1、第1章 嵌入式系统基础主要内容嵌入式系统概念嵌入式系统概念嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统实时操作系统的内核实时操作系统的内核嵌入式技术发展现状及趋势嵌入式技术发展现状及趋势1.1.1 嵌入式系统的定义 一般定义一般定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度）操作系统和计算机硬件集成在一起的系
2、统（技术角度）嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。（系统角度）其紧密耦合在一起的计算机系统。（系统角度）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。广义定义广义定义任何一个非计算机的计算系统任何一个非计算机的计算系统 IEEIEE定义定义嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或
3、装置的机器、设备或装置”（原文为（原文为devices used devices used to control,monitor,or assist the to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or operation of equipment,machinery or plantsplants）。）。通常执行特定功能通常执行特定功能 嵌入式系统的核心嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环全自动操作循环1.1.2 嵌入式系统的组成
4、嵌入式系统通常由嵌入式系统通常由嵌入式处理器嵌入式处理器、外围设备外围设备、嵌嵌入式操作系统入式操作系统和和应用软件应用软件等几大部分组成。等几大部分组成。嵌入式系统组成嵌入式系统组成嵌入式系统硬件组成嵌入式系统硬件组成v 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式处理器大嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从计算机中许多由板卡完成的任务集成
5、在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。高可靠性等特征。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有今市面上有10001000多种嵌入式处理器芯片，其中使用最多种嵌入式处理器芯片，其中使用最为广泛的有为广泛的有ARMARM，MIPSMIPS，PowerPCPowerPC，MC68000MC68000等。等。v 外围设备外围设备外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外的完成存储、通信、调试、显示
6、等辅助功能的其他部件。的完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下根据外围设备的功能可分为以下3 3类：类：存储器存储器：静态易失型存储器：静态易失型存储器(RAMRAM，SRAM)SRAM)、动态存储器动态存储器(DRAM)DRAM)和非易失型存储器和非易失型存储器(Flash)Flash)。其中，其中，FlashFlash以可擦写次以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。接口接口：应用最为广泛的包括并口、：应用最为广泛的包括并口、RS-232RS-23
7、2串口、串口、IrDAIrDA红外红外接口、接口、SPISPI串行外围设备接口、串行外围设备接口、I2C(Inter IC)I2C(Inter IC)总线接口、总线接口、USBUSB通用串行总线接口、通用串行总线接口、EthernetEthernet网口等。网口等。人机交互人机交互：LCDLCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。键盘和触摸屏等人机交互设备。v 嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统是用来管理存储器分配、是用来管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等的软件模块集合。及提供多任务处理等的软件模块集合。嵌
8、入式操作系统嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是式操作系统往往又是“实时操作系统实时操作系统”。v 应用软件应用软件嵌入式系统的应用软件嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件计算机软件。嵌入式软件的特点如下：嵌入式软件的特点如下：(1)(1)软件要求固态化存储。软件要求固态化存储。(2)(2)软件代码要求高质量、高可靠性。软件代码要求高质量、高可靠性。(3)(3)系统软件的高实时性是基本要求。系统软件的高实时
