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史上最详细！嵌⼊式系统知识和接⼝技术总结1什么是嵌⼊式IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电⽓和电⼦⼯程师协会）对嵌⼊式系统的定义：“⽤于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。
原⽂为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。
嵌⼊式系统是⼀种专⽤的计算机系统，作为装置或设备的⼀部分。
通常，嵌⼊式系统是⼀个控制程序存储在ROM中的嵌⼊式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接⼝的设备，如⼿表、微波炉、录像机、汽车等，都使⽤嵌⼊式系统，有些嵌⼊式系统还包含操作系统，但⼤多数嵌⼊式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
从应⽤对象上加以定义，嵌⼊式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
国内普遍认同的嵌⼊式系统定义为：以应⽤为中⼼，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应⽤系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专⽤计算机系统。
⼀个嵌⼊式系统装置⼀般都由嵌⼊式计算机系统和执⾏装置组成,嵌⼊式计算机系统是整个嵌⼊式系统的核⼼，由硬件层、中间层、系统软件层和应⽤软件层组成。
执⾏装置也称为被控对象，它可以接受嵌⼊式计算机系统发出的控制命令，执⾏所规定的操作或任务。
执⾏装置可以很简单，如⼿机上的⼀个微⼩型的电机，当⼿机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上⾯集成了多个微⼩型控制电机和多种传感器，从⽽可以执⾏各种复杂的动作和感受各种状态信息。
2嵌⼊式系统的组成⼀、硬件层硬件层中包含嵌⼊式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通⽤设备接⼝和I/O接⼝（A/D、D/A、I/O等）。
在⼀嵌⼊式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了⼀个嵌⼊式核⼼控制模块。
嵌入式系统中的片上系统设计与实现技术嵌入式系统是指将计算机技术与各种应用领域相结合，嵌入到具体的产品或设备中，并且能够完成特定任务的一种计算机系统。
在嵌入式系统中，片上系统（SoC）被广泛应用。
片上系统是指将计算机核心、存储系统、通信接口、外设、调度器等功能集成到一个芯片上，形成一个完整的计算机系统。
片上系统设计与实现技术是嵌入式系统开发中的核心内容，具有重要意义。
下面将详细介绍一些嵌入式系统中的片上系统设计与实现技术。
1. 硬件设计技术：片上系统的硬件设计是整个系统的基础，包括处理器核心的选择与设计、存储系统的设计、通信接口的设计、外设的设计等。
在选择处理器核心时，需要考虑功耗、性能、可编程性等因素；在设计存储系统时，需要根据应用需求选择合适的存储器类型，如RAM、Flash等，并合理设计存储器的组织结构；在设计通信接口时，需要根据数据传输的要求选择合适的接口类型，如UART、SPI、I2C等；在外设的设计中，需要根据具体应用需求选择适当的传感器、执行器等外设。
2. 软件设计技术：片上系统的软件设计是指针对具体应用需求，为系统开发相应的软件。
软件设计包括编写驱动程序、编写嵌入式操作系统、编写应用软件等。
在编写驱动程序时，需要充分了解硬件的特性和功能，充分利用硬件资源，提高系统性能；在编写嵌入式操作系统时，需要选择合适的操作系统，如Linux、RTOS等，并为系统开发相应的设备驱动程序和应用服务；在编写应用软件时，需要根据具体应用需求，设计相应的算法和实现。
3. 片上系统的布局与布线技术：片上系统中，各个功能模块需要相互连接，完成数据传输与处理。
布局与布线技术是指将各个模块在芯片上合理排布，并设计合理的连线。
在布局时，需要考虑各个功能模块之间的连接关系，尽量减少信号传输的路径长度，降低传输时延和功耗；在布线时，需要根据信号传输的特性，选择合适的线宽和线距，保证信号传输的质量。
4. 功耗优化技术：在嵌入式系统中，功耗是一个重要的性能指标。
课程作业成绩：前言嵌入式系统是基于单片机的一种升级版,它是以应用为中心、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。
我们可从几方面来理解嵌入式系统：1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。
因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。
2.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和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。
例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。
3.嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。
所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。
目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。
目录第一章嵌入式系统的定义组成和体系结构1.1 嵌入式系统的定义 (1)1.2 嵌入式系统的体系结构 (2)1.3嵌入式系统的组成 (4)第二章嵌入式操作系统和嵌入式软件的编写2.1 嵌入式操作系统 (5)2.2嵌入式Linux的开发流程的步骤 (6)2.3 嵌入式系统的调试 (7)第三章总结 (9)第一章嵌入式系统的定义组成和硬件设计1.1 嵌入式系统的定义按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。
嵌入式计算机系统的设计技术嵌入式计算机系统的设计技术嵌入式计算机系统的设计技术摘要：随着互联网在日常生活与工作中的作用越来越大，信息技术的发展日益迅速。
嵌入式计算机系统作为当今信息技术的核心部分，对我国的各行各业产生了深远影响。
嵌入式系统开发嵌入式开发就是对于除了电脑之外的所有电子设备上操作系统的开发，开发对象有手机，掌上电脑，机电系统等。
嵌入式计算机系统设计技术，则是嵌入式计算机系统开发的核心环节。
更高的应用需求，对嵌入式计算机系统的设计技术提出了更高的要求。
与此同时，嵌入式系统本身的升级，也使得嵌入式计算机系统的设计技术面临更大的挑战。
本文主要分析了嵌入式计算机系统的设计技术为更好的适应和满足市场，而需要面对的诸多挑战。
关键词：嵌入式;设计技术;挑战;市场;性能嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式计算机系统与通用计算机系统有着本质上的不同，嵌入式计算机系统在很多情况下需要考虑的是为其产品性能，生命周期和商业驱动做优化，而不是努力提高其最大计算吞吐量。
对于一个有市场适应能力的嵌入式计算机系统来说，产品的成功与否更重要的是其在性价比上的优势。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。
由于嵌入式计算机系统自身功能和具体应用环境的限制，其在设计技术上会面临如下两个方面的挑战：1 系统自身发展升级挑战应用领域的不断扩大和用户要求的逐渐提高推动了嵌入式计算机系统功能的升级，而在升级过程中，嵌入式计算机系统设计技术作为系统开发的核心环节，无法避免的要面对来自整个系统的全面挑战。
