（电路与系统专业论文）嵌入式系统通用平台的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

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量表远程抄表控制系统项目，具体实现在上文中的嵌入式系统基础上实现 嵌入式系统的各种i n t c r n e t 应用。在文末列出了以后需要继续深入进行的 工作。 热量表本身是一个嵌入式系统，自身具有m c u 实现对熟量表的智能 控制，同时也具有了把信息传输到外界的能力，热量表远程抄表控制系统 是嵌入式系统接入i n t c r n c t 的一种应用。本热量表远程抄表控制系统就利 用热量表本身m c u 使热量表接入i n t e r n c t 把信息传输到远端服务器同时 接收来自服务器的各种信息( 密钥、控制信息等) ，服务器收集各个热量 表发送的信息，添加入数据库，并计算出费用等各种信息，最后以w w w 网站形式发布，这样用户就可以利用接入i n t e r n c t 的任一终端浏览器对自 己热量应用及费用信息进行查询：同时，用户也可以利用浏览器通过服务 器实现对热量表诸如关闭、打开等操作的远程控制。 由于客户利用浏览器实现查询和控制，所以整个系统需要开发两个 部分：热量表部分、服务器部分。热量表部分可以分成硬件和软件两方面； 硬件包括t im s p 4 3 0f 1 4 9 微控制器、c s 8 9 0 0 a 网卡芯片、h r 6 0 1 6 2 7 以 山东大学硕士学位论文 太网隔离变压器等部分构成。软件部分用c 和汇编语言实现一个代码精简 且功能完整的t c p i p 协议栈。本论文主要描述热量表端的基于t im s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器和c s 8 9 0 0 a 双芯片解决方案的嵌入式i n t e r n e t 的软、硬件 设计过程。 最后，对热量表远程抄表控制系统做了一个总结，提出今后继续研 究所要作的工作。 关键词： m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，c s 8 9 0 0 a ，嵌入式系统，t c p i p ，以太网，i d e a 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r y , c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r e o fe m b e d d e d s y s t e m t h e n i td i s c u s s e sak i n do fc o n c r e t e e m b e d d e d s y s t e m t h a th a sah a r d w a r e p l a t f o r m t i m s p 4 3 0 m i c r o c o n t r o l l e ra n dar e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m - t c o s1 i 。a f t e r t h a t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h et im s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e ra n d p c o si ir e s p e c t i v e l y ，a n d d e s c r i b e st h i se m b e d d e d s y s t e m i n d e t a i l t h e ni td e s c r i b e sh o wp c o si ic a nb e p l a n t e d t ot i m s p 4 3 0 ，a n dh o wat a s kr u no np c o si i a tl a s tt h ep a p e r d i s c u s s e st h ee x t e n s i o no fn e t w o r kf u n c t i o no ft h i se m b e d d e d s y s t e mi nt h em e t e r r e a d i n gs y s t e mo fc a l o r i m e t e r s a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n e t ，t h en e t w o r kf u n c t i o no f t h ee m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i s p a p e rd e s c r i b e sh o w t h ee m b e d d e ds y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e r c a na c c e s si n t e r n e tv i ae t h e r n e t a tf i r s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e m e t h o d so ft h ee m b e d d e d s y s t e m sa c c e s s i n gi n t e r n e t t h e n i t i n t r o d u c e st h em e t h o d so f8 16b i te m b e d d e ds y s t e m sa c c e s s i n g i n t e r n e t a f t e rt h a ti nt h e p r o j e c t o ft h er e m o t e m e t e r r e a d i n g s y s t e mo fc a l o r i m e t e r sw eg i v e st h ei m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k f u n c t i o no ft h a te m b e d d e ds y s t e m a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h e r e i ss o m e t h i n gt od oi nt h ef u t u r e t h ec a l o r i m e t e ri sa ne m b e d d e d s y s t e m ， a n dh a s m i c r o c o n t r o l l e r st o i m p l e m e n t t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o lo ft h e c a l o r i m e t e r s oi th a st h ea b i l i t yt ot r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o nt ot h e o u t s i d ew o r l d t h er e m o t em e t e r - r e a d i n gs y s t e mo fc a l o r i m e t e r si s at y p i c a la p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s a c c e s s i n gi n t e r n e t i n t h er e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e mo fc a l o r i m e t e r s ，t h ec a l o r i m e t e r u s e si t sm i c r