9、性是基本要求。(4)(4)多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。1.1.3 嵌入式系统的特点 软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体；行业技术为一体；需要操作系统支持，代码小、执行速度快；需要操作系统支持，代码小、执行速度快；专用紧凑，用途固定，成本敏感；专用紧凑，用途固定，成本敏感；可靠性要求高；可靠性要求高；多样性，应用广泛、种类繁多。多样性，应用广泛、种类繁多。1.1.4 嵌入式系统的应用嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动
10、存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务工业控制工业控制1.1.5 实时系统实时系统实时系统(Real Time System)Real Time System)是指产生系统是指产生系统输出的时间对系统至关重要的系统。从输入输出的时间对系统至关重要的系统。从输入到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接受的时限内。受的时限内。实时系统通常具备以下重要的特性：实时系统通常具备以下重要的特性：1 1实时性实时性 2并行性并行性 3 3多路性多路性 4 4独立性独立性 5可预测性可预测性 6
11、可靠性可靠性 概念概念特性特性 实时系统中主要通过实时系统中主要通过3 3个指标来衡量系统的实时性，个指标来衡量系统的实时性，即：即：响应时间响应时间(Response Time)Response Time)：指计算机从识别指计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。一个外部事件到做出响应的时间。生存时间生存时间(Survival Time)Survival Time)：指数据的有效等指数据的有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。待时间，在这段时间里数据是有效的。吞吐量吞吐量(Throughput)Throughput)：指在一段给定时间内，指在一段给定时间内，系统可以处理事件的总数。吞吐量
12、通常比平均响系统可以处理事件的总数。吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。应时间的倒数小一点。衡量实时性的指标衡量实时性的指标实时系统的分类实时系统的分类v 根据响应时间可分为根据响应时间可分为3 3种类型：种类型：1 1强实时系统强实时系统 2 2弱实时系统弱实时系统 3 3一般实时系统一般实时系统v 根据确定性可分为根据确定性可分为2 2种类型：种类型：1 1硬实时系统硬实时系统 2 2软实时系统软实时系统主要内容嵌入式系统概念嵌入式系统概念嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统实时操作系统的内核实时操作系统的内核嵌入式技术发展现状及趋势嵌入式技术发展现状及趋势一、嵌入式处理
13、器分类 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)微控制器微控制器(Microcontroller Unit,MCU)DSP处理器处理器(Digital Signal Processor,DSP)片上系统片上系统(System On Chip，SOC)v 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的。演变而来的。与计算机处理器不同的是，只保留和嵌入式应用紧密相关与计算机处理器不同的是，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的扩展的功能硬
14、件，去除其他的冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、外围电路，如存储器的扩展电路、I/OI/O的扩展电路和一些专的扩展电路和一些专用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入用的接口电路等，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准式应用的特殊要求。嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可微处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等
15、入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。优点。目前主要的嵌入式处理器类型有目前主要的嵌入式处理器类型有ARM ARM、MIPSMIPS、Am186/88Am186/88、386EX386EX、PowerPCPowerPC、6800068000系列等系列等。二、典型的嵌入式处理器1 1ARMARM处理器处理器2 2MIPSMIPS处理器处理器 3 3PowerPCPowerPC处理器处理器 4 4MC68K/ColdfireMC68K/Coldfire处理器处理器 5 5x86x86处理器处理器 v ARM ARM处理器处理器 ARMARM（Advanced RISC Machi