嵌入式系统基础知识1.1嵌入式系统的定义和组成一、嵌入式系统的定义1.IEEE定义2.国内定义二、嵌入式系统的发展概述1.嵌入式系统的发展历史2.嵌入式系统的发展趋势3.知识产权核三、嵌入式系统的组成1.概述2.硬件层3.中间层4.系统软件层5.应用软件层四、实时系统1.实时系统定义2.实时系统特点3.实时系统调度4.实时系统分类5.实时任务分类1.2 嵌入式微处理器体系结构一、冯诺依曼与哈佛结构1.冯诺依曼结构2.哈佛结构二、CISC与RISC1.复杂指令集计算机(CISC)2.精简指令集计算机(RISC)三、流水线技术1.流水线的基本概念2.流水线技术的特点3.流水线结构的分类4.流水线处理机的主要指标四、信息存储的字节顺序1.大端和小端存储法2.可移植性问题3.通信中的存储顺序问题4.数据格式的存储顺序1.3 嵌入式系统的硬件基础一、组合逻辑电路基础1.组合逻辑电路概述2.真值表3.布尔代数4.门电路5.译码器6.数据选择器和数据分配器二、时序逻辑电路1.时钟信号2.触发器3.寄存器与移位器4.计数器三、总线电路及信号驱动1.总线2.三态门3.总线的负载能力4.单向和双向总线驱动器5.总线复用6.总线通信协议7.总线仲裁四、电平转换电路1.数字集成电路的分类2.常用数字集成电路逻辑电平接口技术五、可编程逻辑器件基础1.可编程逻辑器件（PLD）概述2.PLD的电路表示法3.可编程阵列逻辑器件PAL和可编程逻辑阵列PLA4.可编程通用阵列逻辑器件GAL5.门阵列GA6.可编程程序门阵列PGA1.4嵌入式系统中信息表示和运算基础一、进位计数制与转换1.二进制2.十六进制3.数制表示4.数制转换二、计算机中数的表示1.基本概念2.数的定点和浮点表示三、非数值数据编码1.非数值数据定义2.字符和字符串的表示方法3.汉字的表示方法4.统一代码5.语音编码四、差错控制编码1.引入2.基本原理3.差错控制码分类4.常用的差错控制编码1.5嵌入式系统的性能评价一、质量项目1.性能指标2.可靠性与安全性3.可维护性4.可用性5.功耗6.环境适应性7.通用性8.安全性9.保密性10.可扩展性11.其他指标二、评价方法1.测量法2.模型法三、评估嵌入式系统处理器的主要指标1.MIPS测试基准2.Dhrystone3.EEMBC嵌入式微处理器与接口知识2.1嵌入式微处理器的结构和类型一、嵌入式微处理器1.定义2.组成3.分类二、典型8位微处理器结构和特点1.8位微处理器2.8051微处理器三、典型16位微处理器结构和特点1.16位微处理器2.16位微处理器MC68HC912DG128A四、典型32位微处理器结构和特点1.ARM处理器2.MIPS系列3.PowerPC五、DSP处理器结构和特点1.数字信号处理器的特点2.典型的数字信号处理器3.DSP的发展方向六、多核处理器的结构和特点1.多核处理器概述2.典型多核处理器介绍2.2嵌入式系统的存储体系一、存储器系统概述1.存储器系统的层次结构2.高速缓存（cache）3.存储管理单元MMU二、嵌入式系统存储设备分类1.嵌入式系统的存储器2.存储器部件的分类3.存储器的组织和结构的描述三、ROM的种类和选型1.常见ROM的种类2.PROM、EPROM、E2PROM型ROM的各自典型特征和不同点四、Flash Memory的种类和选型1.Flash Memory的种类（NOR和NAND型）2.NOR和NAND型Flash Memory各自的典型特征和不同点五、RAM的种类和选型1.常见RAM的种类（SRAM、DRAM、DDRAM）2.SRAM、DRAM、DDRAM各自的典型特征和不同点六、外部存储器的种类和选型1.外存概述2.硬盘存储器的基本结构与分类3.光盘存储器4.标准存储卡（CF卡）5.安全数据卡（SD卡）2.3嵌入式系统输入输出设备一、嵌入式系统常用输入输出设备1.概述2.键盘、鼠标3.触摸屏4.显示器5.打印机6.图形图像摄影输入设备二、GPIO原理与结构1.原理2.结构三、AD接口的基本原理和结构1.概述2.AD转换方法3.AD转换的重要指标四、DA接口的基本原理和结构1.DA转换的工作原理2.DA转换的主要指标五、键盘接口基本原理与结构1.键盘的分类2.用ARM芯片实现键盘接口六、显示接口的基本原理与结构1.液晶显示器LCD显示接口原理与结构2.电致发光3.LCD种类4.LCD的设计方法5.其他显示接口原理与结构七、显示接口的基本原理与结构1.触摸屏原理2.电阻触摸屏的有关技术3.触摸屏的控制4.触摸屏与显示屏的配合八、音频接口基本原理与结构1.音频数据类型2.IIS音频接口总线2.4嵌入式系统总线接口一、串行接口基本原理与结构1.串行通信的概念2.串行数据传送模式3.RS232串行接口4.RS422串行接口5.RS485串行总线接口二、并行接口基本原理与结构1.并行接口的分类2.并行总线三、PCI总线1.概述2.特点3.32位PCI系统的引脚分类4.PCI总线进行读操作四、USB通用串行总线1.概念2.主要性能特点B系统描述4.物理接口B电压规范6.总线协议7.健壮性B接口工作原理五、SPI串行外围设备接口1.概念2.使用信号3.同外设进行连接以及原理4.工作模式六、IIC总线1.概念2.特点3.操作模式4.通用传输过程及格式5.工作原理七、PCMCIA接口1.内存卡的种类2.16位PCMCIA接口的规范与结构2.5嵌入式系统网络接口一、以太网接口基本原理与结构1.以太网基础知识2.嵌入式以太网接口的实现方法3.在嵌入式系统中主要处理的以太网协议4.网络编程接口二、CAN总线1.概念2.特点3.位时间的组成4.CAN总线的帧数据格式5.在嵌入式处理器上扩展CAN总线接口三、XDSL接口的基本原理和结构1.概念2.XDSL技术的分析3.各类XDSL的特点四、无线以太网基本原理与结构1.概念2.标准3.网络结构4.接口设计和调试五、蓝牙接口基本原理与结构1.蓝牙技术2.蓝牙技术的特点3.蓝牙接口的组成4.链路管理与控制5.蓝牙接口的主要应用六、1394接口基本原理与结构1.发展过程2.应用领域3.IEEE 1394的特点4.IEEE 1394的协议结构2.6嵌入式系统电源一、电源接口技术1.AC电源2.电池3.稳压器二、电源管理技术1.电源管理技术2.降低功耗的设计技术2.7电子电路设计基础一、电路设计1.电路设计原理2.电路设计方法（有效步骤）二、PCB电路设计1.PCB设计原理2.PCB设计方法（有效步骤）3.多层PCB设计的注意事项（布线的原则）4.PCB螯合剂中的可靠性知识三、电子设计1.电子设计原理四、电子电路测试1.电子电路测试原理与方法2.硬件抗干扰测试嵌入式系统软件及操作系统知识3.1嵌入式软件基础一、嵌入式软件概述1.嵌入式软件的定义2.嵌入式软件的特点二、嵌入式软件分类1.系统软件2.应用软件3.支撑软件三、嵌入式软件的体系结构1.无操作系统的情形2.有操作系统的情形四、设备驱动层1.板级支持包2.引导加载程序3.设备驱动程序五、嵌入式中间件1.定义2.基本思想3.分类3.2嵌入式操作系统概述一、嵌入式操作系统的概念1.概述2.功能3.特点4.组件二、嵌入式操作系统的分类1.按系统的类型分类2.按响应时间分类3.按软件结构分类三、常见的嵌入式操作系统1.Vxworks2.嵌入式linux3.Windows CE4.Uc/os-II5.Palm OS3.3任务管理一、单道程序技术和多道程序技术1.定义2.实例二、进程、线程和任务1.进程2.线程3.任务三、任务的实现1.任务的层次结构2.任务的创建与终止3.任务的状态4.任务控制块TCB5.任务切换6.任务队列四、任务调度1.任务调度概述2.先来先服务算法3.短作业优先算法4.时间片轮转算法5.优先级算法五、实时系统调度1.任务模型2.RMS算法（单调速率调度算法）3.EDF算法（最早期限优先调度算法）六、任务间的同步与互斥1.任务之间的关系2.任务互斥3.任务互斥的解决方案4.信号量5.任务同步6.死锁7.信号七、任务间通信1.概念2.分类3.共享内存4.消息传递5.管道3.4存储管理一、存储管理概述1.存储管理方式2.内存保护3.实时性要求二、存储管理方案的种类1.实模式方案2.保护模式方案三、分区存储管理1.概念2.固定分区存储管理3.可变分区存储管理4.分区存储管理实例四、地址映射1.地址映射概述2.静态地址映射3.动态地址映射五、页式存储管理1.基本原理2.数据结构3.内存的分配与回收4.地址映射5.页式存储管理方案的特点六、虚拟存储管理1.程序局部性原理2.