（机械电子工程专业论文）基于嵌入式系统智能手持终端的若干问题研究.pdfVIP

大连理1 二大学颂卜学位论文摘要 摘要 论文是围绕嵌入式系统在工业测控领域中的应用展开的，主要涉及嵌入 式系统的基本理论、应用特点和应用实例。论文在简要分析故障诊断理论的 基础上，详细分析了基于嵌入式系统的智能手持设备开发方案的可行性和必 要性。 论文首先对嵌入式系统的概况进行了阐述，并对现代故障诊断技术的基 本理论、应用特点进行了简要介绍。然后就嵌入式系统基本理论、技术特点， 从嵌入式微处理器、实时操作系统、网络、用户交互接口、应用程序开发等 方面进行介绍。在此基础上重点分析了嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，并对该 系统实现的内部机制和实时性进行了详细的分析。同时，以实际应用事例对 基于w i n d o w sc e 的程序开发，包括系统平台的定制、w i n d o w sc e 应用程序的 开发做了详细阐述。论文也对应用日益广泛的嵌入式l i n u x 系统与其他常用 的嵌入式系统做了简要叙述。最后，经过综合分析比较之后，将嵌入式系统 的基本思想引入了动态信号处理中，确定了以嵌入式d s p 技术为核心的 p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪开发方案，提出了文件系统管理方案，并应用于实际 开发中，具有一定的应用价值。 作为当前的研究热点问题，嵌入式系统面向工业自动化领域，特别是在 工业现场信号的采集、分析与处理的具体应用日益广泛。因此对嵌入式系统 进行深入研究，特别是面向工控领域的应用，进行深入研究是很有必要的。 本论文探讨的也正是这些方面的问题，具有一定的应用价值和参考价值。 关键词：嵌入式系统，故障诊断，w in d o w sce d s p ，数据采集分析 大连理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mi nt h ei n d u s t r i a lf i e l do f m e a s u r ea n dc o n t r o li sd i s c u s s e d ，f r o mt h eb a s i ct h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e mt o c h a r a c t e r i s t i ca n di n s t a n c eo fa p p l i c a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo ff a u l t d i a g n o s i si nb r i e f , t h es o l u t i o no fs m a r th a n d h e l dd e v i c ei sb r o u g h tf o r w a r db a s e d o ne m b e d d e ds y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t yo fe m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mi sa n a l y z e d f i r s to fa l l ，t h eg e n e r a ls i t u a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n dt h e n t h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co fm o d e r nf a u l td i a g n o s i sa r ei n t r o d u c e di n b r i e f a c c o r d i n gt om i c r o p r o c e s s o r , r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，g r a p h u s e ri n t e r f a c e ( g u i ) a n dt h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s ，t h eb a s i ct h e o r ya n d c h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e da sw e l l o nb a s eo fa b o v ew o r k ， t h es u m m a r i z e da p p l i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fw i n d o w sc e a sw e l la st h e a p p l i c a t i o ni nr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e ma r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n to fo n ei n s t a n c eb a s e do nm i c r o s o f tw i n d o w sc ei se x p a t i a t e d ， i n c l u d e dt h em e t h o dt oc u s t o m i z et h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 一- 一w i n d o w sc e a n dt h eh i g h l i g h to fs o f t w a r ea p p l i c a t i o n e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n d o t h e ro p e r a t i n gs y s t e ma r ea l s od e s c r i b e d ，a sw e l l ，w h i c hh a v