课程目的 嵌入式操作系统 口理论与实職相结合 口以嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重 点,以应用为目的,全面介绍嵌入式系统 电子科技大学计算机学院 口使大家既能对嵌入式系纯及开发有一个全景的 把握,又能深入理解嵌入式实时操作系统 口配实酚用入式实时软件开发平合逆系 统”。该平合包括嵌入式实时操作系统和集成 Luo uestc edu.cn 开发工具,提供丰富的实验和手册 课程目的 嵌入式实时系统教研室 口利用PC机就可以自己动手搭建嵌入式系轨的 长期从事嵌入式系统技术研究、开发、咨询服 开发平合,熟悉应用开发,更好地学习和理解 务和本科硕士博士生培养 嵌入式系统的基础知识 所研究内容属计算机应用博士点的主要学术方 ◆从纯软件到硬件结合 从“纸”上谈兵(躺程序)到心板”上谈兵 口自199年以来承担并宪成了国家863、电子发 心从“懂”怎么做到“会”做 展基金、国防预研等多项嵌入式系统相关的 的重 点课题,开发出具有自主版权的嵌入式实时操 ◆从讲听到讲听做。 作系统 CRTOS及开发工具 口成果获得了多项部级科技进步奖 嵌入式实时系统教研室 课程的主要内容 口从199年开始进行产 嵌入式系统基础 业化工作,走出了 条学、研、产相结合 的道路,入成立了 ■式系统分类、发展历程、特点、应用领城、 发晨楚势) 北京科银京成公司 口200年推出了中国第 嵌入式受件系统(基本组成,嵌入式微处理 馨:ARM、MPS、X86等,总线、存储系 套完整的嵌入式实 统、輸入输出与典型接口等) 时软件开发平合“道系 纯”( DeltaSystem) 嵌入式软件系统(分类、特点、体系结构 运行流程、操作系统、开发工具)
1 1 嵌入式操作系统 电子科技大学计算机学院 罗蕾 lluo@uestc.edu.cn 2 课程目的 理论与实践相结合 以嵌入式软件的核心嵌入式实时操作系统为重 点，以应用为目的，全面介绍嵌入式系统 使大家既能对嵌入式系统及开发有一个全景的 把握，又能深入理解嵌入式实时操作系统。 配套实验用嵌入式实时软件开发平台-“道系 统”。该平台包括嵌入式实时操作系统和集成 开发工具，提供丰富的实验和手册 3 课程目的 利用PC机就可以自己动手搭建嵌入式系统的 开发平台，熟悉应用开发，更好地学习和理解 嵌入式系统的基础知识： 从纯软件到硬/软件结合 从“纸”上谈兵（编程序）到“板”上谈兵 从“懂”怎么做到“会”做 从讲/听到讲/听/做。 4 嵌入式实时系统教研室 长期从事嵌入式系统技术研究、开发、咨询服 务和本科/硕士/博士生培养 所研究内容属计算机应用博士点的主要学术方 向之一, 处于国内领先，国际先进水平 自1990年以来承担并完成了国家863、电子发 展基金、国防预研等多项嵌入式系统相关的重 点课题，开发出具有自主版权的嵌入式实时操 作系统CRTOS及开发工具。 成果获得了多项部级科技进步奖 5 嵌入式实时系统教研室 从1999年开始进行产 业化工作，走出了一 条学、研、产相结合 的道路，入股成立了 北京科银京成公司。 2000年推出了中国第 一套完整的嵌入式实 时软件开发平台“道系 统”（DeltaSystem）。 6 课程的主要内容 嵌入式系统基础 嵌入式系统导论（什么是嵌入式系统？嵌入 式系统分类、发展历程、特点、应用领域、 发展趋势） 嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式微处理 器：ARM、MIPS、X86等，总线、存储系 统、输入/输出与典型接口等） 嵌入式软件系统（分类、特点、体系结构、 运行流程、操作系统、开发工具）
口课程的主要内容 课程的主要内容 嵌入式实时内核 口嵌入式系统软件的开发 今任务管理与调度(任务、任务管理、调度算 嵌入式系统开发模式 今同步、互斥与通信(倌号量、信箱、队列、 嵌入式软件开发工具 事件、异步信号 软件分析设计方法 心中斷和时间管理(中断分类、处理过程、中 断管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理 关系、时问管理机制) 今内存管理和O管理(特点和管理机制) 实验系统的内容 实验系统的内容 口嵌入式实时软件开发平合“道系统”,包括: 口配套19个实验,具体是: 嵌入式实时操作系统 Deltaos:嵌入式实 时内核 Delta core、嵌入式TCPP 嵌入式交叉开发环境建立实验:1个 DeltaNET、嵌入式文件系统 DeltaFILE 心实时内核实验:10个 °嵌入式集成交叉开发环境 嵌入式TCP/P实验:5个 LambdaTOOL:集成开发环境 LambdaIDe、交叉躺译 Lambdagcc、 嵌入式文件系统实验:3个 交叉调试器 LambdagdB 教材 参考资料 嵌入式实时操作系统及应用开发,罗蕾 主编,北京航空航天大学出版社 入式计算系轨设计原理(类) Wavne wolf 口光盘:实验系统及实验指导书 Embedded Computing System Design OC. M. Krishna, Kang G. Shin. REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw-Hill JA Survey of Real-time Operating Syste UWHAT MAKES A GOOD RTOS
