和用途劃分，它可以進(jìn)一步細(xì)分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和片上系統(tǒng)(SOC)等幾種類型。圖1-1嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式軟件系統(tǒng)通常可劃分為嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件兩部分。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)，還提供了一個(gè)中間層(嵌入式中間件層)。在早期的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的復(fù)雜性較低，這時(shí)的嵌入式系統(tǒng)通常不使用操作系統(tǒng)，而是由應(yīng)用軟件直接控制和管理硬件。例如，現(xiàn)在還大量存在的基于8位單片機(jī)的系統(tǒng)，一般僅完成單一的控制功能，其功能與硬件復(fù)雜度都較低，其軟件通常只有一個(gè)簡(jiǎn)單的控制程序，在這類簡(jiǎn)單系統(tǒng)中沒有使用操作系統(tǒng)的必要。隨著技術(shù)的進(jìn)步與復(fù)雜需求的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，這個(gè)階段的嵌入式系統(tǒng)硬件大多采用了32位的嵌入式SOC

(SystemonChip)芯片，軟件系統(tǒng)則增加了嵌入式操作系統(tǒng)。從圖1-1中可以看出，操作系統(tǒng)處于上層軟件與嵌入式硬件系統(tǒng)的中間，在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中處于重要的地位，起著至關(guān)重要的作用。它負(fù)責(zé)控制與管理嵌入式硬件系統(tǒng)，將硬件的復(fù)雜性隱藏起來(lái)，為上層軟件設(shè)計(jì)提供一個(gè)統(tǒng)一、易用的應(yīng)用程序編程接口，以降低應(yīng)用軟件開發(fā)的復(fù)雜性。同時(shí)，作為嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的管理者，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟、硬件資源的調(diào)度與分配，保證系統(tǒng)資源被有效、合理地使用。總而言之，嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與使用是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要的里程碑，它掩蓋了底層硬件的復(fù)雜性，提高了軟件的開發(fā)效率和軟件的可維護(hù)性。現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)(例如手機(jī))的功能與硬件復(fù)雜度較原有的單片機(jī)系統(tǒng)大大提高，同時(shí)軟件開發(fā)的復(fù)雜度也大大提高，這類復(fù)雜系統(tǒng)已無(wú)法使用原來(lái)單片機(jī)的開發(fā)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其開發(fā)模式發(fā)生了很大的變化。原來(lái)單片機(jī)的開發(fā)通常是由一個(gè)電子工程師完成電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟件編程仿真和調(diào)試開發(fā)等工作；嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要屬于電子工程領(lǐng)域的開發(fā)，它主要的工作是硬件設(shè)計(jì)，軟件的工作量并不大。而復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式發(fā)生了極大的改變，不僅硬件系統(tǒng)的開發(fā)比單片機(jī)復(fù)雜了許多，更重要的是在該系統(tǒng)中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，其應(yīng)用軟件的開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂貌僮飨到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域的應(yīng)用軟件的開發(fā)。總之，復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式已從原來(lái)單片機(jī)時(shí)代電子工程領(lǐng)域的開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮庸こ毯陀?jì)算機(jī)工程的協(xié)同開發(fā)。一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不僅需要完成嵌入式硬件系統(tǒng)的開發(fā)，還需要完成嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)，甚至需要嵌入式操作系統(tǒng)的定制與移植。1.1.4嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用模式

1．客觀存在的兩種應(yīng)用模式

嵌入式系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用特點(diǎn)決定了它具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。作為計(jì)算機(jī)的內(nèi)涵，要求計(jì)算機(jī)領(lǐng)域人員介入其體系結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、工程應(yīng)用方面的研究。然而，了解對(duì)象系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制模式必須具備對(duì)象領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。因此，從嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的歷史過(guò)程以及嵌入式應(yīng)用的多樣性中，我們可以了解到客觀上形成的兩種應(yīng)用模式。第一種是電子技術(shù)應(yīng)用模式。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起源于微型機(jī)時(shí)代，但很快就進(jìn)入到獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。在單片機(jī)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進(jìn)入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計(jì)算機(jī)專業(yè)隊(duì)伍并沒有真正進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習(xí)慣的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最重要的特點(diǎn)是：軟、硬件的底層性和隨意性；對(duì)象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性；缺少計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法。第二種是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用模式。在單片機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)專業(yè)很少介入嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)得以發(fā)展；同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計(jì)算機(jī)專業(yè)人士介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊天地。計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的介入所形成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式帶有明顯的計(jì)算機(jī)的工程應(yīng)用特點(diǎn)，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層應(yīng)用。