eb e e ng e tw i d e l y u s e dm o r ea n dm o r e a tl a s t ，a f t e rc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h e b a s i ct h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e mi si m p o r t e dt od y n a m i cs i g n a lp r o c e s s i n g ，t h e e n ds o l u t i o no fp d m 2 0 0 0d a t ac o l l e c t o r a n a l y z e ri sb r o u g h to u t ，b a s e do n e m b e d d e dd s ps y s t e m a tt h es a m et i m e t h es o l u t i o no ff i l es y s t e mi si n t r o d u c e d t h e r ea r es o m ev a l u e so f r e f e r e n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n a st h ef o c u s e di s s u ec u r r e n t l y ，e m b e d d e ds y s t e mh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si n t h ef i e l do fa u t o m a t i o ne s p e c i a l l yi ns i g n a lc o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt om a k et h o r o u g h l yr e s e a r c h ，i np a r t i c u l a r ，o r i e n t e dt h e a p p l i c a t i o no f t h ef i e l do f m e a s u r ea n dc o n t r 0 1 t h e r ea r es o m ev a l u e so fr e f e r e n c e a n da p p l i c a t i o no w i n gt ot h ew o r ko f t h i sp a d e r , k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，w i n d o w sc e ，d s p , d a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s 基于嵌入式系统智能手持终端的若干问题研究 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介 1 1 1 何谓嵌入式系统? “1 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单 地说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与b i o s 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。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。在智能化设备、仪器 仪表的应用场合，出于对产品体积、成本等因素的考虑，要求将计算机控制 部分安装于设备内部并且占用空间尽可能的小，操作系统装在有限的内存中 ( 一般在r o m 中) ，这种系统即为嵌入式系统。 1 1 2 嵌入式系统应用的意义 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。嵌入式系统是面向应用的，广泛应用 于现代化工业的各个领域，如：航天、航空、军事、家用消费产品、仪器仪 表、各种控制系统及3 c ( 消费电子、计算机、通信) 系统。 1 2 嵌入式技术的发展概况与应用前景 1 2 1 嵌入式技术的发展概况”“3 1 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了，嵌入式技术历经了几个 发展阶段。进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛 发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入 到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。 多媒体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一 体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的 发展，大致经历了以下4 个阶段； 第一阶段：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：以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 基于嵌八式系统智能手持终端的若干问题研究 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效 率高；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：以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。