2 7 课程的主要内容 嵌入式实时内核 任务管理与调度（任务、任务管理、调度算 法） 同步、互斥与通信（信号量、信箱、队列、 事件、异步信号） 中断和时间管理（中断分类、处理过程、中 断管理机制、硬件时钟设备、与OS的管理 关系、时间管理机制） 内存管理和I/O管理（特点和管理机制） 8 课程的主要内容 嵌入式系统软件的开发 嵌入式系统开发模式 嵌入式软件开发工具 软件分析设计方法 9 实验系统的内容 嵌入式实时软件开发平台“道系统”，包括： 嵌入式实时操作系统DeltaOS：嵌入式实 时内核DeltaCORE、嵌入式TCP/IP DeltaNET、嵌入式文件系统DeltaFILE 嵌入式集成交叉开发环境 LambdaTOOL：集成开发环境 LambdaIDE、交叉编译器LambdaGCC、 交叉调试器LambdaGDB 10 实验系统的内容 配套19个实验，具体是： 嵌入式交叉开发环境建立实验：1个 实时内核实验：10个 嵌入式TCP/IP实验：5个 嵌入式文件系统实验：3个 11 教 材 嵌入式实时操作系统及应用开发，罗蕾 主编，北京航空航天大学出版社. 光盘：实验系统及实验指导书 12 参考资料 Jean J.Labrosse. 嵌入式实时操作系统uC/OSII(第2版). 北京航空航天大学出版社. 嵌入式计算系统设计原理 （美）Wayne Wolf Computers as Components：Principles of Embedded Computing System Design C.M.Krishna, Kang G.Shin. REAL-TIME SYSTEMS. Tsinghua University Press, McGraw-Hill. A Survey of Real-time Operating Systems. WHAT MAKES A GOOD RTOS
参考资料 a Real-time Embedded Software Systems JOSEK/VDX Operating System Version 2.2.2. July sth, 2004. 第一章 d Charting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Computing. 嵌入式系统导论 d Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization OCLDCSpecification1. Ohttp://www.arm.com 主要内容 口嵌入式系统概述 口嵌入式系统的应用领域 口嵌入式系统的实时性与可靠性(*) 第一节 口嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统概述 无贴不雄的入成罪 人武重的意显 夜入式墓绝仍点 丧入成渠锁的分與 计算机发展的三大阶段 计算的发展过程 口第一阶段:始于五十年代的由IBM, 普计算 Burroughs, Honeywell等公司率先研制 的大型机 人叶算 普适计其越 口第二阶段:始于七十年代的个人计算机 介布式升算 分时系能 基于开系就的客 佩服身 口第三阶段计算机正迈入下一个克滿机 单用户系筑 遢的阶段一“后PC时代”或“无处不在的 小型机 ■计算机“阶段 大型机 计算的自向性