16、nesAdvanced RISC Machines）公司是全球领公司是全球领先的先的16/3216/32位位RISCRISC微处理器微处理器知识产权设计知识产权设计供应商。供应商。ARM ARM处理器有处理器有3 3大大特点特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；16/3216/32位双指令集；位双指令集；全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙伴。ARM ARM处理器分处理器分ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10、ARM11ARM11和和SecurCoreSecurCore系列。系列。v MIPS MIPS处理器处理器 MI
17、PSMIPS（Microprocessor without Interlocked Microprocessor without Interlocked Pipeline StagesPipeline Stages）技术公司是一家设计制造高技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式性能、高档次及嵌入式3232位和位和6464位处理器的厂商。位处理器的厂商。MIPS MIPS的定位很广。在高端市场它有的定位很广。在高端市场它有6464位的位的2020KcKc系列，在低端市场有系列，在低端市场有SmartMIPSSmartMIPS。PowerPC PowerPC体系结构的特点是体系结构的特点是可
18、伸缩性好，方便灵活可伸缩性好，方便灵活。PowerPCPowerPC处理器处理器品种很多品种很多，既有通用的处理器，又有，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其微控制器和内核。其应用范围非常广泛应用范围非常广泛，从高端的，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。产品到大型通信设备，无所不包。基于基于PowerPCPowerPC架构的处理器有架构的处理器有IBM IBM 公司开发的公司开发的PowerPC 405 GPPowerPC 405 GP，它是一个集成它是一个集成10/10010/100MbpsMbp
19、s以太网以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。设的高性能嵌入式处理器。v PowerPC PowerPC处理器处理器 Apple Apple机以前使用的就是机以前使用的就是Motorola 68000(68K)Motorola 68000(68K)，比比IntelIntel公司的公司的80888088还要早。但现在，还要早。但现在，AppleApple、MotorolaMotorola公司已放弃公司已放弃6868K K而专注于而专注于ARMARM了。了。v MC68K/Coldfire MC68K/Coldfire
20、处理器处理器 x86 x86系列处理器是最常用的，它起源于系列处理器是最常用的，它起源于IntelIntel架架构的构的80808080，发展到现在，发展到现在Pentium 4Pentium 4、AthlonAthlon和和AMDAMD的的6464位处理器位处理器HammerHammer。486DX486DX是当时和是当时和ARMARM、68K68K、MIPSMIPS、SuperHSuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于基于x86x86的的STPCSTPC高度集成系统。高度集成系统。v x86 x86处理器处理器主要内容嵌入式系统概念嵌入式系统概念嵌入
21、式处理器嵌入式处理器嵌入式操作系统嵌入式操作系统实时操作系统的内核实时操作系统的内核嵌入式技术发展现状及趋势嵌入式技术发展现状及趋势1.3.1 操作系统的概念和分类操作系统的概念和分类 操作系统的概念操作系统的概念 操作系统操作系统OS(Operation System)OS(Operation System)是一组计算是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件提供运行环境，即
22、对程序开发者提供功能强、使提供运行环境，即对程序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。用方便的开发环境。操作系统的功能操作系统的功能 处理器管理处理器管理 存储器管理存储器管理 设备管理设备管理 文件管理文件管理用户接口用户接口 对处理器进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。处理器的分配对处理器进行分配，并对其运行进行有效地控制和管理。处理器的分配和运行都是以和运行都是以进程进程为基本单位进行的，因此对处理器的管理可以归结为对进为基本单位进行的，因此对处理器的管理可以归结为对进程的管理，包括程的管理，包括进程控制、进程同步、进程通信、作业调度和进程调度进程控制、进程同步、进程通信、作业调度
23、和进程调度等。等。为多道程序的运行提供良好的环境，包括内存分配、内存保护、地址映射、为多道程序的运行提供良好的环境，包括内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充等。内存扩充等。包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。包括缓冲管理、设备分配、设备处理、形成虚拟逻辑设备等。文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使文件管理的主要任务就是对系统文件和用户文件进行管理，方便用户的使用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文用，保证文件的安全性。文件管理包括对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理以及文件的共享与保护等。件的读写管理以及文
