嵌入式系统设计 复习资料.docx

1， 嵌入式系统特点：2， (1)什么是RTOS: .1RTOS是一个内核 典型的单片机程序在程序指针复位后，首先进行堆栈、中断、中断向量、定时器、串行口等接口设置、初始化数据存储区和显示内容，然后就来到了一个监测、等待或空循环，在这个循环中，CPU可以监视外设、响应中断或用户输入。 这段主程序可以看作是一个内核，内核负责系统的初始化和开放、调度其它任务，相当于C语言中的主函数。 RTOS就是这样的一个标准内核，包括了各种片上外设初始化和数据结构的格式化，不必、也不推荐用户再对硬件设备和资源进行直接操作，所有的硬件设置和资源访问都要通过RTOS 核心。硬件这样屏蔽起来以后，用户不必清楚硬件系统的每一个细节就可以进行开发，这样就减少了开发前的学习量。 一般来说，对硬件的直接访问越少，系统的可靠性越高。RTOS是一个经过测试的内核，与一般用户自行编写的主程序内核相比，更规范，效率和可靠性更高。对于一个精通单片机硬件系统和编程的“老手”而言，通过RTOS对系统进行管理可能不如直接访问更直观、自由度大，但是通过RTOS管理能够排除人为疏忽因素，提高软件可靠性。 另外，高效率地进行多任务支持是RTOS设计从始至终的一条主线，采用RTOS管理系统可以统一协调各个任务，优化CPU时间和系统资源的分配，使之不空闲、不拥塞。针对某种具体应用，精细推敲的应用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能达到更高的效率；但是对于大多数一般用户和新手而言，采用RTOS是可以提高资源利用率的，尤其是在片上资源不断增长、产品可靠性和进入市场时间更重要的今天。 2.RTOS是一个平台RTOS建立在单片机硬件系统之上，用户的一切开发工作都进行于其上，因此它可以称作是一个平台。采用RTOS的用户不必花大量时间学习硬件，和直接开发相比起点更高。 RTOS还是一个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，也促进了应用程序的标准化。应用程序标准化后便于软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌入式软件开发的工程化创造了条件、减少开发管理工作量。嵌入式软件标准化推广到社会后，可以促进软件开发的分工，减少重复劳动，近来出现的建立于RTOS上的文件和通信协议库函数产品等就是实例。 RTOS对于开发单位和开发者个人来说也是一种提高。引入RTOS的开发单位，相当于引入了一套行业中广泛采用的嵌入式系统应用程序开发标准，使开发管理更简易、有效。基于RTOS和C语言的开发，具有良好的可继承性，在应用程序、处理器升级以及更换处理器类型时，现存的软件大部分可以不经修改地移植过来。 (2)Rtos作用：实时系统（Real-time operating system），实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。它的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。因此实时系统应该在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。4RTOS的特点一、时间约束性 实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）。根据截止时间，实时系统的实时性分为“硬实时”和“软实时”。硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏，如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。软实时是指某些应用虽然提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响，如监控系统等和信息采集系统等。 二、可预测性 可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。由于实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测性称为实时系统的一项重要性能要求。除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系统的可预测性，包括应用程序的响应时间是可预测的，即在有限的时间内完成必须的工作；以及操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开销应是有界的，以保证应用程序执行时间的有界性。 三、可靠性 大多数实时系统要求有较高的可靠性。在一些重要的实时应用中，任何不可靠因素和计算机的一个微小故障，或某些特定强实时任务（又叫关键任务）超过时限，都可能引起难以预测的严重后果。为此，系统需要采用静态分析和保留资源的方法及冗余配置，使系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。 四、与外部环境的交互作用性 实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时间内对外部请求做出反应。外部物理环境往往是被控子系统，两者互相作用构成完整的实时系统。大多数控制子系统必须连续运转以保证子系统的正常工作或准备对任何异常行为采取行动。 早期的实时系统功能简单，包括单板机、单片机，以及简单的嵌入式实时系统等，其调度过程相对简单。随着实时系统应用范围的不断扩大，系统复杂性不断提高，实时系统具有以下新特点。 1、多任务类型 在实时系统中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。实时任务要求要满足时限，而非实时任务要求要使其响应时间尽可能的短。多种类型任务的混合，使系统的可调度性分析更加困难。 2、约束的复杂性 任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。时间约束是任何实时系统都固有的约束。资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束。