1、3C H A P T E R嵌入式软件系统嵌入式软件系统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软件系统n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：n程序程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；n数据数据是程序能正常操纵信息的数据结构；n文档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n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、
2、内存、和磁盘、光盘上，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、性能等特性析、思考、判断，才能了解它的功能、性能等特性。软软件件产产品品的的特特性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。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，但会为软件在生存周期后期不
3、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。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
4、行各业、方方面面，软件开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。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。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，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，常常成还会涉及
5、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。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嵌入入式式软软件件系统软件系统软件支撑软件支撑软件应用软件应用软件控制、管理计算控制、管理计算机系统的资源机系统的资源嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式中间件（嵌入式中间件（CORBA、Java）等等）等等辅助软件开发的辅助软件开发的工具工具系统分析设计工具系统分析设计工具仿真开发工具仿真开发工具交叉开发工具交叉开发工具测试工具测试工具配置管理工具配置管理工具维护工具等维护工具等面向应用领域面向应用领域手机软件手机软件路由器软件路由器软件交换机软
6、件交换机软件飞控软件等飞控软件等嵌入式软件系统的分类n从运行平台来分，嵌入式软件可以分为n运行在开发平台上的软件运行在开发平台上的软件：设计、开发、测试工具等。n运行在嵌入式系统上的软件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硬件应用层应用层驱动层驱动层操作系统层操作系统层中间件层中间件层板级板级初始化初始化FLASH驱动驱动RTC/定定时器驱动时器驱动串口串口 驱动驱动以太网以太网驱动驱动LCD 驱动驱动键盘键盘驱动驱动其他其他驱动驱动内核内核TCP/IP网络系统网络系统文件文件系统系统嵌入式嵌入式GUI电源电源管理管理嵌入式嵌
7、入式CORBA嵌入式嵌入式JAVA嵌入式嵌入式DCOM面向应用领域面向应用领域的中间件的中间件应用应用任务任务1应用应用任务任务2应用应用任务任务n8驱动程序驱动程序9操作系统操作系统10系统任务及消息队列系统任务及消息队列11API函数（应用程序编程接口）函数（应用程序编程接口）12用户应用程序用户应用程序嵌入式软件运行流程上电复位上电复位系统升级系统升级引导引导/升级系统升级系统系统初始化系统初始化应用初始化应用初始化多任务应用多任务应用板级初始化板级初始化远程升级远程升级本地升级本地升级基于多任务操作系统基于多任务操作系统的嵌入的嵌入式软件的主要运行流程式软件的主要运行流程该运行流程主要
8、分为该运行流程主要分为5 5个阶段个阶段上电复位、板级初始化阶段上电复位、板级初始化阶段系统引系统引导导/升级升级阶段阶段系统初系统初始化阶始化阶段段 应用初应用初始化阶始化阶段段多任务多任务应用运应用运行阶段行阶段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：n可固化可固化 n可配置、可剪裁可配置、可剪裁 n独立的板级支持包，可修改独立的板级支持包，可修改 n不同的不同的CPU有不同的版本有不同的版本 n应用的开发需要有集成的交叉开发工具应用的开发需要有集成的交叉开
9、发工具嵌入式操作系统的演变10%*Kernel30%*KernelNetworkingFile System75%*KernelNetworkingFile SystemMultiprocessingMemory ManagementNetworking UtilityWindows APIApplicationApplicationApplicationApplicationKernelNetworkingFile SystemMultiprocessingFault ToleranceDistributed ObjectsAdvanced NetworkingAdvanced Interc
10、onnectJavaBrowser/GUI嵌入式操作系统体系结构n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。n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。n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硬 件件系统服务系统服务用户态用户态核心态核心态应用程序应用程序应用程序应用程序单块结构单块结构嵌入式操作系统体系结构硬件硬件基本进程管理基本进程
