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1、嵌 入 式 系 统Embedded System,主讲教师:韩德强,北京工业大学计算机学院网络与信息安全学科部,2,北京工业大学计算机学院,课程的目的和任务,本课程将以Intel XScale技术及Microsoft Windows CE.NET技术为核心，讲述嵌入式系统的设计、开发方法、流程及手段。了解、掌握嵌入式系统的概念、开发方法和开发流程；了解ARM架构微处理器的构成；熟悉Intel XScale架构及其应用处理机的内部结构及使用方法；了解Windows CE.NET的基本构成原理；重点掌握在Intel PXA255硬件实验平台上定制Windows CE.NET操作系统的方法；重点掌握
2、基于Windows CE.NET操作系统下Intel PXA255应用程序的设计方法；了解基于Windows CE.NET驱动程序的设计方法。,3,北京工业大学计算机学院,学时安排,课内环节：20学时实践环节：12学时,考核方式,拟采用以下方式：平时：20%实验：30%课程设计：50%,4,北京工业大学计算机学院,教学内容,嵌入式系统概述ARM体系结构XScale的系统架构Windows CE.NET体系结构Windows CE的应用开发,5,北京工业大学计算机学院,参考书,嵌入式技术与系统Intel XScale 结构与开发 陈章龙 唐志强 涂时亮主编 北京航空航天大学出版社 2004年2月
3、Windows CE.NET系统分析及实验教程陈向群 王雷等编著 机械工业出版社 2003年1月ARM体系结构与编程杜春雷编著 清华大学出版社 2003年2月Windows Embedded MOC Training Microsoft嵌入式系统Windows CE开发技巧与实例 傅曦 齐宇编 化学工业出版社 2004年1月,第一章 嵌入式系统概述,7,北京工业大学计算机学院,1.1 嵌入式系统概述,智能播放器,车载设备,SmartphonePocket PC,消费商品,机顶盒网关,应用产品,POSATM,安防设备,其它,工业控制医疗设备办公自动化,什么是嵌入式系统？,8,北京工业大学计算机学
4、院,1.1.1 嵌入式系统定义,根据IEEE的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。,9,北京工业大学计算机学院,一般定义：“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”,10,北京工业大学计算机学院,1.1.2 嵌入
5、式系统的发展历史,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。以单芯片为核心的系统硬件：单片机软件：无操作系统，采用汇编语言实现系统的功能以嵌入式CPU为基础，嵌入式OS为核心硬件：嵌入式微处理器软件：采用嵌入式操作系统以基于Internet为标志的嵌入式系统,11,北京工业大学计算机学院,1.1.3 嵌入式系统的特点,系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，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分布
6、式系统，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。,12,北京工业大学计算机学院,专用性强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。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。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。,13,北京工业大学计算机学院,系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。,高实时性OS这是嵌入式软件的基本要求，
7、而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。,14,北京工业大学计算机学院,嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。,15,北京工业大学计算机学院,嵌入式系统开发需要开发工具和环境由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些
8、工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。,16,北京工业大学计算机学院,17,北京工业大学计算机学院,嵌入式系统与PC之间的区别,嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具,18,北京工业大学计算机学院,1.1.4 典型嵌入式系统的基本组成,嵌入式系统一般指非
9、PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用,19,北京工业大学计算机学院,1.1.4 典型嵌入式系统的基本组成,硬件部分：,20,北京工业大学计算机学院,软件部分：,处理器,存储器,输入,输出,操作系统,应用程序,软件结构,硬件结构,21,北京工业大学计算机学院,1.1.5 嵌入式系统的应用领域,工业控制交通管理信息家电家庭智能管理系统汽车电子医疗仪器（远程医疗）
10、电子商务环境监测机器人,22,北京工业大学计算机学院,家庭智能管理系统,23,北京工业大学计算机学院,医疗仪器,24,北京工业大学计算机学院,1.2 嵌入式处理器,嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广泛，从最初的4位处理器，到目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的16位、32位和64位嵌入式处理器。,25,北京工业大学计算机学院,嵌入式处理器分类,嵌入式处理器,26,北京工业大学计算机学院,1.2.1 嵌入式控制器,嵌入式微控制器的典型代表是单片机，其中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
11、线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A/D、D/A、Flash memory、E2PROM等各种必要功能和外设。,27,北京工业大学计算机学院,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。,28,北京工业大学计算机学院,由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括MCS-51系列、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C5
