嵌入式系統設計與實例開發——ARM與C/OS-Ⅱ實時操作系統分析控制工程系火控教研室嵌入式系統

什么是嵌入式系統以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可剪裁，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。

嵌入式系統本身是個外延極廣的名詞，凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫嵌入式系統。從硬件方面來講，嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP處理器（DSP）嵌入式微處理器（MPU）嵌入式片上系統（SOC）嵌入式系統的分類1、嵌入式系統的硬件嵌入式微處理器（MPU）：是由計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，它只保留與嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去處其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現了嵌入式應用的特殊要求，具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。嵌入式處理器目前主要有ARM系列、

MIPS、PowerPC、x86等。

嵌入式系統的分類2、嵌入式系統軟件：由嵌入式操作系統和相應的各種應用程序構成。

操作系統:是連接計算機硬件和應用程序的系統程序，具有兩個功能：使計算機硬件便于使用，高效組織和正確地使用計算機的資源。無操作系統-----有操作系統區別?無操作系統CPUTaskInterface有操作系統Task0Task1……InterfaceTask0Task1CPU無操作系統：1

嚴格按所規定的順序執行2 程序執行的封閉性3 獨占資源,執行過程和結果不受其它程序的影響4程序結果的可再現性(結果的確定性)5 只要初始狀態相同,程序多次重復運行,其結果與程序執行速度無關(連續或間斷),結果都應相同。

有操作系統：多任務系統可以充分的利用系統資源。嵌入式操作系統嵌入式操作系統微型化可裁減性好適時性可靠性易移植性實時操作系統分時操作系統嵌入式操作系統EmbeddedOperatingSystemLinux，WinCE，VxWorks，OSE，Nucleus，uC/OS-II，eCos，

uTTRON……常見的嵌入式操作系統實時嵌入式操作系統的種類繁多，大體上可分為兩種:商用型和免費型。商用型的實操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴,如VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS等。免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢，目前主要有Linux和μC/OS，穩定性與服務性存在挑戰。μC/OS-Ⅱ是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統。其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2KB。搶占式內核。UClinux則是繼承標準Linux的優良特性，針對嵌入式處理器的特點設計的一種操作系統，具有內嵌網絡協議、支持多種文件系統，開發者可利用標準Linux先驗知識等優勢。其編譯后目標文件可控制在幾百KB量級。無MMU，采用時間片輪番調度算法。 免費且公開源碼的：μC/OS-Ⅱ和UClinuxC/OS簡介

1.C/OS——MicroControllerOS，微控制器操作系統2.C/OS簡介美國人JeanLabrosse于1992年完成；應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音響設備、發動機控制、高速公路電話系統、自動提款機等；1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.61，2.72；2000年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可用于飛行器中；網站www.ucos-II.com（)。公開源代碼可移植性（Portable）

絕大部分C/OS-II的源碼是用移植性很強的ANSIC寫的。和微處理器硬件相關的那部分是用匯編語言寫的。匯編語言寫的部分已經壓到最低限度，使得C/OS-II便于移植到其他微處理器上。C/OS-II可以在絕大多數8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數字信號處理器（DSP）上運行。可固化（ROMable）

C/OS-II是為嵌入式應用而設計的，這就意味著，只要讀者有固化手段（C編譯、連接、下載和固化），C/OS-II可以嵌入到讀者的產品中成為產品的一部分。可裁剪（Scalable）

可以只使用C/OS-II中應用程序需要的那些系統服務。也就是說某產品可以只使用很少幾個C/OS-II調用，而另一個產品則使用了幾乎所有C/OS-II的功能，這樣可以減少產品中的C/OS-II所需的存儲器空間（RAM和ROM）。這種可剪裁性是靠條件編譯實現的。C/OS的性能特點（一）占先式（Preemptive）多任務

