[计算机软件及应用]智能电器中的嵌入式硬件和软件.doc

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1、电器智能化的关键技术智能电器中的嵌入式硬件和软件结构组员：刘建峰 3111160048 由 凯 3111160004郎学斌 311160028日期：2012年3月8日37摘要随着嵌入式技术的发展，以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统，成为继互联网技术之后影响人们生活的新技术之一。由于嵌入式系统专用性强、可靠性高、体积小、工艺先进、性能价格比高等突出特点，嵌入式计算机目前被广泛应用于工业控制、医疗、航天、军事、服务领域、智能家电等各类与人们生活息息相关的设备和产品中。本文针对嵌入式系统在智能电器领域的应用而展开，讨论了智能电器中的嵌入式系统的硬件和软件结构。文章首先简单介绍了嵌入式系统以及其硬件和软

2、件结构的基本知识，在此基础上分别以智能脱扣器中的嵌入式系统IR-OS的应用，嵌入式系统在电能质量在线监测器中的应用以及嵌入式Linux系统在导航仪中的应用为例，分别阐述了智能电器中嵌入式系统的硬件和软件结构。随着技术的发展，传统的只有按钮、开关的电器已不能满足人们的需求，具有用户界面、远程管理、状态监测等功能的基于嵌入式计算机的智能电器必将是未来的发展趋势。嵌入式系统在智能电器中的应用是其各类应用中十分重要的一个分支，并且有着十分丰富的应用成果。嵌入式系统的软硬件结构是嵌入式计算机的最基本组成，对嵌入式系统的硬件和软件结构有一个基本的了解是十分必要的。关键词：智能电器；嵌入式系统；IR-OS；

3、嵌入式Linux目录摘要I目录II第1章 绪论11.1 嵌入式系统概述11.2 嵌入式系统的发展与现状21.3 嵌入式系统的应用3第2章 嵌入式系统硬件和软件结构42.1 最小系统42.2 嵌入式处理器52.3 外围电路及外部设备72.4嵌入式系统软件结构82.5 实时操作系统82.6 驱动程序、应用程序及其接口102.7 嵌入式系统的设计11第3章 嵌入式系统在智能电器中的应用133.1 IR-OS在智能脱扣器中的应用133.1.1 实时多任务操作系统IR-OS133.1.2实时多任务操作系统IR-OS在智能脱扣器中的应用153.1.3小结173.2 基于DSP的电能质量在线监测器183.2

4、.1电能质量在线监测器的硬件结构183.2.2电能质量在线监测器的软件结构193.2.3小结21第4章 嵌入式导航仪的硬件与软件结构224.1 嵌入式导航仪软硬件结构概述224.2 嵌入式系统和嵌入式Linux系统234.3 嵌入式导航仪的硬件组成244.3.1 ARM体系结构与Samsung S3C2410254.3.2 内存和FLASH264.3.3 开发板274.4 嵌入式导航仪的Linux系统移植284.4.1 交叉编译环境284.4.2 Bootloader的移植294.4.3 Linux内核的移植304.4.4 根文件系统的建立324.5 本章小结33总结35参考文献36第1章 绪

5、论1.1 嵌入式系统概述根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置” （devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：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1。这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是

6、芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征：(1) 专用性强嵌入式系统面向特定应用，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统的小型化。(2) 技术融合 嵌入式系统将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集、高

7、度分散、不断创新的知识集成系统。(3) 软硬一体，软件为主软件是嵌入式系统的主体，有IP核。嵌入式系统的硬件和软件都可以高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，可以在同样的硅片面积上实现更高的性能。(4) 比通用计算机资源少由于嵌入式系统通常设计成只完成少数几个任务。设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU，这就意味着管理的资源少，其成本低，结构更简单。(5) 具有固化在非易失性存储器中的代码为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘中。(6) 需专门开发工具和环境嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序

8、功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。(7) 体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强。1.2 嵌入式系统的发展与现状随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。综观嵌入式技术的发展，大致经历了4个阶段。第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。其主要特点是系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，当时在国内工业领域应用较为普遍，但

9、是已经远远不能适应现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简

10、单；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。1.3 嵌入式系统的应用嵌入式系统应用领域在非常广泛，涉及电力、网络、信息家电、医疗工业控制、航天、军事等。智能电器是指能自动适应电网、环境及控制要求的变化,始终处于最佳运行工况的电器2。嵌入式系统主要应用于智能电器的监视、控制模块。在智能电网中，利用嵌入式 作为通信控制器；在智能断路器