虚拟页式存储管理3.页面置换算法4.工作集模型3.5设备管理一、设备管理基础1.概述2.访问硬件寄存器的方法二、IO控制方式1.程序循环检测方式2.中断驱动方式3.直接内存访问方式（DMA）三、IO软件1.中断处理程序2.设备驱动程序3.设备独立的IO软件4.用户空间的IO软件3.6文件系统一、嵌入式文件系统概述1.基本概念2.嵌入式文件系统同桌面文件系统的区别3.常见的嵌入式文件系统二、文件和目录1.文件的基本概念2.文件的使用3.目录三、文件系统的实现1.数据块2.文件的实现3.目录的实现4.空闲空间管理嵌入式软件程序设计4.1嵌入式软件开发概述一、嵌入式应用开发过程1.步骤2.与桌面系统开发的区别3.示例二、嵌入式软件开发的特点1.需要交叉编译工具2.通过仿真手段调试3.开发板是中间目标机4.可利用的资源有限5.需要与硬件打交道三、嵌入式软件开发的挑战1.软硬件协同设计2.嵌入式操作系统3.代码优化4.有限的IO功能4.2嵌入式程序设计语言一、概述二、程序设计语言概述1.低级语言与高级语言2.汇编程序、编译程序、解释程序3.程序设计语言的定义4.程序语言的发展概述5.嵌入式程序设计语言三、汇编语言1.基本原理2.ARM汇编语言四、面向过程的语言1.基本概念2.数据成分3.运算成分程序语言的运算成分4.控制成分五、面向对象的语言1.面向对象的基本概念2.面向对象的程序设计语言六、汇编、编译与解释程序的基本原理1.汇编程序基本原理2.编译程序基本原理3.解释程序基本原理4.3嵌入式软件开发环境一、要求二、宿主机、目标机1.宿主机2.目标机3.宿主机与目标机的连接三、嵌入式软件开发工具1.软件开发阶段2.编辑器3.编译器4.调试及调试工具5.软件工程工具四、集成开发环境1.IDE的发展2.Tornado3.WindowsCE应用程序开发工具4.Linux环境下的集成开发环境4.4嵌入式软件开发一、嵌入式平台选型1.嵌入式系统设计的阶段2.软硬件平台的选择二、软件设计1.软件设计的任务2.模块结构设计3.结构化软件设计方法4.面向对象软件设计方法三、嵌入式程序设计1.BootLoader设计2.设备驱动程序设计3.网络应用程序设计四、编码1.编码过程2.编码准则3.编码技术五、测试1.软件测试2.测试的任务3.测试的方法和分类4.嵌入式软件测试的步骤5.覆盖测试六、下载和运行1.TFTP2.编程器的固化4.5嵌入式软件移植一、概述1.嵌入式软件的特点2.可移植性和可重用性的考虑3.嵌入式应用软件的开发4.嵌入式软件的移植二、无操作系统的软件移植1.概述2.基于层次化的嵌入式应用软件的设计三、有操作系统的软件移植1.概述2.示例四、应用软件的移植1.应用软件实现涉及的两方面2.移植应用软件是需考虑的因素3.软件开发时需遵守的原则嵌入式系统开发与维护知识5.1系统开发过程及其项目管理一、概述二、系统开发生命周期各阶段的目标和任务的划分方法1.常用开发模型1.1边做边修改模型1.2瀑布模型1.3快速原型模型1.4增量模型1.5螺旋模型1.6演化模型2.需求分析3.设计3.1系统架构设计3.2硬件子系统设计3.3软件子系统设计4.系统集成与测试三、系统开发项目管理基础知识及常用的管理工具1.项目管理概述2.项目范围管理3.项目成本管理4.项目时间管理5.软件配置管理6.软件配置管理的解决方案四、系统开发工具与环境知识1.建模工具2.编程工具3.测试工具5.2系统分析基础知识一、系统分析的目的和任务1.需求工程的概念2.相关术语二、用户需求1.概念2.关于Ada编程环境的需求示例3.编辑软件设计模型的CASE需求文档的示例4.特别的用户需求示例三、系统需求1.概念2.替代自然语言描述的系统分析方法四、系统规格说明书的编写方法1.系统规格说明书2.书写用户需求应遵循的简单原则3.需求文档的可能用户以及使用文档的方式4.Heninger（1980）对软件需求文档提出的要求5.IEEE标准为需求文档提出的结构6.编写系统规格说明书应重点注意的内容5.3系统设计知识一、传统的设计方法1.瀑布模型的组成部分2.瀑布模型法的优缺点3.传统的嵌入式系统的设计4.软硬件协同设计二、实时系统分析与设计1.实时系统分析阶段的主要任务2.实时系统的开发方法三、软硬件协同设计方法1.软硬件协同设计在实际应用中的表现2.软硬件协同设计的流程3.软硬件协同设计的优点4.系统涉及到组成部分5.4系统实施基础一、系统架构设计1.系统架构设计在软件生命周期中的作用2.系统架构设计原则和概念二、系统详细设计1.系统详细设计在软件生命周期中的作用2.系统详细设计阶段用到的设计方法概述三、系统测试1.系统测试在软件生命周期中的作用2.系统测试类型3.系统测试的策略5.5系统维护知识一、系统运行管理1.运行管理制度2.日常运行管理内容3.系统软件及文档管理二、系统维护知识1.系统可维护性概念2.系统维护的内容及类型3.系统维护的管理和步骤三、系统评价知识1.系统评价的目的和任务2.系统评价的指标嵌入式系统设计6.1嵌入式系统设计的特点一、嵌入式系统设计的主要任务二、嵌入式系统的设计方法三、嵌入式系统的特点1.软硬件协调并行开发2.嵌入式系统通常是面向特定应用的系统3.实时嵌入式操作系统的多样性RTOS4.与台式机相比，可利用资源很少5.嵌入式系统设计需要交叉开发环境6.嵌入式系统的程序需要固化7.嵌入式系统的软件开发难度较大8.嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持9.其他方面6.2嵌入式系统的设计流程一、概述1.嵌入式系统的设计和开发要求2.嵌入式系统的设计和开发流程的阶段二、产品定义1.产品功能与产品性能2.产品定义三、嵌入式系统的软硬件划分1.性能原则2.性价比原则3.资源利用率原则四、嵌入式系统硬件设计1.概述2.嵌入式系统硬件的选择3.硬件功能模块划分4.硬件的可靠性五、嵌入式系统的软件设计1.嵌入式开发过程中的角色2.进行嵌入式系统软件设计时需要考虑的方面六、系统集成和测试1.系统集成过程中，可以分阶段运行测试程序2.嵌入式系统集成过程中的调试工具3.嵌入式系统的软件测试的方法6.3设计示例：嵌入式数控系统一、嵌入式系统采用的设计方法1.传统设计方法2.软硬件协同设计方法二、数控系统简介1.概述C系统构成三、需求分析1.功能要求2.非功能要求四、系统体系结构设计1.系统软硬件划分2.硬件系统划分3.系统软件功能划分五、硬件设计1.板级设计2.芯片级硬件设计六、软件设计1.软件接口设计2.系统软件模块划分七、系统集成与测试1.功能干涉测试2.压力测试3.容量测试4.性能测试5.安全测试6.容错测试。
嵌入式系统应用技术的研究与开发嵌入式系统是一种电子计算机系统，它是特别设计用于执行特定功能的计算机系统。
这种系统常用于控制和监视系统，如智能手机、数字相机、车载音频系统等。
为了实现嵌入式系统的工作，需要使用一系列技术和工具来进行开发和应用。
本文将探讨嵌入式系统应用技术的研究与开发，包括嵌入式系统基本原理和常用技术，以及嵌入式系统应用开发的方法和工具。
一、嵌入式系统基本原理嵌入式系统本质上是一个计算机系统，它具有计算、存储、控制和通信等功能。
由于嵌入式系统的特殊应用环境，它的体积、功耗、成本和性能等方面都有较高的要求。
嵌入式系统通常由下列组成部分组成：1. 主处理器/控制器主处理器/控制器是嵌入式系统的核心，负责计算、控制和管理系统的硬件和软件资源。
主处理器/控制器的类型和性能直接决定了系统的功能和性能。
常见的主处理器/控制器有ARM Cortex系列、Intel x86系列、MIPS系列等。
2. 存储器存储器用于存储系统程序和数据。
由于嵌入式系统的体积和功耗都有限制，因此存储器通常采用闪存、EEPROM、SRAM等低功耗、小体积的型号。
3. 输入/输出设备输入/输出设备用于与外界进行数据交换，如键盘、鼠标、显示屏、声卡、网卡等。
嵌入式系统通常使用专用的输入/输出设备，以满足应用需求和耗能要求。
4. 网络设备网络设备负责系统与外部网络通信，如以太网卡、无线网卡、蓝牙模块等。
网络设备的选择和配置决定了系统的通信速度和稳定性。
二、嵌入式系统常用技术1. 硬件设计嵌入式系统的硬件设计主要涉及主处理器/控制器的选择、连通性设计、电源管理等方面。
硬件设计的质量和性能直接决定了嵌入式系统的稳定性和能耗水平。