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( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段：以i n t e r n e t 技术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i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 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i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 2 2 嵌入式系统的技术特点“1 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成。 嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成。而这些嵌入式c p u 目前多是8 位和1 6 位的，与3 2 位或6 4 位的高性能处理器相比，具有很强的 经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通 讯设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。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( 又称次存储设备) ，而大多 使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关的底 层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化浏览器和应 用软件等。 嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以嵌入 到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌入式系统具有 不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。 1 2 3 嵌入式系统的应用前景 后p c 时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统 就是与这一时代紧密相关的产物，它拉近了人与计算机的距离，形成个人 机和谐的工作与生活环境。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工 作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景。嵌入式系统在传统的工业 控制和商业管理领域已经具有广泛的应用空间，如现场数据采集分析设备、 智能工业控制设备、p o s a t m 机、i c 卡等：在家庭数字消费领域更具有广泛 的应用潜力，如机顶盒、数字电视、w e b t v 、网络冰箱，网络空调等众多消费 类和医疗保健类电子设备等；此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑 ( p d a ) 、车载导航器( g p s ) 等方面应用，将极大地推动嵌入式技术深入到 生活和工作的方方面面。随着科学技术的不断进步，嵌入式系统必将渗透到 人们学习、工作和生活的每一个环节。 甚于嵌入式系统智能手持终端的若干问题研究 1 3 嵌入式系统在现代故障诊断技术中的应用 1 3 1 机械设备故障诊断技术的意义“” 作为机械故障诊断学中一个重要组成部分，故障诊断技术是指利用机械 设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，依靠先进的传感技术与在线检 测技术，通过对所测信号的分析和处理，并结合被诊断对象的历史状况，得 出设备故障的性质、程度、类别、部位、原因、及至晚明故障发展的趋势及 影响等。为预报、控制、调整、维修、治理等提供依据，是诊断技术的关键。 机械设备是经济发展最重要的物质技术基础。随着经济建设的发展，整 个社会所拥有的机械设备越来越多。很多生产领域使用了大型、复杂、精密、 高速、连续运行和机电一体化的机械设备，自动化程度越来越高。这一方面 虽然满足了提高生产率、降低生产成本、节约能源、提高产品质量等客观要 求；但另一方面，万一机械设备发生故障，其所造成的经济损失和社会影响 也可能比过去低生产水平时成十倍，甚至百倍地增加。 机械设备故障诊断技术的意义就在于它为机械设备传统维修制度的改革 奠定了基础，可使合理的预知维修制度代替传统的定时维修制度，从而减少 事故发生率，降低维修费用，确保机械设备安全运行。可见，发展设备故障 诊断技术，进行在线工况监视，有着潜在的巨大的经济效益和社会效益。 1 3 2 故障诊断的诊断方式分类 故障诊断( f d ) 始于机械设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断 ( c m f d ) 。它包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现 异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。设备故障诊断是随设备管理和设 备维修发展起来的。 常见的工况监视与故障诊断方式有：离线工况监视诊断方式( 巡检方式) 、 单机在线工况监视诊断方式、集中式在线工况监视诊断方式等。在综合上述 监视珍断方法的优缺点的基础上，大连理工大学振动工程研究所采用了分布 式在线工况监视与定期巡检方式相结合的故障诊断方式。该方式多台现场设 备共享一套诊断系统。现场检测监视系统通过计算机网络与诊断系统进行通 信联络。 1 3 3 嵌入式系统在机械工业中应用的价值和意义 随着现代科学技术及工业自动化的发展，机械工业面临两方面的挑战， 一是传统的以人工为主体的单件、批量生产方式必须实现自动化，以适应新 产品发展的需要；二是机械设备的运行速度及自动化程度精度要求同益提高。 产品更新换代周期短、产品质量高将是市场竞争中取胜的主要因素。为此， 提高设备运行的稳定性、可靠性、安全性是实现上述目标的重要保证，为了 适应机械工业上述发展的要求，研究生产过程( 含机械制造与其它生产过程) 的机械设备运行状态的工况监视与故障诊断的智能化方法及手段是具有重要 现实价值的。 基于嵌入式系统智能予持终端的蔷十问题研究 我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造、自动控制等为嵌入式系 统的应用提供了巨大的市场。