2．兩種應(yīng)用模式的并存與互補(bǔ)

由于嵌入式系統(tǒng)最大、最廣、最底層的應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域的智能化改造，因此，以通曉對(duì)象專業(yè)的電子技術(shù)隊(duì)伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開銷，以8位機(jī)為主，帶有濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)色彩的應(yīng)用模式會(huì)長(zhǎng)期存在下去。另外，計(jì)算機(jī)專業(yè)人士會(huì)越來(lái)越多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但限于對(duì)象專業(yè)知識(shí)的缺乏，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、電子商務(wù)等方面，不可能替代原來(lái)電子工程師在控制、儀器儀表、機(jī)械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會(huì)長(zhǎng)期并存下去。對(duì)于電子技術(shù)應(yīng)用模式，應(yīng)從計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用模式中學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用模式，應(yīng)從電子技術(shù)應(yīng)用模式中了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計(jì)方法和對(duì)象系統(tǒng)的基本要求等。1.1.5嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向

1．嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀

今天，嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)逐步滲透到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在我們身邊，嵌入式系統(tǒng)可謂無(wú)處不在。例如，手機(jī)，電視機(jī)頂盒，辦公室中的掃描儀、打印機(jī)，工廠里的儀表、控制設(shè)備等，都用到了嵌入式處理器。可以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)在當(dāng)今的社會(huì)中有著舉足輕重的地位。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，處理器增長(zhǎng)速度也隨之加快，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是網(wǎng)絡(luò)的普及，嵌入式與互聯(lián)網(wǎng)成為最熱門的技術(shù)。現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)可以具備網(wǎng)絡(luò)功能，可以連接Internet或企業(yè)局域網(wǎng)，這種特性增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)多方面的實(shí)用性。

2．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向

嵌入式系統(tǒng)在未來(lái)具有廣闊的發(fā)展前景，總的來(lái)說(shuō)，它將向更高性能、更小體積、更低功耗、更低價(jià)格等方向發(fā)展。其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)朝著基于芯片，特別是系統(tǒng)可編程芯片(SoPC)的方向發(fā)展。為了降低研制難度，人們將采用融微處理器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、可編程系統(tǒng)級(jí)芯片技術(shù)和軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)于一體的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。今后，嵌入式系統(tǒng)的主要發(fā)展方向如下：

(1)開放式平臺(tái)架構(gòu)，便于與其他系統(tǒng)整合；

(2)體積更小，性能更穩(wěn)定，成本更低廉；

(3)應(yīng)用多元化，需要小批量、快速定制化的服務(wù)；

(4)嵌入式操作系統(tǒng)從可用型、通用型向可定制型、優(yōu)化型轉(zhuǎn)化；

(5)集成開發(fā)環(huán)境更加開放，抽象程度更高，調(diào)試更方便；

(6)嵌入式軟件將以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ)，采用軟件復(fù)用、基于組件及集成化計(jì)算機(jī)輔助軟件工程互為協(xié)同的方法開發(fā)。

1.2嵌入式處理器

1.2.1嵌入式處理器的分類

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。根據(jù)現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類。

1．嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU)

嵌入式微處理器有以下兩種類型：

(1)嵌入式系統(tǒng)中使用的通用處理器，它并不是專門用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，典型的代表有X86處理器(從80186、80386到PentiumM)。例如，研揚(yáng)科技公司生產(chǎn)的嵌入式主板PCM830里就用到了PentiumM處理器，該產(chǎn)品用于醫(yī)療器械和電力調(diào)度控制系統(tǒng)中。

