嵌入式系统开发流程.ppt
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1、n嵌入式系统简介嵌入式系统简介n嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成n嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程第9章 嵌入式系统概述广义上讲,凡是带有广义上讲,凡是带有微处理器微处理器的的专用软硬专用软硬件系统件系统都可称为嵌入式系统。如各类都可称为嵌入式系统。如各类单片单片机和机和DSPDSP系统系统。这些系统在完成较为单一的。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统,管理系统硬件和软件他们没有操作系统,管理系统硬件和软件的能力有限,在实现复杂多任务功能时,的能力有限,在实现复杂多任务功能时,往往困难重重,甚至无法实现往往困难重
2、重,甚至无法实现从狭义上讲,那些使用从狭义上讲,那些使用嵌入式微处理器嵌入式微处理器构构成独立系统,具有自己成独立系统,具有自己操作系统操作系统,具有特,具有特定功能,用于特定场合的专用软硬件系统定功能,用于特定场合的专用软硬件系统称为嵌入式系统。称为嵌入式系统。9.1 嵌入式系统简介嵌入式系统的几个重要特征 1.1.系统内核小:系统内核小:由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。所以内核较之传统的操作系统要小得多。2.2.专用性强:专用性强:嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系
3、统和硬件的结合非常紧密,嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行一般要针对硬件进行系统的移植系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行减不断进行修改修改。同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级升级”是完全不同的概是完全不同的概念。念。3.系统精简:系统精简:嵌入式系统一般没有嵌入式系统一般没有系统
4、软件系统软件和和应应用软件用软件的明显区分,不要求其功能设的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。统安全。4.高实时性高实时性OS:这是嵌入式软件的基本要求,而且这是嵌入式软件的基本要求,而且软件要求软件要求固态存储固态存储,以提高速度。软,以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时件代码要求高质量和高可靠性、实时性。性。5.嵌入式软件开发走向标准化:嵌入式软件开发走向标准化:嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行直接在
5、芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配接口,用户必须自行选配RTOSRTOS(RealRealTime Operating SystemTime Operating System)开)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。保障软件质量。6.嵌入式系统需要开发工具和环境:嵌入式系统需要开发工具和环境:由于其本身不具备自主开发能力,即使设计完成以后,用户通常也由于其本身不具备自主开发
6、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,必须有一套是不能对其中的程序功能进行修改,必须有一套开发工具开发工具和和环境环境才能才能进行开发。进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机主机和和目标机目标机的概念,的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。合进行。9.2 嵌入式系统的组成n嵌入式系统由嵌入式系统由嵌入
7、式硬件嵌入式硬件与与嵌入式软件嵌入式软件组成。组成。n嵌入式硬件嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。n嵌入式软件嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件,一般固化在是实时多任务操作系统和各种专用软件,一般固化在ROMROM或闪存或闪存中。中。n嵌入式系统嵌入式系统软硬兼施,融为一体,成为产品,但在开发过程中需软硬兼施,融为一体,成为产品,但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。要一些开发工具进行辅助开发。嵌入式系统的整体架构嵌入式微处理器n对对实时多任务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有很强的支
8、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的执行时间减少到最低限度应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。n具有功能很强的具有功能很强的存储区保护存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已功能。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。强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。嵌入式微处理器n可扩展的可扩展的处理器结构,能迅速地开发出满足应用需求的产品。处理器结构,能迅速地开发出满足应用需
