嵌入式系统及其应用-1.3

1、嵌入式系统及其应用 1.3嵌入式系统的软件,陈家林 2012年3月,第1 章 嵌入式系统概述,什么是嵌入式系统 嵌入式系统硬件及其分类,1.3 嵌入式系统的软件,无操作系统的嵌入式系统 操作系统的作用 实时多任务操作系统,1.3.1 无操作系统的嵌入式系统,循环执行软件系统,显示输出,键盘输入,计算,顺序逐一执行 简单、开销小、可预测 不能处理异步事件 没有“并发”处理能力 没有时间控制机制,1.3.1无操作系统的嵌入式系统,前、后台软件系统,显示输出,键盘输入,计算,通讯,I/O,A/D,四个“任务” 并行运行,XT2000电力自动化控制系统,中断系统（前台程序）,时间,后台程序,1.3.2

2、嵌入式系统的操作系统,从80 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。1981年，Ready System 开发出世界上第1 个商业嵌入式实时内核（VTRX32）。,优势,提高了系统的可靠性 简化应用开发，各种任务之间容易协调，降低难度 功能增减变得容易 提高资源利用率 增强可移植性,缺点,增加额外开销 提高了技术门槛 价格成本,1.3.3嵌入式系统的操作系统分类,按系统的类型分类 商用系统：商业化的嵌入式操作系统 VxWorks（风河）/ WindowsCE（微软）/ PalmOS(Pal

3、m) 专用系统：定制的嵌入式操作系统 开源系统：开放源代码的嵌入式操作系统 C/OS 各类嵌入式Linux,按响应时间分类,非实时操作系统 嵌入式Windows XP（XPe） 多数嵌入式Linux 分时系统（基于公平性原则） 实时操作系统 在确定的时间内对事件相应的任务能够正确处理。,硬实时和软实时,实时操作系统可以分为硬实时和软实时两种情形。 （1）硬实时系统：各任务不仅须执行无误，而且要做到准时，在规定时间内完成规定的任务系统 （2）软实时系统：系统的宗旨是使各个任务尽快地运行，而不要求限定某一任务在多长时间内完成 实时是一个相对的概念 LINUX和嵌入式RT-LINUX / Windo

4、ws CE 多数系统是混合系统,按软件结构分类,按软件结构分类 （1）内核；（2）设备驱动程序和中间件 单体结构 含中间件和设备驱动程序 整个操作系统由一组功能模块组成 优点：性能好，整体代码小，通信开销小 缺点：高度集成和相互关联、单体庞大,应用软件,进程管理,文件管理,存储管理,I/O 驱动,中断驱动,存储驱动,硬件,嵌入式Linux操作系统,分层结构（layered）,分层，上层单向调用下层 单体 API接口 优点 维护较为简单 可替代 缺点 开销较大，规模小,MS-DOS操作系统,应用软件,硬件,BIOS,设备驱动,系统驻留,微内核结构microkernel (C-S),核心仅有关键功

5、能单元 内核小 分层，组件模式 动态添加，易于扩展、调试方便 安全 移植方便 通讯开销大 非共享内存，不适合大量数据传输应用,应用软件,进程管理,文件管理,存储管理,I/O 驱动,中断驱动,存储驱动,硬件,VxWorks操作系统,网络管理,中间件,微内核,1.3.4 常见的几种操作系统,VxWorks uC/OS II 嵌入式Linux，uCLinux Windows CE Palm OS Nucleus,VxWorks （WindRiver ）,商用 支持： x86、i960、Sparc、 MC68xxx、MIPS RX000、Power PC，ARM,VxWorks,占先式的调度，响应的时

6、间很短， 任务执行的时间可以确定； 系统内核很小，具有可裁剪性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上； 较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用 GNU的编译和调试,C/OS II:Micrium,源码公开 支持100多种处理器： Intel x86,x51,x96,Px,StrangARM,XSCALE Motorola H05,H12,680 x,683x, i.M1 ARM7,9,10 Altera NIOS x Xilinx MicroBlaze Atmel AVR,C/OS II:Micrium,可移植、可固化、可裁剪 占先式的实时多任务操作系统 其绝大部分源码是用ANSI C书写

7、 内核代码组织,应用软件,与处理器无关代码,与处理器相关代码 3,与应用相关代码 2,CPU,内核结构,C/OS II:Micrium,体积小、占用资源少 可靠、易使用、功能较全、费用低 API函数接口 自行开发实用应用接口 4个实用化“中间件”,-文件系统C/FS,兼容FAT12 、FAT16 、FAT32文件系统 支持多种设备驱动 支持多种存储介质：CF、IDE、RAMdisk、SD 支持操作系统,文件系统的层体系,API 层,文件系统层,逻辑块层,设备驱动,-图形系统接口C/GUI,嵌入式图形用户界面 8位至32位的处理器 黑白、辉度、彩色LCD 触摸屏、键盘 窗口管理、控件、对话框 标