3 13 参考资料 Real-time Embedded Software Systems OSEK/VDX Operating System. Version 2.2.2. July 5th, 2004. Charting Past, Present, Future Research in Ubiquitous Computing. Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization CLDCSpecification1.1 http://www.arm.com 14 第一章 嵌入式系统导论 15 主要内容 嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统的实时性与可靠性（*） 嵌入式系统的发展趋势 16 第一节 嵌入式系统概述 无处不在的嵌入式系统 嵌入式系统的定义 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的分类 17 计算机发展的三大阶段 第一阶段: 始于五十年代的由IBM, Burroughs, Honeywell等公司率先研制 的大型机. 第二阶段: 始于七十年代的个人计算机. 第三阶段:计算机正迈入下一个充满机 遇的阶段—“后PC时代”或“无处不在的 计算机“阶段。 18 计算的发展过程 分时系统 批处理系统 单用户系统 分布式计算 基于网络的 个人计算 协同计算 普适计算 大型机 小型机 微型机 基于开放系统的客 户/服务器 普适计算终端 资源使用的灵活性 计算的自由性
无处不在的计算机 无处不在的计算机 施乐公司 Palo a1to研究中心主任Mrk 全世界的计算机科学家正在形成一种共 “从长远来看,PC机和计算机工作站将衰 计算机不会成为科幻电影中的那种贪樊 落,因为计算机变得无处不在:例如在 的怪物,而是将变得小巧玲珑,无处不 墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写 在.他们藏身在任何地方,又消失在所 纸一样)等等,随用随取、伸手可及” ■有地方,功能强大,确有无影无踪.人 们将这种思想命名为:“无所不在的计算 嵌入式系统无处不在嘤 即使远在火星 火星与地难,这一对在星空中 对6万年才有一次 島大 年来“最帝的 月27目这一天,火 一从6月开蛐,先后 距高地最适达到5575662265 千多万)公里 、英国“勇气号 火显氰测器飞往火 向”的火星派测包 来开始了久 彼此互连 身气号 土星探测 目发射以泉, 行人亮有史以亲对土及 其31顺巴加卫星录评尽的 “哥伧比亚”号,整个系的越飞堂
4 19 无处不在的计算机 施乐公司Palo Alto研究中心主任Mark Weiser认为： “从长远来看，PC机和计算机工作站将衰 落，因为计算机变得无处不在：例如在 墙里、在手腕上、在手写电脑中(象手写 纸一样)等等，随用随取、伸手可及”。 20 无处不在的计算机 全世界的计算机科学家正在形成一种共 识: 计算机不会成为科幻电影中的那种贪婪 的怪物, 而是将变得小巧玲珑, 无处不 在. 他们藏身在任何地方, 又消失在所 有地方, 功能强大, 确有无影无踪. 人 们将这种思想命名为: “无所不在的计算 机”. 21 嵌入式系统无处不在 彼此互连 22 即使远在火星 面对6万年才有一次 的机会，科学家们 积极行动起来—— —从6月开始，先后 有欧洲的“火星快 车”、美国“勇气号” 和“机遇号”等三颗 火星探测器飞往火 星，而日本一颗本 已在太空“迷失方 向”的火星探测器也 在关键时刻及时 “醒”来，开始了久 违的火星之旅。 火星与地球，这一对在星空中 遥遥相望的“兄弟”，将迎来6 万年来“最亲密的接触”，在 2003年8月27日这一天，火星 距离地球最近达到55756622(5 千多万)公里。 勇气号 23 自1997年10月15日发射以来， 经历了7年35亿公里航程的卡 西尼号太空船将在2004年7月1 日10时30分进入土星轨道，开 始进行人类有史以来对土星及 其31颗已知卫星最详尽的探 测。 土星探测 24 “哥伦比亚”号，整个系统的起飞重 量达2000吨，高56米
小”号标准神水量为60100吨,满 AB电于干机各4架,(S38反滑机,綠直升枫,2B8-3A.3 Smart dust Multifunctional Mote arab1· Computing httpNrobotics.eecs.berkeley.edu/-pisterlsmartdust/ 通用计算机看的见的计算机 嵌入或设备无处不在 如:PC机、服务器、大型计算机等 但集面系筑还然有用 ·无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超 硬件 t100:1的阶段 主机 ·元处不在的计算机包插道用计算机和嵌入式计算机系 在100:1比例中95%以上都是入式计算机系筑,并非