24、件的共享与保护等。用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键所在。用户与操作系统的接口是用户能方便地使用操作系统的关键所在。计算机操作系统的分类计算机操作系统的分类按按程序运行调度的方法程序运行调度的方法分类：分类：1 1顺序执行系统顺序执行系统 即系统内只有一个运行程序，它独占即系统内只有一个运行程序，它独占CPUCPU时间，按语句顺序执行该时间，按语句顺序执行该程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。程序，直至执行完毕，另一程序才能启动运行。DOSDOS操作系统就属于操作系统就属于这种系统。这种系统。2 2分时操作系统分时操作系统 系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏
25、观上说；实际系统内同时可有多道程序运行。所谓同时，只是从宏观上说；实际上系统把上系统把CPUCPU的时间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的时间按顺序分成若干时间片，每个时间片内执行不同的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。的程序。这类系统支持多用户，当今广泛用于商业、金融领域。UNIXUNIX操作系统就属于这种系统。操作系统就属于这种系统。3 3实时操作系统实时操作系统 系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系系统内同时有多道程序运行，每道程序各有不同的优先级，操作系统按事件触发使程序运行。当多个事件发生时，系统按优先级高低确统按事件触发使程序运行
26、。当多个事件发生时，系统按优先级高低确定哪道程序在此时此刻占有定哪道程序在此时此刻占有CPUCPU，以保证优先级高的事件先运行，从以保证优先级高的事件先运行，从而实现实时信息及时被采集。而实现实时信息及时被采集。嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统的分类从从实时性的角度实时性的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：来看，嵌入式操作系统可以分为：具有强实时特点的嵌入式操作系统；具有强实时特点的嵌入式操作系统；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；具有弱实时特点的嵌入式操作系统；没有实时特点的嵌入式操作系统。没有实时特点的嵌入式操作系统。从从应用的角度应用的角度来看，嵌入式操作系统可以分为：来看，嵌入式操作系
27、统可以分为：面向低端信息家电面向低端信息家电IAIA（Internet ApplianceInternet Appliance，如智能电话、家庭网关如智能电话、家庭网关等）的嵌入式操作系统；等）的嵌入式操作系统；面向高端信息家电（如数字电视等）的嵌入式操作系统；面向高端信息家电（如数字电视等）的嵌入式操作系统；面向个人通信终端（如手机、面向个人通信终端（如手机、PDAPDA、Pocket PCPocket PC等）的嵌入式操作等）的嵌入式操作系统；系统；面向通信设备的嵌入式操作系统；面向通信设备的嵌入式操作系统；面向汽车电子的嵌入式操作系统；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
28、作系统。面向工业控制的嵌入式操作系统。v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念任务、进程和线程任务、进程和线程 任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当任务：任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统当作一个基本工作单元来调度。任务是在系统运行前已设计作一个基本工作单元来调度。任务是在系统运行前已设计好的。好的。进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。进程：进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动态过程，即执行任务体的动态过程。态过程，即执行任务体的动态过程。线程：线程
29、：2020世纪世纪8080年代中期，人们提出了比进程更小的能年代中期，人们提出了比进程更小的能独立运行和调度的基本单位独立运行和调度的基本单位线程，并以此来提高程序线程，并以此来提高程序并发执行的程度。近些年，线程的概念已被广泛应用。并发执行的程度。近些年，线程的概念已被广泛应用。v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念多用户及多任务多用户及多任务多用户的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用多用户的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享同一个操作系统及各种系统资源。同一台主机，共享同一个操作系统及各种系统资源。每个用户的应用程序可以设计成不同的任务，这些任每个用户的