11、管理虚存管理虚存管理I/OI/O和设备管理和设备管理进程间通信进程间通信文件系统文件系统用户用户用户模式用户模式内核模式内核模式层次结构层次结构嵌入式操作系统体系结构硬硬 件件进程服务进程服务用户态用户态核心态核心态应用程序客户应用程序客户内存服务内存服务微内核微内核文件服务文件服务网络服务网络服务显示服务显示服务发送发送应答应答客户客户/服务器结构（微内核结构）服务器结构（微内核结构）嵌入式操作系统体系结构n微内核结构的优点n提供一致的接口提供一致的接口n可扩展性：扩展对新的软件可扩展性：扩展对新的软件/硬件支持硬件支持n灵活性：可伸缩灵活性：可伸缩n可移植性可移植性n分布式系统支持分布式系
12、统支持n适用于面向对象操作系统环境适用于面向对象操作系统环境n性能问题：n通过微内核构造和发送信息、接受应答并解码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所花费的时间比进行一次系统调用的时间多n很大程度取决于微内核的大小和功能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应用程序应用程序任务管理任务管理硬硬 件件用户扩展处理用户扩展处理调度管理调度管理硬件抽象层硬件抽象层应用编程接口应用编程接口内存管理内存管理中断管理中断管理时钟时钟/定时器管理定时器管理I/OI/O管理管理出错处理出错处理同步、通信管理（消息队列，信号量，事件同步、通信管理（消息
13、队列，信号量，事件，异步信号，异步信号)）DeltaCORE的体系结构：层次模块结构的体系结构：层次模块结构分分层层次次模模块块化化嵌入式操作系统体系结构用户模式用户模式应用应用应用应用应用应用网络管理器网络管理器图形管理器图形管理器设备管理器设备管理器文件系统管理器文件系统管理器网络驱动网络驱动图形驱动图形驱动设备驱动设备驱动文件系统驱动文件系统驱动硬硬件件内核模式内核模式 内核（微内核）内核（微内核）QNX4.25的体系结构：客户的体系结构：客户/服务器结构服务器结构嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式内核嵌入式内核嵌入式嵌入式TCP/IP网络系统网络系统嵌入式文件系统嵌入式文件系统嵌入式操
14、作系统的组成嵌入式内核n内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的内核是嵌入式操作系统的基础，也是必备的部分。部分。n内核还提供特定的应用编程接口，但目前没内核还提供特定的应用编程接口，但目前没有统一的标准。有统一的标准。任任务务管管理理内内存存管管理理通通信信同同步步与与互互斥斥机机制制中中断断管管理理时时间间管管理理任任务务扩扩展展嵌入式TCP/IPTCP/IP协议已经协议已经广泛地应用于嵌入广泛地应用于嵌入式系统中式系统中嵌入式嵌入式TCP/IP网网络系统提供符合络系统提供符合TCP/IP协议标准协议标准的协议栈，提供的协议栈，提供Socket编程接口。编程接口。可剪裁可剪裁“零拷贝零拷贝”
15、技术技术采用静态分配技术采用静态分配技术Socket Socket 接接 口口 UDP UDP协议协议 TCP TCP协议协议 IP IP 协议协议 ICMP/IGMP ICMP/IGMP协议协议 网络接口层网络接口层 ARP/PPP ARP/PPP协议协议 以太网驱动以太网驱动 异步串口驱动异步串口驱动物物 理理 设设 备备应用程序应用程序/应用协议应用协议嵌入式文件系统n通用操作系统的文件系统通常具有以下功能：n提供用户对文件操作的命令提供用户对文件操作的命令n提供用户共享文件的机制提供用户共享文件的机制n管理文件的存储介质管理文件的存储介质n提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的提
16、供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安全性安全性n提供文件及文件系统的备份和恢复功能提供文件及文件系统的备份和恢复功能n提供对文件的加密和解密功能提供对文件的加密和解密功能嵌入式实时操作系统C/OS-II简介nC/OS-II是一个抢占式实时多任务内核。它是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编语言代码，使之可以提供给不同架构的微处理器使用。n至今，从8位到64位，C/OS-II已经在40多种不同架构的微处理器上使用。n使用C/OS的领域包括：照相机行业、航空业、医疗器械、网络设备、自动提款机以及工业机器人等。嵌入式实时操作系统C/OS-II简介nC/OS-II全部以源代码的方式提供，
17、大约有5500行。nCPU相关的部分使用的是针对Intel80 x86微处理器的代码。nC/OS-II可以很容易地移植到不同架构的嵌入式微处理器上。嵌入式实时操作系统C/OS-II简介nC/OS-II的特点：n源代码源代码n可移植可移植n可固化可固化n可裁减可裁减n可抢占性可抢占性n支持多任务支持多任务 可确定性可确定性 任务栈任务栈 系统服务系统服务 中断管理中断管理 稳定性和可靠性稳定性和可靠性嵌入式实时操作系统C/OS-II简介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方法33嵌入式系统采用嵌入式系统采用“宿主机宿主机/目标机目标机”方式方式交叉编译交叉编译。USB/RS232/USB/RS232/以太网以太网宿主机：通用计算机（宿主机：通用计算机（PCPC），开发环境。），开发环境。目标机：嵌入式系统，运行环境。目标机：嵌入式系统，运行环境。通用计算机程序开发和编译在一台计算机上完通用计算机程序开发和编译在一台计算机上完成成直接编译。直接编译。内存小内存小存储空间有限存储空间有限计算能力有限计算能力有限嵌入式软件开发需要交叉编译嵌入式软件开发需要交叉编译