9、求的产品。n嵌入式微处理器必须嵌入式微处理器必须功耗很低功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计,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mWmW甚至甚至WW级。级。嵌入式微处理器分类n嵌入式系统硬件核心是嵌入式处理器。嵌入式系统硬件核心是嵌入式处理器。n嵌入式处理器可以分为四类:嵌入式处理器可以分为四类:嵌入式微处理器嵌入式微处理器EMPUEMPU (Embedded Microprocessor UnitEmbedded Microprocessor Unit)嵌入式微控制器嵌
10、入式微控制器EMCUEMCU (Embedded Microcontroller UnitEmbedded Microcontroller Unit)嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器EDSPEDSP (Embedded Digital Signal ProcessorEmbedded Digital Signal Processor)嵌入式片上系统嵌入式片上系统ESoC ESoC (Embedded System on ChipEmbedded System on Chip)嵌入式系统硬件核心嵌入式微处理器EMPUn嵌入式微处理器嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对就是和通用计算
11、机的微处理器对应的应的CPU。在应用中,一般是将微处理器装配在。在应用中,一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上,在母板上只保留和嵌入式专门设计的电路板上,在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可,这样可以满足嵌入式系统体积相关的功能即可,这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。小和功耗低的要求。n嵌入式微处理器制造商:嵌入式微处理器制造商:摩托罗拉、英特尔、摩托罗拉、英特尔、IBM、日立、日立、NEC、东芝、东芝、AMD、国家半导体、国家半导体、Zilog、IDT、富士通、富士通、Atmel、太阳、微系统、夏、太阳、微系统、夏普、普、Oki、飞利浦等。、飞利浦等。n主要的嵌入式微处理器包括
12、:主要的嵌入式微处理器包括:Motorola PowerPC、Intel Pentium、Motorola 68000、strong ARM、MIPS、AMD X86系列等等。系列等等。n嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称为又称为单片机单片机,它将,它将CPUCPU、存、存储器(少量的储器(少量的RAMRAM、ROMROM或两者都有)和其它外或两者都有)和其它外设接口封装在同一片集成电路里。设接口封装在同一片集成电路里。n嵌入式微控制器制造商嵌入式微控制器制造商:摩托罗拉摩托罗拉、英特尔英特尔、英飞凌科技、英飞凌科技、AtmelAtmel、日立、日立、NECNEC、三菱、东、三菱、东芝、松下、芝
13、、松下、MicrochipMicrochip、富士、飞利浦、德州、富士、飞利浦、德州仪器、三星、三洋、索尼、仪器、三星、三洋、索尼、OkiOki、凌阳科技等。、凌阳科技等。n主要的嵌入式微控制器包括:主要的嵌入式微控制器包括:MCS-51MCS-51、MCS-MCS-251251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、P51XAP51XA、C166/167C166/167、68K68K、Z8Z8、C540C540、PICPIC、AVRAVR等系列。等系列。嵌入式微控制器EMCUn嵌入式嵌入式DSPDSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算,提高编译专门用来对离散时间信号
14、进行极快的处理计算,提高编译效率和执行速度。在数字滤波、效率和执行速度。在数字滤波、FFTFFT、谱分析、图像处理等领域应用、谱分析、图像处理等领域应用广泛。广泛。nDSPDSP正在大量进入嵌入式市场,目前广泛应用的是正在大量进入嵌入式市场,目前广泛应用的是TITI产品产品TMS320C2000TMS320C2000 /C5000/C5000系列,另外系列,另外IntelIntel和和SiemensSiemens也有相应的产品。也有相应的产品。嵌入式数字信号处理器EDSPnESoCESoC:在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。n各种通用处理器内核将作为各种通
15、用处理器内核将作为SoCSoC设计公司的标设计公司的标准库,成为准库,成为 VLSIVLSI设计中一种标准的器件,用设计中一种标准的器件,用标准的标准的VHDLVHDL等语言描述。等语言描述。n用户只需定义出整个应用系统,仿真通过后,用户只需定义出整个应用系统,仿真通过后,就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。n这样除个别无法集成的器件以外,整个这样除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去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洁,对于减小体积应用系统电路板将变得很简洁,对于减小体积和功耗、提
16、高可靠性非常有利。和功耗、提高可靠性非常有利。嵌入式片上系统ESoC n嵌入式系统软件核心包括:嵌入式系统软件核心包括:系统软件系统软件:嵌入式操作系统:嵌入式操作系统 支撑软件支撑软件:嵌入式软件开发平台及工具嵌入式软件开发平台及工具 应用软件应用软件:嵌入式应用软件:嵌入式应用软件 嵌入式系统软件核心n1 1软件要求固态化存储软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系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,而不是存贮在磁盘中。身中,而不是存贮在磁盘中。n2 2软件代码高质量、高可靠性软件