8、准C、小尺寸 仿真环境,-网络协议栈C/TCP-IP,经过压缩的、可靠的、高性能的 TCP/IP协议栈 可裁剪和可固化,-内核调试工具 C/OS II KA,uC/OS II 平台,安全 组件 可剪裁,FS,GUI,TCP /IP,USB,FL,BT,uC/OS II,KA,小体积 性能好 纯C,门槛低 工业前端设备,Windows Embedded,商用 32位CPU：X86、ARM、MIPS Windows XP e Windows CE Windows Mobile Win 32 API子集 支持多种用户界面硬件 开发工具全，软件资源丰富 产品上市速度快, 开发成本低,Windows C

9、E 5,OEM层 OS层 API,Windows CE 5,Windows Embedded主要包含5个功能模块。 内核模块：支持进程和线程处理及内存管理等基本服务 内核系统调用接口模块：允许应用软件访问操作系统提供的服务 文件系统模块：支持DOS等格式的文件系统 图形窗口和事件子系统模块：控制图形显示，并提供Windows GUI图形界面 通信模块：允许同其他的设备进行信息交换,Windows CE 6,2层,LINUX-自由的企鹅,起源 1990年Linus在Tanenbaum教授自行设计的微型UNIX操作系统Minix 1991年Linux 完成最初内核 1992年Linus把这一软件奉

10、献给自由软件基金会（Free Software Foundation，简称FS F）的GNU计划，并公布了全部源代码，使得任何人都可以从网上下载、分析、修改、添加新功能，甚至出售赢利。 1994年发布完全自由发布版权Linux 1.0。 半年以后改为G P L版权。,自由软件、共享软件、商业软件,Linux的三个阵营： 自由软件（Freeware或Free software） 共享软件（Shareware） 商业软件(Commercial software） MontaVista RED HAT LINUX(红帽子) 蓝猫 红旗,嵌入式LINUX,内核模块化：可裁剪、高可靠、可加卸载 两个重要

11、差别： 内存管理：一般不支持虚拟内存 文件系统：有ROMFS、FAT C LINUX：不支持虚拟内存、不支持Cache，用于无MMU系统,- MontaVista Linux,支持28种CPU、9类构架，100多种芯片 PPC、IA32、MIPS、ARM、OMAP、XScale、PXA、SH、Xtensa 第一个 在ARM 11上运行的LINUX 三种版本： Professional：面向大多数嵌入系统 Consumer Electronics：（Mobilinux ）电源管理、多媒体 Carrier Grade：热切换、磁盘镜像、路由,Professional EDIT 5,Kernel L

12、inux Support Package (LSP) Userland Packages Pre-Tested Drivers Development Environment,具有实时性、高级开发环境,Mobilinux 5,Carrier Grade Edition 5,Android Google 2005,定制Linux,定制产品的需要 组件 添加模块,FS,GUI,WiFi,Linux 2.xx,工具集,WEB,NFS,FTP,TCP /IP,VoIP,JVM,VPN,Browser,VoIP,SSH,DEVn,DEV1,BT,BusyBox,DeskTop,3thPart,QT Tr

13、olltech,“艺术级”多平台的C+图形用户界面程序框架，是桌面LINUX的基础 MS：WINDOWS xx UNIX/X11：LINUX、Solaris、HP-UX MAC OS 基于帧缓冲Framebuffer的嵌入式系统,QT 功能和特点,窗口部件、对话框、按钮 多文档支持MDI 图形界面设计器 三维图形 网络：套接字、TCP、FTP、异步DNS XML解析 SQL,QT/Embedded,Qtopia Phone,Qtopia PDA,休息,下一讲：嵌入式系统的发展趋势 开发流程,1.4 嵌入式系统的发展趋势,系统集成的设计、工艺、测试方法和工具。 System C 软件平台化 操作

14、系统、组件开源，中间件增值服务 工具提高效率 SOC主要集中在SOPC： 目前大致是采用两种方法来实现SOPC 一种是在可编程器件FPGA中嵌入CPU内核（包括软核和硬核）,获得可编程系统平台。 另一种是将可编程模块置入ASIC之中,得到具有可配置功能的ASIC。,快速成长的32BIT嵌入式处理器,32bit RISC指令集处理器 MIPS：只设计内核的美国公司 高速度、多核，用于通讯 ARM：只设计内核的英国公司 低功耗、通用型、Javabyte支持，手持设备 PowerPC：为IBM和Motorola公司共有内核 高速与低功耗之间折中，外围丰富 68K/COLDFIRE： Motorola