2. 软件开发嵌入式系统的软件开发主要涉及核心程序设计、驱动程序编写、通信协议实现等方面。
软件开发的质量和可靠性直接决定了嵌入式系统功能的实现和应用效果的稳定性。
3. 中间件中间件是嵌入式系统开发中常用的技术。
嵌入式系统和物联网的开发技术现今，嵌入式系统和物联网技术以其高效、安全、快捷的特性成为各大企业的研发重点。
嵌入式系统和物联网技术已经应用到各个领域，例如商务、医疗、农业、物流等等。
下面将为大家讲解嵌入式系统和物联网的开发技术。
嵌入式系统的开发技术嵌入式系统是一种将计算机硬件与软件嵌入到目标系统中，用于完成各种控制或处理功能的计算机系统。
通常，使用单片机或嵌入式处理器来构建此类系统。
嵌入式系统的发展使得它已经涉及到很多行业，例如汽车、智能交通、智能家居等。
以下是嵌入式系统开发的主要技术：1.硬件设计技术硬件设计是嵌入式系统开发的第一步，需结合应用场景做出一个定制化的硬件设计方案。
在此过程中，还需掌握一定的各类器件和模块的选型技巧，比如MMC卡、JTAG、LCD、Sensor等等。
2.软件开发技术软件开发是嵌入式系统开发的重要环节，常见的软件开发包括Linux内核开发、驱动开发、系统移植、应用层开发等。
其中，C/C++、汇编语言、Python是嵌入式开发者最常用的编程语言。
3.调试技术为了验证设计方案的正确性，调试技术是必不可少的。
在调试时需使用适当的仪器、工具和调试软件。
例如串口调试工具、逻辑分析仪, ICE调试器等。
物联网的开发技术物联网是指通过互联网技术将各种物品实现互联的系统，其应用无处不在。
以下是物联网开发的主要技术：1.无线通信技术对于物联网，无线通信是关键技术之一。
当前，国际上广泛应用的无线通信技术主要有Wifi、蓝牙BLE、Zigbee、LoRa、NB-IoT、4G等。
2.边缘计算技术边缘计算是一种将计算资源放在尽可能靠近用户的位置上，将客户端、网络和服务器整合在一起，通过智能终端完成一系列任务的技术。
边缘计算可以提升网络运行效率、增加安全性以及优化网络负载等。
目前，主流的边缘计算平台有AWS Greengrass、MS Azure IoT Edge、Alibaba Cloud IoT Edge等。
1. 嵌入式系统的核心组成部分是什么？A. 操作系统B. 微处理器C. 内存D. 输入输出设备2. 以下哪种编程语言最常用于嵌入式系统开发？A. PythonB. JavaC. CD. JavaScript3. 嵌入式系统中的实时操作系统（RTOS）的主要特点是什么？A. 高吞吐量B. 低延迟C. 高可靠性D. 高扩展性4. 在嵌入式系统中，中断处理的主要目的是什么？A. 提高系统性能B. 处理异常情况C. 优化内存使用D. 增加系统功能5. 以下哪种存储器类型通常用于嵌入式系统中的程序存储？A. RAMB. ROMC. EEPROMD. Flash6. 嵌入式系统中的 bootloader 主要功能是什么？A. 启动操作系统B. 更新系统固件C. 管理内存D. 处理中断7. 在嵌入式系统开发中，交叉编译器的作用是什么？A. 在目标平台上编译代码B. 在开发平台上编译目标平台的代码C. 优化代码性能D. 调试代码8. 嵌入式系统中的 DMA（直接内存访问）主要用于什么？A. 提高CPU效率B. 增加系统安全性C. 优化网络通信D. 增强图形处理能力9. 以下哪种通信协议常用于嵌入式系统中的设备间通信？A. HTTPB. TCP/IPC. UARTD. Bluetooth10. 嵌入式系统中的看门狗定时器的主要作用是什么？A. 监控系统时间B. 防止系统死机C. 优化电源管理D. 提高数据传输速度11. 在嵌入式系统中，SPI（串行外设接口）通常用于什么？A. 连接传感器B. 连接显示器C. 连接网络设备D. 连接存储设备12. 嵌入式系统中的I2C（Inter-Integrated Circuit）总线主要用于什么？A. 连接高速设备B. 连接低速设备C. 连接无线设备D. 连接有线设备13. 在嵌入式系统中，ADC（模数转换器）的作用是什么？A. 将模拟信号转换为数字信号B. 将数字信号转换为模拟信号C. 增加信号强度D. 减少信号噪声14. 嵌入式系统中的PWM（脉宽调制）主要用于什么？A. 控制电机速度B. 提高信号质量C. 增加数据传输速率D. 优化电源管理15. 在嵌入式系统中，CAN（控制器局域网络）总线主要用于什么？A. 汽车电子系统B. 家用电器C. 移动设备D. 网络通信16. 嵌入式系统中的 bootloader 通常存储在哪里？A. RAMB. ROMC. EEPROMD. Flash17. 在嵌入式系统中，任务调度通常采用哪种算法？A. FIFOB. LIFOC. Round RobinD. Priority Scheduling18. 嵌入式系统中的内存管理单元（MMU）主要用于什么？A. 管理内存分配B. 优化CPU性能C. 提高数据传输速度D. 增强系统安全性19. 在嵌入式系统中，DMA控制器的主要优点是什么？A. 减少CPU负载B. 增加内存容量C. 提高系统稳定性D. 优化电源管理20. 嵌入式系统中的实时时钟（RTC）主要用于什么？A. 记录系统时间B. 优化网络通信C. 提高数据处理速度D. 增强图形处理能力21. 在嵌入式系统中，GPIO（通用输入输出）主要用于什么？A. 连接外部设备B. 优化内存使用C. 提高系统性能D. 增强系统功能22. 嵌入式系统中的定时器主要用于什么？A. 测量时间间隔B. 优化CPU性能C. 提高数据传输速度D. 增强系统安全性23. 在嵌入式系统中，中断优先级通常如何确定？A. 随机分配B. 根据中断类型C. 根据中断频率D. 根据中断处理时间24. 嵌入式系统中的看门狗定时器通常如何复位？A. 自动复位B. 手动复位C. 通过中断复位D. 通过软件复位25. 在嵌入式系统中，UART（通用异步收发传输器）主要用于什么？A. 连接高速设备B. 连接低速设备C. 连接无线设备D. 连接有线设备26. 嵌入式系统中的SPI总线通常支持多少个设备？A. 1个B. 2个C. 4个D. 8个27. 在嵌入式系统中，I2C总线通常支持多少个设备？A. 1个B. 2个C. 128个D. 256个28. 嵌入式系统中的ADC通常有多少个输入通道？A. 1个B. 2个C. 4个D. 8个29. 在嵌入式系统中，PWM信号的频率通常是多少？A. 1 HzB. 10 HzC. 100 HzD. 1 kHz30. 嵌入式系统中的CAN总线通常支持多少个节点？A. 1个B. 2个C. 128个D. 256个31. 在嵌入式系统中，bootloader通常如何更新？A. 通过网络B. 通过USBC. 通过串口D. 通过JTAG32. 嵌入式系统中的任务调度器通常如何处理优先级相同的任务？A. 随机选择B. 按时间顺序C. 按任务大小D. 按任务类型33. 在嵌入式系统中，MMU的主要功能是什么？A. 管理内存映射B. 优化CPU性能C. 提高数据传输速度D. 增强系统安全性34. 嵌入式系统中的DMA控制器通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB35. 在嵌入式系统中，RTC通常如何供电？A. 通过电池B. 通过电源C. 通过USBD. 通过网络36. 嵌入式系统中的GPIO通常有多少个引脚？A. 4个B. 8个C. 16个D. 32个37. 在嵌入式系统中，定时器通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB38. 嵌入式系统中的中断优先级通常如何设置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB39. 在嵌入式系统中，看门狗定时器通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB40. 嵌入式系统中的UART通常支持多少个波特率？A. 1个B. 2个C. 4个D. 8个41. 在嵌入式系统中，SPI总线通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB42. 