11、、接触器及智能家电中，用作监控器。第2章 嵌入式系统硬件和软件结构嵌入式系统由硬件和软件组成。嵌入式系统硬件结构的特点是以嵌入式处理器为核心，集成度高。 嵌入式系统的硬件结构为：(1) 嵌入式处理器：嵌入式微处理器、微控制器、数字信号处理器。(2) 外围电路：各式存储器，时钟电路，通信接口电路，调试接口，电源。(3) 外部设备：存储卡、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。图2.1 典型的嵌入式硬件结构2.1 最小系统嵌入式系统的最小系统指基于某处理器为核心，可以运转起来的最简单的硬件设计（即处理器能够运行的最基本系统）。最小系统是处理器能够运行的基本系统，是构建嵌入式系统的第一步，然后才可以逐步

12、增加系统的功能，如：外围硬件扩展、软件及程序设计、操作系统移植、增加各种接口等，最终形成符合需求的完整系统 。一个最小系统一般包括以下几个部分：(1) 处理器：对于任何一个计算机系统，处理器都是整个系统的核心，整个系统式靠处理器的指令工作起来的。(2) 内存：一个嵌入式处理器的运行，其指令必须放入一定的存储空间内，运行的时候也需要空间来存储临时的数据，因此内存也是必不可少的。(3) 时钟：处理器的运行时需要时钟周期的，一般来说处理器在一个或者几个周期内执行一条指令。时钟单元的核心是晶振，它可以提供一定频率，处理器使用该频率的时候可能还需要进行倍频处理。(4) 电源和复位：电源是为处理器提供能源

13、的部件，在嵌入式系统中一般使用直流电源；复位电路连接处理器的引脚，实现通过外部电平让处理器复位的目的。(5) JTAG调试接口：完成软件的下载与烧写。图2.2 最小系统的组成2.2 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。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已超过1000多种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。其特点为：(1) 支持实时多任务(2) 较短的中断响应时间(3) 存储区保护功能(4) 可扩展的处理器结构(5) 较低的功耗嵌入式处理器主要分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统等4类。(1) 嵌入

14、式微处理器嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，并在母板上设计了和嵌入式系统相关的功能模块即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路(如存储器的扩展电路，I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等)，保证了以低功耗和丰富的资源满足嵌入式应用的特殊要求。 嵌入式微处理器制造商：摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、NEC、东芝、AMD、国家半导体、Zilog、IDT、富士通、Atmel、SUN、微系统、夏普、Oki、飞利浦等。主要的嵌入式微处理器包括

15、：IBM PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。(2) 嵌入式微控制器嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O接口、串行口等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，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，约占嵌入式系统70%的份额。嵌入式微控制器制造商：摩托罗拉、英特尔、英飞凌科技、 Atmel、日立、NEC、三菱、

16、东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技等。目前主要的嵌入式微控制器有Inter公司的8051/96系列，Atmel公司的AVR系列，TI公司的MSP430系列等。(3) 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，具有很高的编译效率和指令的执行速度。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。目前最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。(4) 嵌入式片上系统（

17、SOC）SOC即在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。SOC结合了许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上。而以往，这些接口单元都是被独立做成处理芯片的。这样，应用系统电路将变得很简洁，利于减小体积和功耗，提高可靠性。2.3 外围电路及外部设备根据外围设备的功能可分为以下5类 ：存储器、时钟电路、通信接口电路、调试电路、电源。(1) 存储器存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：静态易失型存储器（RAM，SRAM）、动态存储器（DRAM）、非易失性存储器ROM（ROMEPROM，EEPROM，FLASH）及硬盘、软盘、CDROM等。(2) 时钟电路目

18、前所有的处理器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。(3) 通信接口电路目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括：RS-232接口（串口UART）、USB接口（通用串行总线接口）、IrDA（Infra Red Data Association红外线接口）、SPI（串行外围设备接口）、I2C、CAN总线接口、蓝牙接口（Bluetooth）、Ethernet（以太网接口）、IEEE1394接口和通用可编程