5 25 “小鹰”号标准排水量为60100吨，满载排水量达81123吨，舰长323.6 米，舰宽39.6米，吃水11.4米，是世界上最大的常规动力航空母 舰。舰员2930名，其中军官155名；航空人员2480名，其中军官320 名。飞机：F-14D战斗机20架，F/A-18战斗机36架，E-2C预警机和 EA-6B电子干扰机各4架，6架S-3B反潜机，6架直升机，2架ES-3A。 26 27 Smart Dust http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/ 28 Wearable Computing 29 嵌入式设备无处不在， 但桌面系统还依然有用 z 无处不在的计算机是计算机与使用者的比率达到和超 过100:1的阶段 z 无处不在的计算机包括通用计算机和嵌入式计算机系 统 z 在100:1比例中95%以上都是嵌入式计算机系统，并非 通用计算机 30 通用计算机-看的见的计算机 z 如：PC机、服务器、大型计算机等
通用计算机-看的见的计算机 嵌入式系统定义 不见 机,一般不能 些专用的ⅣO设备,对用户 了提已是歪用将有 软件 JAn embedded system is a computer system with the intent purpose of providin monitoring and control services to that device. 按 口“ Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not 病制。 tended to be a general-purpose computer. 口通常将嵌入式计算机系统筒称为嵌入式系轨 嵌入式系纯定义 嵌入式系统定义外 DIEEE: "Device used to control 口嵌入式系统是将先进的计算机技术、半 monitor, or assist the operation of 导体技术和电子技术与各个行业的具体 equipment, machinery or plants 应用相结合后的产物 口嵌入式系纯是以应用为中心、以计算机 技术为基础、软件硬件可载剪、适应应 包含有计算机,但又不是通用计算机的 用系统对功能、可靠性、成本、体积 计算机应用系统 功耗严格要求的专用计算机系统 通用计算机与嵌入式系统对比 嵌入式系纯的组成 還周计 悦入系能 嵌入式系统一般由嵌入 形式和类型 得见的计算机 体系结构、运算速度和结 入式和世 机版分为太,中 口硬件以傲处理器为核心 入式作系 用处理器、标准总线和外而向应用的嵌入式微处理 软件和硬件相对独立 软件包括:初始化代码[ 及驱动、嵌入式操作系 开发方式开发平台和运行平台都是通用采用交叉开发方式。开 统和应用程序 机,运行平台是嵌 起,形成系统特定的一 二次开发性应用程序可重新编制 一般不能再编程
6 31 通用计算机-看的见的计算机 32 嵌入式系统定义 看不见的计算机，一般不能被用户编程, 它有 一些专用的I/O设备, 对用户的接口是应用专用 的。 An embedded system is a computer system contained within some larger device or product with the intent purpose of providing monitoring and control services to that device. “Any sort of device which includes a programmable computer but itself is not intended to be a general-purpose computer.” 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。 33 嵌入式系统定义 IEEE: “Device used to control， monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”. 嵌入式系统是以应用为中心、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. 34 嵌入式系统定义 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与各个行业的具体 应用相结合后的产物. 包含有计算机，但又不是通用计算机的 计算机应用系统。 35 通用计算机与嵌入式系统对比 二次开发性 应用程序可重新编制 一般不能再编程 采用交叉开发方式，开发 平台一般是通用计算 机，运行 平台是嵌入式 系统。 开发平台和运行平台都是通用 计算机 开发方式 面向应用的嵌入式微处理 器，总线和外部接口多 集成在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成在 一起的。 通用处理器、标准总线和外 设。 软件和硬件相对独立。 组成 看不见的计算机。 形式多样，应用领域广泛 ，按应用来分。 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和结 构规模等因素分为大、中、 小型机和微机。 形式和类型 特征 通用计算机 嵌入式系统 36 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由嵌入 式硬件和软件组成 硬件以微处理器为核心 集成存储器和系统专用 的输入/输出设备 软件包括：初始化代码 及驱动、嵌入式操作系 统和应用程序等，这些 软件有机地结合在一 起，形成系统特定的一 体化软件