15、公司内核 更新快,Intel ARM,PXA270,2700G3/G5,SAMSUNG(2005),SAMSUNG(2006),SAMSUNG(2009),S3C2410A/S3C2440A,低工耗、高度集成的基于RM920T 核的微处理器。 16KB指令Cache、16KB数据Cache、MMU、外部存储器控制器 LCD (STN和TFT)控制器 NAND Flash控制器 4个DMA通道 3通道UART 1个I2C总线控制器 2个SPI控制器 1个IIS控制器 4通道PWM定时器和1个内部定时器、实时时钟 8通道10位ADC和触摸屏接口 USB主、USB从、SD/MMC卡接口,2410:

16、233MHz 2440:533MHz+图象接口,S3C6400,主频 667MHz 多媒体加速器,S5P100 （CORTEX-A8）,内核 800MHz DDR II,多核系统Ti-OMAP （2005）,OMAP3530（2009）,720MHz DSP520MHz,TI 产品线路图,FPGA、内嵌硬核,向更高密度,更大容量的千万门系统级方向迈进; 向低成本,低电压,微功耗,微封装和环保型发展; IP 资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式; MCU, DSP, MPU等嵌入式处理器IP将成为FPGA应用核心.,Triscend A7V,32bit ARM7TDMI Up to 70

17、MHz 2 10/100 Ethernet CAN 2.0B USB 1.1 device Dual 16C550 TWSI SSI 10-bit, 8-channel 1MSps Timers Memory Controller 8-channel DMA,Triscend A7V,6,400FPGA gates equivalent,一条消息（2005）,“Actel公司和ARM公司最近共同宣布，两家公司已经开始合作向Actel的FPGA用户群提供32位ARM7Thumb家族微处理器。这是ARM处理器第一次作为“软”IP内核授权给可编程逻辑供应商。 通过这一合作伙伴关系的建立，Actel将

18、能够向开发者提供用于多种ActelFPGA系列的软ARM7系列工具。针对快速成长的设计市场，这一合作将创建第一个ARM7系列微处理器的软内核FPGA版本，从数量庞大的消费产品到高性能、高可靠性产品的不同需求都能够被满足。因此，可编程逻辑用户将能够享受到类似设计ASIC的灵活，获得广泛的第三方支持和受业界信赖的IP，并从ActelFPGA产品的可编程性和安全性中获益。”,ACTEL 2008-ProASIC,ARM M1 FPGA FLASH,SmartFusion 2009,ALTERA Cyclone V FPGA,800-MHz双核处理器支持对称和非对称多路处理 每一处理器包括以下组成：

19、高效的双发超标量流水线(2.5 MIPS*每MHz) 用于媒体和信号处理加速的NEONTM媒体处理引擎、单精度和双精度浮点单元 、32-KB指令和32-KB数据高速缓存、采用了TrustZone安全技术的存储器管理单元、Thumb-2技术，增强了代码密度、性能和功效、Jazelle扩展体系结构，加速了Java虚拟机、普通中断控制器、 32位通用定时器、看门狗定时器,Arria V SoC FPGA,连贯高速缓存，以增强处理器间的通信功能 编程跟踪宏单元，实现处理器指令流的全面可视化 共享512-KB、8路联合L2高速缓存，按路、行或者主机进行锁定 加速连贯端口，支持CPU扩展连贯存储器访问,X

20、ilinx Zynq-7000,双核 ARM Cortex-A9 MPCore 高达 1GHz 可通过 NEON 扩展及单双精度浮点单元进行增强 32kB 指令及 32kB 数据 L1 缓存 统一的 512kB L2 缓存 256kB 片上存储器 DDR3、DDR2 以及 LPDDR2 动态存储控制器 2 个 QSPI、NAND Flash 以及 NOR 闪存控制器 2 个 USB2.0 (OTG)、2 个 GbE、2 个 CAN2、0B、2 个 SD/SDIO、2 个 UART、2 个 SPI、2 个 I2C、4 个32b GPIO 用于实现安全启动和安全配置的 AES 和 SHA 256b 加密引擎 双 12 位 1Msps 数模转换器 最多接受17对差分模拟输入 Advanced Low Power 28nm Programmable Logic: 28k 至 350k 个逻辑单元（约 430k 至 5.2M 个同等的 ASIC 门电路） 240KB 至 2180KB 的可扩展式 Block RAM 80 至 900 个 18x25 DSP Slice （58 至 1080 GMACS 的 DSP 峰值性能） PCI