30、应用程序可以设计成不同的任务，这些任务可以并发执行。务可以并发执行。用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效用户及多任务系统可以提高系统的吞吐量，更有效地利用系统资源。地利用系统资源。v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念任务的事件驱动任务的事件驱动v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念中断与中断优先级中断与中断优先级 中断中断是计算机中是计算机中软件系统与硬件系统软件系统与硬件系统共同提供的功能。共同提供的功能。它包括它包括中断源、中断优先级、中断处理程序及中断任务中断源、中断优先级、中断处理程序及中断任务等相等相关概念。关概念。实时操作系统实时操作系统充分利用充
31、分利用中断中断来改变来改变CPUCPU执行程序的执行程序的顺序，顺序，达到实时处理目的达到实时处理目的。系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则系统中所有中断控制器一共可以连接几个外部信号，则称系统有几个称系统有几个中断源中断源。操作系统对每个中断级指定了优先级，称之为操作系统对每个中断级指定了优先级，称之为中断优先中断优先级级。在多个中断源同时发出申请时，。在多个中断源同时发出申请时，CPUCPU按优先级的高低按优先级的高低顺序处理。这种总是保证优先级最高的任务占用顺序处理。这种总是保证优先级最高的任务占用CPUCPU的方的方式，称为式，称为按优先级抢占式调度按优先级抢占式调度。v嵌
32、入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念同步与异步同步与异步 实时系统中常用同步或异步来说明事件发生的时序或任实时系统中常用同步或异步来说明事件发生的时序或任务执行的顺序关系。务执行的顺序关系。由于事件由于事件1 1停止而引起事件停止而引起事件2 2发生，或者必须有事件发生，或者必须有事件2 2发生，发生，事件事件3 3才可能发生，如此类推，这一系列与时间相关的事件才可能发生，如此类推，这一系列与时间相关的事件称为称为同步事件同步事件。由同步事件驱动的任务称为。由同步事件驱动的任务称为同步任务同步任务。使任。使任务同步的目的是使相关任务在执行顺序上协调，不至于发生务同步的目的是使相关任务
33、在执行顺序上协调，不至于发生时间相关的差错，以保证任务互斥地访问系统的内存、外设时间相关的差错，以保证任务互斥地访问系统的内存、外设等共享资源。等共享资源。异步事件异步事件是指随机发生的事件。异步事件发生的因素很是指随机发生的事件。异步事件发生的因素很复杂，往往与工业现场有关，难以预测其发生的时间，因此复杂，往往与工业现场有关，难以预测其发生的时间，因此异步事件又称随机事件异步事件又称随机事件。由异步事件驱动的任务称为。由异步事件驱动的任务称为异步任异步任务务。中断任务都是异步任务，优先级高于同步任务中断任务都是异步任务，优先级高于同步任务。v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念资
34、源与临界资源资源与临界资源 程序运行时可使用的软、硬件环境统称为程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源资源。主要包。主要包括括CPUCPU的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数据、通用外部设备等等。据、通用外部设备等等。没有指派给具体任务的资源属于系统所有，是没有指派给具体任务的资源属于系统所有，是共享资源共享资源。如果系统中出现如果系统中出现2 2个以上任务可能同时访问的共享资源，个以上任务可能同时访问的共享资源，则称为则称为临界资源临界资源。系统中的公共数据区、打印机等都是临界。系统中的公共数据区、打印机等都是临界资源。资源。系统内任
35、务应采取系统内任务应采取互斥互斥的方式访问共享资源。在实时多的方式访问共享资源。在实时多任务系统中，当异步任务被激活时，容易出现资源的临界状任务系统中，当异步任务被激活时，容易出现资源的临界状态。实时多任务操作系统中应保证态。实时多任务操作系统中应保证任何时刻临界资源内只有任何时刻临界资源内只有一个任务在访问一个任务在访问。资源临界问题解决不好，执行任务交不出。资源临界问题解决不好，执行任务交不出资源的控制权，将引起系统资源的控制权，将引起系统死锁死锁。v嵌入式操作系统的基本概念嵌入式操作系统的基本概念容错与安全容错与安全 容错容错是指这样一种性能或措施，当系统内某些软、硬是指这样一种性能或措
36、施，当系统内某些软、硬件出现故障时，系统仍能正常运转，完成预定的任务或某件出现故障时，系统仍能正常运转，完成预定的任务或某些重要的不允许间断的任务。容错能力包括系统自诊断、些重要的不允许间断的任务。容错能力包括系统自诊断、自恢复、自动切换等多方面能力，由自恢复、自动切换等多方面能力，由软、硬件共同软、硬件共同采取措采取措施才能实现。容错是实时系统提高可靠性的手段。施才能实现。容错是实时系统提高可靠性的手段。安全性控制安全性控制是操作系统对自身文件和用户文件的存取是操作系统对自身文件和用户文件的存取合法性的控制。在实时操作系统中安全性极为重要，必须合法性的控制。在实时操作系统中安全性极为重要，必