19、接口GPIO。(4) 调试电路调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。有的处理器内置JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。 (5) 电源电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。设计电源时要考虑电压、电流、功率、安全因素、输出纹波、电磁兼容和电磁干扰、体积限制、功耗限制、成本限制等因素。外部设备包括存储卡、LCD屏、触摸屏、手写笔、键盘等。(6) 嵌入式系统软件结构2.4嵌入式系统软件结构嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式系统的出现，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。

20、嵌入式操作系统具有的特点：系统可裁减,可配置；系统具备网络支持功能；系统具有一定的实时性。按照对实时系统的定义，嵌入式操作系统可分为实时嵌入式操作系统与非实时嵌入式操作系统。如当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统（OS）来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。依据系统所提供的程序界面来编写应用程序，可以大大的减少应用程序员的负担。对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含四个层面：(1) 驱动程序 (2) 实时操作系统（RTOS）(3) 应用程序接口（API） (4) 应用程序 由于硬件电路的可裁减性和嵌入式系统本身

21、的特点，其软件部分也是可裁减的。2.5 实时操作系统在实时操作系统中，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。(1) 微内核结构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

22、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。 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。(2) 任务调度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。(a) 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；(b) 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；(c) 时间片轮转调度：当

23、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。 (3) 硬实时和软实时多数嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。实时系统可分为硬实时系统和软实时系统。软实时系统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。 (4) 内存管理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

24、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。(5) 内核加载方式 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

25、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。2.6 驱动程序、应用程序及其接口除实时操作系统外，嵌入式软件结构还包括：驱动程序、应用程序及其接口（API）。驱动程序是连接底层的硬件和上层的API函数的纽带，有了驱动程序模块，就可以把操作系统的API函数和底层的硬件分离。硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、删除或者添加提供给操作系统的相应的驱动程序就可以了。而不会影响到API函数的功能，更不会影响到用户的应用程序。用户的应用程序建立在系统的主任

26、务基础之上。用户应用程序主要通过调用系统的API函数对系统进行操作，完成用户的要求。API是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。在操作系统中提供标准的应用程序接口（API）函数，可以加速用户应用程序的开发，统一应用程序的标准，同时也给操作系统版本的升级带来了方便。在API函数中，提供了大量的常用模块，可以大大简化用户应用程序的编写。2.7 嵌入式系统的设计嵌入式系统的设计流程主要包括：系统需求分析、体系结构设计、硬件/软件设计、系统集成、系统测试等五部分。系统需求分析规格说明书系统结构设计软件构件设

27、计模具结构设计硬件构建设计系统集成系统测试产品图2.3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。系统结构设计系统总体框架软硬件划分处理器选定开发环境选定操作系统选定图2.4嵌入式系统结构设计(3) 硬件/软件

28、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。硬件构件设计流程：包括硬件构建功能设计；硬件构建详细设计；硬件构建制作；硬件构建单元测试；硬件构建联合测试。软件构件设计流程：包括软件构件概要设计；软件构件详细设计；软件构件编码实现；软件构件单元测试；多软件构件组合测试。(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。(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

29、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。 第3章 嵌入式系统在智能电器中的应用3.1 IR-OS在智能脱扣器中的应用 智能脱扣器是一个典型的实时工业控制系统，它在运行中要保证采样、计算、保护、控制、通信、键盘、显示等诸多任务按时、有序、高效地完成。采用传统的主循环加中断的顺序软件结构设计智能脱扣器软件系统，不但难以保证各个任务对实时性的要求，而且会导致代码复杂度上升，维护工作量增大，因此采用实时多任务操作系统作为平台进行智能脱扣器软件系统的开发

30、3。3.1.1 实时多任务操作系统IR-OS(1) IR-OS概述IR-OS是一套采用抢占式优先级调度、功能可裁剪的实时多任务操作系统，它是在uCOS基础上针对工业控制系统进行相应的改进而得到的，能很好地协调系统中所有任务的运行和资源分配，保证了系统的实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，而且可以方便的进行代码维护和功能扩充。(2) IR-OS主函数 主函数是系统启动时首先执行的一个函数，图3.1是IR-OS主函数的流程图。在启动RTOS之前，要屏蔽所有中断，并且对全局变量初始化，防止运行中出错；硬件初始化主要包括中断初始化，串口、键盘、显示等设备初始化。RTOS的初始化通过OSInit（）