嵌入式系统的发展历程嘤 嵌入式系统的出现和兴起 题口嵌入式系统的出现和兴起(19601970) 口出现:20世纪60年代以晶体管、磁芯存 口嵌入式系统开始走向業荣,软件和硬件 储为基础的计算机开始用于航空等军用 日完善(1971-1989) 领城。 ■口入式系统应用走向纵(9)现 赛司舟类章浑類装鼓萍机长李 制的多功能数字分析暮 Verdan) 时拳入态某想开线克用子亚装解 个直接数字控制DDO 嵌入式系统的出现和兴起 嵌入式系统开始走向繁荣 兴超:在1965~1970年,当时计算机已 开始釆用集成 口嵌入式系统大发展是在微处理问世之 航空航天领城、工 求推动下 41973年至1977年同各厂家推出了许多8位的 今第一次使用机载微字计算机控制的是196 微处理暮,包括 Intel8080 Motorola 6800/6802, Zilog的Z80和 Rockwell I的 性是1 次通过容错来提高 8年的阿波罗4号、土羞5号 ◆1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDPl 微处理春不单用来组成傲型计算机,而且用 系列,成为工业生产集中控制的主力军 制造仪仪表、医疗设备、机馨人、家用 暮等嵌入式系统 的入支款城计差 今在军用领城中,为了可拿和消足体积 令仅80880微处理器的销售就超过7亿片其 中大部分是用于嵌入式工业控制应用 嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系统开始走向繁荣 做处理瀑的广泛应用形成了一个广的嵌入式应用 1976年nte推出 Multibus,1983年扩展为带 宽达40MBS的 Multibus IⅡ 计算机系统外 用户根据自己的 41978年 Prolog设计简单的STD总线广泛用于 构成专用的工业控创微型计算机,嵌入到自己的系 小型嵌入式系鸵 统设备中 今1981年 Motorola推出的 ME Bus则与 为了灵活兼 了标准化、模块化的单板机系 MultibusⅡ瓜分高 列。沈行的单板计算机有lntl公司的iSBC乐列、 Zlg公司的MCB等 目前在工业控制领城,嵌入式PC、PC104、 CPCI Compact PCI 已广泛应用到 由于兼塞的要求,这就导歌了工业控制微机系轨总 工业控制领域
7 37 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的出现和兴起（1960-1970） 嵌入式系统开始走向繁荣，软件和硬件 日臻完善（1971-1989） 嵌入式系统应用走向纵深（1990年-现 在） 38 嵌入式系统的出现和兴起 出现：20世纪60年代以晶体管、磁芯存 储为基础的计算机开始用于航空等军用 领域。 第一台机载专用数字计算机是奥托内蒂克斯 公司为美国海军舰载轰炸机“民团团员”号研 制的多功能数字分析器(Verdan)。 同时嵌入式计算机开始应用于工业控制。 1962年一个美国乙烯厂实现了工业装置中的 第一个直接数字控制(DDC)。 39 嵌入式系统的出现和兴起 兴起：在1965～1970年，当时计算机已 开始采用集成电路，即第三代计算机。 在军事、航空航天领域、工业控制的需 求推动下。 第一次使用机载数字计算机控制的是1965年 发射的Gemini3号，第一次通过容错来提高 可靠性是1968年的阿波罗4号、土星5号。 1963年DEC公司推出PDP8并发展成PDP11 系列，成为工业生产集中控制的主力军。 在军用领域中，为了可靠和满足体积、重量 的严格要求，还需为各个武器系统设计五花 八门的专用的嵌入式计算机系统。 40 嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系统大发展是在微处理器问世之 后 1973年至1977年间各厂家推出了许多8位的 微处理器，包括Intel 8080/8085，Motorola 的 6800/6802 ， Zilog 的 Z80 和 Rockwell 的 6502。 