（交通信息工程及控制专业论文）基于ARM处理器和μCOSⅡ的嵌入式系统研究和实现.pdf

摘要 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物，是一门综合技术学科。本文详细论述了基 于l ic o s - i i 实时操作系统和a r m 7 嵌入式处理器的嵌入式实验平台 的设计和开发实现过程，并在实现的基础上通过实际应用对系统进行 了测试。在系统的实现过程中，本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 操作系统的剪裁和修改。本文对操作系统的修改主要有两 个方面：对操作系统任务内存堆栈内核迸行了修改，在提高系 统任务切换速度的同时节省了系统资源；对操作系统的中断机 制做了修改，解决了操作系统中断存在的些问题。 ( 2 ) 基于网络的文件管理系统。为了解决传统嵌入式系统不能 远程在线软件升级的问题，本文完成了基于网络的文件管理系 统，使系统可以完成系统软件在线升级和其它系统相关文件的 存贮 ( 3 ) 基于消息的图形用户接口模块。本文实现了基于消息的图 形用户接口模块，提供给平台使用者良好的编程和操作界面， 方便了系统与使用人员之问的信息交互，进一步提高了系统的 实用性 ( 4 ) 为解决嵌入式对网络连接的需要，本文设计并实现了基于 以太网络的嵌入式t c p i p 协议，系统平台通过运行此协议， 实现了基于以太网络的i n t e r n e t 接入可以实现嵌入式系统 与外界之问通过i n t e r n e t 进行数据交换。 作为对整个嵌入式系统设计的验证，基于此平台，本文实现了一 个远程数据采集系统的实际应用，以对系统各项功能进行测试在系 统软件的设计过程中，本文采用总体设计、划分各个功能模块的设计 思想，并在系统中引入用监控主任务，通过实时操作系统提供的消息 队列的通讯方式和其它任务交换信息，以达到监控其它任务的目的。 测试证明，采用这种监控任务控制其它任务的方法，保证了系统运行 的可靠性和稳定性。 。 关键词数据采集，实时操作系统，a r m 7 ，p c o s i i ，嵌入式t c p i p e m b e d d e ds y s t e mi sac o m p r e h e n s i v et e c h n i q u ec o u r s o ，w h i c hi st h e c o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c m i q u e ，t h es e m i - c o n d u c t o rt e c h n i q u ea n d t h ee l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n d a l lk i n do f a p p l i e dr 姚a t i o u s i nt h et h e s i g i ti sd i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l yt h a tt h ed e s i g n i n gp r o c e s so n tt h e e m b e d d e de x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do np c o s i ia n da r m 7e m b e d d e d p r o c e s s o r a sak i n do f v o t i f i c a t i o no f t h i se m b e d d e de x p e r i m e n tp l a t f o r m , t h i sp a p e r a c c o m p l i s h e d al o n g - d i s t a n c ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l 硼l ep a p e rp r e s e n t e dt h eb a s i cf r a m e w o r ko ft h ep l a t f o r mb a s e do n a r m 7e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n dr e a l - t i m e0 1 ) e 棚n gs y s t e m i _ t c o s - i i ，i tm a i n l yc o m p l e t e df o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) 1 1 l e o p e r a t i n gs y s t e mt a i l o ra n dm o d i f i c a t i o n t h i st e x t m a i n l yh a st w oa s p e c t st ot h em o d i f i c a t i o no f t h eo p e r a t es y s t e m ： ，玎l e m e m o r ys t a c km o d i t i c a t i o a , w h i c hs a v i n g t h e s y s t e m r g s o u r e e 唔a tt h et i m eo f r a i s i n gt h es y s t e mm i s s i o nt oc u to v e rt h e s p e e d ；d i dt h em o d i f i c a t i o nt ot h ei n t e r r u p t i o nm e c h a n i s mo f t h e o p e r a t es y s t e m , r