例如，在分布式端到端（end-to-end）实时系统很重，同一任务的各子任务之间存在前驱/后驱约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度要求。性能约束是指必须满足如可靠性、可用性、可预测性、服务质量（Quality of Service,QoS）等性能指标。 3、具有短暂超载的特点 在实时系统中，即使一个功能设计合理、资源充足的系统也可能由于一下原因超载： 1）系统元件出现老化，外围设备错误或系统发生故障。随着系统运行时间的增长，系统元件出现老化，系统部件可能发生故障，导致系统可用资源降低，不能满足实时任务的时间约束要求。 2）环境的动态变化。由于不能对未来的环境、系统状态进行正确有效地预测，因此不能从整体角度上对任务进行调度，可能导致系统超载。 3）应用规模的扩大。原先满足实时任务时限要求的系统，随着应用规模的增大，可能出现不能满足任务时限要求的情况，而重新设计、重建系统在时间和经济上又不允许。 RTOS系统的分类：强实时系统（Hard Real-Time） 弱实时系统（Soft Real-Time）调度的概念：a.调度用来确定多任务环境下任务执行的顺序和在获得CPU资源后能够执行的时间长度b.操作系统通过一个调度程序来实现调度功能。调度程序以函数的形式存在，用来实现操作系统的调度算法。调度程序本身并不是一个任务，是一个函数调用，可在内核的各个部分进行调用RTOS系统的调度：为了精确管理“时间”资源，已达到实时性和与预测性要求，并能够满足是实时系统的新要求，需用实时调度理论对任务进行调度和可调度性分析。任务调度技术包括调度策略和可调度性分析方法，两者是紧密结合的。任务调度技术研究的范围包括任务使用系统资源（包括处理机、内存、I/O、网络等资源）的策略和机制，以及提供判断系统性能是否可预测的方法和手段。例如，什么时候调度任务运行、在哪运行（当系统为多处理机系统或分布式系统时）、运行多长时间等等；以及判断分析用一定参数描述的实时任务能否被系统正确调度。 给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行的整个过程就是调度。在非实时系统中，调度的主要目的是缩短系统平均响应时间，提高系统资源利用率，或优化某一项指标；而实时系统中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足他们的时间约束，及时对外部请求做出响应。实时调度技术通常有多种划分方法，常用以下两种。 抢占式调度和非抢占式调度1）抢占式调度通常是优先级驱动的调度。每个任务都有优先级，任何时候具有最高优先级且已启动的任务先执行。一个正在执行的任务放弃处理器的条件为：自愿放弃处理器（等待资源或执行完毕）；有高优先级任务启动，该高优先级任务将抢占其执行。除了共享资源的临界段之外，高优先级任务一旦准备就绪，可在任何时候抢占低优先级任务的执行。抢占式调度的优点是实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证高优先级任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而非抢占式调度是指不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用处理器就必须执行完毕或自愿放弃。其优点是上下文切换少；缺点是在一般情况下，处理器有效资源利用率低，可调度性不好。 静态表驱动策略和优先级驱动策略2）静态表驱动策略（Static Table-Driven Scheduling）是一中离线调度策略，指在系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种 搜索策略生成一张运行时刻表。这张运行时刻表与列车运行时刻表类似，指明了各任务的起始运行时刻及运行时间。运行时刻表一旦生成就不再发生变化了。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相应的任务即可。由于所有调度策略在离线情况下指定，因此调度器的功能被弱化，只具有分派器（Dispatcher）的功能。 优先级驱动策略指按照任务优先级的高低确定任务的高低确定任务的执行顺序。优先级驱动策略又分为静态优先级调度策略。静态优先级调度是指任务的优先级分配好之后，在任务的运行过程中，优先级不会发生改变。静态优先级调度又称为固态优先级调度。动态优先级调度是指任务的优先级可以随着时间或系统状态的变化而发生变化。 3） 时间片轮转调度（round-robin scheduling）算法当有两个或多个就绪任务具有相同的优先级，且它们是就绪任务中优先级最高的任务时，任务调度程序按照这组任务就绪的先后次序调度第一个任务，让第一个任务运行一段时间，然后又调度第二个任务，让第二个任务又运行一段时间，依次类推，到该组最后一个任务也得以运行一段时间后，接下来又让第一个任务运行。任务运行的这段时间称为时间片（time slicing）。在时间片轮转调度方式中 当任务运行完一个时间片后，该任务即使还没有停止运行，也必须释放处理器让下一个与它相同优先级的任务运行，使实时系统中优先级相同的任务具有平等的运行权利。 