嵌入式系统概述第3节课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机科学与技术学院,COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY,吉林大学,嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的OS，最主要的特点是,实时性,。,所谓实时系统,是指一个优先级高的任务能够获得,立即的、没有延迟的服务,，它不需要等候任何其他服务，而且在获得CPU使用权后，可以不间断地执行到任务完毕除非有更高级地任务出现。,系统的正确性,不仅取决与执行结果的正确性，更取决于产生,结果的时间,。,实时系统(解释),是指“一个能够在指定的或者确定的时间内，实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出响应的系统”。,嵌入式实时操作系统,一般来说，,操作系统,内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、管理设备等。但是，一些桌面操作系统，如Windows等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。,内核变大使得占用的资源,增多，剪裁起来很麻烦。,嵌入式操作系统,采用,微内核结构,，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。,嵌入式实时操作系统特点,1微内核结构,任务的调度有三种方式：,可抢占式调度,、,不可抢占式调度,和,时间片轮转调度,。,不可抢占式调度：,一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；,可抢占式调度：,基于任务优先级，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；,时间片轮转调度：,当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完。,目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的,抢占式调度法,，对相同优先级的任务则采用,时间片轮转调度法,。,嵌入式实时操作系统特点,2任务调度,多数嵌入式系统对时间的要求较高，称之为,实时系统,。,有两种类型的实时系统：,硬实时系统,和,软实时系统,。,软实时系统(尽快),并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；,硬实时系统(,规定时间内,),对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。,嵌入式实时操作系统特点,3硬实时和软实时,一些桌面操作系统使用了虚拟存储器的概念。采用段式管理、页式管理、或段页式管理。这种存储管理方式占用了较多的系统资源。,但是，大多数,嵌入式系统不使用虚存技术,，对内存的访问是直接的，使用物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程共享同一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器。,由此可见，嵌入式系统的开发人员必须参与系统的内存管理，,对软件中的一些内存操作必须格外小心,。,嵌入式实时操作系统特点,4内存管理,嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。,Flash的运行方式,，是把内核的可执行映像烧写到Flash上，系统启动时从Flash的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。,内核加载方式,是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。,嵌入式实时操作系统特点,5内核加载方式,启动程序BootLoader,PC机中，完成初始化处理器、硬件初始化等操作的是,BIOS,。,对于嵌入式系统，处于经济性、价格方面考虑，一般不配置BIOS，须自行编写程序完成相应的功能。即,BootLoader程序,。,系统加电复位后，从复位地址上执行指令，通常映射到这个指令的是固态存储器（ROM，flash）。,主要包括初始化硬件设备、建立内存空间映射图、启动操作系统、启动内存管理、任务管理、加载驱动程序等，最后执行应用程序或等待用户命令。,BootLoader依赖于系统的软硬件环境，因此,建立一个通用的，标准的BootLoader比较困难,。,常见的实时操作系统,国内RTOS：,女娲Hopen,桑夏2000,Delta OS,中软Linux2.0,Linux HardHat,Linux (Monta Vista),Red Flag Linux（红旗Linux）,HBOS（“天堂之鸟”）,Suse,Red Hat,Embedix,LynxOS (LynuxWorks),常见的实时操作系统,国外RTOS：,VX Works (风河系统),Windows CE (微软),pSOSystem (风河系统),VRTX (明导资讯),Palm,PowerTV,AMX (KADAK),C Executive,PSX (JMI),VelOSity (Green Hills),OS-9 (Microware Systems),OSE (Enea OSE Systems),QNX (QNX Software Sys),RTXC (,Lineo,/Embedded Power Corp),SuperTask,! (US Software),ThreadX,(Express Logic),TNT/RTX (,VenturCom,),Windows NT Embedded/XP (,微软,),嵌入式系统的分类,小规模嵌入式系统,：,由8位或16位为控制器为核心，软件设计以“C”语言为主。