e s o l v e ds o m ep r o b l e m i nt h e i n t e r r u p t i o n m e c h a n i s m ( 2 ) i no r d e rt oc o m p l e t et h e0 t 1 - l i n eu p g r a d eo ft h es y s t e m s 0 1 a r ea n d e x p a n dt h er e q u e s to f t h es y s t e mf u n c t i o n , t h i sp a p e r c o m p l e t e dt h ef i l es y s t e m , d e p e n d s o nw h i c ht h es y s t e mb ea b l et o c o m p l e t eo n - l i n eu p g r a d ea n dc a ns a v eu s e f u ld a m a sw i s h ( 3 ) f o rf u r t h e tr a i s i n gt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m , g r a p h i c s u s e ri n t e r f a c e , t h r o u g hw h i c ht h eu s 盯c a nc o m m m , i c a t ew i t ht h e s y s t e mi sd e s i g n e d b yu s i n gi t , t h eu s e rc a ne a s i l yg e tc o n t r o lo f t h i ss y s t e m ( 4 ) f o rt h eo r i e n t a t i o nb u i l t - i nd i s t r i b u t et h en e e do f h a n d l e t h es t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o nt h en e t w o r kc o n j u n c t i o n , t h i sp a p e r a c c o m p l i s hae m b e d d e dt c p i pp r o t o c o lo nt h i sp l a t f o r m t h e t e r m i n a lc a nb ec o n n e c t e dw i t t lac o n t r o lc o m p u t e rv i at h e i n t e m e t a sak i n do f v e r i f i c a t i o n , b a s e d0 1 1t h i sp l a t f o r m , t h i s p a p e rc a r r i e so u t l o n g - d i s t a n c ed a t ac o l l e c tt e r m i n a l o nd e s i g n i n gt h es o f t w a r eo ft h i s p l a t f o r m , t h ew h o l ef r a m eb ed i v i d e di n t os e v e r a lp a r t sb yi t sf i m c t i o n a n dam a i nt a s ki su s e di nt h i sd e s i g l lb y u s i n gm a i l b o xm e c h a n i s mt h a t p r o v i d e db yt h eo p e r a t i n gs y s t e m , t h em a i nt a s kc a ng e tc o n t r o lo fa l l o t h e rt a s k s b yu s i n gs u c hm e c h a n i s m , t h es y s t e mc a nw o r ks a f e l ya n d s t a b l y k e yw o r d s d a t aa c q u i s i t i o n , r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m , a r m 7 ， p c o s - h , t c p i p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：每拉 日期：丞2 【铋月且日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 臌名妒髀 中寓大学须士学位论文第一章终论 1 1 引言 第一章绪论 嵌入式系统( 踟b e d d e ds y s t e m ) 是指以应用为中心，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 用计算机系统它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户应用软件等部分组成，用于实现其它设备的控制、监视和管理等功能，它通 常嵌入在主要设备中运行嵌入式系统是先进的计算机技术、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体系任何一个体系的发展将 推动嵌入式系统的前进田 目前，嵌入式产品已经遍布了我们电器生活的每个角落，如掌上p d a 、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叩 1 2 研究现状 从美国微软公布“维纳斯计划”白皮书到中国中科院推出的。