12、40、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。Microchips公司、TI公司的产品功耗极低，非常适用与电池供电的仪器仪表。近来Atmel公司推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。,29,北京工业大学计算机学院,1.2.2 数字信号处理器,DSP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、频谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。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等分立元
13、件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成、编码解码器和数控系统中得到了广泛应用。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。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2X/C5X系列，另外如ADI、Motorola、Intel和Siemens公司也有各自的DSP产品。,30,北京工业大学计算机学院,1.2.3 嵌入式微处理器,MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求
14、。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。,31,北京工业大学计算机学院,目前主要的嵌入式微处理器有：,AMD公司：Am186/88、Elan系列Intel公司：386EX、NS（AMD）公司：Geode系列ST公司：STPC（SOC）Motorola公司：Power PC（IBM）、68000、MIPS公司：MIPS 32 4Kc和MIPS 64 5KcARM公司：ARM7、ARM9E、ARM10E、ARM11、Securcore 6个系列,32,北京工业大学计算机学院,1.2.4 片上系统（System On a chip),它结合了许多功能区块，将
15、功能做在一个芯片上，像是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，像是通用串行端口（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是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。,33,北京工业大学计算机学院,SoC是追求产品系统最大包容的集成器件，SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。运用VHDL等硬件描述语言不需
16、要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准（SOPC），然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于SOC往往是专用的，所以不为大部分用户所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。,34,北京工业大学计算机学院,SoC所具有的其他的优点可以分为下列几点：利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电
17、路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。,35,北京工业大学计算机学院,1.3 嵌入式操作系统,1.3.1 操作系统的分类顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占CPU的运行时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。如DOS操作系统。分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把CPU的时间分按顺序分成若干片，每个时间片内执行不同的程序。如UNIX实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高优先级的任务才能占有CPU的控制权。,36,北京工业大学计算机学院,1.3.2 嵌入式实时操
18、作系统分类,强实时系统：其系统响应时间在毫秒或微秒级，如数控机床。一般实时系统：其系统响应时间在毫秒几秒的数量级上，其实时性的要求比强实时系统要差一些，如电子菜谱的查询。弱实时系统：其系统响应时间约为数十秒或更长，如过程控制等。,37,北京工业大学计算机学院,1.3.3 嵌入式实时操作系统的特点,多任务,38,北京工业大学计算机学院,一个任务，也称作一个线程，是一个简单的运行程序。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，有它自己使用的一套CPU寄存器和自己的栈空间。多任务运行的实现实际上是靠CPU在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个。多任
19、务运行使CPU的利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实际应用中，多任务的最大特点是，开发人员可以将很复杂的应用程序层次化,39,北京工业大学计算机学院,任务的事件驱动,任务,实时任务,非实时任务,事件驱动,时间驱动,内部事件：运算结果、设备请求等,外部事件：开关量输入等,绝对时间驱动,相对时间驱动,40,北京工业大学计算机学院,中断与中断优先级,同步与异步一系列时间相关事件称为同步事件；随机发生的事件称为异步事件，如中断,41,北京工业大学计算机学院,资源与临界资源程序运行时可使用的软硬件环境称为资源，2个以上任务可同时访问的共享资源称为临界资源。任何任务所占用的实体都可称为资源。资源
20、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。,42,北京工业大学计算机学院,1.3.4 实时系统的评价指标,实时系统是面向具体应用的，对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。限定时间的范围很广，可以从微秒级（如信号处理）到分级（如联机查询系统）。实时性的三个主要衡量指标：响应时间（Response Time）：是计算机识别一个外部事件到作出响应的时间，在控制应用中它是最重要的指标，如果事件不能及时的处理，系统可能就会崩溃。生存时间（Survival Time）：是数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。吞吐量（Throughput）：是在给定时
