嵌入式软件系统基础

嵌入式系统及应用第三章嵌入式软件系统基础主要内容•嵌入式软件系统概述•嵌入式操作系统•嵌入式软件开发工具(在嵌入式系统软件开发一章中介绍)•嵌入式Java第一节嵌入式软件系统概述软件系统嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统的体系结构嵌入式软件运行流程软件系统•软件(software)是计算机系统中与硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相关数据(data)及其说明文档(document)。其中：–程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；–数据是程序能正常操纵信息的数据结构；–文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。软件系统•软件是一种逻辑实体，具有抽象性。这个特点使它与其它工程对象有着明显的差异。人们可以把它记录在纸上、内存、和磁盘、光盘上，但却无法看到软件本身的形态，必须通过观察、分析、思考、判断，才能了解它的功能、性能等特性。软件产品的特性•软件没有明显的制造过程。一旦研制开发成功，就可以大量拷贝同一内容的副本。所以对软件的质量控制，必须着重在软件开发方面下工夫。•软件在使用过程中，没有磨损、老化的问题。软件在生存周期后期不会因为磨损而老化，但会为了适应硬件、环境以及需求的变化而进行修改，而这些修改有不可避免的引入错误，导致软件失效率升高，从而使的软件退化。当修改的成本变得难以接受时，软件就被抛弃。•软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。这导致了软件移植的问题。•软件的开发至今尚未完全摆脱手工作坊式的开发方式，生产效率低。•软件是复杂的，而且以后会更加复杂。软件是人类有史以来生产的复杂度最高的工业产品。软件涉及人类社会的各行各业、方方面面，软件开发常常涉及其它领域的专门知识，这对软件工程师提出了很高的要求。•软件的成本相当昂贵。软件开发需要投入大量、高强度的脑力劳动，成本非常高，风险也大。现在软件的开销已大大超过了硬件的开销。•软件工作牵涉到很多社会因素。许多软件的开发和运行涉及机构、体制和管理方式等问题，还会涉及到人们的观念和心理。这些人的因素，常常成为软件开发的困难所在，直接影响到项目的成败。嵌入式软件系统的分类嵌入式软件系统软件支撑软件应用软件控制、管理计算机系统的资源嵌入式操作系统嵌入式中间件（CORBA、Java）等等辅助软件开发的工具系统分析设计工具仿真开发工具交叉开发工具测试工具配置管理工具维护工具等面向应用领域手机软件路由器软件交换机软件飞控软件等嵌入式软件系统的分类•从运行平台来分，嵌入式软件可以分为–运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。–运行在嵌入式系统上的软件：嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序及部分开发工具。嵌入式软件系统的体系结构硬件应用层驱动层操作系统层中间件层板级初始化FLASH驱动RTC/定时器驱动串口驱动以太网驱动LCD驱动键盘驱动其他驱动内核TCP/IP网络系统文件系统嵌入式GUI电源管理嵌入式CORBA嵌入式JAVA嵌入式DCOM面向应用领域的中间件应用任务1应用任务2……应用任务n嵌入式软件系统的体系结构•驱动层驱动层是直接与硬件打交道的一层，它对操作系统和应用提供所需的驱动的支持。该层主要包括三种类型的程序。–板级初始化程序这些程序在嵌入式系统上电后初始化系统的硬件环境，包括嵌入式微处理器、存储器、中断控制器、DMA、定时器等的初始化。–与系统软件相关的驱动•这类驱动是操作系统和中间件等系统软件所需的驱动程序，它们的开发要按照系统软件的要求进行。•目前操作系统内核所需的硬件支持一般都已集成在嵌入式微处理器中了，因此操作系统厂商提供的内核驱动一般不用修改。–与应用软件相关的驱动与应用软件相关的驱动不一定需要与操作系统连接，这些驱动的设计和开发由应用决定。嵌入式软件系统的体系结构•操作系统层–操作系统层包括嵌入式内核、嵌入式TCP/IP网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式GUI系统和电源管理等部分。–其中嵌入式内核是基础和必备的部分，其他部分要根据嵌入式系统的需要来确定。嵌入式软件系统的体系结构•中间件层–目前在一些复杂的嵌入式系统中也开始采用中间件技术，主要包括嵌入式CORBA、嵌入式Java、嵌入式DCOM和面向应用领域的中间件软件。–如基于嵌入式CORBA的应用于软件无线电台的应用中间件SCA（SoftwareCoreArchitecture）等。嵌入式软件系统的体系结构•应用层–应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成–每个应用任务完成特定的工作，如I/O任务、计算的任务、通信任务等，由操作系统调度各个任务的运行。嵌入式软件运行流程上电复位系统升级引导/升级系统系统初始化应用初始化多任务应用板级初始化远程升级本地升级•基于多任务操作系统的嵌入式软件的主要运行流程•该运行流程主要分为5个阶段嵌入式软件运行流程•上电复位、板级初始化阶段–嵌入式系统上电复位后完成板级初始化工作。–板级初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用汇编语言实现。不同的嵌入式系统，板级初始化时要完成的工作具有一定的特殊性，但以下工作一般是必须完成的：•CPU中堆栈指针寄存器的初始化。•BSS段（BlockStorageSpace表示未被初始化的数据）的初始化。•CPU芯片级的初始化：中断控制器、内存等的初始化。返回嵌入式软件运行流程•系统引导/升级阶段–根据需要分别进入系统软件引导阶段或系统升级阶段。–软件可通过测试通信端口数据或判断特定开关的方式分别进入不同阶段。嵌入式软件运行流程•系统引导阶段系统引导有几种情况：–将系统软件从NORFlash中读取出来加载到RAM中运行：这种方式可以解决成本及Flash速度比RAM慢的问题。软件可压缩存储在Flash中。–不需将软件引导到RAM中而是让其直接在NorFlash上运行，进入系统初始化阶段。–将软件从外存（如NandFlash、CF卡、MMC等）中读取出来加载到RAM中运行：这种方式的成本更低。嵌入式软件运行流程•系统升级阶段–进入系统升级阶段后系统可通过网络进行远程升级或通过串口进行本地升级。