女娲计划0 整个社会仿佛一夜之间掀起了嵌入式开发和应用的热潮旧，人们开始关注嵌入 式技术的发展和应用随着社会信息化脚步的加快，计算机和网络已经渗透到 日常生活的每个角落，对于我们每个人来说，需要的已经不是那种放在桌上处 理文档、进行工作管理和生产控制的计算机机器。 目前，就嵌入式系统硬件而言，在嵌入式系统中，由于价格的原因，8 位和 1 6 位处理器仍然在嵌入式系统中占统治地位，然而随着处理器外围器件集成度 的提高硬件成本的下降，3 2 位高性能处理器已经从科研转向应用，在市场中占 据一席之地在软件方面，在硬件基础的支撑下，已经有越来越多的应用屏弃 以往的前后台式的软件操作，选择在系统中使用操作系统，甚至有些以8 位处 理器作为系统构架的应用也使用了操作系统。这些都说明了目前在软件设计上， 采用操作系统已经成为系统设计的首选 目前，嵌入式技术己成为通信和消费类产品的共同发展方向由于嵌入式 应用产生的巨大市场，许多大型公司和科研院所投入了大量的财力和精力进行 相关研究，无论是在硬件还是在操作系统，都涌现出了大量的技术和产品目 前在国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种嵌入式处理器和相应的开发 工具更是不可胜数，在国内，虽然嵌入式开发很广泛，但在嵌入式操作系统和 处理器领域却几乎还是空白，只有很少的公司和极少的人员在从事这个方面的 工作旧 1 3 课题的提出背景和意义 嵌入式系统是先进的计算机技术，半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合的产物，任何学科的发展都会推动嵌入式系统的发展。伴随着科 技和应用的发展，以往单纯只满足特定需要的嵌入式系统已经不能满足要求， 实际应用对嵌入式系统提出了一些新的要求： ( 1 ) 高可靠性 大多数嵌入式系统需要在无人监护或者几乎不需要人为的维护的情况下， 长期稳定的正常运行对系统运行过程中，系统遇到的异常错误能够自动纠正， 使系统恢复到正常状态下，并且，在可能的情况下报告错误这就要求在使用 可靠稳定处理器设计系统的同时，必须在系统中引入合适的操作系统，以保证 整个系统的自适应性，能够修正系统在运行中可能遇到的错误。 ( 2 ) 友好人机交互成为一种必然 嵌入式系统的人机交互需要有自己的显示界面，以便平台的使用者能够对 平台进行合理的操作不同与其它的系统，由予实际要求的需要，尤其是在对 系统调试和任务的处理过程中，可能要求工作人员和采集平台进行大量的数据 交换，而这种信息的交换非常必要在开发或者安装调试过程中，工作人员必 须取得各种信息，而由于系统的复杂性，单靠传统的简单信息交换已经远远不 能满足实际应用的需要。因此创建一种友好信息交互，方便整个系统工作人员 的调试、开发和应用需要是十分必要的 ( 3 ) 网络传输功能 伴随着实际应用的提高和嵌入式信息交互的需要，嵌入式系统之圆的互联 成为一种趋势，通过g p i l s 提供嵌入式系统的信息交换是目前嵌入式系统中比较 流行的选择，然而g p r s 的数据传输量有限，不适合较大数据流的传送。采用无 线局域网等方式把嵌入式平台连接到远程主机也是一种可能的选择，然而采用 这种方案实现数据传述必须依托p c ，代价昂贵，尤其不适合分布式系统的使用 目前，互联网已经渗透到世界的每个角落，利用现有强大的i n t e r n e t 网络 把把分布在各地的嵌入式和主控主机连接起来是一种最佳的解决方案通过互 联网，系统可以把数据发送到连接在i n t e r n e t 上的世界上的任何设备然而嵌 入式系统不同于p c ，把嵌入式系统接入i n t e r n e t 必须做一些必要的工作 ( 4 ) 低功耗 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 嵌入式系统可能需要工作在没有电源供电的情况下，这就要求系统的整体 功耗要相对较低，以保证整个系统在不更换电池的情况下能够长时间的稳定的 工作在系统设计的过程中，在可能的情况下尽量减少外部设备，并且选择功 耗较低的处理器 基于以上原因，设计一种能够满足以上需要的系统平台，无论是在平台基 础上的各种学习研究，还是基于此平台其它理论研究和其它仿真算法实验，都 具有比较好的实用意义此外，以此开发平台为基础，对进行用于实际应用或 者其它应用的二次开发，也有比较重要的实际应用价值 1 4 本文主要的研究内容 通过以上分析，为使实验平台完成以上要求，本文构建了一个以a r m 7 处理 器和弘c 0 s i i 嵌入式操作系统为主构架的嵌入式硬件平台通过对平台硬件 的设计和软件的编写，完成一个完整的嵌入式开发实验平台以此平台为基础， 可实现各种理论研究和其它仿真算法实验或实际应用的二次开发。本文通过实 现一个远程数据采集系统作为对整个系统的测试本文的主要工作有： ( 1 ) 将l ic 0 s i i 操作系统移植到开发平台并进行剪裁和修改 操作系统是整个系统稳定可靠运行的基础，本文采用了实时嵌入式操作系 统pc 0 s i i 作为操作系统开发过程中，完成了pc 0 s i i 在s 3 c a 4 b o x 的移 植，并根据操作系统和编译模块实际情况，对操作系统任务内存堆栈内核进行 了修改，在节省系统资源的同时实现了更快的执行速度此外，本文解决了在 l ic o s - i i 操作系统中，开关中断需要特别注意任务延时时间的问题如果一 个任务的延时时间到达，而此时系统中断是关闭的，则操作系统得不到硬件时 钟中断服务，任务调度就不能正常进行，因而整个系统将会崩溃然而，采用 任务延时进行任务切换是操作系统中最常用的一种控制手段，因此这个问题的 存在给操作系统增加了很大的不稳定因素。本文对中断处理机制傲了修改，解 决了这个问题 ( 2 ) 操作系统下的底层设备管理 操作系统需要对低层设备进行控制，本文完成了基于操作系统的l c d 的底 层控制，对用户键盘的输入管理，串行口调试信息的交互，n a n d f l a s h 存贮的 底层驱动操作等工作 ( 3 ) 基于网络的文件管理系统 为了解决嵌入式系统不能实现操作系统和程序的远程在线升级问题，本文 实现了基于网络的文件管理系统文件管理系统是工作在操作系统层的文件管 理系统，依靠网络命令或者本地命令运行，负责对文件管理系统数据存贮和管 3 巾南大学颈士学位论文 第一章绪论 理。