31、函数调用，为OS分配任务队列、优先级状态表和准备状态表，OS全局变量初始化，并且创建一个空循环任务。接下来，在启动RTOS前创建所有用户任务并置准备态，创建任务时要指定每个任务的优先级、堆栈大小及位置和任务函数入口。调用OSStart（）启动RTOS，从就绪队列中找到优先级最高的任务，作为当前任务执行4。图3.1 IR-OS的主函数流程图(3) IR-OS任务及任务管理IR-OS的任务在运行中有5种基本状态：空闲、就绪、运行、阻塞和挂起状态。其状态转换关系图如图3.2。空闲态是没有满足运行条件的状态；就绪态是指任务满足了运行要求，处于等待调度时的状态；挂起态则是指正在运行的任务因为外部中断发生

32、而暂停运行，等待调度状态；阻塞态是运行所需资源被占用或延时等待状态。图3.2 IR-OS任务状态转换关系从图中可看出，运行态的任务可以转变为其它各种状态，被阻塞的任务是有限时间等待，如果时间到，运行条件还没有达到，则自动变为空闲态，以防止一个任务无限制的挂起而得不到执行。中断发生时中断任务将打断其它任务的执行而直接运行。系统中所有任务在IR-OS调度下在5种状态间切换，保证优先级高的任务先执行。(4) IR-OS的任务调度IR-OS采用抢占式优先权任务调度方式。任务调度在一个任务的完成中断处理结束以及任务被阻塞时执行。任务调度的流程图如图3.3。图3.3 IR-OS任务调度流程图只有当中断没有

33、嵌套和调度未被锁定的时候才可以进行正常的调度，调度时首先要得到最高优先级的就绪任务，然后再进行现场的保存和恢复。在IR-OS中，有些关键操作是不能被打断的，在这些操作代码的前后分别加上关中断和开中断语句，形成临界区。当中断事件发生时，如果当前任务处于临界区，那么系统将不能进行优先级调度，直到运行退出临界区。IR-OS采用抢占式优先级调度方式，很好地满足了智能脱扣器系统对实时性的要求。3.1.2实时多任务操作系统IR-OS在智能脱扣器中的应用要基于IR-OS设计智能脱扣器系统软件，首先要对系统所有的功能进行系统分析，根据各个功能的运行特点将所有功能合理分类。(1) 智能脱扣器任务划分智能脱扣器所

34、有实现的功能可分为保护、计算、显示、键盘、采样、控制和通讯这七类。功能分类如图3.4所示。图3.4 智能脱扣器的功能划分可靠的采样是计算、保护等功能的实现基础，因此它的实时性要求最高。保护是断路器基本功能，而如果通讯的实时性得不到保证，会丢失传输数据，所以。保护和通讯功能的实现也应该给予很高的实时性。键盘、显示等模块的实时性要求并不严格。为了提高系统的实时响应性能，采样、保护和通信任务用中断实现，显示和键盘任务的优先级较低。(2) 基于IR-OS的智能脱扣器系统结构基于IR-OS的智能脱扣器的系统结构图如图3.5所示。图3.5 基于IR-OS的智能脱扣器系统结构图其中，硬件系统包括MCU.AD

35、、串口、键盘、数码管、驱动输出等，处于整个系统的底层，是软件系统的运行基础。软件系统分为操作系统层IR-OS、用户任务层和中断系统。操作系统层IR-OS又由硬件驱动层、内核层、扩展层和接口层构成。驱动层完成对硬件资源的管理，操作系统内核通过各个硬件驱动来操作硬件。内核层主要完成任务管理、中断管理、系统资源管理等功能。扩展层是基于内核的扩展，可以使网络功能，也可以使用户界面扩展。接口层是用户和操作系统交互层，用户通过接口层使用操作系统。用户任务层包括中断、计量、控制、键盘、显示和通信等任务的具体实现代码。IR-OS是整个软件系统的开发和运行平台，采用抢占式优先级调度方法，有效地管理和谐调各任务和

36、中断的执行，保证系统实时、可靠的工作。3.1.3小结基于IR-OS设计的智能脱扣器系统不但克服了传统顺序结构设计所带来的代码结构复杂、可移植性差和功能扩展不方便的缺点，而且具有很好的实时性、可靠性、可维护性和可移植性，充分体现了智能脱扣器的智能化、多功能反应速度快、可靠性好的特点。3.2 基于DSP的电能质量在线监测器3.2.1电能质量在线监测器的硬件结构该硬件系统是一个以TMS320LF2407A DSP为核心的嵌入式系统，以TMS320LF2407A 和RAM、晶振、3.3V供电系统组成DSP最小系统，构成了监测器的数据处理与控制模块，是完成监测器各项功能的核心。通信模块选用支持RS-42