释放处理器的任务被排到同优先级就绪任务链的链尾，等待再次运行 3GUI在嵌入式系统中的作用：GUI 是 Graphical User Interface 的简称，即图形用户界面，通常人机交互图形化用户界面设计经常读做“goo-ee”，准确来说 GUI 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，他极大地方便了非专业用户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特点6 流水线、CSIC、RSIC流水线(Pipeline)技术：取指译码、执行指令可以并行执行，提高了CPU的运行效率， 内部信息流要求通畅流动CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）：具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/2原则：80%的程序只使用20%的指令，大多数程序只使用少量的指令就能够运行；背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化1 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现2 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少3 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器4 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列CPI ，指令越复杂，CPI越大RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令，使CPU硬件结构设计变得更为简单n 减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle n 精简指令集：保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令n 采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式7.UART 8.I2C: PHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit )最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备(1)CAN（Controller Area Network）80年代末，由德国Bosch公司最先提出(2)，被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。(3)发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。(4)使用CSMA/CD协议(5). 40米以内，1Mbps；10Km，5Kbps；理论上可以支持无限多个设备(6).可靠性高，误码率为10-11；抗电磁干扰性强9.CAN总线：CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是ISO国际标准化的串行通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?8）。是国际上应用最广泛的现场总线之一CAN总线特点：完成对通信数据的成帧处理CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 使网络内的节点个数在理论上不受限制CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。 可在各节点之间实现自由通信CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。 结构简单只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。CAN总线优势：CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：网络各节点之间的数据通信实时性强首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差; 缩短了开发周期CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。 已形成国际标准的现场总线另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。 最有前途的现场总线之一CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。10多任务优先级：一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间；任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度而进入运行态11哈弗结构与冯诺依曼结构：哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。 哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构, 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈哈佛结构是 一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线课允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠两个明显的特点：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。任务的定义及其主要特性：任务是一个具有独立功能的无限循环的程序段的一次运行活动，是实时内核调度的单位，具有以下特性：动态性：任务状态是不断变化的。一般分为就绪态、运行态和等待态。在多任务系统中，任务的状态将随着系统的需要不断进行变化。并行性：系统中同时存在多个任务，这些任务在宏观上是同时运行的。异步独立性：每个任务各自按相互独立的不可预知的速度运行，走走停停任务主要包含以下内容： 代码：一段可执行的程序 数据：程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区等）堆栈 程序执行的上下文环境任务与程序的区别： a.任务能真实地描述工作内容的并发性，而程序不能；b.程序是任务的组成部分,除程序外，任务还包括数据、堆栈及其上下文环境等内容；c.程序是静态的，任务是动态的；d任务有生命周期，有诞生、有消亡，是短暂的；而程序是相对长久的；e一个程序可对应多个任务，反之亦然；f.任务具有创建其他任务的功能，而程序没有任务状态与