嵌入式系统中的I2C总线通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB43. 在嵌入式系统中，ADC通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB44. 嵌入式系统中的PWM通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB45. 在嵌入式系统中，CAN总线通常如何配置？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB46. 嵌入式系统中的bootloader通常如何启动？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB47. 在嵌入式系统中，任务调度器通常如何启动？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB48. 嵌入式系统中的MMU通常如何启动？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB49. 在嵌入式系统中，DMA控制器通常如何启动？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB50. 嵌入式系统中的RTC通常如何启动？A. 通过软件B. 通过硬件C. 通过网络D. 通过USB答案1. B2. C3. B4. B5. D6. A7. B8. A9. C10. B11. A12. B13. A14. A15. A16. D17. D18. A19. A20. A21. A22. A23. B24. D25. B26. C27. C28. D29. D30. C31. B32. B33. A34. A35. A36. D37. A38. A39. A40. D41. A42. A43. A44. A45. A46. B47. A48. A49. A50. A。
嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。
关键在于“硬件可裁减”、“体积小”“专用”嵌入式系统代码一般固化在一个ROM中除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点：(1)可装卸性。
开放性、可伸缩性的体系结构。
(2)强实时性。
EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。
(3)统一的接口。
提供各种设备驱动接日.(4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用.(5)提供强大的网络功能，支持TCP门P协议及其它协议，提供TCP／UDP／IP／PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口.(6)强稳定性，弱交互性。
嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS臭有较强的稳定性。
嵌入式操作系统的用户接日一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。
(7)固化代码。
在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。
辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统.(8)更好的硬件适应性，也就是良好的移植性.国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。
现在，市场上非常流行的EOS产品，包括3Corn公司下属子公司的Palm OS，全球占有份额达50％，MicroS。
fi公司的Wind。
ws CE不过29％。
在美国市场，Palm OS更以80％的占有率远超Windows CE。
开放源代码的Linux很适于做信息家电的开发.常见的嵌入式操作系统有3Com公司下属子公司的Palm OS，中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式Linux美商网虎公司开发的基于Xlinux 的嵌入式操作系统“夸克”，“夸克”是目前全世界最小的LinuxMicrosoft公司的Windows CE还有uClinux、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive 等等。
这些都是专用嵌入式操作系统一什么是嵌入式系统嵌入式系统一般指非PC 系统.有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材.它是以应用为中心.软硬件可裁减的.适应应用系统对功能.可靠性.成本.体积.功耗等综合性严格要求的专用计算机系统.简单地说.嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体.类似于PC 中BIOS 的工作方式.具有软件代码小.高度自动化.响应速度快等特点.特别适合于要求实时和多任务的体系.嵌入式系统主要由嵌入式处理器.相关支撑硬件.嵌入式操作系统及应用软件系统等组成.它是可独立工作的[器件".嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备.如掌上PDA .移动计算设备.电视机顶盒.手机上网.数字电视.多媒体.汽车.微波炉.数字相机.家庭自动化系统.电梯.空调.安全系统.自动售货机.蜂窝式电话.消费电子设备.工业自动化仪表与医疗仪器等.嵌入式系统的硬件部分.包括处理器/ 微处理器.存储器及外设器件和I/O 端口.图形控制器等.嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统.它不具备像硬盘那样大容量的存储介质.而大多使用EPROM . EEPROM 或闪存(Flash Memory) 作为存储介质.软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程.应用程序控制着系统的运作和行为,而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用.二嵌入式处理器嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器.嵌入式微处理器一般具备 4 个特点: (1) 对实时和多任务有很强的支持能力.能完成多任务并且有较短的中断响应时间.从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度, (2) 具有功能很强的存储区保护功能.这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化.而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用.需要设计强大的存储区保护功能.同时也有利于软件诊断, (3) 可扩展的处理器结构.以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器, (4) 嵌入式微处理器的功耗必须很低.尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此.功耗只能为mW 甚至μ W 级.据不完全统计.目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000 种.流行的体系结构有30 多个系列.其中8051 体系占多半.生产这种单片机的半导体厂家有20 多个.共350 多种衍生产品.仅Philips 就有近100 种.现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器.越来越多的公司有自己的处理器设计部门.嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB 到16MB .