微处理器不单用来组成微型计算机，而且用 来制造仪器仪表、医疗设备、机器人、家用 电器等嵌入式系统。 仅8085/Z80微处理器的销售就超过7亿片,其 中大部分是用于嵌入式工业控制应用。 41 嵌入式系统开始走向繁荣 微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用 市场，计算机厂家除了要继续以整机方式向用户提 供工业控制计算机系统外，开始大量地以插件方式 向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要 构成专用的工业控制微型计算机，嵌入到自己的系 统设备中。 为了灵活兼容，形成了标准化、模块化的单板机系 列。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、 Zilog公司的MCB等。 由于兼容的要求，这就导致了工业控制微机系统总 线的诞生。 42 嵌入式系统开始走向繁荣 1976年Intel推出Multibus，1983年扩展为带 宽达40MB/S的MultibusⅡ。 1978年Prolog设计简单的STD总线广泛用于 小型嵌入式系统。 1981 年 Motorola 推出的 VME_Bus 则 与 MultibusⅡ瓜分高端市场。 目前在工业控制领域，嵌入式PC、PC104、 CPCI（Compact PCI）总线已广泛应用到 工业控制领域
嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系统开始走向繁荣 口软件技术龄进步使嵌入式系统日染完善 口单片机、DSP出现 今随着微电子工艺水平的提高 高测录串死贺正合收件购时 造育开始把碳入式应用 IO接口、AD、D 及RAM、ROM通通集成至 造出面向IO设计的做控制器 的单片机 类卖存系药支开 门用于高速实时信号处塑的微字信号处塑 初开始出现了一批软件公司,推出离品化的 入式实时操作系统和各种开发工具 嵌入式系统开始走向繁荣 嵌入式系纯应用走向纵深 Ready System(后来的 Microtec Research、后来又 被 Mentor Graphic收购)公司VRIx操作系轨及 口进入20世纪90年代,在分布控制、柔性制造、数字 Xray, Spectra工 化通信和数字化家电等巨大醫求的引下,嵌入 式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用 tegrated Syst WindRiver公司合并)pOS操作系统及pRSM工具 领城进一步扩大 Windriver公司 VxWorks操作系纯及 Torned工具 ■◆手机、敷码相机、VCD、数字电视、路由暴、交换机 等都是嵌入式系轨 QNX公司:QNX操作系纯及工具 令大多数豪华新车每。有約50个谈入式傲处差兽 商用敬入式实时操作系统和开发工具的出现和 最新的波音77宽休客机上約有1000个散处器。 推广应用,使谈入式系统的开发从作式向分 今在不久的将来你含在你的家垦发夷几十到上百的嵌入 统在为你服务 展到更广阔的领域 嵌入式系统应用走向纵深 嵌入式系统应用走向纵深 口嵌入式系统的硬件 在工业控制领域,嵌入式PC大量应用于嵌 芯片已逐步让位 入式系统中, 于32位嵌 今PC104、CPCI( Compact PCI)总线因其成 今面向不同应用领城的( Applicati 本低、兼容性化也已被广泛应用。 功能蠱大、集成度 大量应 口嵌入式系统的软件 随着微处理春性能的 嵌入式软件的规 今DSP向高速、高精度、低功耗发展 与通用嵌入式傲处理暮集成(SoC) 煮夷粪池着暴大量应用子做入式系统,如
8 43 嵌入式系统开始走向繁荣 单片机、DSP出现 随着微电子工艺水平的提高, 集成电路设计 制造商开始把嵌入式应用所需要的微处理 器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以 及RAM、ROM通通集成到一个VLSI中, 制 造出面向I/O设计的微控制器，就是我们俗 称的单片机。 专门用于高速实时信号处理的数字信号处理 器DSP。 44 嵌入式系统开始走向繁荣 软件技术的进步使嵌入式系统日臻完善 在微处理器出现的初期，为了保障嵌入式软件的时 间、空间效率，软件只能用汇编语言编写。 由于微电子技术的进步，对软件的时空效率的要求 不再那么苛刻了，嵌入式计算机的软件开始使用 PL/M、C等高级语言。 对于复杂的嵌入式系统来说除了需要高级语言开发 工具外，还需要嵌入式实时操作系统的支持。 80年代初开始出现了一批软件公司，推出商品化的 嵌入式实时操作系统和各种开发工具。 