而工业控制，系统仿真，现场数据采集，军用 领域一般都要求系统支持实时工作。 1 3 4 嵌入式系统在工业控制中的典型应用 嵌入式系统在工业控制和自动化中得到了越来越广泛的应用。下图是应 用在过程控制中的一个基于嵌入式系统的功能模块示例( 图1 - 1 ) ： 输出 图l l 用于过程控制的基于嵌入式系统的功能模块图 f i g 1 一lf u n c t i o nc h a r tb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mu s e db yp r o c e s sc o n t r o l 该嵌入式系统采用电信号作为输入。通常，传感器或转换器用于将物理 信号转化成电信号。a d c 将模拟信号转换为与它等价的数字信号，数字信号 是由电信号表示的1 和0 的比特流。处理器使用驻留在存储器芯片( r o m ) 上的软件处理这些信号。d a c 用于将输出的数字信号转换成模拟信号。处理 器电路板上还提供基本的输入输出接口。嵌入式系统另一个重要接口是主机 接口。通常，嵌入式软件是在主机系统( 运行w i n d o w s 或者u n i x 操作系统 的桌面机) 上开发的，然后将软件下载到存储器中。通常是通过串行接口或 者并行接口完成的。 1 3 5p d m 2 0 0 0 便携式数据采集分析仪性能概况 手持( 便携式) 数据采集分析仪亦称手持数据采集终端机，或智能手 持终端( s m a r th a n d h e l dd e v i c e ，s h d ) 。 手持数据采集分析仪，一般采用1 6 位或是3 2 位c p u ( 中央微处理器) 及 存储器支持数据处理，采用高分辨率l c d 显示屏( 带背光，b a c k l i g h t ) 显示 数据，键盘一般都具有功能快捷键、英文及数字键支持人工数据录入与交互。 另外，备有通讯串口r s 2 3 2 ，u s b 及i r d a ( 【n r ar e dd a t aa s s o c i a t i o n ，红 外线数据通信) 。软件丌发工具一般支持c 语言，关键实时处理部分一般由汇 编语言完成。 。 手持数据采集分析仪的使用性、可靠性要求较高。同时，对电磁兼容性 及防尘、防水、抗震等性能控制比较严格。 下面是大连理工大学振动工程研究所自主丌发的p d m 2 0 0 0 便携式数据采 基于嵌入式系统智能手持终端的若十问题研究 集分析仪的主要性能指标：”1 信号类型：振动( 加速度、速度、位移) ，压力，温度等各类传感器输出 的电压信号； 模数转换( a d ) 精度：可达1 6 位； 文件管理的方便快捷，包括文件名( 支持汉字显示) 与文件的存储，对测 量参数文件具有插入、删除、参数修改等功能。文件和目录的管理窗口实 现类w i n d o w s 功能和风格； 智能低功耗的电源管理( s m a r tb a t t e r y ) ，适应长时间的野外工作； 实现多通道的数据采集，可实现4 通道同时采集； 应用数据库管理技术，实现海量存储； 大屏幕液晶( l c d ) 显示，达到6 4 0 * 4 8 0 ； 可以方便快捷与互联网连接，并与台式机实现数据共享通讯； 1 4 论文的提出和本文的组织 1 4 1 问题的提出及本人的主要工作 本学位论文源于大连理工大学振动工程研究所智能预知维修与故障诊断 系统实际项目，属于嵌入式系统在工业现场信号的采集、分析与处理的具体 应用。应用领域：工业现场数据采集与分析、过程监视、工业过程控制、能 源智能管理、上位控制、系统安全监控、过程自动化、产品性能测试等。 围绕本课题，本人主要作了以下工作： 深入学习了嵌入式系统相关理论知识，对常用的商用嵌入式操作系统 进行了深入研究；在分析了主流嵌入式系统的优缺点的基础上，将嵌 入式系统的基本思想引入到实际开发中，结合现代故障诊断技术，针 对基于嵌入式d s p 技术的数据采集分析仪的开发方案做了初步研究； 对嵌入式系统在工业测控领域中的应用的可行性做了初步的探讨与 研究，对p d m 2 0 0 0 数据采集仪的文件系统开发提出了切实可行的解决 方案： 对嵌入式操作系统的裁减、移植做了大胆的尝试，完成了启动代码 ( b o o t ) 的编写工作。在熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤， 特别是消化、吸收了嵌入式软件的编程思想的基础上，开发了示例性 应用程序，为进一步的嵌入式软件开发打下了良好的基础。 1 4 2 论文的组织结构 论文是围绕嵌入式系统在工业测控领域中的应用展丌的主要涉及嵌入 式系统的基本理论、应用特点和应用实例，并且对嵌入式系统在故障诊断领 域中应用的可行性进行了深入讨论。同时对基于嵌入式d s p 技术的数据采集 分析仪的开发提出了可行性的方案。论文的组织结构为： 第一章对嵌入式系统概况进行了阐述，涵盖了嵌入式系统的发展概况、 技术特点和应用前景等方面。对故障渗断技术的基本理论、应用进行了简要 棼十嵌入式系统智能下持终端的若十问题研究 介绍，并对嵌入式系统在故障珍断中的应用做了简要分析。 第二章主要涉及嵌入式系统基本理论、技术特点，从嵌入式微处理器、 实时操作系统、网络、用户交互接口等方面进行介绍。并对主流嵌入式操作 系统的优缺点进行了分析比较。 第三章重点介绍了嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，浚系统实现的内部机制， 并对c e 系统的实时性进行了详细的分析。 第四章主要是基于w i n d o w sc e 的程序开发，包括系统平台的定制以及c e 应用程序的开发。给出了一个简单的应用实例，并对w i n d o w sc e 在工业现场 的应用做了可行性研究。 第五章是嵌入式l i n u x 系统与其他常用的嵌入式系统( v x w o r k s ) 简介， 包括内核的裁减，文件系统的定制以及系统移植等问题。 第六章是本文的重点章节。在简要分析了p d m 2 0 0 0 设备预知维修与故障 诊断系统基本工作原理、实际应用的基础上，提出了基于嵌入式d s p 技术的 p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪的开发方案，对整体框架的构建进行了深入的分析， 特别是后台文件系统的开发，提出了解决方案，具有一定的使用价值。 第七章结论与展望，对全文做了总结。 