(2)專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的處理器，因?yàn)槠溥\(yùn)算器、寄存器和總線的位寬長(zhǎng)，功耗低且含指令流水線，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，所以兼有許多通用處理器的特點(diǎn)，典型的代表有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

2．嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontrollerUnit,EMCU)

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。

嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從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統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有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，還有許多半通用系列，如支持USB接口的8XC930/931、C540、C541，支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用和兼容系列。特別值得注意的是，近年來(lái)提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱為Microcontroller，Motorola公司把以PowerPC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI(TexasInstruments)公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為微控制器進(jìn)行推廣。

3．嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較快。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正在從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源：一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端、帶有加/解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、用于移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展出DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外，Philips公司也推出了基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。

4．片上系統(tǒng)(SystemonChip，SOC)

隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是片上系統(tǒng)(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的Verilog、VHDL等硬件描述語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣，除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò)2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語(yǔ)言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)(如Internet)安全方面。1.2.2ARM微處理器

ARM是AdvancedRISCMachines(高級(jí)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)處理器)的縮寫，它既是一種微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核，也是一個(gè)公司的名稱，它設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、低耗能的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。

ARM微處理器已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域，并且保持持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。目前，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額。采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：①體積小、功耗低、成本低、性能高；

②支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集；

③大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

④大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

⑤尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

⑥指令長(zhǎng)度固定。

ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

(1)?ARM7系列：一般包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ幾種內(nèi)核。ARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器之一，主要應(yīng)用于工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。

(2)?ARM9系列：包含ARM920T、ARM922T和ARM940T3種類型，主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等領(lǐng)域。本書中介紹的S3C2410就是ARM9系列的ARM920T類型。

(3)?ARM9E系列：包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S3種類型，主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

(4)?ARM10E系列：包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S3種類型，主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

(5)?SecurCore系列：包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC2104種類型，主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。

(6)?Intel的Xscale處理器：它基于ARMv5TE架構(gòu)的解決方案，是一款高性能、高成本效益比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在許多移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。

(7)?Intel的StrongARMSA-1100處理器：它采用ARM架構(gòu)高度整合的32位RISC微處理器，融合了Intel公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM架構(gòu)的電源效率，采用在軟件上相容ARMv4架構(gòu)，同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的架構(gòu)。IntelStrongARM處理器是便攜型通信產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求；SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)；Intel的Xscale和StrongARM也是應(yīng)用非常廣泛的嵌入式處理器系列。1.2.3PowerPC、MIPS及X86架構(gòu)

1.?PowerPC

PowerPC早期是由IBM、Motorola和Apple聯(lián)合投資開發(fā)的，后來(lái)Apple公司退出。早期的產(chǎn)品，比如PowerPC601、PowerPC602、PowerPC604、PowerPC620是由三家公司聯(lián)合研制的，而現(xiàn)在的PowerPC微處理器則由IBM和Motorola分別生產(chǎn)。這兩家公司生產(chǎn)的微處理器芯片的編號(hào)和型號(hào)也各不相同。迄今為止，Motorola公司共生產(chǎn)了6代產(chǎn)品，分別是G1、G2、G3、G4、G5和G6。Motorola公司生產(chǎn)的PowerPC微處理器芯片具有“MPC”前綴。2004年，Motorola公司分拆半導(dǎo)體部門，由該部門組建了Freescale(飛思卡爾)公司。現(xiàn)在，飛思卡爾公司延續(xù)MPC處理器的技術(shù)支持和新品研發(fā)。

IBM公司的PowerPC微處理器芯片有4個(gè)系列，分別是4XX綜合處理器、4XX處理器核、7XX高性能32位微處理器和9XX超高性能64位微處理器。

PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好，方便靈活。PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核，應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備，無(wú)所不包。

2.?MIPS

MIPS是每秒百萬(wàn)條指令(MillionInstructionsPerSecond)的簡(jiǎn)稱，也是無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器(MicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages)的簡(jiǎn)稱，同時(shí)還是一家CPU生產(chǎn)商的名字。本書中指的是后兩者。