17、代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用高、片上存储器容量不断增加,但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要中,存储空间仍然是宝贵的,还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高,以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。嵌入式系统软件的特征n3 3操作系统软件具有高实时性操作系统软件具有高实时性 在在多多任任务务嵌嵌入入式式系系统统中中,对对各各项项任任务务进进行行统统筹筹兼兼顾顾、合合
18、理理调调度度是是保保证证系系统统功功能能的的关关键键,单单纯纯提提高高处处理理器器的的速速度度是是无无法法完完成成这这些些要要求求的的,也也是是没没有有效效率率的的,这这种种任任务务调调度度只只能能由由优优化化编编写写的的系系统统软软件件来来完完成成,因因此此操操作作系系统统软软件件的的高高实实时时性性是是基本要求。基本要求。n4 4 嵌入式系统应用语言:嵌入式系统应用语言:据统计,在嵌入式系统设计中,最受欢迎的据统计,在嵌入式系统设计中,最受欢迎的前前3 3种编程语言分别是种编程语言分别是C C(74.6%)(74.6%)、汇编汇编(69.6%)(69.6%)和和C+C+(50.1%)(50
19、.1%)。嵌入式系统软件的特征n通用计算机具有完善的操作系统通用计算机具有完善的操作系统,应用程序的,应用程序的开发以及完成后的软件都在开发以及完成后的软件都在OSOS平台上面运行,平台上面运行,但一般不是实时的。但一般不是实时的。n嵌入式系统则不同,应用程序用汇编语言和嵌入式系统则不同,应用程序用汇编语言和C C语言来开发,可以没有操作系统直接在芯片上语言来开发,可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源,用户必须自行资源,用户必须自行选配选配RTOSRTOS开发平台开发平台,这样,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并
20、减少才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。开发时间,保障软件质量。嵌入式实时操作系统n一般来说,操作系统内核只提供基本的功能,如建立和一般来说,操作系统内核只提供基本的功能,如建立和管理进程、管理设备等。但是,一些桌面操作系统,如管理进程、管理设备等。但是,一些桌面操作系统,如WindowsWindows等,将许多功能引入内核,操作系统的内核变得等,将许多功能引入内核,操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多,越来越大。内核变大使得占用的资源增多,剪裁起来很剪裁起来很麻烦麻烦。n嵌入式操作系统采用嵌入式操作系统采用微内核结构微内核结构,内核只提供基本的功
21、,内核只提供基本的功能,比如:任务的调度、任务之间的通信与同步、内存能,比如:任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件,比如网络功能、管理、时钟管理等。其它的应用组件,比如网络功能、文件系统等均工作在用户态,以系统进程或函数调用的文件系统等均工作在用户态,以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的,用户可以根据自己方式工作。因而系统都是可裁减的,用户可以根据自己的需要选用相应的组件。的需要选用相应的组件。嵌入式实时操作系统特点 1微内核结构n任务的调度有三种方式任务的调度有三种方式:可抢占式调度可抢占式调度、不可抢占式调度不可抢占式调度和和时间片轮转调度
22、时间片轮转调度。n不可抢占式调度:不可抢占式调度:一个任务一旦获得一个任务一旦获得CPUCPU就独占就独占CPUCPU运行,运行,除非由于某种原因,它决定放弃除非由于某种原因,它决定放弃CPUCPU的使用权;的使用权;n可抢占式调度:可抢占式调度:基于任务优先级,当前正在运行的任务可基于任务优先级,当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务;以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务;n时间片轮转调度:时间片轮转调度:当两个或两个以上任务有当两个或两个以上任务有同样的优先级同样的优先级,不同任务轮转地使用不同任务轮转地使用CPUCPU,直到系统分配的,直到系统分配的CP
23、UCPU时间片用完。时间片用完。n目前,大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基目前,大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的于优先级的抢占式调度法抢占式调度法,对相同优先级的任务则采用,对相同优先级的任务则采用时时间片轮转调度法间片轮转调度法。嵌入式实时操作系统特点 2任务调度n多数嵌入式系统对时间的要求较高,称之为多数嵌入式系统对时间的要求较高,称之为实时系实时系统统。n有两种类型的实时系统:有两种类型的实时系统:硬实时系统硬实时系统和和软实时系统软实时系统。n软实时系统软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成,只要求各任务运
24、行得越快越好;间内完成,只要求各任务运行得越快越好;n硬实时系统硬实时系统对系统响应时间有严格要求,一旦系统对系统响应时间有严格要求,一旦系统响应时间不能满足,就可能会引起系统崩溃或致命响应时间不能满足,就可能会引起系统崩溃或致命的错误,一般在工业控制中应用较多。的错误,一般在工业控制中应用较多。嵌入式实时操作系统特点 3硬实时和软实时n一些桌面操作系统使用了一些桌面操作系统使用了虚拟存储器虚拟存储器的概念。采用的概念。采用段式管理、页式管理、或段页式管理。段式管理、页式管理、或段页式管理。n但是,大多数但是,大多数嵌入式系统不使用虚存技术嵌入式系统不使用虚存技术,对内存,对内存的访问是直接的
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