主要的功能是当操作系统内核和系统任务分别编译和存贮，在需要的时候 对程序进行远程在线升级。本文实现的文件管理系统是针对n a n d f l a s h 的f a t l 6 格式的文件管理系统另外，利用文件管理系统，嵌入式实验平台可以存贮一 些重要数据和其它相关信息，增强了系统功能。 ( 4 ) 基于消息的良好的用户界面 友好的人机操作界面是评价一个嵌入式系统性能的重要指标之一册，在本文 中，实现了汉字和其它基础的图形符号显示，为了在平台有限资源的基础上实 现高级应用，本文实现了虚拟键盘，完成了数字和汉字的输入功能，并在此基 础之上实现了基于消息的对话框、输入框、选择框和图形菜单等图形界面系统， 为友好的人机信息交互提供了良好的基础本系统采用分层结构设计，具有系 统结构简、使用方便、占用系统资源底和便于移植等特点 ( 5 ) 基于t c p i p 协议的嵌入式以太网的i n t e r n e t 接入实现 pc 0 s - i i 操作系统没有提供对网络功能的支持，而网络互联是未来嵌入式 系统发展的一个趋势。为了解决这个问题。本文完成了适合嵌入式系统的 t c p i p 协议栈，通过开发板的1 0 醅以太鼹接口先实现基于以太网通讯功能。在 本文的实现过程中，采用运行t c p i p 协议通过以太网接入i n t e r n e t 本文参 照u n i x 的t c p i p 协议，编写了适合嵌入式系统特点的t c p i p 协议族，包括 a l l p 协议、i p 协议、i m c p 协议和t c p 协议以这些协议为依托，完成数据网络 传输 ( 6 ) 嵌入式系统的验证 通过以系统为基础，实现数据采集功能和数据网络发送功能，完成对系统 总体性能的各种测试，包括操作系统运行稳定情况和网络工作稳定情况完成 基本的各项功能，并对以前的工作做必要的验证、总结和改进在本文的高层 任务显现过程总，引入了监控任务的概念通过监控任务来管理其它任务，实 现了良好的系统容错功能 1 5 本文的创新点 1 ) 首先，在操作系统方面，本文对l ic 0 8 一i i 操作系统的内存堆栈结构和 中断机制做了有效的修改，在节省系统资源，增快系统任务切换速度的同时增 加了系统的稳定性和可靠性 2 ) 实现了基于网络的文件管理系统网络文件管理系统分为网络通讯模块 和任务执行模块两个部分，在为系统软件在线升级提供可靠支撑的同时，方面 了系统功能的扩充，增强了系统的实用性 3 ) 基于消息的图形用户系统的实现本文突破以往图形系统中的顺序显示 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的模式，实现了基于消息的多任务图形显示系统，为友好的人机信息交互提供 了良好的基础 4 ) 基于以太网的可移植t c p i p 协议栈的实现，pc 0 s i i 操作系统没有提 供针对网络功能的支持，为了实现系统的i n t e r n e t 接入，本文参照u n i x 的 t c p i p 协议，实现了适合嵌入式系统应用的t c p i p 协议栈协议栈采用分层 结构，在简化系统结构的同时降低了移植难度 1 6 论文结构 在本章绪论的基础上，第二章介绍并比较了目前嵌入式系统中主要的处理 器和操作系统，着重介绍了作为系统构架的a 瑚处理器和l c 0 s i i ，并简要 介绍了在此实验平台基础上的开发方法和环境第三章主要讲述了l ic 0 s _ i i 操作系统下f l a s h 文件管理系统和人机交互界面的创建方法和过程第四章阐 述了嵌入式i n t e r n e t 的接入方法和开发平台的具体实现方法，是本文工作的重 点，主要实现了地址解析a r p 协议、网际控制i w c p 协议、网际i p 协议和网络 控制t c p 协议，并详细阐述了实现的方法、特点和过程。第五章详细阐述了把 pc o s - i i 操作系统移植到开发平台的步骤和方法，并对根据实际需要，对操 作系统进行了一些必要的修改同时对本文建立的操作系统的任务和运行过程 进行了阐述和验证。第六章是采集平台的各种运行状态进行测试，验证数据平 台的运行情况，并对预期提出的要求进行各种验证最后为结束语，作为本文 的归纳并提出了进一步的研究方向 一 中南大学硬士学位论文第二章系统构架 2 1 概述 第二章系统构架 嵌入式系统的设计构架决定了系统的功能和应用方向，本章详细讲述了本 系统设计实现的硬件和软件构架，并阐述了设计的原由为了保证系统的性能， 本文以3 2 位嵌入式a r m 7 处理器为硬件核心，实时嵌入式u c 0 s i i 操作系统为 软件核心，夏普彩色i l l ) 为人机交互构建了实验平台同时在外围设计了2 m 程序存贮f l s h 芯片，8 m 内存s d r a m 芯片，i o m 网络芯片，串行通讯端口，并行 通讯断口，u s b 数据通讯端口等丰富的器件资源从根本上保证可实验平台可 以满足不同的需要 为了保证系统实时性要求，平台采用了源代码公开的实时性1 1c o s - i i 操作 系统内核它具有高实时行、高可靠性和易操作行等许多其它操作系统所不具 备的特点可以满足各种复杂的嵌入式系统设计应用的要求。 2 2 平台构架的操作系统 2 2 1 什么是嵌入式操作系统 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“t l 。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 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嵌入式操作系统有以下几个 特点： ( 1 ) 在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统 ( 2 ) 它们是一个大设备、装置或系统中的一部分。