無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器最早是在20世紀(jì)80年代初期由美國(guó)斯坦福大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來(lái)的。MIPS技術(shù)公司則是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次的嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。

1984年，MIPS計(jì)算機(jī)公司成立。1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。1992年，SGI收購(gòu)了MIPS計(jì)算機(jī)公司。之后，又陸續(xù)推出R8000(1994年)、R10000(1996年)和R12000(1997年)等型號(hào)。1998年，MIPS脫離SGI，成為MIPS技術(shù)公司。之后，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點(diǎn)放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)MIPS指令集，并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。

MIPS公司陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核(Core)MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核MIPS645Kc。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS324Kc的新版本以及未來(lái)64位MIPS6420Kc處理器內(nèi)核。MIPS公司新近推出的MIPS3224K微架構(gòu)適合支持各種新一代嵌入式設(shè)計(jì)，例如視訊轉(zhuǎn)換器與DTV等需要相當(dāng)高的系統(tǒng)效能與應(yīng)用設(shè)定彈性的數(shù)字消費(fèi)性電子產(chǎn)品。在嵌入式方面，MIPS系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一(1999年以前，MIPS是世界上用得最多的處理器)，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，在設(shè)計(jì)理念上，MIPS強(qiáng)調(diào)軟、硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

3.?X86

X86嵌入式系統(tǒng)是指以X86系列CPU為核心的嵌入式系統(tǒng)。目前X86系列的嵌入式系統(tǒng)大致分成兩個(gè)部分：一是以Pentium為代表的高端硬件環(huán)境；一是以386為代表的低端硬件平臺(tái)。

高端X86平臺(tái)一般采用Windows作為操作系統(tǒng)，開發(fā)工具使用Windows環(huán)境的開發(fā)工具。實(shí)質(zhì)上高端的X86嵌入式系統(tǒng)就是專用PC機(jī)。低端X86平臺(tái)大多采用DOS或其他RTOS作為目標(biāo)板的操作系統(tǒng)。由于X86平臺(tái)容易做到與PC兼容，因此開發(fā)工具同樣可利用PC上的現(xiàn)行工具。嵌入式系統(tǒng)是面向?qū)ｍ?xiàng)應(yīng)用的，對(duì)成本非常敏感。以386CPU為代表的低端X86平臺(tái)以它優(yōu)良的性價(jià)比在工業(yè)自動(dòng)化、智能終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、設(shè)備上網(wǎng)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于PC兼容性的發(fā)展模式，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已為我們提供了大量?jī)?yōu)秀而廉價(jià)的開發(fā)工具。充分利用這一優(yōu)勢(shì)，是從簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入更為豐富多彩的嵌入式系統(tǒng)的最佳途徑。

1.3嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用和傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是需求和復(fù)雜度增加的必然結(jié)果，是產(chǎn)品上市時(shí)間和可維護(hù)性的時(shí)代要求。嵌入式操作系統(tǒng)從一開始便在通信、交通、醫(yī)療、安全方面展現(xiàn)出強(qiáng)大的魅力和強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α?.3.1嵌入式操作系統(tǒng)的概念和分類

嵌入式系統(tǒng)就是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件、硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合體。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序，應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)行和動(dòng)作，而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序與硬件的交互作用。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率。如圖1-2所示，按照層次的不同可以將嵌入式操作系統(tǒng)分為3個(gè)部分：最小的基本部分(包括一個(gè)用作引導(dǎo)的設(shè)施，一個(gè)具備內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、定時(shí)器服務(wù)的微內(nèi)核和一個(gè)初始進(jìn)程)；為了具備一定的實(shí)用性，還需加上硬件驅(qū)動(dòng)程序，一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)用程序完成必需的功能；隨著對(duì)系統(tǒng)要求的增加，一般還包括一個(gè)文件系統(tǒng)(放在ROM或RAM)、TCP/IP協(xié)議棧等。圖1-2嵌入式操作系統(tǒng)的組成操作系統(tǒng)的任務(wù)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源，合理、有效地組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作，為用戶提供一個(gè)使用方便且易于擴(kuò)展的工作環(huán)境。操作系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多種，而其中最基本的操作系統(tǒng)類型有3類，即多任務(wù)操作系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。但一個(gè)實(shí)際的操作系統(tǒng)中可能同時(shí)兼有三者或者兩者的功能。