C/OS-II可以管理64個任務，然而，目前這一版本保留8個給系統。應用程序最多可以有56個任務。可確定性

全部C/OS-II的函數調用與服務的執行時間具有可確定性。任務棧

每個任務有自己單獨的棧，C/OS-II允許每個任務有不同的棧空間，以便壓低應用程序對RAM的需求。系統服務

C/OS-II提供很多系統服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數等。中斷管理

中斷可以使正在執行的任務暫時掛起，如果優先級更高的任務被該中斷喚醒，則高優先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執行，中斷嵌套層數可達255層。穩定性與可靠性C/OS的性能特點（二）μC專/G獅UI外a貴nd鍬μ指C/冶FSμC扯/G竭UI嵌入飯式的頓用戶藝界面截；用AN宣SI膛C書寫曬；支持眉任何8,適1渠6,征3外2-寧bi矛ts兔C憶PU；彩色祥，灰泰度，兼等級鐵或黑除白顯供示；代碼坑尺寸裕小。μC霉/F揉S嵌入謙式的艘文件眾系統Wr紐奉it雄te賄n植in陡A墳NS藥I歲C；用AN快SI栽C書寫襪；支持判任何8,該1倍6,逝3弱2-射bi饒ts違C朽PU；支持SM復C,決M翻MC扇,士SD隨,洪CF束,藏ID獸E,鍛F皇la披sh佳,間RA貫M其他幣介質余。μC歸/O灘S-長II圖書描述多了μC擾/O喊S-烏II內部顛的工婦作原毛理；隨書你的CD中包斜含了稠源代榨碼；工業幣界最儉清晰神的源寧代碼除英遮文版育外，謠有中詠文和芳韓文紹版。Ch糞in違es壺eKo找re宋anEn慌gl守is襯hIS佳BN押1利-5候78番20棵-1吐03忙-9美國CM菜P惱BO憲OKIS打BN須7跟-8害10仇77盯-2擱90碗-2北京滔航空然航天艘大學進出版縮慧社IS囑BN汁8貫9-追95齒15咱40便-5粒-5μC崗/O絕S-摔II的各皆種商攔業應秘用全世尼界有個數百教種產鈴品在斜應用:Av鍵io療ni大csMe跪di和ca可lCe冬ll暮p平ho次ne盒sRo融ut陳er叉s繡an臣d癥sw鎮it陰ch勾esHi米gh獎-e喂nd熟a勉ud巡壽io行e隨qu博ip目me還ntWa曲sh你in女g期ma捷ch吹in皆es竿a隔nd秋d裙ry椒er而sUP掉S(U號ni棕nt蛙er券ru投pt決ib隆le刑P疲ow叼er只S司up連pl憲ie陵s)In換du秩st航ri她al校c鉆on鬧tr匯ol陡le勺rsGP鄉豐S齡Na碑vi產ga都ti歌on嘩S耳ys銹te來msMi即cr輪ow溉av衛e布Ra灑di軌osIn留st穗ru詠me鹽nt止at畫io躍nPo兵in燈t-對of姓-s抗al聯e擦te恨rm言in蜻al纏s更多內容琴提要1324實時肺操作免系統替基本踏概念C/館OS癥-Ⅱ內核稈結構C/滑OS拆-Ⅱ移植移植滾實例遠分析特點：可靠遭性實時店性可裁擠減性要求：多任未務搶占責式調筆度任務筐的通弄訊與斧同步任務凝與中彈斷之竭間的搭通訊RT另OSRT漏OS在嵌鉤入式程系統陷中的糊位置嵌入漢式硬憲件平賄臺BS婚PKE戒RN婦ELFSTC藥P/翼IP設備繪驅動設備I/歲O調試繡工具其他鉛組件應用RT簡OSC/夸C+她+實時仗系統碗基本胳概念前后填臺系婆統（Fo祖re損gr丑ou綢nd易/B互ac捧kg照ro光un歐d嘗Sy球st狡em）應用曬程序洗是一港個無切限的尾循環刃，循陵環中猜調用術相應返的函訂數完票成相滴應的伸操作頃，這賺部分螺可以莫看成激后臺弊行為(b青ac文kg場ro獸un殃d)。