处理速度为0.1-2000MIPS .常用封装8-144 个引脚.根据现状.嵌入式计算机可分成下面几类.(1) 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit. EMPU)嵌入式微处理器采用[增强型"通用微处理器.由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中.因而嵌入式微处理器在工作温度.电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高.但是.嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的.根据实际嵌入式应用要求.将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上.只保留和嵌入式应用有关的主板功能.这样可以大幅度减小系统的体积和功耗.和工业控制计算机相比.嵌入式微处理器组成的系统具有体积小.重量轻.成本低.可靠性高的优点.但在其电路板上必须包括ROM . RAM .总线接口.各种外设等器件.从而降低了系统的可靠性.技术保密性也较差.由嵌入式微处理器及其存储器.总线.外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统.嵌入式处理器目前主要有Am186/88 . 386EX . SC-400 . Power PC . 68000 . MIPS . ARM 系列等.(2) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit. MCU)嵌入式微控制器又称单片机.它将整个计算机系统集成到一块芯片中.嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心.根据某些典型的应用.在芯片内部集成了ROM/EPROM . RAM .总线.总线逻辑.定时/ 计数器.看门狗. I/O .串行口.脉宽调制输出. A/D . D/A . Flash RAM . EEPROM 等各种必要功能部件和外设.为适应不同的应用需求.对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制.使得一个系列的单片机具有多种衍生产品.每种衍生产品的处理器内核都相同.不同的是存储器和外设的配置及功能的设置.这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配.从而减少整个系统的功耗和成本.和嵌入式微处理器相比.微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小.从而使功耗和成本大幅度下降.可靠性提高.由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的.而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流.微控制器的片上外设资源一般比较丰富.适合于控制.因此称为微控制器.通常.嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类.比较有代表性的通用系列包括8051 . P51XA . MCS-251 . MCS-96/196/296 . C166/167 . 68300 等.而比较有代表性的半通用系列.如支持USB 接口的MCU 8XC930/931 . C540 . C541 ,支持I2C . CAN 总线. LCD 等的众多专用MCU 和兼容系列.目前MCU 约占嵌入式系统市场份额的70% .(3) 嵌入式DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor. EDSP在数字信号处理应用中.各种数字信号处理算法相当复杂.这些算法的复杂度可能是O(nm) 的.甚至是NP 的.一般结构的处理器无法实时的完成这些运算.由于DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计.使其适合于实时地进行数字信号处理.在数字滤波. FFT .谱分析等方面. DSP 算法正大量进入嵌入式领域. DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能.过渡到采用嵌入式DSP 处理器.嵌入式DSP 处理器有两类: (1)DSP 处理器经过单片化. EMC 改造.增加片上外设成为嵌入式DSP 处理器. TI 的TMS320C2000/C5000 等属于此范畴, (2) 在通用单片机或SOC 中增加DSP 协处理器.例如Intel 的MCS-296 和Infineon(Siemens) 的TriCore .另外.在有关智能方面的应用中.也需要嵌入式DPS 处理器.例如各种带有智能逻辑的消费类产品.生物信息识别终端.带有加解密算法的键盘. ADSL 接入.实时语音压解系统.虚拟现实显示等.这类智能化算法一般都是运算量较大.特别是向量运算.指针线性寻址等较多.而这些正是DSP 处理器的优势所在.嵌入式DSP 处理器比较有代表性的产品是TI 的TMS320 系列和Motorola 的DSP56000 系列. TMS320 系列处理器包括用于控制的C2000 系列.移动通信的C5000 系列.以及性能更高的C6000 和C8000 系列. DSP56000 目前已经发展成为DSP56000 . DSP56100 . DSP56200 和DSP56300 等几个不同系列的处理器.另外. Philips 公司最近也推出了基于可重置嵌入式DSP 结构.采用低成本.低功耗技术制造的R.E. A. L DSP 处理器.其特点是具备双Harvard 结构和双乘/ 累加单元.应用目标是大批量消费类产品.(4) 嵌入式片上系统(System On Chip. SOC)随着EDI 的推广和VLSI 设计的普及化.以及半导体工艺的迅速发展.可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统.这就产生了SOC 技术.各种通用处理器内核将作为SOC 设计公司的标准库.和其他许多嵌入式系统外设一样.成为VLSI 设计中一种标准的器件.用标准的VHDL . Verlog 等硬件语言描述.存储在器件库中.用户只需定义出其整个应用系统.仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品.这样除某些无法集成的器件以外.整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去.应用系统电路板将变得很简单.对于减小整个应用系统体积和功耗.提高可靠性非常有利. SOC 可分为通用和专用两类.通用SOC 如Infineon(Siemens) 的TriCore . Motorola 的M-Core .以及某些ARM 系列器件.如Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯片等,专用SOC 一般专用于某个或某类系统中.如Philips 的Smart XA .它将XA 单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA 算法的CCU 单元制作在一块硅片上.形成一个可加载Java 或C 语言的专用SOC .可用于互联网安全方面.三嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件.它是嵌入式系统( 包括硬.软件系统) 极为重要的组成部分.通常包括与硬件相关的底层驱动软件.系统内核.设备驱动接口.通信协议.图形界面.标准化浏览器等Browser .嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点.如能够有效管理越来越复杂的系统资源,能够把硬件虚拟化.使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来,能够提供库函数.