37、2的接口芯片MAX491，与DSP在片串行通信接口相连，实现与后台管理系统的通信。其硬件整体结构图如图3.6所示：图3.6 基于DSP的电能质量在线监测器硬件结构图从图中可以看出，监测器的硬件结构主要分为这几个模块：(1) 数据处理与控制模块：它是完成监测器各项功能的核心，包括采集控制，计算，显示，通信等功能。这里是由型号为TMS320的DSP内核以及RAM，晶振，3.3v供电系统组成的DSP最小系统。(2) 模拟量输入通道： 用来实现电压和电流信号的采集功能，包括采样环节和A/D转换。 考虑到需要测量的参数多，需要选择8路以上的A/D转换器。这个例子中选择的是MAX1258路14位A/D转换

38、器。(3) 开关量输入输出模块：装置除了监测电压电流信号外，还要监测各种开关信号，如断路器的开断状态；除此之外，有的电力系统要求电能计量功能，也就是通过脉冲输入计量电能，这也是通过开关量输入通道来完成的。为方便应用中遇到的一些开关控制，装置要求具有继电器驱动输出功能。这要求装置具备多路开关量输入/输出通道，这里主要通过DSP的I/O来实现。(4) 通信模块：该例设计的监测器用于配电系统，采用RS422接口实现下位机与上位机的通信。(5) 人机交互模块： 人机交互是装置设计中的重要部分，装置的管理、测量分析结果、报警和事件记录的显示都通过人机交互来完成，包括键盘操作和液晶显示部分。3.2.2电能

39、质量在线监测器的软件结构该设计采用实时多任务内核uC/OS-作为电能质量监测软件的开发和运行平台。 uC/OS-采用C语言和汇编混合编程实现。C语言构建操作系统的整体框架将用户可使用的函数声明放入接口文件供外部调用。以提高代码的可维护性和可移植性而其中频繁调用的关键算法包括中断处理、任务调度、定时器等，则用汇编语言实现。这样，uC/OS-既保证了整个系统的实时性和稳固性，又能给用户提供清晰的API接口。uC/OS-具有较强的通用性只要对其中涉及具体硬件的代码稍作修改就可以用于不同MCUMPU的实时系统中。uC/OS-采用抢占式优先级调度策略，最多支持64个不同优先级的任务支持动态优先级和优先级

40、反转，支持任务的同步和通信5。uC/OS-具有实时性好、可靠性高、功能完备、可维护性好等优点，而且其源代码开放，可以免费使用。(1) 实时多任务操作系统的设计uC/OS-直接作为电能质量监测器软件的运行平台需要根据监测器中处理器的性能和硬件资源对其内核进行裁剪和移植。 (a) 裁剪裁剪是在满足功能要求前提下，减少uC/OS-占用的CPU和存储资源。包括：删除uC/OS-源码中不需要的变量和函数，以及删除相关函数中不需要的语句；减少任务的状态数，该系统删除了任务中的空闲状态，使任务只在运行、挂起、就需、阻塞态切换；减少uC/OS-占用的内存空间，将其可调度的任务数压缩到16个。(b) 移植移植就

41、是使uCOS-的实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。为了方便移植，uC/OS-的大部分代码用C语言编写，但读/写处理器寄存器和堆栈操作的代码只能用汇编语言编写，所以那些鱼处理器相关的代码需要用C语言和汇编语言混合编写。这样，移植时只要对代码中涉及具体硬件的部分稍作修改，就可将uC/OS 2用于处理器。(2) 电能质量在线监测器的任务划分任务和中断是RTOS调度的基本单位因此要在应用RTOS前，首先将装置所有功能合理、清晰、有效地划分为不同的任务划分的前提是要满足所有功能的实时性。任务划分的依据是各个功能的实时性，循环执行周期以及单次任务的执行时间长短尽量不在中断中处理任务是任务划分的一个