中珍斷服動務程昂序處爽理異孤步事集件，援這部宜分可辦以看厚成前披臺行默為（fo娛re役gr須ou榴nd）。時間約相關丙性很是強的姓關鍵衡操作(C孔ri傲ti袖ca騾l狂op老er畫at耳io由n)一定厘是靠擴中斷隨服務京來保濤證的廣。因營為中捷斷服堵務提由供的揀信息霧一直園要等潔到后捧臺程綱序走浮到該樓處理縮慧這個周信息海這一校步時摟才能教得到梢處理罰，這帆種系神統在右處理骨信息死的及脅時性租上，忘比實約際可艇以做急到的臉要差職。實時城系統匹基本閥概念多任王務多任雀務運給行的魔實現膚實際明上是塑靠CP盤U(中央薦處理哨單元)在許該多任詢務之牧間轉左換、訴調度旱。CP約U只有秀一個添，輪距番服輝務于頂一系扭列任碧務中罩的某羊一個棉。多附任務食運行院很像名前后歡臺系慨統，驗但后圍臺任雖務有妨多個循。多是任務踏運行鞠使CP求U的利餃用率沿得到宅最大默的發奇揮，疲并使拿應用菠程序忠模塊燭化。驅在實魯時應岸用中蓮，多伙任務舍化的噴最大掉特點溜是，弓開發錯人員鳥可以信將很文復雜擾的應悼用程魚序層拳次化各。使牙用多堪任務短，應斃用程贊序將腫更容廊易設釘計與戚維護膊。實時尚系統蕉基本慰概念任務實時賀系統淚基本消概念任務盤切換(C鮮on掘te肉xt驢S愛wi杜tc顏h單or甘T戚as擾k血Sw脊it食ch扇)Co紡nt槽ex帳t翁Sw雪it巴ch在有規的書晚中翻敢譯成霞上下全文切配換，牽實際條含義比是任雪務切待換，刺或CP根U寄存打器內祝容切曲換。當多健任務遭內核柄決定往運行窄另外益的任菠務時打，它蘭保存敘正在廢運行枝任務尋的當上前狀豬態（Co箏nt壤ex違t），槽即CP應U寄存求器中喇的全飄部內怠容。這些象內容薪保存智在任塘務的車當前悉狀況惕保存嬸區（Ta善sk’s脆Co伶nt驅ex拒t繼St罷or杰ag宰e講ar劉ea），也就獸是任梯務自零己的英棧區孕之中其。入棧桑工作笑完成踏以后孕，就梢是把潑下一傲個將祝要運穗行的巖任務質的當麻前狀種況從傘該任樹務的果棧中今重新春裝入CP棍U的寄死存器聯，并桌開始搶下一番個任茫務的首運行盟。這個收過程土叫做己任務肥切換蹄。實時紫系統把基本友概念靜態隙優先霸級應用須程序吐執行將過程炮中諸益任務包優先志級不自變，縮慧則稱需之為捏靜態舉優先央級。游在靜縱態優討先級懼系統墳中，婚諸任傍務以婦及它冰們的本時間儲約束掀在程援序編帖譯時竊是已叉知的瘡。動態聯優先必級應用恩程序酷執行隱過程犬中，嫌任務董的優罪先級殲是可欄變的陸，則倦稱之話為動歉態優捧先級聞。任務扯優先玻級每個固任務堂都有報其優撓先級籮。任弟務越稍重要鳳，賦省予的首優先并級應依越高烈。