嵌入式实时操作系Chapter1

1嵌入式实时操作系统RealTimeOperatingSystem授课教师郑津第一讲嵌入式系统导论多普达TouchViva2008年2嵌入式OS，人人有、天天用诺基亚31202004年苹果iPhone2007年三星I8972010年三星I9172010年3如果不是实时的。。。会？4课程目的利用PC机就可以自己动手搭建嵌入式系统的开发平台，熟悉应用开发，更方便地学习和理解嵌入式系统的基础知识：从纯软件到硬/软件结合从“纸”上谈兵（编程序）到“板”上谈兵从“懂”怎么做到“会”做从讲/听到讲/听/做5课程特点理论与实践相结合以应用为目的，全面介绍嵌入式系统基础及嵌入式软件的核心—嵌入式实时操作系统全过程的体会嵌入式系统开发，深入理解嵌入式系统。配套多种嵌入式平台实验，提供丰富的实验和手册6课程的主要内容嵌入式系统基础，12学时嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入式系统分类、发展历程、特点、应用领域、发展趋势）嵌入式硬件系统基础（基本组成，嵌入式微处理器：ARM、MIPS、X86、SH等，总线、存储系统、输入/输出与典型接口等）嵌入式软件系统基础（分类、特点、体系结构、运行流程、操作系统、开发工具）7课程的主要内容嵌入式实时内核，20学时任务管理与调度（任务、任务管理、调度算法）,约6节课同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、事件、异步信号）中断和时间管理（中断分类、处理过程、中断管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理关系、时间管理机制）内存管理和I/O管理（特点和管理机制）8课程的主要内容嵌入式系统软件的开发,6学时嵌入式系统开发模式嵌入式软件开发工具软件分析设计方法实验：10学时9教材及参考资料嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾主编，北京航空航天大学出版社.JeanJ.Labrosse著，邵贝贝等译，《嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ（第2版）》，北京航空航天大学出版社，2003年5月第1版，2010年1月第10次印刷嵌入式计算系统设计原理（美）WayneWolfComputersasComponents：PrinciplesofEmbeddedComputingSystemDesignC.M.Krishna,KangG.Shin.REAL-TIMESYSTEMS.TsinghuaUniversityPress,McGraw-Hill.ASurveyofReal-timeOperatingSystems.WHATMAKESAGOODRTOS.10课程成绩课程成绩＝平时成绩＋实验成绩＋期末考试成绩平时成绩10分，作业、ISAS、随堂讨论实验成绩30分，出勤率10分，实验报告20分期末考试：闭卷考试，60分其它信息学时：共48学时，其中课堂38学时，实验10学时。开课时间：2012年春季，1-8周。教师联系方式：Phone:[phone]QQ：489696855μBlog:课程其他信息12第一讲嵌入式系统导论13主要内容嵌入式系统定义嵌入式系统分类嵌入式系统应用领域嵌入式系统发展历程与发展趋势14什么是嵌入式系统？——相对于普通系统（或通用系统）而言，有其特有的特点。15通用计算机－看得见的计算机如：PC机、服务器、大型计算机等。16通用计算机－看得见的计算机17嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用的输入/输出设备软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。18形式多样、面向特定应用、软硬件综合体一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。19处理器和处理器体系结构类型多通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。20关注成本嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。嵌入式的系统成本包括:•一次性的开发成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本•产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等•批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量•每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本英国《每日邮报》2011年11月12日为读者细致解析了iPhone4S的制造成本，真可谓“不扒不知道，一扒吓一跳”。21关注成本——iPhone4S的成本22实时性和可靠性的要求一方面大多数实时系统都是嵌入式系统另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。23特有的嵌入式操作系统由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离MIUI是一个基于CyanogenMod而深度定制的Android流动操作系统。优化改进功能近100处，符合中国用户习惯的人性化应用。