基于嵌入式系统智能于持终端的若干问题研究 第二章嵌入式系统基本理论、技术特点 2 1 嵌入式系统基本理论 2 1 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 简介 一、嵌入式系统定义、实际应用举例 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软、便件可裁 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。在嵌入式系统中，操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统 之中，即系统的应用软件与系统的硬件一体化。它具有软件代码少、高度自 动化、响应速度快等特点，特别适用于要求实时和多任务处理的情况。 表2 一l 四个实际系统的比较 t a b l e2 1c o m p a r i s o n so ff o u rp r a c t i c a ls y s t e m s 信号处理紧急任务处理分布式处理消费类电子系统 计算速度 1 gf l o p s1 0 1 0 0m i p sl 1 0m i p s0 ，lm p s i o 传输速率 1g b s1 0m b s1 0 0k b sik b s 销售量1 0 5 0 01 0 0 1 0 0 01 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 + 开发成本 $ 2 0 m $ l o o m $ 1 0 m $ 5 0 m $ 1 m $ 1 0 m$ 1 0 0 k $ l m 生存周期1 5 3 0 年2 0 3 0 靛2 5 3 0 矩1 0 4 1 5 年 环境震动、热光、热、震动灰尘、火过压、热、震动 成本敏感度s 1 0 0 0$ 1 0 0$ l o $ 0 0 5 其他限制尺寸、重量、电源尺寸、重量尺寸尺寸、重量、电源 安全性f冗余机械安全性 ? 维护经常出错时定期从不 二、嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发 展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处 理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代和具体产品同 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。嵌入式 系统中的软件，一般都固化在只读存储器( r o m ) 中，而不是以磁盘为载体， 可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。 另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然 性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展 比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 一1 0 年的时 间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数和嵌入式应用产 品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 基于嵌入| i _ l = 系统智能于持终端的蔷十问题研究 三、嵌入式系统应用软件的特征 基于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。 l 、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 、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 调度是保汪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。 四、嵌入式系统开发工具和环境9 1 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和 集成环境即可进行对自身的开发。i 而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刁能进行丌发，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辑分析仪、混合信号示波器等。 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机基本组 成部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统( o s ) 平台上面运 行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序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、利用系统资源、系统函数以 及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执 行的实时性、可靠性，并减少丌发时间，保障软件质量。 2 1 2 嵌入式实时多任务操作系统( r t o $ ) 实时性是指能够在限定的时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事 件做出响应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和做出响应时间的长短来 衡量。 一般来讲，采用提高硬件能力的方法是非常必要的ic p u 要有足够的处 理能力，系统总线和存储器要有足够的速度和容量，中断控制器要有足够的 响应和控制能力，i o 通道和设备要有足够的吞吐能力等等。但是只考虑硬件 是不够的，还必须有一个实时操作系统。在同样的计算机硬件的条件下，运 行系统所提供的是一个实时的还是非实时的服务，由操作系统来决定。 