實時他系統擺基本席概念內核壯（Ke釋rn較el）多任建務系果統中胸，內鄰核負昌責管何理各柔個任取務，切或者化說為勇每個纏任務鋒分配CP替U時間暈，并信且負棋責任紅務之額間的算通訊挺。內哀核提置供的召基本纏服務勁是任頌務切榜換。帝之所艱以使點用實百時內吃核可慕以大睜大簡澡化應攻用系釣統的慮設計頸，是到因為雅實時脹內核類允許俗將應赤用分肌成若余干個念任務醉，由族實時豈內核擔來管序理它猶們。內核配本身沉也增冶加了呈應用難程序炕的額便外負蹄荷，捐代碼蹲空間識增加RO摟M的用科量，矮內核滑本身茅的數輸據結躲構增赤加了RA修M的用止量。實時犁系統功基本互概念不可喚剝奪蒙型內叢核（No曲n-駱Pr隱ee不mp弟ti存ve左K郵er瞎ne值l）不可護剝奪前型內葡核要縱求每感個任框務自炊我放迷棄CP曲U的所倉有權鎮。各個偽任務年彼此塔合作吧共享悶一個CP催U。異羨步事殘件還煮是由螞中斷桃服務遇來處虹理。呀中斷昆服務塘可以異使一騎個高大優先蹄級的擠任務攜由掛遮起狀晝態變延為就涼緒狀蓋態。額但中第斷服艦務以能后控恢制權靈還是節回到街原來系被中合斷了辭的那急個任鬧務，擁直到張該任蝦務主帽動放及棄CP騙U的使娃用權茂時，虧那個躺高優核先級敵的任邪務才膠能獲魂得CP鹿U的使惕用權盜。實時責系統晚基本忍概念可剝毛奪型吵內核善（珠非占渾先式幅內核）高優廟先級挑的任晌務一菊旦就英緒，犧總能鳳得到CP笨U的控獵制權邀。當辰一個視運行校著的迫任務崗使一含個比沿它優妨先級無高的新任務稿進入處了就香緒態殺，當暖前任差務的CP禽U使用塊權就頌被剝牧奪了王，或蓮者說郊被掛巾起了于，那差個高究優先獎級的勁任務客立刻海得到賞了CP屬U的控陡制權板。如啊果是軟中斷伯服務振子程巨序使搞一個鼓高優睡先級腿的任灘務進妙入就賠緒態丘，中秤斷完年成時迅，中懷斷了聰的任爸務被苦掛起泡，優毒先級巷高的李那個療任務播開始戰運行叛。中斷是一嗚種硬貸件機芬制，躍用于安通知CP鳥U有個再異步仁事件留發生暖了。鏟中斷句一旦翼被識炮別，CP桿U保存俊部分(或全鍵部)現場(C賣on含te麗xt另)即部盆分或恐全部彎寄存普器的充值，煎跳轉觀到專偽門的跳子程攤序，治稱為輩中斷劇服務游子程鍬序(I畏SR繩)。中斷撈服務或子程援序做爛事件創處理壩，處擔理完使成后頸，程羨序回鏟到：1在前后鳥臺系喬統中，緞程序喊回到答后臺律程序2對不可墳剝奪閣型內角核而言濾，程踢序回續到被故中斷草了的譯任務3對可剝暗奪型富內核而言斧，讓計進入楚就緒估態的魂優先押級最糧高的票任務賓開始懷運行中斷址使得CP急U可以轎在事墳件發盈生時若才予刃以處肢理，門而不課必讓駕微處傅理器雅連續鈴不斷壩地查削詢(P伏ol臂li境ng滔)是否廁有事吹件發棋生。慨通過給兩條窩特殊恰指令者：關給中斷(D箏is塑ab虧le轎i型nt次er粱ru穴pt玻)和開駕中斷(E拉na港bl汽e博in膛te察rr驕up串t)可以猛讓微鍛處理要器不立響應弟或響眨應中捉斷。實時漫系統齡基本樣概念代碼域的臨削界段代碼蓄的臨上界段迷也稱療為臨右界區簡，指親處理克時不副可分但割的誕代碼卻。一瘦旦這吧部分造代碼襯開始逢執行轉，則攏不允毯許任龜何中厭斷打勉入。四為確咽保臨稠界段言代碼誤的執腔行，冤在進賽入臨頭界段熱之前稱要關坐中斷烘，而度臨界母段代音碼執開行完努以后城要立壁即開拒中斷捕。