o c o n t r o l l e rt oa c c e s st h ei n t e r n e ta n dt r a n s f e rt h e i n f o r m a t i o n ( f e e ，e t c ) t ot h e r e m o t es e r v e r ，a l s ot h ec a l o r i m e t e r 山东大学硬士学位论文 r e c e i v es o m ei n f o r m a t i o n ( c o n t r o li n f o r m a t i o n ) f r o mt h er e m o t e s e r v e r ；t h e nt h es e r v e rs a v et h ed a t at ot h ed a t a b a s e ；a tl a s tw i t h t h ew e bs e r v e r ，t h ei n f o r m a t i o nc a nb eq u e r i e db yt h ec l i e n tu s i n g a n yi n t e r n e tb r o w s e r a tt h es a m et i m e ，t h ec l i e n tc a nc o n t r o lh i s c a l o r i m e t e rr e m o t e l ya l s o t h e r ei sa l s os o m ed i s c u s s i o nh o w t h e s y s t e mi m p l e m e n t t h es e c u r i t yo ft h ed a t a f o r u s i n g t h eb r o w s e rt oq u e r ya n dc o n t r o l ，a l lt h i n g sw e s h o u l d d e v e l o pi n c l u d et w op a r t s ：t h ef i r s t i st h ep a r to ft h ec a l o r i m e t e r , t h es e c o n d i st h e p a r t o ft h er e m o t es e r v e r t h ep a r t o ft h e c a l o r i m e t e ri n c l u d e s t w o a s p e c t s ：h a r d w a r e d e v e l o p m e n t a n d s o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h e h a r d w a r ei sc o n s i s t e d w i t ht i m s p 4 3 0 f 1 4 9m i c r o c o n t r o l l e r ，c s 8 9 0 0 a e t h e r n e tc o n t r o l l e r ， h r 6 016 2 7e t h e r n e t i s o l a t et r a n s f o r m e r e t c t h es o f t w a r e i m p l e m e n t s t h et c p i pp r o t o c o l su s i n gca n da s s e m b l el a n g u a g e t h ep a p e rm o s t l yd e s c r i b e st h ep r o c e s st oi m p l e m e n te m b e d d e d s v s t e m ，sn e t w o r kf u n c t i o nu s i n g t im s p 4 3 0 f 1 4 9a n dc s 8 9 0 0 a a t t h ed a r to ft h ec a l o r i m e t e r a n dt h i ss y s t e mu s e si d e aa l g o r i t h m t oi m p l e m e n tt h es e c u r i t yo f t h ed a t a a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ep a p e rp r o p o s e ss o m e t h i n gt o d ot o d r o m o t et h i se m b e d d e ds y s t e m t h a th a st h ef u n c t i o no fn e t w o r k - k e y w o r d s ： m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，c s 8 9 0 0 a ，e m b e d d e ds y s t e m ，t c p i p ，e t h e r n e t ， i d e a 山东大学硕士学位论文 第一章嵌入式系统概述 1 1 嵌入式系统的历史 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( c o n t r 0 1 ) 、监 视( m o n i t o r ) 或管理( m a n a g e m e n t ) 等功能。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算 机的外部设备中就包含了5 一1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬 盘、显示卡、显示器、集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、 过程控制、通航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机 的应用领域。 其实早在二十世纪七、八十年代就已经有嵌入式微处理器应用于工业 控制等领域，随着工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增 长，同时也对嵌入式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗 和集成度等方面提出了更高的要求，为了适应各方面的需求，嵌入式微处理 器体系结构也经历了一个从c r i s c 至i j r i s c 和c o m p a c tr i s c ：从4 位、8 位、 1 6 位、3 2 位到6 4 位；寻址空间从6 4 k b 到1 6 m b 甚至更大：处理速度从0 1 m i p s 至f 2 0 0 0m i p s ：常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚的过程。处理器的 功耗也有了明显降低；集成度进一步提高，美国国家半导体公司最近推出了 一款高度集成的微处理器s c l 4 0 0 ( 片上系统s y s t e m o n a - c h i p ) ，它代表了 目前嵌入式微处理器的最高集成度。 目前嵌入式系统已广泛应用于信息家电、移动通讯、手持信息设备以及 工业控制等领域，国外许多大处理器生产厂商( m o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 、日 立、n s c 等) 纷纷推出各种嵌入式微处理器，最具有代表性的是：m o t o r o l a 的 p o w e r p c 系列；i n t e l 的s t r o n g a r m 系列和n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的x 8 6 系 列。 1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = 告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品。