21、间内（秒），系统可以处理的事件总数。例如通讯控制器用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量。,43,北京工业大学计算机学院,1.3.5 相关概念,系统内核多任务系统中，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。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加ROM用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量。内核本身对CPU的占用时间一般在2%5%之间。,44,北京工业大学计算机学院,调度（dispatcher）这是操作系统的主要职责之一，它决定该轮到哪个任务运行了。往往调度是基于优先级的，根据其重要不同被赋予任务不同的优先级。CPU总是
22、让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。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。,45,北京工业大学计算机学院,任务优先级每个任务都有其优先级（priority），静态优先级和动态优先级。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。应用程序执行过程中，如果任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。,46,北京工业大学计算机学院,非占先式（Non-Preemptive）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
23、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。非占先式内核的一个特点是几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有CPU，而不必担心被别的任务抢占。非占先式内核的最大缺陷在于其响应高优先级的任务慢，任务已经进入就绪态，但还不能运行，也许要等很时间，直到当前运行着的任务释放CPU。内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到CPU的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放CPU。,47,北京工业大学计算机学院,48,北京工业大学计算机学院,占先式（Preemptive）当系统响应时间很重要时，要使用占先式内
24、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。使用占先式内核时，应用程序不应直接使用不可重入型函数。如果调入可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。,49,北京工业大学计算机学院,50,北京工业大学计算机学院,可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即
25、变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。,一个不可重入型函数的例子int Temp;Void swap(int*x,int*y)Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;,一个可重入型函数的例子Void swap(int*x,int*y)int Temp;Temp=*x;*X=*Y;*y=Temp;,51,北京工业大学计算机学院,代码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。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完以后要立即开中断（在任务切换时，地址、指令、数据等寄存器堆栈保护）。,52,北京工业大学计算机学院,1.3.5 典型的嵌入
26、式操作系统,商用型嵌入式实时操作系统QNX：加拿大QNX公司，用于X86，68K内核小（12KB），运行速度快。Palm：3COM子公司，主要用于PDA，市场占有率大。VxWork：美国WindRiver公司，突出特点：可靠性、实时性和可裁减性，支持多种处理器，如X86、68K、MIPS、Power PC等。目前市场占有率最高，典型应用：“索杰纳”火星车。pSOS：美国ISI公司，现被WindRiver公司兼并，主要用于网络通信设备。Windows Embedded,53,北京工业大学计算机学院,免费型嵌入式实时操作系统C/OS-：micro C O S，微控制器操作系统美国人Jean Lab
27、rosse 1992年完成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、自动提款机等特点：公开源代码、可固化（ROMable）、可裁剪（Scalable）、占先式、多任务、可确定性、任务栈、系统服务、中断管理、稳定性与可靠性。,54,北京工业大学计算机学院,免费型嵌入式实时操作系统嵌入式Linux：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。RTlinux：FSMLabs开发的硬实时嵌入式linux。RTl
28、inux使用双内核结构；在底层使用一个硬实时内核，linux作为该内核的空闲任务；当有实时任务时，通过硬实时内核调度该任务；没有其他任务时，则运行普通linux。Clinux：针对无MMU微控制领域而设计的Linux系统。Clinux和标准linux最大的区别是内存管理上，标准linux利用CPU硬件的支持实现虚拟内存机制，而 Clinux采用实存储器管理策略。,55,北京工业大学计算机学院,1.4 嵌入式系统开发流程,单片机系统的开发流程,56,北京工业大学计算机学院,嵌入式系统开发流程,57,北京工业大学计算机学院,由于对应于每一个处理器的硬件平台都是通用的、固定的、成熟的，因此在开发过程
29、中减少了硬件系统错误的引入机会；同时，由于嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多信息，使得开发者通过操作系统提供的API函数就可以完成大部分工作，大大简化了开发过程，提高了系统的稳定性。即：开发者把主要工作就是编写特定的应用程序。,58,北京工业大学计算机学院,硬件平台的选择,选择嵌入式微处理器存储空间、存储方式考虑外设的需求显示接口：LCD输入方式：触摸屏通信接口：红外、蓝牙、802.11b、USB、串口音频、视频A/D、D/A转换,59,北京工业大学计算机学院,嵌入式操作系统的选择,操作系统的硬件支持是否支持目标硬件平台可移植性开发工具的支持程度能否满足应用的需求对操作系统性能的要求国际化源代码还是目标代码License,60,北京工业大学计算机学院,1.5 嵌入式系统未来发展趋势,宏观方面发展趋势：经济性：计算机要很便宜，让更多的人能买得起；小型化：人们携带方便，如Pocket PC；可靠性：能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行，如汽车VCD；高速度：能够迅速地完成数据计算或数据传输，如飞机刹车系统；智能性：知识推理、模糊查询、识别、感知运动等，使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。,