实时多任务操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 是根据操 基于嵌入式系统智能手持终端的若干问题研究 作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是 指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。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。 目前，嵌入式应用领域的发展倾向是采用实时多任务操作系统( r t o s ) 。 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。但是，随着应用的复杂化，一 个嵌入式控制器系统可能要同时控制监视多个外设，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；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，程序编写的任务量将成指数增加。 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( p r i ) ，r t o s 根据各个任务的 优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。在编写嵌入式应用程 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。r t o s 体系结构，如下图所示( 图2 1 ) ： 圜冈 i | _ i 。：r t o s 核心- 董 ? 图2 1r t o s 体系结构图 f i g 2 一ls y s t e ms t r u c t u r eo fr t o s 实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，看上去好像是多个任 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 体现了一种新的系统设计思想和一个丌放的软件框架， 设计人员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 耩于嵌入式系统智能下持终端的若十问题研究 个项目丌发的过程中，可以有多个技术人员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 没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。 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，如t c p i p ，p p p 协议。另外，实时多任务操作系统一般以源代码形式供应用户，作为项目 ( 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。 2 1 3 实时操作系统( r t o s ) 的发展过程与研究方向 一、实时操作系统( r t o s ) 的发展过程 实时操作系统( r t o s ) 的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看， r t o s 到现在已经历了如下三个阶段： 1 、早期的实时操作系统 早期的实时操作系统，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用户提 供对系统的初始化管理以及简单的实时时钟管理，属于这类实时监控程序的 有r t m x 等。这个时期，实时应用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实 时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。 2 、专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的r t o s 已越来越显示出明显的不足了。有些实时 系统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时 操作系统。这类专用实时操作系统在国外称为r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m d e v e l o p e di 1 3h o u s e 。它是在甲期用户为满足自身开发需要而研制的，它一 般只能适用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测移植性也不太好。属于 这类实时操作系统的有i n t e l 公司的i m a x 8 6 等。 3 通用实时操作系统 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟 管理、任务间的通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各 自的硬件环境与应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可 以把这部分很好地组织起来，形成一个通用的实时操作相同内核。这类实时操 作系统大多采用软组件结构，以一个个软件“标准组件”构成通用的实时操作 系统，一方面，在r t o s 内核的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。这使得用户可根据 i 不同的实时应用要求及硬件环境选择不同的软组件，也使得实时操作系统开 发商在开发过程中减少了重复性工作。 这类通用实时操作系统，有i n t e g r a t e ds y s l e m 公司的p s o s + 、r e a d y s y s t e r n 公司( 后与m i c r o t e cr e s e a r c h 合并) 的v r t x 3 2 等。它们一般都提供 了实时性较好的内核、多种任务通信机制、基于t c p i p 的网络组件、文件管 理及i o 服务，提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境，支 持用户使用c 、c + + 进行应用程序的开发。 