就将在美国 产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也 曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式 计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州圣 何塞举行的嵌入式 系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技术新热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智 能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专 家沈绪榜院士9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计 算机的发展与技术一文中，也对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机 工业进行了科学的阐述和展望。 1 2 嵌入式系统的特点 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c p u 与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u 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c p u 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。 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对处理 器的选择面前更具有竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在起，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a 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 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 行开发。 嵌入式系统在设计上也与桌面计算机有着很大的不同，嵌入式系统非常 受限于功能和具体的应用环境，如对外部事件必须保证在规定时间内进行响 应，有体积、重量的限制，功率预算、散热必须符合环境要求，需要令人满 意的安全性、可靠性，系统本身的成本需求等。 嵌入式系统在设计时需要重点考虑以下因素： 1 实时性好 由于嵌入式系统面向特定的用户，有的不仅要求得到正确的结果，而且 对得到结果的时间延迟也有明确的限制，如“信号处理系统”、“紧急任务处 理系统”等是实时性要求很强的系统，因此设计时必须充分考虑到系统实时 性的要求。 2 可靠性高 嵌入式系统是嵌入到其它的设备上。完成某些特定的任务或功能，严重 的人为误操作、设备的损坏等都会造成系统的瘫痪，因此对于其本身要求有 较高的可靠性。 3 集成度高 嵌入式系统一般用于工业控制、家用电器、移动通讯等领域，因此对于 系统本身的体积有严格的要求，同时为了提高开发效率，也要求系统要有较 高的集成度 4 功耗低 嵌入式系统的适用领域；移动通讯设备、便携式设备等需要电池供电的 设备，决定了系统应当有更低的功耗。 5 环境适应能力强 嵌入式系统的工作环境往往是不可控的，特别是热、冲击、光、强电磁 场等，这些因素会对系统产生影响，因此在设计时应当充分考虑到对于这些 干扰的防护措施。 6 系统成本低 任何系统的成本都是个很关键的因素，当然嵌入式系统也不例外，设 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = 计时应当在满足系统要求的前提下尽可能的降低成本，这样的系统才有生命 力。 i 3 嵌入式系统的构成 嵌入式系统从最通用的角度来看，可以分为以下三个层面：硬件层，内核软 件( 操作系统) ，应用软件层。 图i 1 嵌入式系统的构成 图 1 3 1 嵌入式系统硬件分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统 计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有 3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 i 单片机的半导体厂家 有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 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6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从o 1m i p s 至i j 2 0 0 0 w i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入式计算 机可以分成下面几类。 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 it ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微 处理器虽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。 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 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 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，顾名思义，就是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一种微处理器内核为核心，芯片内部 集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串 行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外 设。为适应不同的应用需求，一般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是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封 装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而 减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主 流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 l 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 、 6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、 c 5 4 0 、c 5 4 1 ：支持1 2 c 、c a n - b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 特别值得注意的是近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商a m d 公司，将 a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n t r o l l e r ，m o t o r o l a 公司 把以p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列。t i 公司亦将 其t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进行推广。 