1.多任務(wù)操作系統(tǒng)

多任務(wù)操作系統(tǒng)中，用戶提交的作業(yè)都先放在外存上排成一個(gè)隊(duì)列，再由操作系統(tǒng)中的調(diào)度程序按照一定的算法從外存中調(diào)入內(nèi)存，使得調(diào)入內(nèi)存的作業(yè)共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源，以達(dá)到提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的目的。該操作系統(tǒng)具有以下特征。

(1)并行性。在內(nèi)存中可同時(shí)駐留多個(gè)程序，這些程序可同時(shí)并發(fā)執(zhí)行，從而有效地提高了資源利用率和吞吐量。

(2)調(diào)度性。一個(gè)作業(yè)由開始提交給操作系統(tǒng)到完成，要經(jīng)過(guò)作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩個(gè)調(diào)度過(guò)程。前者將作業(yè)由外存后備隊(duì)列中調(diào)度到內(nèi)存，后者從內(nèi)存中選出該作業(yè)，并交給處理機(jī)完成。

(3)無(wú)序性。作業(yè)完成的先后順序和它們進(jìn)入內(nèi)存的先后順序無(wú)關(guān)，先進(jìn)入的可能最后完成，相反，后進(jìn)入的可能首先完成。

多任務(wù)操作系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)：由于作業(yè)首先要進(jìn)行排隊(duì)，然后再進(jìn)行處理，導(dǎo)致作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)；另外就是無(wú)交互能力，對(duì)修改和調(diào)試程序都極不方便。

2.分時(shí)系統(tǒng)

基于共享計(jì)算機(jī)和人機(jī)交互方便性兩個(gè)因素的考慮，產(chǎn)生了分時(shí)系統(tǒng)。分時(shí)系統(tǒng)能令用戶覺得自己好像是獨(dú)占一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并可以對(duì)它進(jìn)行直接控制，能夠方便地修改錯(cuò)誤。用戶還能夠通過(guò)自己的終端把作業(yè)提交到主機(jī)上運(yùn)行，能對(duì)自己的程序進(jìn)行控制。分時(shí)系統(tǒng)具有以下特征。

(1)并行性。允許在一臺(tái)主機(jī)上同時(shí)連接多臺(tái)終端，系統(tǒng)按分時(shí)原則為每個(gè)用戶服務(wù)。宏觀上是多個(gè)用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源，實(shí)際上是每個(gè)用戶作業(yè)輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。

(2)獨(dú)立性。每個(gè)用戶各自獨(dú)占一個(gè)終端，相互間是獨(dú)立的，因此從用戶的角度看好像是一個(gè)人在使用主機(jī)。

(3)交互性。用戶可以通過(guò)終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的人機(jī)對(duì)話，即用戶可以請(qǐng)求分時(shí)系統(tǒng)提供多方面的服務(wù)，如文件編輯、數(shù)據(jù)處理等。

(4)及時(shí)性。分時(shí)系統(tǒng)要求用戶的請(qǐng)求能在很短時(shí)間內(nèi)獲得響應(yīng)，而這個(gè)時(shí)間間隔應(yīng)該是以人們能夠忍受范圍內(nèi)的等待時(shí)間來(lái)決定的。

3.實(shí)時(shí)系統(tǒng)