37、须保证系统工作的高度可靠和安全，防止对应用系统有意或保证系统工作的高度可靠和安全，防止对应用系统有意或无意的破坏。通常采用一些无意的破坏。通常采用一些软件控制方法软件控制方法来保证系统的安来保证系统的安全性，如标记检查、多级口令设置、加密等等。全性，如标记检查、多级口令设置、加密等等。1.3.2 实时操作系统实时操作系统 实时操作系统实时操作系统(RTOS)RTOS)是具有实时性且能支持实时控制是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。系统工作的操作系统。RTOSRTOS与通用计算机与通用计算机OSOS的区别：的区别：实时性。响应速度快，只有几微秒；执行时间确定、实时性。响应速度快，只有
38、几微秒；执行时间确定、可预测；可预测；代码尺寸小。代码尺寸小。1010100100KBKB，节省内存空间，降低成本；节省内存空间，降低成本；应用程序开发较难；应用程序开发较难；需要专用开发工具：仿真器、编译器和调试器等。需要专用开发工具：仿真器、编译器和调试器等。v 实时操作系统的发展实时操作系统的发展 实时操作系统的研究是从实时操作系统的研究是从2020世纪世纪6060年代年代开始的。从系统结构上看，开始的。从系统结构上看，实时操作系统经历了以下实时操作系统经历了以下3 3个发展阶段。个发展阶段。（1 1）早期的实时操作系统）早期的实时操作系统 不能称为真正的实时操作系统。它只是一个小而简单
39、、具有一定专不能称为真正的实时操作系统。它只是一个小而简单、具有一定专用性的软件，其功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用用性的软件，其功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用户提供对系统的初始管理以及简单的实时时钟管理。户提供对系统的初始管理以及简单的实时时钟管理。（2 2）专用实时操作系统）专用实时操作系统 在国外称为在国外称为Real-Time Operating System Developed in HouseReal-Time Operating System Developed in House。它是早期它是早期用户为满足自身开发需要而研制的，一般只能用于特定的
40、硬件环境，且用户为满足自身开发需要而研制的，一般只能用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。缺乏严格的评测，移植性也不太好。（3 3）通用实时操作系统）通用实时操作系统 大多采用软组件结构，以大多采用软组件结构，以“标准组件标准组件”构成通用的实时操作系统。构成通用的实时操作系统。一方面，在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一一方面，在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。方面，对不同的应用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软组件。v 实时操作系统的组成实时操作系统的组成根据面向实际应用领域
41、的不同根据面向实际应用领域的不同,实时操作系统的组成也有所不同。但一般实时操作系统的组成也有所不同。但一般都包括以下几个重要组成部分：都包括以下几个重要组成部分：(1)(1)实时内核实时内核 实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。(2)(2)网络组件网络组件 网络组件实现了链路层的网络组件实现了链路层的ARP/RARPARP/RARP协议、协议、PPPPPP及及SLIPSLIP协议，网络层的协议，网络层的IPIP协议，传输层的
42、协议，传输层的TCPTCP和和UDPUDP协议。网络组件为应用层提供服务协议。网络组件为应用层提供服务,它本身是它本身是可裁减的。可裁减的。(3)(3)文件系统文件系统 对于比较复杂的文件操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是对于比较复杂的文件操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是可裁减的。可裁减的。(4)(4)图形用户界面图形用户界面 图形用户界面图形用户界面(GUI)GUI)为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入。为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入。它同样是可裁减的。它同样是可裁减的。v 实时操作系统的特点实时操作系统的特点 (1)(1)支持异步事件的响应支持异步事件的
43、响应 实时操作系统为了对外部事件在规定的时间内进行响应，要求具有实时操作系统为了对外部事件在规定的时间内进行响应，要求具有中断和异步处理的能力。中断和异步处理的能力。(2)(2)中断和调度任务的优先级机制中断和调度任务的优先级机制 为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任务的优先级机制。务的优先级机制。(3)(3)支持抢占式调度支持抢占式调度 为保证高优先级的中断或任务的响应时间，实时操作系统必须提供为保证高优先级的中断或任务的响应时间，实时操作系统必须提供一旦高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢占低优先级任务的一旦