箍于嵌入式系统智能手持终端的若干问题研究 二、实时操作系统( r t o s ) 的研究方向 1 r 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。 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 的标准化研究越来越被 重视。美国i e e e 协会在u n i x 的基础上，制定了实时u n i x 系统的标准p o s i x 1 0 0 1 4 系列协议。 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。至于分布式r t o s ，国外一些r t o s 厂家 虽己推出部分产品，如q n x 、c h o r u s 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需进一步研究。 3 集成的开放式实时系统开发环境的研究 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。 三、实时操作系统( r t 0 s ) 的评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与般商用多任务操作系统 ( o s ) 如u n i x 、w i n d o w s 等有共同的一面，也有不同的一面。对于商用多任务 操作系统，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 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。其中，最大中断禁止时间和任务切换时间是 评价一个r t o s 实时性能最重要的两个技术指标。 表2 2 几种常用r t o s 的性能指标比较 t a b l e2 - 2p e r f o r m a n c ei n d e xc o m p a r i s o n so fs e v e r a lr t o si nc o m i n o nu s e i m 8 6i 跚【3 8 6a l v r t x 3 2 p 8 0 s + 任务调度优先级+ i s r优先级+ i s r 优先级( p r i )时间片+ 优先级+ 可时间片+ 优先级+ 可抢时间片+ 优先级 抢占l l 内存管理实模式保护模式实模式保护模式实模式保护模式 任务切换时间小于2 0 m s1 9 m s 最大中断禁i i 时间8 m s7 m s 最小内存开销 1 0 k br a m2 4 k br a m 4 k br o m + 1 4 “2 0 k br k l 注： 1 任务切换时间、最大中断禁止时间是以3 3 m h z 主频、i n t e l 8 0 3 8 6c p u 为基准的数据。 2 表中斜线部分表示数据不详。 綦f 嵌入式系统智能于持终端的若干问题研究 2 1 4 嵌入式实时操作系统与通用操作系统比较 嵌入式实时系统中采用的操作系统，称之为实时操作系统( r t o s ) ，它 既是嵌入式操作系统，又是实时操作系统。作为一种嵌入式操作系统，它具 有嵌入式软件共有的可裁剪、低资源占用、低功耗等特点；而作为一种实时 操作系统，它与通用操作系统( 如w i n d o w s 、u n i x 、l i f l u x 等) 相比有很大的 差别。 对于实时操 乍系统，除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是要满 足应用提出的实时性要求，而组成一个应用的众多实时任务对于实时性的要 求是各不相同的，此外实时任务之间可能还会有一些复杂的关联和同步关系， 如执行顺序限制、共享资源的互斥访问要求等，这就为系统实对性的保汪带 来了很大的困难。因此，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是：采用 各种算法和策略，始终保证系统行为的可预测性( p r e d i c r a b i l i t y ) 。可预测 性是指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时操作系统的资源调配策 略都能为争夺资源( 包括c p u 、内存、网络带宽等) 的多个实时任务合理地分配 资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。与通用操作系统不同， 实时操作系统注重的不是系统的平均表现，而是要求每个实时任务在最坏情 况下都要满足其实时性要求，也就是说，实时操作系统注重的是个体表现， 更准确地讲是个体在最坏情况下的表现。 由于实时操作系统与通用操作系统的基本设计原则差别很大，因此在很 多资源调度策略的选择上以及操作系统实现的方法上两者都具有较大的差 异，这些差异主要体现在：1 、任务调度策略；2 、内存管理；3 、中断处理； 4 、共享资源的互斥访问；5 、系统调用以及系统内部操作的时间开销；6 、系 统的可重入性。 2 2 嵌入式系统常用概念与实时操作系统功能特性 2 ，2 1 嵌入式系统常用的概念： 1 任务上下文( t a s kc o n t e x t ) 任务上下文是指任务运行的环境。例如，针对x 8 6 的c p u ，任务上下文可 包括程序计数器、堆栈指针、通用寄存器的内容。 2 确定性( d e t e r m i n i s t i c ) 实时操作系统中，在一定的条件下，系统调用的运行时间可以预测。这 并不是指所有系统调用都总是执行一个固定长度的时间，而是指不论系统负 载如何，系统调用的最大执行时间可以确定。 3 硬实时( h a r dr e a l l r i m e ) 系统 硬实时系统对系统响应时l 剐有严格要求，一旦系统响应时间不能满足， 就会引起系统崩溃或致命的错误。 4 中断延迟( i n t e r r u p tl a t e n c y ) 中断延迟是指从硬件中断发生刮开始执行中断处理程序第一条指令之间 的这段时间。 肇于嵌入，c 乐统衍能手持终端的若干问题研究 5 互斥( m u t u a le x c l u s i o n ) 互斥是用来控制多任务埘共。乒数据进行串行访问的同步机制。在多任务 应用中，当两个或多个任务同时访问共享数据时，可能会造成数据破坏。互 斥使它们串行地访问数据，从而达到保护数据的目的。 6 抢占( p