自动售货机，洗衣机，智能玩具，键盘控制器，鼠标，CD驱动器，传真机，打印机，复印机等。,中等规模嵌入式系统：,由16位、32位、DSP、RISC计算机构成，软件构成上经常使用操作系统。,路由器，音响系统，银行ATM，SIM卡，移动电话，PDA。,复杂嵌入式系统：,硬软件较复杂，硬件上使用大规模处理器或可编程逻辑阵列，采用软硬件协同设计方法，软件上经常使用加密解密算法，离散傅立叶变换及逆变换算法，TCP/IP协议栈等。无线网络产品，实时多媒体处理系统，高速网络系统，计算机安全产品等。,嵌入式系统开发技术,计算机体系结构,数字电路设计及模拟电子技术,数据通信,控制工程,传感器以及测试技术,软件工程,汇编语言程序设计,C语言程序设计,RTOS编程技术,嵌入式系统开发工具,编译器：GNU编译器,调试工具：GNU调试工具,集成开发环境（IDE）,绘图入门工具,算法开发工具：UML/SDL工具库,网络/通信协议,配置管理工具,需求管理工具,DSP开发工具,器件驱动器开发工具,软硬件协同验证工具,Java,工具,存储器分析工具,软件仿真,/,建模工具,Win CE,工具,测试软件事件跟踪工具,内电路仿真器（,ICE）,ROM,仿真器,JTAG,仿真器,逻辑分析器,示波器,嵌入式系统设计设计目标,执行效果,运行速度,执行时间、使用效果,功能性和用户接口,生产成本,能耗,其他需求,(,物理尺寸、重量等,),环境与,EMC,嵌入式系统设计,系统设计一般流程,系统结构设计,系统需求分析,模具结构设计,硬件构件设计,软件构件设计,系统集成,系统测试,产品,规格说明书,嵌入式系统软硬件协同设计,系统说明文档,高层算法模型,软硬件划分和任务分配,划分模型,高度模型,通信模型,软硬件接口定义,硬件设计要求,行为模型,划分,RTL,综合,软件设计要求,用例分析,结构设计,子系统设计,用例设计,范例设计,软硬件协同仿真验证,创建仿真模型，,分析与确认,嵌入式系统设计,硬件构件设计流程,软件构件设计流程,嵌入式系统设计流程,1系统需求分析,确定设计任务和设计目标，提练设计规格说明书，作为设计指导和验收的标准。系统需求一般包括功能性需求和非功能性需求两方面。,功能性需求,是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；,非功能性需求,包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。,2体系结构设计,描述系统如何实现所述的功能性和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。,嵌入式系统设计流程,3硬件/软件设计（硬件、软件、执行装置并行设计）,基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的大部分工作集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。,4系统集成,把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。,嵌入式系统设计流程,5系统测试,对设计好的系统进行测试，检查是否满足规格说明书中给定的功能要求。,针对系统的不同复杂程度，有不同的系统设计方法，比如瀑布设计方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细化设计方法、并行设计方法等。可根据实际情况和熟悉程度灵活选用。,验收阶段提交的文档样例,技术文件目录,技术任务书,技术方案报告,产品标准（草案）,技术条件,可靠性技术设计,技术设计说明书,试产总结,测试报告,硬件/软件开发工具,主要商家,1,实时在线仿真系统ICE,(In-Circuit Emulator)(),2,高级语言编译器,（Compiler Tools）()。提供高档嵌入式微处理器编译器的公司有：Microsoft(x86)、Borland(x86)、Microtec(68k、PowerPC、x86、i960)、Intel(i960)、Diab(PowerPC、68K)、GreenHill(68k、PowerPC、MIPS、X86)等。嵌入式Java 将会在未来两年在高档嵌入式微处理器中得到应用。,3,源程序模拟器,（Simulator）(http:/；),嵌入式系统开发工具市场：,国外产品占领市场90以上，国内产品占领市场很小，但正在兴起，很快进入市场。,硬件开发环境,嵌入式系统应用情况,1国外情况,美国：水平较高,日本：较普及,欧洲共同体：较好,新加坡：一般,2国内情况,国内先进水平：一般,台湾：较好,香港：较高,澳门：一般,嵌入式系统主要应用领域1,国防工业、军事工业、兵器工业：,各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、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。,嵌入式系统主要应用领域2,信息家电、民用设备：,各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他,消费类电子产品,等。,嵌入式系统主要应用领域3,工业：,各种智能测量仪表、智能卡、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、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。,嵌入式系统主要应用领域4,商业：,各类收款机、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、,智能金融器具、,远程教育。