–远程升级一般支持TFTP、FTP、HTTP等方式。–本地升级可通过Console口使用超级终端或特定的升级软件进行。返回嵌入式软件运行流程•系统初始化阶段–在该阶段进行操作系统等系统软件各功能部分必需的初始化工作，如根据系统配置初始化数据空间、初始化系统所需的接口和外设等。–系统初始化阶段需要按特定顺序进行，如首先完成内核的初始化，然后完成网络、文件系统等的初始化，最后完成中间件等的初始化工作。返回嵌入式软件运行流程•应用初始化阶段在该阶段进行应用任务的创建，信号量、消息队列的创建和与应用相关的其它初始化工作。•多任务应用运行阶段各种初始化工作完成后，系统进入多任务状态，操作系统按照已确定的算法进行任务的调度，各应用任务分别完成特定的功能。第二节嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统的演变嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统体系结构嵌入式操作系统的组成嵌入式实时操作系统µC/OS-II简介概述嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：–可固化–可配置、可剪裁–独立的板级支持包，可修改–不同的CPU有不同的版本–应用的开发需要有集成的交叉开发工具概述•近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展–从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位微处理器；–从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片；–从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等。•随着嵌入式系统应用领域的扩展，目前嵌入式操作系统的市场在不断细分，出现了针对不同领域的产品，这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。嵌入式操作系统的演变*PercentoftotalsoftwaresuppliedbyRTOSvendorinatypicalembeddeddevice10%*Kernel30%*KernelNetworkingFileSystem75%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingMemoryManagementNetworkingUtilityWindowsAPIApplicationApplicationApplicationApplication90%*KernelNetworkingFileSystemMultiprocessingFaultToleranceDistributedObjectsAdvancedNetworkingAdvancedInterconnectJavaBrowser/GUI嵌入式操作系统的演变在嵌入式系统的发展过程中，从操作系统的角度来看，大致经历了以下几个阶段：–无操作系统阶段–简单操作系统阶段–实时操作系统阶段–面向Internet的阶段嵌入式操作系统分类•从应用领域来分–面向信息家电的嵌入式操作系统–面向智能手机的嵌入式操作系统，如SymbianOS、MSMobileOS、PalmOS、EmbeddedLinux等–面向汽车电子的嵌入式操作系统–面向工业控制的嵌入式操作系统–……….•从实时性的角度来分–嵌入式实时操作系统：具有强实时特点，如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各种ITRONOS等。–非实时嵌入式操作系统：一般只具有弱实时特点，如WinCE、版本众多的嵌入式Linux、PalmOS等。•从嵌入式系统的商业模式来分类–商用型：功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，开发费用+版税。–开源型：开放源码，只收服务费，没有版税。如Embeddedlinux，RTEMS，eCOS。嵌入式操作系统体系结构•体系结构是操作系统的基础，它定义了硬件与软件的界限、内核与操作系统其它组件（文件、网络、GUI等）的组织关系、系统与应用的接口。•体系结构是确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移植性、可扩展性的关键，就好比房子的梁架，只有梁架搭牢固了才提得上房子的质量，再做一些锦上添花的工作才有意义。•目前操作系统的体系结构可分为：单块结构、层次结构和客户/服务器（微内核）结构。嵌入式操作系统体系结构硬件系统服务用户态核心态应用程序应用程序…单块结构嵌入式操作系统体系结构硬件基本进程管理虚存管理I/O和设备管理进程间通信文件系统用户用户模式内核模式层次结构嵌入式操作系统体系结构硬件进程服务用户态核心态应用程序客户内存服务微内核文件服务网络服务显示服务发送应答客户/服务器结构（微内核结构）嵌入式操作系统体系结构•微内核结构的优点–提供一致的接口–可扩展性：扩展对新的软件/硬件支持–灵活性：可伸缩–可移植性–分布式系统支持–适用于面向对象操作系统环境•性能问题：–通过微内核构造和发送信息、接受应答并解码所花费的时间比进行一次系统调用的时间多–很大程度取决于微内核的大小和功能嵌入式操作系统体系结构•目前嵌入式操作系统主要采用分层和模块化相结合的结构或微内核结构。–分层和模块化结合的结构将操作系统分为硬件无关层、硬件抽象层和硬件相关层，每层再划分功能模块。–这样移植工作便集中在硬件相关层，与其余两层无关，功能的伸缩则集中在模块上，从而确保其具有良好的可移植性和可伸缩性。–而采用微内核结构，则可利用其可伸缩的特点适应硬件的发展，便于扩展。嵌入式操作系统体系结构应用程序任务管理硬件用户扩展处理调度管理硬件抽象层应用编程接口内存管理中断管理时钟/定时器管理I/O管理出错处理同步、通信管理（消息队列，信号量，事件，异步信号)）DeltaCORE的体系结构：层次＋模块结构分层次模块化嵌入式操作系统体系结构用户模式应用应用应用网络管理器图形管理器设备管理器文件系统管理器网络驱动图形驱动设备驱动文件系统驱动硬件内核模式内核（微内核）QNX4.25的体系结构：客户/服务器结构嵌入式操作系统嵌入式内核嵌入式TCP/IP网络系统嵌入式文件系统嵌入式操作系统的组成…………嵌入式内核–内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。–内核还提供特定的应