这个大设备、装置或系统可 以不是。计算机” ( 3 ) 通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中 ( 4 ) 由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统 6 中南大学硕士学位论文第二章系统构絮 2 2 2 在嵌入式系统中使用操作系统的必要性 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在实时操作系 统中，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个进程运 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3 2 位c p u 的多任务潜力3 2 位c p u 比8 、1 6 位c p u 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3 2 位c p u 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，c p u 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c p l j 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3 2 位c p u 的优势0 4 从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的删在嵌入式 应用中，只有把c p l j 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 2 2 3 嵌入式操作系统的种类 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 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 7 中南大学硕士学位论文 第二章幕绕构巢 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 亩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c p u 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c p u 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c p u 的 控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来 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 c p u 控制权处理不好，会产生系统崩溃、死机等严重后果。 2 1 a 目前流行的嵌入式操作系统 ( 1 ) v x w o r k sv x w o r k s 是美国w i n dr i v e r 公司推出的一种嵌入式强实时操作 系统，自2 0 世纪8 0 年代问世以来，以其高性能、高可靠性、高实时性等特点成为 实时操作系统中最具特色的系统尤其以成功应用于火星探测车和爱国者导弹等 高科技产品而声名鹊起伽自1 9 9 6 年登陆中国，短短几年就已成为国防、工业自 动亿、两络通信、航空航天、医疗仪器、状态监控以及消费电子产品等嵌入式实 时领域的首选操作系统。操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境 中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题而稳定、可靠一直是 v x w o r k s 的一个突出优点自从对中国的销售解禁以来，v x w o r k s 以其良好的可靠 性在中国赢得了越来越多的用户 ( 2 ) 擘c l i r 懈l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统，它与慊i x 系统兼容，开放源 代码嘲它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响 在于它正逐渐的应用于嵌入式设备1 lc l i n u x 正是在这种氛围下产生的在 pc l i n u x 这个英文单词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思， 所以u c l i n u x 就是针对微控制领域而设计的l i m l x 系统i ic l i n u x 同标准l i n u x 的 最大区剐就在于内存管理对于pc l i n u x 来说，其设计针对没有舢的处理器， 不能使用处理器的虚拟内存管理技术，这就给开发人员提出了更高的要求应这 种不带有m 唧的处理器在嵌入式设备中相当普遍 ( 3 ) w i n d o w sc ew i n d o w sc e 是美国微软公司专门为各种移动和便携电子设 备、个人信息产品、消费类电子产品、嵌入式应用系统等非台式或笔记本电脑领 - 中南大学硕士学位论文第二章系统构粲 域设计的一种3 2 位高性能操作系统它具有一个简捷、高效的完全抢先式多任务 操作核心，支持强大的通信和图形显示功能，能够适应广泛的系统需求 w i m o w sc e 兼容于微软公司的视窗电脑操作系统，支持高分辨率真彩色显示， 为应用软件提供了强大的运行平台c e 操作系统由一些独立的模块组成，每一个 模块提供特定的系统功能，在最终的应用系统中，它允许用户在设计自己的操作 系统时自由选择需要的模块或组件这样系统开发者就能够方便地根据具体的硬 件和系统要求定制出合适的操作系统，使其中仅包含设备运行所必须的功能模 块，从而不必为支持其它不需要的硬件或功能付出额外代价。