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一種能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。“實(shí)時(shí)”并不等于“快”，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)典定義是：系統(tǒng)的正確性不僅依賴于計(jì)算結(jié)果邏輯上的正確，還依賴于此結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間是否正確。實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩種。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)指系統(tǒng)要確保最壞情況下的服務(wù)時(shí)間，即對(duì)于事件的響應(yīng)必須在響應(yīng)的截止期限內(nèi)得到處理，否則會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)也要求到達(dá)系統(tǒng)的事件在截止期限之前得到處理，但如果違反截止期限的要求，并不會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，只會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)性能的下降。例如，MP3播放器就是一個(gè)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，航天和軍事領(lǐng)域采用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)則是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有及時(shí)性、交互性和獨(dú)立性的特征。實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求比分時(shí)系統(tǒng)要高，分時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間通常為秒級(jí)，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是以控制對(duì)象能接受的延遲時(shí)間來(lái)確定的，可能是秒級(jí)，也可能是毫秒級(jí)，甚至是微秒級(jí)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)也保留了通用操作系統(tǒng)的交互性，但是它僅允許操作員訪問(wèn)其中有限的專用程序，一般不能寫入程序和修改程序，其交互性比通用操作系統(tǒng)差。從獨(dú)占性來(lái)看，每個(gè)用戶通過(guò)自己的終端請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)，互不干擾，好像獨(dú)占一樣。1.3.2嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式操作系統(tǒng)具有區(qū)別于通用操作系統(tǒng)的一些重要特征，這些特征主要有以下幾點(diǎn)。

(1)體積小。設(shè)計(jì)者不斷地在更小空間、更便宜的CPU中注入更強(qiáng)的計(jì)算能力，并希望將這些CPU集成于各種各樣的項(xiàng)目中。一個(gè)小的嵌入式操作系統(tǒng)也經(jīng)常只使用幾千字節(jié)的RAM和ROM內(nèi)存。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般要求功能強(qiáng)大，而在嵌入式系統(tǒng)中，在滿足相應(yīng)需求的情況下，則要求占用資源盡可能地少。

(2)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。嵌入式操作系統(tǒng)在沒有人工干預(yù)的情況下應(yīng)該能運(yùn)行幾年，這意味著硬件和軟件永遠(yuǎn)都不會(huì)出錯(cuò)。因此，系統(tǒng)最好沒有機(jī)械部分，比如軟驅(qū)和硬盤。因?yàn)闄C(jī)械部分更容易出問(wèn)題，而且還會(huì)占用更多的空間，需要更多的能量，通信時(shí)間更長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜(比如機(jī)械部件的移動(dòng)控制)。

(3)故障重啟。盡管已經(jīng)將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)得非常堅(jiān)固可靠，但開發(fā)人員仍然需要預(yù)防系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能(比如內(nèi)存保護(hù)錯(cuò)誤)。因?yàn)榇讼到y(tǒng)可能運(yùn)行在一個(gè)無(wú)人的環(huán)境，無(wú)法手工進(jìn)行復(fù)位操作，所以嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)具有在出現(xiàn)故障時(shí)立即啟動(dòng)到一個(gè)安全狀態(tài)的功能，特別是系統(tǒng)控制著一些關(guān)鍵設(shè)備時(shí)。

(4)功耗低。嵌入式系統(tǒng)一般需要長(zhǎng)時(shí)間工作，比如手機(jī)，在電池功率一定的情況下，就需要系統(tǒng)盡可能小地消耗能量。大的耗電量還直接影響到硬件的費(fèi)用，需要更大功率的電源。

(5)價(jià)格便宜。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)該盡可能便宜。嵌入式系統(tǒng)通常是成千上萬(wàn)大批量生產(chǎn)的，哪怕是價(jià)格降低一點(diǎn)點(diǎn)，也會(huì)使產(chǎn)品銷量大增。

(6)動(dòng)態(tài)加載。一些嵌入式系統(tǒng)在被啟動(dòng)以后在物理上是沒法接觸到的(比如發(fā)射的衛(wèi)星)，但還是有許多嵌入式系統(tǒng)仍然可以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。為了軟件的升級(jí)，應(yīng)該可以支持動(dòng)態(tài)鏈接，在開始啟動(dòng)時(shí)不存在的目標(biāo)代碼要能被上傳到系統(tǒng)，在不需要停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，將目標(biāo)碼鏈接到運(yùn)行的操作系統(tǒng)上并運(yùn)行。1.3.3典型嵌入式操作系統(tǒng)