,嵌入式系统主要应用领域5,办公自动化：,复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。,嵌入式系统主要应用领域6,医疗保健设备：,各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。,其他领域：,农业技术、,光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、,移动数据库、语音处理。,嵌入式技术刺激新的需求,嵌入式系统应用中相关技术及配套技术,1芯片技术,2通信网络技术,3总线技术,4电源技术,5材料科学,6测量技术,7纳米技术,从发展来看，,嵌入式,Internet,将成为重要的研究方向，因此设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关、嵌入式因特网路由器将成为嵌入式,Internet,时代的关键和核心技术。,嵌入式系统应用技术热点1,1嵌入式支撑软件,嵌入式浏览器,嵌入式多媒体套件,嵌入式GUI,嵌入式中文系统,嵌入式应用套件,嵌入式Java,嵌入式无线通讯软件,2嵌入式语音芯片,嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统，采用语音识别和语音合成、语音学和文本处理等技术。,应用场合：,手持设备、智能家电,玩具（声控玩具、仿真宠物）,车载通信设备,移动通信设备,嵌入式系统应用技术热点2,3嵌入式人机界面技术,嵌入式设备之所以为千家万户所接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互是通过GUI屏幕。,该项研究内容还包括：,手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件、彩色图形图像处理。,嵌入式系统应用技术热点3,4汽车电子技术,汽车电子应用包括四部份：,汽车发动机控制：,限速控制，燃料喷注控制,汽车舒适装置：,遥控防盗系统，自动空调系统，影音播放系统，卫星导航系统,汽车操控和制动：,刹车防抱死系统(ABS)，防滑系统(ASR)，电子稳定系统(ESP),汽车总成控制：,完成整车的优化控制,汽车的控制单元较多，采用的嵌入式微控制器各不相同，但都要求符合工业规格，能适应汽车工作的恶劣环境，包括高温、电源干扰、可靠度等。,嵌入式系统应用技术热点4,嵌入式系统应用技术热点5,5与Internet相结合,嵌入式系统的未来将向多媒体化和网络化方向发展。,将进一步紧密结合Internet和采用蓝牙技术的无线网络。,在智能化方面，基于知识的嵌入式系统也将是一个发展方向。,嵌入式技术的发展趋势,以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战：,支持日趋增长的功能密度,灵活的网络联接,轻便的移动应用,多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动,支持二次开发和动态升级等,嵌入式技术的发展趋势,形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台,嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PC一样只有一种平台。,吸取PC的成功经验，形成不同行业的标准。,统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。,如欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口,嵌入式技术的发展趋势,面向应用领域的、高度集成的、以32位嵌入式微处理器为核心的SOC（System On Chip）将成为应用主流,SoC给系统带来高性能之外更多更重要的好处,稳定性、体积、散热、功耗, ,处理器,外设,存储器,I/O,“System on board”,“System on chip”,USB,以太网,memory,嵌入式技术的发展趋势,External,Memory,CPU,Address,Data,Cache,Bus,Interface,Write Buffer,MMU / MPU,R,R,W,W,W,W,(R/W),外设,如USB、LCD,控制器等,扩展芯片,内核（core）,处理器存储器子系统,SoC的片内外设,系统的片外设备,处理器（Processor）,芯片（SoC）,系统（System）,嵌入式技术的发展趋势,嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持,采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。,嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向:,可适应不同的嵌入式硬件平台,具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展,嵌入式技术的发展趋势,嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用,针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持。,针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。,为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览器和Web Server。,复习题,1如何描述嵌入式系统？,2嵌入式系统的典型组成。,3,嵌入式实时操作系统特点。,4,简述嵌入式系统设计流程。,5,嵌入式处理器包括哪几种类型?,6说明嵌入式系统的发展过程。,本章结束,请同学们认真复习,