大幅修改了Android本地的用户接口并移除了其应用程序列表（Applicationdrawer）以及加入大量来自苹果公司iOS的设计元素，这些改动也引起了民间把它和苹果iOS比较。MIUI系统采用和原装Android不同的系统应用程序，取代了原装的音乐程序、调用程序、相册程序、相机程序及通知栏，添加了原本没有的功能。24特有的嵌入式操作系统25开发需要专门工具和特殊方法多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：•产品定义•软件与硬件设计与实现•软件与硬件集成•产品测试与发布•维护与升级26开发需要专门工具和特殊方法由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。27本课程中实验项目的开发方式目标平台开发工具嵌入式操作系统实验项目PC虚拟机•LambdaTOOL集成开发环境µC/OS-II（源代码）28通用计算机与嵌入式系统对比特征通用计算机嵌入式系统形式和类型•看得见的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。•看不见的计算机。形式多样，应用领域广泛，按应用来分。组成•通用处理器、标准总线和外设。软件和硬件相对独立。•面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式•开发平台和运行平台都是通用计算机•采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。二次开发性•应用程序可重新编制•一般不能再编程29嵌入式系统定义看不见的计算机，一般不能被用户编程,它有一些专用的I/O设备,对用户的接口是应用专用的。Anembeddedsystemisacomputersystemcontainedwithinsomelargerdeviceorproductwiththeintentpurposeofprovidingmonitoringandcontrolservicestothatdevice.“Anysortofdevicewhichincludesaprogrammablecomputerbutitselfisnotintendedtobeageneral-purposecomputer.”通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。30嵌入式系统定义IEEE:“Deviceusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants”.嵌入式系统是以应用为中心、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。31嵌入式系统定义嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。包含有计算机，但又不是通用计算机的计算机应用系统。32嵌入式系统如何分类？分类的意义：便于分析、研究和传播33嵌入式系统的分类按嵌入式处理器的位数来分类按应用来分类按速度分类按确定性来分类按嵌入式系统软件复杂程度来分类34按嵌入式处理器的位数来分类4位嵌入式系统8位嵌入式系统16位嵌入式系统32位嵌入式系统64位嵌入式系统正成为主流发展趋势高度复杂的、高速的嵌入式系统已开始采用目前已大量应用35按应用来分类信息家电类移动终端类通信类汽车电子类工业控制类36按速度分类强实时系统,其系统响应时间在毫秒或微秒级。一般实时系统,其系统响应时间在几秒的数量级上,其实时性的要求比强实时系统要差一些。弱实时系统,其系统响应时间约为数十秒或更长。这种系统的响应时间可能随系统负载的轻重而变化。37按确定性来分类根据确定性的强弱，可将嵌入式系统分为硬实时、软实时系统：硬实时：系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。软实时：系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃。38按嵌入式系统软件结构来分类循环轮询系统前后台系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统39循环轮询系统initialize()while(true){if(condition_1)action_1();if(condition_2)action_2();......if(condition_n)acition_n();}CheckforInputDoSomething40优点对于简单的系统而言，便于编程和理解。没有中断的机制，程序运行良好，不会出现随机的问题。缺点有限的应用领域。对于大量的I/O服务的应用，不容易实现。大的程序不便于调试。适合于慢速和非常快速的简单系统循环轮询系统41前后台系统是中断驱动系统的一种后台是一个循环轮询系统一直在运行。前台是由一些中断处理过程组成的。当有一前台事件(外部事件)发生时，引起中断,进行前台处理,处理完成后又回到后台(通常又称主程序)。中断1中断2主程序中断1中断1中断242初始化处理1事件1处理2事件2NYYNISR1ISR2前台处理后台处理ISR343前后台系统需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌套，中断处理过程与主程序的协调(共享资源)问题。系统的性能主要由中断延迟时间(Interruptlatencytime),响应时间(responsetime)和恢复时间(recoverytime)来刻画。44中断请求数据传送←响应时间→主程序━━━━