通过采用这种方式， w i n d o w sc e 系统在支持目前市场上绝大多数硬件设备及接口标准的同时又保证 了最大的灵活性和系统效率，因此能够适应广泛的用户系统的要求 本平台的操作系统选择l j c 0 s - i i 实时操作系统主要有以下几个原因： 公开源代码 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详尽的源代码讲解和注释 这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上 可移植性 j ic o s - i i 绝大部分源代码是用a n s ic 写的，可移植性较强而与微处理 器硬件相关的那部分是用汇编语言写的，已经压到最低限度，使得uc o s - i i 便于移植到其它微处理器上。l ic 0 s - i i 的移植条件是，只要该微处理器有堆 栈指针，有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令另外，使用的c 一起必须支持 内嵌汇编或者该c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序中实现1 ic o s - i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至“位微 处理器、微控制器、数字信号处理器上运行 可固化 pc 0 s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要开发者有固化手 段( c 编译、连接、下载和固化) ，l c 0 s - i i 就可以嵌入到开发者的产品中成 为产品的一部分 可剪裁 可以只使用弘c o s - i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某些产 品可以只使用很少几个p c 0 s i i 调用，而另一个产品则使用了几乎所有 l i c o s - i i 的功能，这样可以减少产品中的l c 0 s i i 所需要的存储空间( r a m 和r o m ) 。这种可剪裁性是靠条件编译实现的只要用户在应用程序中用# d e f i n e 语句定义那些pc 0 s - i i i 中的功能是应用程序需要的就可以了 ， 中南大学硕士学位论文第二章系统梅架 占先式 pc o s - i i 完全是占先式的实时内核，这就意味着pc o s i i 总是运行就 绪条件下优先级最高的任务，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运 行的低优先级任务的c p u 使用权这个特点使得pc o s i i 的实时性比非占先 式的内核要好 多任务 pc 0 s i i 可以管理6 4 个任务，然而目前的版本保留8 个给系统。应用程 序最多可以有5 6 个任务，赋予每个任务的优先级必须是不相同的，这就意味着 l ic 0 s - i i 不支持时间片轮转调度法 可确定性 全部的pc 0 s - i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。也就是 说，全部l ic o s - i i 的函数调用与服务执行的时问是可知的，进而言之， l lc o s - i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少 任务栈 每个任务有自己的单独堆栈，p 钐0 s i i 允许每个任务有不同的栈空闯， 以便压低应用程序对融蝴的需求使用pc 0 s - i i 的栈空阃校验函数，可以 确定每个任务到底需要多少栈空问 系统服务 l lc o i i 由多个相对独立的、短小精悍的目标模块组成，这些模块有： 任务管理、时闻管理、任务阕的通信和同步、内存管理印其中：任务管理提 供建立任务、删除任务、请求删除任务，任务的堆栈检查、改变任务的优先级、 挂起任务、恢复任务和任务信息查询的系统调用；时间管理提供任务延时、取 消任务延时和查询系统时间的系统调用；任务问通信与同步提供基于信号量、 邮箱和消息队列机制的系统调用；内存管理提供内存分区的建立、分配、释放 和查询的系统调用。 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断 唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数最高 可达2 5 5 层 稳定性与可靠性 自1 9 9 2 年l ic o s i i 操作系统诞生以来，已经在世界范围内如：手机、路 由器、不间断飞行器、医疗设备等领域得到广泛使用1 lc o s - i i 操作系统通 过了非常严格的测试，并且得到了美国航空管理局的认可，用在飞行器上这 些都证明了pc 0 s - i i 的可靠与稳定性1 lc o s - l l l 在2 0 0 0 年7 月获得了美 中南大学硕士学位论文 第二章系统构絮 国联邦航空管理局( f a a ) 对用于商用飞机、符合r t c a d o - 1 7 8 b 标准的认证， 该标准对用于航空设备方面的软件提出了要求。这表明pc 0 s i i 具有足够的 安全性与稳定性，能用于与人性命攸关的、安全性条件极为苛刻的系统， pc 0 s i i 的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经过了考验与测试。 2 3 平台构架采用的嵌入式处理器 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 是嵌入式系统的 核心，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 3 1 嵌入式处理器的特点 为了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和标准微 处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了 各种增强m 。 