44、高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢占低优先级任务的CPUCPU使用权的机制。使用权的机制。(4)(4)确定的任务切换时间和中断延迟时间确定的任务切换时间和中断延迟时间 确定的任务切换时间和中断延迟时间是实时操作系统区别于普通操确定的任务切换时间和中断延迟时间是实时操作系统区别于普通操作系统的一个重要标志，是衡量实时操作系统实时性的重要标准。作系统的一个重要标志，是衡量实时操作系统实时性的重要标准。(5)(5)支持同步支持同步 提供同步和协调共享数据的使用。提供同步和协调共享数据的使用。1.3.3 常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统 VxWorksC/OSC/OS-Windows CE
45、嵌入式嵌入式LinuxPalmOS QNXDelta OS Hopen OSpSOSvC/OSC/OS和和C/OS-C/OS-C/OSMicro Controller O S C/OSC/OS简介简介美国人美国人Jean Labrosse 1992Jean Labrosse 1992年完成，已应用于数百种产年完成，已应用于数百种产品中。品中。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 19981998年年 C/OSC/OS-II-II，目前的版本目前
46、的版本 C/OSC/OS-II V2.72-II V2.7220002000年，得到美国航空管理局（年，得到美国航空管理局（FAAFAA）的认证，可以用的认证，可以用于飞行器中于飞行器中是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先是一个源码公开、可移植、可裁减、占用资源少、抢先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码采用ANSI CANSI C写的，移植性好。高校教学可免费使用。写的，移植性好。高校教学可免费使用。C/OS-II的系统结构的系统结构C/OS-II的任务状态转移图的任务状态转移图v ClinuxClinuxv Delta OSDelta
47、 OS Delta OS Delta OS是电子科技大学嵌入式实时教研室和科银公是电子科技大学嵌入式实时教研室和科银公司联合研制开发的全中文的嵌入式操作系统。司联合研制开发的全中文的嵌入式操作系统。提供强实时和嵌入式多任务的内核，任务响应时间快提供强实时和嵌入式多任务的内核，任务响应时间快速、确定，不随任务负载大小改变。速、确定，不随任务负载大小改变。绝大部分的代码由绝大部分的代码由C C语言编写，具有很好的移植性。语言编写，具有很好的移植性。适用于内存要求较大、可靠性要求较高的嵌入式系统。适用于内存要求较大、可靠性要求较高的嵌入式系统。主要包括嵌入式实时内核主要包括嵌入式实时内核DeltaC
48、OREDeltaCORE、嵌入式嵌入式TCP/IPTCP/IP组组件件DeltaNETDeltaNET、嵌入式文件系统嵌入式文件系统DeltaFILEDeltaFILE以及嵌入式图形以及嵌入式图形用户界面用户界面DeltaGUIDeltaGUI等。等。提供一整套的嵌入式开发套件提供一整套的嵌入式开发套件LamdaTOOLLamdaTOOL和一整套嵌入和一整套嵌入式开发应用解决方案，已成功应用于通信、网络、信息式开发应用解决方案，已成功应用于通信、网络、信息家电等多个应用领域。家电等多个应用领域。v Hopen OSHopen OSHopen OSHopen OS是凯思集团自主研制开发的实时操作
49、系统。是凯思集团自主研制开发的实时操作系统。由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。模块组成。其核心其核心Hopen KernelHopen Kernel的规模一般为的规模一般为1010KBKB左右，占用空间小。左右，占用空间小。具有实时、多任务、多线程的系统特征。具有实时、多任务、多线程的系统特征。v pSOSpSOS pSOSpSOS是是ISI(Integrated Systems IncISI(Integrated Systems Inc)公司研发的产品，公司研发的产品，是世界上最早的实时系统之一，也是最早进入中国
50、市场的实时是世界上最早的实时系统之一，也是最早进入中国市场的实时操作系统。操作系统。pSOSpSOS是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统。是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时操作系统。专为嵌入式微处理器设计，提供了一个完全多任务环境，在专为嵌入式微处理器设计，提供了一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。包含单处理器支持模块包含单处理器支持模块(pSOS+)pSOS+)、多处理器支持模块多处理器支持模块(pSOS+m)pSOS+m)、文件管理器模块文件管理器模块(pHILE)pHILE)、TCP/IPTCP/