驱动程序.工具集以及应用程序 .与通用操作系统相比较.嵌入式操作系统在系统实时高效性.硬件的相关依赖性.软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点.1. 嵌入式操作系统的种类一般情况下.嵌入式操作系统可以分为两类.一类是面向控制.通信等领域的实时操作系统.如WindRiver 公司的VxWorks . ISI 的pSOS . QNX 系统软件公司的QNX . ATI 的Nucleus 等,另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统.这类产品包括个人数字助理(PDA) .移动电话.机顶盒.电子书. WebPhone 等.a. 非实时操作系统早期的嵌入式系统中没有操作系统的概念.程序员编写嵌入式程序通常直接面对裸机及裸设备.在这种情况下.通常把嵌入式程序分成两部分.即前台程序和后台程序.前台程序通过中段来处理事件.其结构一般为无限循环,后台程序则掌管整个嵌入式系统软.硬件资源的分配.管理以及任务的调度.是一个系统管理调度程序.这就是通常所说的前后台系统.一般情况下.后台程序也叫任务级程序.前台程序也叫事件处理级程序.在程序运行时.后台程序检查每个任务是否具备运行条件.通过一定的调度算法来完成相应的操作.对于实时性要求特别严格的操作通常由中断来完成.仅在中断服务程序中标记事件的发生.不再做任何工作就退出中断.经过后台程序的调度.转由前台程序完成事件的处理.这样就不会造成在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其他中断.实际上.前后台系统的实时性比预计的要差.这是因为前后台系统认为所有的任务具有相同的优先级别.即是平等的.而且任务的执行又是通过FIFO 队列排队.因而对那些实时性要求高的任务不可能立刻得到处理.另外.由于前台程序是一个无限循环的结构.一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃.使得整个任务队列中的其他任务得不到机会被处理.从而造成整个系统的崩溃.由于这类系统结构简单.几乎不需要RAM/ROM 的额外开销.因而在简单的嵌入式应用被广泛使用.b. 实时操作系统实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统.其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度.而且与这些操作进行的时间有关.[在确定的时间内"是该定义的核心.也就是说.实时系统是对响应时间有严格要求的.实时系统对逻辑和时序的要求非常严格.如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果.实时系统有两种类型:软实时系统和硬实时系统.软实时系统仅要求事件响应是实时的.并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成,而在硬实时系统中.不仅要求任务响应要实时.而且要求在规定的时间内完成事件的处理.通常.大多数实时系统是两者的结合.实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难.实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性.实时多任务操作系统是指具有实时性.能支持实时控制系统工作的操作系统.其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务.其次才着眼于提高计算机系统的使用效率.重要特点是要满足对时间的限制和要求.实时操作系统具有如下功能:任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) .任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) .存储器优化管理( 含ROM 的管理) .实时时钟服务.中断管理服务.实时操作系统具有如下特点:规模小.中断被屏蔽的时间很短.中断处理时间短.任务切换很快.实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类.对于基于优先级的系统而言.可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的CPU 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务.是内核抢了CPU 让别的任务运行.不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后.就把CPU 的控制权完全交给了该任务.直到它主动将CPU 控制权还回来.中断由中断服务程序来处理.可以激活一个休眠态的任务.使之进入就绪态,而这个进入就绪态的任务还不能运行.一直要等到当前运行的任务主动交出CPU 的控制权.使用这种实时操作系统的实时性比不使用实时操作系统的系统性能好.其实时性取决于最长任务的执行时间.不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点.如果最长任务的执行时间不能确定.系统的实时性就不能确定.可抢占型实时操作系统的实时性好.优先级高的任务只要具备了运行的条件.或者说进入了就绪态.就可以立即运行.也就是说.除了优先级最高的任务.其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任务中断.让后者运行.通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性.但是.如果任务之间抢占CPU 控制权处理不好.会产生系统崩溃.死机等严重后果.2. 嵌入式操作系统的发展嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段.第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段.是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统.同时具有与监测.伺服.指示设备相配合的功能.这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中.一般没有操作系统的支持.通过汇编语言编程对系统进行直接控制.运行结束后清除内存.这一阶段系统的主要特点是:系统结构和功能都相对单一.处理效率较低.存储容量较小.几乎没有用户接口.由于这种嵌入式系统使用简便.价格很低.以前在国内工业领域应用较为普遍.但是已经远远不能适应高效的.需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求.第二阶段是以嵌入式CPU 为基础.以简单操作系统为核心的嵌入式系统.这一阶段系统的主要特点是: CPU 种类繁多.通用性比较差,系统开销小. 效率高,一般配备系统仿真器.操作系统具有一定的兼容性和扩展性,应用软件较专业.用户界面不够友好,系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行.第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段.是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统.这一阶段系统的主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上.兼容性好,操作系统内核精小.效率高.并且具有高度的模块化和扩展性,具备文件和目录管理.设备支持.多任务.网络支持.图形窗口以及用户界面等功能,具有大量的应用程序接口(API) .开发应用程序简单,嵌入式应用软件丰富.第四阶段是以基于Internet 为标志的嵌入式系统.这是一个正在迅速发展的阶段.目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet 之外.