實時儲系統豬基本超概念在實畜時環遲境中騾，關標中斷壩的時挖間應毯盡量循的短收。關適中斷愁影響負中斷晴延遲盡時間(見2.鉗26中斷狀延遲)。關被中斷劫時間即太長拉可能風會引摩起中辭斷丟鍋失。微處倆理器梢一般耽允許凳中斷鵲嵌套，也紗就是勞說在浪中斷慕服務追期間辮，微常處理有器可飾以識背別另抬一個米更重擦要的厲中斷席，并潔服務堅于那弊個更輛重要雜的中爛斷，偶如圖2.秀19所示登。實時沈系統節基本鐘概念中斷土響應中斷企響應摟定義慚為從殖中斷促發生珠到開螺始執貝行用億戶的厲中斷危服務驗子程冤序代筋碼來聚處理蘿這個編中斷訂的時趟間。鑄中斷計響應礎時間漆包括片開始懇處理身這個區中斷違前的俱全部泡開銷浮。對前遼后臺良系統，保徑存寄識存器濕以后淚立即冒執行司用戶賺代碼中斷獸響應既時間=中斷羊延遲+保存CP載U內部羞寄存話器的江時間實時章系統寺基本裹概念不可橋剝奪欲型內駛核，微缸處理半器保骨存內坑部寄沉存器游以后件，用墾戶的階中斷死服務醉子程棄序代欲碼全驚立即朗得到奏執行飽。中斷丑響應臟時間=中斷日延遲+保存CP粘U內部熱寄存建器的去時間可剝漿奪型球內核，則鑼要先碎調用嶄一個擾特定視的函爸數，沉該函夜數通獅知內直核即渣將進擴行中牧斷服隨務，量使得厭內核須可以獻跟蹤革中斷腰的嵌燙套。虎對于μC/O胳S-洪Ⅱ說來騰，這瓜個函班數是OS第In潮tE窄nt鋤er()，中斷心響應墾＝畢中焦斷延亦遲+保存CP介U內部妹寄存吃器的抗時間+內核俯的進坊入中駕斷服換務函桂數的敬執行踩時間中斷含恢復欲時間(I漿nt驕er級ru獨pt竊R完ec鴉ov粉er宅y)中斷環恢復租時間傾定義晝為微貸處理晴器返婚回到促被中程斷了電的程墓序代因碼所銅需要簡的時騾間。前后窩臺系悔統和想不可假剝奪葛型內扎核，中妖斷恢仰復時粱間很趣簡單束，只攜包括它恢復CP泉U內部脂寄存壓器值勒的時埋間和錦執行厲中斷瞞返回哲指令象的時注間。中斷期恢復猜時間=恢復CP清U內部返寄存狀器值惜的時抄間+執行載中斷捧返回狡指令妄的時塌間實時側系統酬基本稍概念可剝均奪型猜內核，中嘆斷的嚼恢復陶要復首雜一蠻些。林典型鳴地，蔬在中派斷服采務子即程序艦的末愿尾，閑要調逐用一能個由映實時師內核葵提供笑的函跨數。言在μC/O商S-毯Ⅱ中，涌這個遍函數攝叫做OS露In獸tE服xi賊t()，這注個函浴數用險于辨船定中霸斷是桿否脫誕離了狐所有并的中捐斷嵌氣套。材如果吧脫離猜了嵌蓬套(即已興經可迷以返疼回到消被中厭斷了吃的任蠻務級莊時)，內衡核要項辨定塑，由莖于中屑斷服倉務子崗程序IS蛙R的執正行，蛙是否球使得對一個職優先既級更奮高的挎任務爺進入魚了就應緒態阿。如攀果是求，則批要讓的這個渠優先千級更仇高的網任務翅開始褲運行犁。在粱這種帖情況蔬下，床被中胞斷了霜的任黑務只睜有重盼新成采為優符先級激最高茶的任格務而抖進入爸就緒筒態時叮才能贊繼續階運行慌。中斷港恢復丟時間=判定扶是否企有優踐先級球更高捏的任模務進喇入了瞧就緒晚態的您時間+恢復鼻那個擺優先緊級更污高任乓務的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