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 ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执 3 - d s p 算 法。编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方 山东大学硕士学位论文 面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通 指令实现d s p 功能过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两 个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌 入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：二是在通用单 片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 一2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。 推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，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。a d s l 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d s p 处 理器的长处所在。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的 t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控 制的c 2 0 0 0 系列，移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和 d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外p h i l i p s 公司今年也推出了基于 可重置嵌入式d s p 结构低成本、低功耗技术上制造的r e a ld s p 处理 器，特点是具备双h a r v a r d 结构和双乘累加单元，应用目标是大批量消费 类产品。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p j 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展在 一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来l 临，这就是s y s t e mo n c h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其 它嵌入式系统外设一样。成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准v h d l 等语言描述，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。这样除个别无法集成的器件以 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 板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括l n f i n e o n ( s ie m e n s ) 的 山东大学硕士学位论文 t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联 合研制的n e u r o n 芯片等。专n s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一 般用户所知。一个有代表性的产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机 内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上形成 一个可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，可用于公众互联网如i n t e r n e t 安全 方面。 1 3 2 嵌入式系统的软件 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理 器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 ( 1 ) 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。 ( 2 1 软件代码高质量、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。 ( 3 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理 调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成 和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统 软件的高实时性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。 1 3 2 1 操作系统 1 3 2 1 1 实时操作系统概述 操作系统是一种在计算机上运行的软件，它的主要任务是管理计算机上 的系统资源为用户提供使用计算机及其外部设备的接口。它的目的是提高 计算机的各种资源( 如c p u 、内存、磁盘、文件等等) 的利用率，提高计算 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! 机系统的可用性，在使用电池的系统中，它还要实现节省电池消耗，延长电 池使用时间的功能。操作系统种类繁多，小至资源开销很少的嵌入式处理器 专用的操作系统如i c 卡操作系统，大到功能强大的巨型机所用的操作系统。 这些操作系统从功能到性能各具特色，为各种硬件环境及应用提供了相应的 支持和服务。操作系统为计算机的使用提供了最基本的程序运行环境和接 口，是应用软件运行的基础，其运行效率和性能直接影响到计算机应用系统 的运行效果。在过去的几十年中，随着计算机、网络技术的发展，操作系统 一直处于不断发展和改进之中。现在的操作系统不但追求功能上更强大，更 完备和更可靠，而且追求界面上更具友好性和方便性。人们将越来越多的功 能加入到操作系统中致使操作系统的体积越来越大。但是，随着应用领域 的扩大和增加，人们意识到对操作系统仅单纯追求功能上的强大是不够的， 为了适应不同的应用场合，还需要考虑系统的灵活性、可伸缩性以及可裁减 性。 目前嵌入式应用领域的一个发展倾向是采用实时多任务操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s l 。r t o s 的应用是和前面所述的应用复杂化 直接相关的。过去一个单片机应用程序所控制的外设和履行的任务不多，采 取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可满足要求。目前单片机芯片 本身的性能大幅度提高，可以适应应用复杂化这一要求，问题在于软件上。 随着应用的复杂化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控n 监视很多外设， 要求有实时响应，有很多处理任务。各个任务之间有多种信息传递- 如果仍 采用原来的程序设计方法存在两个问题。 一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控制场合是 不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量。二是系统任务 多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件 可靠性，程序编写任务量成指数增加。 