但随着Internet 的发展以及Internet 技术与信息家电.工业控制技术等结合日益密切.嵌入式设备与Internet 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来.3. 使用实时操作系统的必要性嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛.尤其在功能复杂.系统庞大的应用中显得愈来愈重要.首先.嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性.在控制系统中.出于安全方面的考虑.要求系统起码不能崩溃.而且还要有自愈能力.不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性.而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性.尽可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患.长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时.使得运行的程序产生异常.出错.跑飞.甚至死循环.造成了系统的崩溃.而实时操作系统管理的系统.这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏.可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复.通常情况下.这个系统监视进程用来监视各进程运行状况.遇到异常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施.如把有问题的任务清除掉.其次.提高了开发效率.缩短了开发周期.在嵌入式实时操作系统环境下.开发一个复杂的应用程序.通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块.每个任务模块的调试.修改几乎不影响其他模块.商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境. 再次.嵌入式实时操作系统充分发挥了32 位CPU 的多任务潜力. 32 位CPU 比8 . 16 位CPU 快.另外它本来是为运行多用户.多任务操作系统而设计的.特别适于运行多任务实时系统. 32 位CPU 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计.使其更容易做到不崩溃.例如. CPU 运行状态分为系统态和用户态.将系统堆栈和用户堆栈分开.以及实时地给出CPU 的运行状态等.允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实时内核的运行实施保护.如果还是采用以前的前后台方式.则无法发挥32 位CPU 的优势.从某种意义上说.没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的.在嵌入式应用中.只有把CPU 嵌入到系统中.同时又把操作系统嵌入进去.才是真正的计算机嵌入式应用.4. 实时操作系统的优缺点在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易.不需要大的改动就可以增加新的功能.通过将应用程序分割成若干独立的任务模块.使应用程序的设计过程大为简化,而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速.可靠的处理.通过有效的系统服务.嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用.但是.使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM 开销. 2-5% 的CPU 额外负荷.以及内核的费用.嵌入式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模块组成.能够运行在各种不同的硬件平台上.提供最基本的程序运行环境和接口.成为应用软件运行的基础.另外:嵌入式系统是以应用为中心.以计算机技术为基础.并且软硬件可裁剪.适用于应用系统对功能.可靠性.成本.体积.功耗有严格要求的专用计算机系统.它一般由嵌入式微处理器.外围硬件设备.嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成.用于实现对其他设备的控制.监视或管理等功能.嵌入式系统一般指非PC系统.它包括硬件和软件两部分.硬件包括处理器/微处理器.存储器及外设器件和I/O端口.图形控制器等.软件部分包括操作系统软件(OS)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程.有时设计人员把这两种软件组合在一起.应用程序控制着系统的运作和行为,而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用.嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器.嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:1)对实时多任务有很强的支持能力.能完成多任务并且有较短的中断响应时间.从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度.2)具有功能很强的存储区保护功能.这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化.而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用.需要设计强大的存储区保护功能.同时也有利于软件诊断.3)可扩展的处理器结构.以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微处理器.4)嵌入式微处理器必须功耗很低.尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此.如需要功耗只有mW甚至μW级.嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点:1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中.它通常都具有低功耗.体积小.集成度高等特点.能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部.从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化.移动能力大大增强.跟网络的耦合也越来越紧密.2.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.这一点就决定了它必然是一个技术密集.资金密集.高度分散.不断创新的知识集成系统.3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计.量体裁衣.去除冗余.力争在同样的硅片面积上实现更高的性能.这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起.它的升级换代也是和具体产品同步进行.因此嵌入式系统产品一旦进入市场.具有较长的生命周期.5.为了提高执行速度和系统可靠性.嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中.而不是存贮于磁盘等载体中.6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力.即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的.必须有一套开发工具和环境才能进行开发.。