和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、 可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、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。 嵌入式微处理器的功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设各中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为冰甚至i i 算级。 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 2 3 2 嵌入式处理器的分类 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( f 咖) e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 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。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 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 集成了各种必要功能部件和外设嘲。目前矾c u 约占嵌入式系统市场份额的7 0 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 中南大学硕士学位论文第二章系统构集 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处理器 无法实时的完成这些运算。由于d s p 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、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法正大量进入嵌入式领域。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p , s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 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s o c 技术。各种通用处理器内 核将作为s o c 设计公司的标准库，用标准的v h d l 、v e r l o g 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。 2 3 j 基于r i s e 构架的a r m 7 处理器 a r m ( a d v a n c e dr l s cm a c h i n e s ) 是一家微处理器设计公司，设计了大量高 性能、廉价、耗能低的r l s c 处理器以及相关技术及软件。具有性能高、成本低 和能耗省的特点“”。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类、多媒体、 d s p 和移动式应用等。 图2 - 1s 3 c 4 4 b o x 框图 a r m 公司本身并不生产芯片，它将其技术授权给其它的半导体、软件和o e m 中甫丈学硬学位论文第二章系统约颦 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务利用这种合 伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者目前，总共有3 0 家 半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i 阴、i j g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体等公司软件系统的合伙人则包括 微软、升阳和崃i 等一系列知名公司 在本系统的实现中，选用三星公司的s 3 c 4 4 b o x 作为平台的微控制器 s 3 c a 4 b o x 是基于a r m 公司a r m 7 t d m i 内核的1 6 3 2 位r j s c 处理器0 2 5 l i m c i l o s 工艺制造，频最高可达6 6 姗o ，存储器寻址空间达2 5 啪图2 1 为 s 3 c 4 4 b o x 框图该处理器为手持设备和一般应用提供高性价比和高性能的微 控制器解决方案瞰1 特别适合对成本敏感和功能敏感的应用场合，如p o a 、g p s 、 l c dg - d m e 、e b o o k 等 为了降低整个系统的成本，s 3 c 4 4 b o x 还提供了以下部件：8 k b c a c h e 、 可选的内部s r a m 、l c d 控制器、2 通道u a r t 、4 通道d m a 、系统管理器( 芯 片选择逻辑、珊忸d ( ) ，s d l u m 控制器) 、6 通道带p w m 的定时器，f o 口、r t c 、 s 通道1 2 位a d c 、c 忸s 总线接口、而步s 1 0 接口和成对时钟的p l l s 3 c 4 4 b o x 存储系统具有8 个存储体( b a n k 肛b a n k 7 ) ，每个存储体为3 2 m b ， 总共的地址空间可达2 5 6 m b 所有存储体的访问大小均可进行改变( 8 位1 6 位3 2 位) ，且支持数据存储的大小端选择。8 个存储体中，b a n k