在工業(yè)控制及其他相關(guān)領(lǐng)域主流的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、WindowsCE、PalmOS、EmbeddedLinux、pSOS及OS-9等。下面介紹幾個(gè)典型嵌入式操作系統(tǒng)。

1.?VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地。

VxWorks具有可裁減微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的任務(wù)管理，靈活的任務(wù)間通信，微秒級(jí)的中斷處理，支持POSIX1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等；缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，因此價(jià)格一般都比較高，通常需花費(fèi)10萬(wàn)元人民幣以上才能建起一個(gè)可用的開發(fā)環(huán)境，對(duì)每一個(gè)應(yīng)用一般還要另外收取版

稅。一般不提供源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護(hù)，因此軟件的開發(fā)和維護(hù)成本都非常高。

2.?WindowsCE

WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，這無(wú)疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢(shì)。其中WinCE3.0是一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化、32位和模塊化的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。它為針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備。

WindowsCE是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM。不過(guò)，從技術(shù)角度上講，WindowsCE作為嵌入式操作系統(tǒng)有很多缺陷：沒有開放源代碼，使應(yīng)用開發(fā)人員很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過(guò)多的系統(tǒng)內(nèi)存，程序代碼龐大；版權(quán)許可費(fèi)也是廠商不得不考慮的因素。

3.嵌入式Linux

嵌入式Linux是嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)新成員，其最大的特點(diǎn)是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近幾年以來(lái)已成為研究熱點(diǎn)。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，有近50%的項(xiàng)目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。

由于其源代碼公開，因此人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用，并且查錯(cuò)也很容易。由于它遵從GPL(GNU通用公共許可證)，因此它不用為每例應(yīng)用交納許可證費(fèi)。Linux下的應(yīng)用軟件也很豐富，并且大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費(fèi)的，稍加修改后可以應(yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)，如提供多種免費(fèi)的優(yōu)秀的開發(fā)工具，并且開放源代碼。

Linux下的軟件開發(fā)無(wú)需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語(yǔ)言即可；隨著Linux在中國(guó)的普及，這類人才越來(lái)越多，所以軟件的開發(fā)和維護(hù)成本很低。另外，嵌入式Linux還具有突出的網(wǎng)絡(luò)功能和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。總之，嵌入式Linux內(nèi)核精悍，運(yùn)行所需資源少，十分適合嵌入式應(yīng)用。

嵌入式Linux支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持，而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來(lái)很大方便。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行Linux的一個(gè)缺點(diǎn)是，Linux體系提供實(shí)時(shí)性能，需要添加實(shí)時(shí)軟件模塊，而這些模塊運(yùn)行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實(shí)時(shí)軟件模塊是在內(nèi)核空間運(yùn)行的，因此代碼錯(cuò)誤可能會(huì)破壞操作系統(tǒng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，這對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用將是一個(gè)非常嚴(yán)重的弱點(diǎn)。

4.?μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于單片機(jī)、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。它是在原版本μC/OS的基礎(chǔ)上做了重大改進(jìn)與升級(jí)，并有了近十年的使用實(shí)踐，有許多成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例。它主要有以下特點(diǎn)。

(1)公開源代碼。很容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個(gè)不同的硬件平臺(tái)上。

(2)可移植性。絕大部分源代碼是用C語(yǔ)言編寫的，便于移植到其他微處理器上。

(3)可固化。

(4)可裁減性。有選擇地使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少系統(tǒng)所需要的存儲(chǔ)空間。

(5)占先式。完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

(6)多任務(wù)。可管理64個(gè)任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。

(7)可確定性。函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性，不依賴于任務(wù)的多少。

(8)實(shí)用性和可靠性。成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例是其實(shí)用性和可靠性的最好證據(jù)。

由于μC/OS-Ⅱ僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，這就意味著它不像其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)那樣提供給用戶許多API函數(shù)接口，還有很多工作需