42、重要原则。电能质量监测器用于低压配电系统，具有测量、控制、通信、显示、事件记录等多种功能6。电能质量在线监测器的软件设计中，根据程序实现的功能划分了8个任务，具体任务划分如图3.7：图3.7 电能质量在线监测器的任务划分根据任务划分的原则，对被测量电量的采样结果是电能质量监测器完成要求功能的基础，因此采样任务是通过中断启动，优先级最高；以及通信任务中的接收也是中断启动，用来接收来自上位机的指令和数据。被测量对象运行的各种电量计算及电能质量分析时电能质量监测器的基本功能，在任何时候都要保证优先执行，但可以被中断启动的任务中断。显示任务和键盘任务的对实时性要求不高，因此优先级相对较低。(3) 基于

43、DSP的电能质量在线监测器的软件整体结构该电能质量在线监测器的软件系统由多任务实时操作系统RTOS，这里采用的是uC/OS-，硬件驱动程序和用户任务程序组成。其结构图如图3.8：图3.8 电能质量监测器的软件结构程序运行首先进入主函数，主函数在前面已有介绍，它主要是完成装置的软硬件模块的配置和初始化工作，然后起动RTOSuC/OS-。OS启动后接管整个系统的资源，并且负责所有任务和中断的调度管理。uC/OS-采用抢先式优先级的调度方式，采样任务是是通过定时中断启动，优先级最高，不能被其它任务嵌套。3.2.3小结经过修改和裁剪的实时操作系统，采用抢占式优先级调度方式，代码精练、结构紧凑、非常适合

44、小型实时嵌入式应用。经过实际样机进行测试，基于实时操作系统设计的电能质量监测器系统具有更好的实时性、可靠性、可维护性和可移植性。第4章 嵌入式导航仪的硬件与软件结构4.1 嵌入式导航仪软硬件结构概述伴随着上世纪七十年代全球定位系统（GPS）的兴起，导航仪作为一种军事应用设备首先在美国军方的研究下诞生，现如今导航仪被广泛用于飞机，车辆，导弹和船舶等运载体上。嵌入式导航仪计算机主要分为两部分：硬件电路，嵌入式操作系统。伴随着单片机技术和嵌入式系统的发展，嵌入式导航仪应运而生。相比传统的导航仪，嵌入式导航仪有兼容性好，专用性强，定位精度高，系统响应速度强，应用丰富等优点。嵌入式导航仪的硬件核心一般为

45、嵌入式微处理器，将嵌入式操作系统移植到相应的硬件上形成嵌入式操作系统。本实例中讲到的嵌入式导航仪基于ARMv9微处理器，并对嵌入式Linux系统进行移植，构成的一个嵌入式系统。其软硬件构成框图如下：图4.1 嵌入式导航仪软硬件组成框图嵌入式Linux有着嵌入式导航计算机操作系统需要的很多特色：支持多任务处理、中断处理及任务间通信，性能稳定，剪裁性好，开发与使用都很方便。因此，本实例选用嵌入式Linux作为嵌入式导航计算机的操作系统，这对于实现导航计算机的高效率、低功耗具有现实意义。本实例的目的就是针对其硬件环境，搭建起一个高效、稳定的嵌入式操作系统的平台。它具有通用操作系统的基本特点，能够有效

46、管理复杂的系统资源；能够快速的处理大量的信息；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及部分应用程序。在这个系统平台上可以运行导航程序，接受传感器的数据，经处理后得到任务所需要的信息，从而实施导航任务。4.2 嵌入式系统和嵌入式Linux系统嵌入式系统是软件和硬件的综合体，其涵盖范围和领域都十分广泛，几乎包括了我们周围所有的电器设备，比如：电视机机顶盒、掌上PDA，甚至路由器、交换机等。一个典型的嵌入式系统由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成7。如图4.2所示：图4.2 嵌入式系统的构成框图Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，它是UNIX操作系统的一个克隆版本。UNIX操作系统是美国贝尔实验室的肯汤普逊（Ken Thompson）和丹尼斯里奇（Dennis Ritchie）开发的一个分时操作系统。嵌入式Linux系统其实是对于Linux的嵌入式改造，其主要围绕体积和实时性展开，目前已经有很多公司在进行这方面的工作，其中包括RT-Linux，uClinux，Embedix，Xlinux，MidoriLinux和红旗嵌入式Linux等等。与目前市场上的众多商业的实时系统相比，嵌入式Linux除具有内核稳定，功能强大，支