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的 应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进 行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。 在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的 山东大学硕士学位论文 优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。工程师在编写程序 时- 可以分别编写各个任务，不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在 心中，大大减小了程序编写的工作量，而且减小了出错的可能，保证最终程 序具有高可靠性。 实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，看上去好象是多个任 务“同时”运行。任务之间的切换应当以优先级为根据，只有优先服务方式 的r t o s 才是真正的实时操作系统，时间分片方式和协作方式的r t o s 并不 是真正的“实时”。 r t o s 也体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，工程师 可以在不大量变动系统其它任务的情况下增加或去掉一个任务；一个项目开 发的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要 制订好规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于具 体某个开发者个人的依赖性。为r t o s 设计的成熟和通用的任务可以以库函 数的形式供其它人继续利用，和c 语言的设计思想一致。因此可以说r t o s 是嵌入式软件的编写从“小生产方式”进入“大生产方式”的必然产物。 在r t o s 基础上可以很容易地实现各种通信协议库函数，许多r t o s 针 对目前单片机网络系统中广泛使用的c a n 总线协议，开发了c a n 总线协议 接口库函数。这些函数包括消息接收。消息发送，初始化c a n 控制器芯片， 管理c a n 控制器中断，管理节点地址和c a n 标识，管理用于c a n 信息包的 缓冲存储区，通知一个任务消息已经收到等等。 实时多任务操作系统一般以源代码形式供应用户，作为p r o j e c t 源程序 的一部分参加编译和汇编，最终在用户代码中占有一部分。例如c m x 的 r t o s 在8 0 c 5 1 x a 系统中采用大模式编译增加代码量3 3 l o 字节，最大中 断潜伏时间在3 0 m 时钟下为2 9 微秒。 1 3 2 1 2r t o s 的几个评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多任务o s 如 u n i x 、w i n d o w s 、m u l t i f i n d e r 等有共同的一面，也有不同的一面。对于商用 多任务o s ，其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率： 而r t o s 追求的是实时性、可确定性、可靠性。评价一个实时操作系统一般 山东大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 可以从任务调度、内存管理、任务通讯、内存开销、任务切换时间、最大中 断禁止时间等几个方面来衡量。 j 任务调度机制： r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。 从调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略：从调度方式 上来讲，分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式：从时间片来看，分固定 与可变时间片轮转。 2 内存管理：分实模式与保护模式。 j 最小内存开销： r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为在工 业控制领域中的某些工控机( 如上下位机控制系统中的下位机) ，由于基于 降低成本的考虑，其内存的配置一般都不大，例如康拓5 0 0 0 系n 5 l8 5 板， 其基本内存配置仅为2 5 6 ks r a m + 1 2 8 ke p r o m ，而在这有限的空间内不仅 要装载实时操作系统，还要装载用户程序。因此，在r t o s 的设计中，其占 用内存大小是一个很重要的指标，这是r t o s 设计与其它操作系统设计的明 显区别之一。 4 最大中断禁止时间： 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断 的到来而中断执行的。只有当r t o s 重新回到用户态时才响应外部中断请 求，这一过程所需的最大时间就是最大中断禁止时间。 5 任务切换时间： 当由于某种原因使一个任务退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信 息、插入相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运行， 这一过程所需时间称为任务切换时间。 1 3 2 1 3r t o s 研究方向 j 1 1 t o s 的标准化研究 如今国外的r t o s 开发商有数十家，提供了上百个r t o s ，它们各具特 色。但这也给应用开发者带来难题，首先是应用代码的重用性难。当选择不 同的r t o s 开发时不能保护用户已有的软件投资。r t o s 的标准化研究越 山东大学硕士学位论文 来越被重视。美 i e e e 协会在u n i x 盼基础上，制定了实时u n i x 系统的 标准p o s i x1 0 0 1 4 系列协议，但仍有许多工作还待完成。 2 多处理器结构r t o s 、分布式实时操作系统和实时网络的研究 实时应用的飞速发展，对r t o s 的性能提出了更高的要求。单处理器的 计算机系统已不能很好地满足某些复杂实时应用系统的需要，开发支持多处 理器结构的r t o s 已成为发展方向，这方面比较成功的系统有p s o s + m 等。 至于分布式r t o s ，国外一些r t o s 厂家虽已推出部分产品，如q n x 、c h o r u s 、 p l a n9 等，但分布式实时操作系统的研究还未完全成熟特别是在网络实时 性和多处理器间任务调度算法上还需进一步研究。 3 集成的开放式实时系统开发环境的研究 r t o s 研究的另一个重要方向是集成开发环境的研究。开发实时应用系 统，只有r t o s 是不够的，需要集编辑、编译、调试、模拟仿真等功能为一 体的集成开发环境的支持。开发环境的研究还包括网络上多主机间协作开发 与调试应用技术的研究、r t o s 与环境的无缝连接技术等。 1 3 2 1 4r t o s 标准化 操作系统技术规范差别之大及使用的微控制器品种之繁多，使实时操作 系统的标准化成了一个大问题。另外，低档微控制器资源的缺乏，也是软件 开发成为难题。设在东京的j n d u s t r i a lt r o n ( t h er t o sn u l e u s ，实时操作系 统中心) 或叫i t r o n ( 工业实时操作系统中心) ，组织制定了r t o s 的标准。该组 织于1 9 8 7 年发布了第一个i t r o n 规范。即i t r o n l 。其后，又着手开发针对8 位和1 6 位微控制器、较少的功能集的u i t r o n 规范和用于3 2 位处理器的i t r o n 2 规范，并与1 9 8 9 年发布了u i t r o n 和i t r o n 2 两个技术规范。 u l t r o n 规范的内核在低档微控制器中发挥重要作用。这些器件以前受存 储器和执行速度限制，不能使用r t o s 。u i t r o n 处理进程提供了相当大的优势， 而且在8 位和1 6 位微控制器中，正日益变成屈指可数的标准内核规范。 1 3 2 2 应用软件 嵌入式系统的