45 嵌入式系统开始走向繁荣 Ready System(后来的Microtec Research、后来又 被Mentor Graphic收购)公司:VRTX操作系统及 Xray, Spectra工具 Integrated System Incorporation(ISI ，后被 WindRiver公司合并):pSOS操作系统及pRISM工具 WindRiver公司:VxWorks操作系统及Tornado工具 QNX公司:QNX操作系统及工具 商用嵌入式实时操作系统和开发工具的出现和 推广应用，使嵌入式系统的开发从作坊式向分 工协作规模化的方向发展，促使嵌入式应用扩 展到更广阔的领域。 46 嵌入式系统应用走向纵深 进入20世纪90年代, 在分布控制、柔性制造、数字 化通信和数字化家电等巨大需求的牵引下，嵌入 式系统的硬件、软件技术进一步加速发展、应用 领域进一步扩大。 手机、数码相机、VCD、数字电视、路由器、交换机 等都是嵌入式系统。 大多数豪华轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。 最新的波音777宽体客机上约有1000个微处理器。 在不久的将来你会在你的家里发现几十到上百的嵌入 系统在为你服务。 47 嵌入式系统应用走向纵深 嵌入式系统的硬件 4位、8位、十六位微处理器芯片已逐步让位 于32位嵌入式微处理器芯片。 面向不同应用领域的（ApplicationSpecific）、功能强大、集成度高、种类繁 多、价格低廉、低功耗的32位芯片已大量应 用于各种各样的军用和民用设备。 DSP向高速、高精度、低功耗发展。 DSP与通用嵌入式微处理器集成（SoC）已成 为现实，并已大量应用于嵌入式系统，如手 机、IP电话等。 48 嵌入式系统应用走向纵深 在工业控制领域，嵌入式PC大量应用于嵌 入式系统中。 PC104、CPCI（Compact PCI）总线因其成 本低、兼容性化也已被广泛应用。 嵌入式系统的软件 随着微处理器性能的提高，嵌入式软件的规 模也随着发生指数型增长
嵌入式系统应用走向纵深 嵌入式系统应用走向纵深 今为此,豪入式系轨已大量采用嵌入式操作系轨 低价位的Rsc|32位 嵌入式操作系筑功能不新的扩大和丰富,由80年代 的关健因 只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形装 口、最入式AVA、嵌入式 CORBA及分布式 中富功能的集合 此外,嵌入式开发工具更加丰富,其集成度和易用 产品推向市场的 日益复杂的 性不新提 不同厂离已开发出不同类型的嵌 入式开发工具,可以夏盖嵌入式敦件开发过程各个 豪入式软件开发效率 开发成本的晶高 嵌入式系统的特点嘤 形式多样、面向特定应用 口嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应 一散用于特定的任务,其硬件和软件都必须 口嵌入式系统得到多种类型的处理春和处理 率地设计,量体载衣、去除冗余,而遁 器体系结构的支持 用计算机则是一个通用的计算平合 口嵌入式系统通常极其关注成本 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等 特点,能够把通用微处理器中许多由板卡宪 口嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 成的任务集成在芯片内部 口嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多 种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、 嵌入式软件是应用程序和操作系轨两种软件 的一体化程序 可固化的嵌入式操作系统 口嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 处理器和处理器体系结构类型多 用昔量要 少教的处理器类型和体系结 握在少数大公司手里 心嵌入式系轨可果用多种类型的处理暴和处理 墨体系结 ◆在嵌入式傲处理器产业链上,IP设计、面向 Hata Natas et 已相成巨大的 大郑分工 中的嵌入式微处理器和几十种嵌入式 暮体系结构可以选择 微处理器的演变
9 49 嵌入式系统应用走向纵深 低价位的 RISC / 32-位 微处理器 日益复杂的 应用 产品推向市场的 时间压力 开发成本的提高 嵌入式 软件 危机 嵌入式 软件 危机 •32位芯片将能够执行 由上百万行C代码构 成的复杂程序，使得 嵌入式应用具备高度 复杂和智能化的功能 •软件的实现从某种意 义上说决定了产品的 功能，已成为新产品 成功与否的关键因 素。 50 嵌入式系统应用走向纵深 为此，嵌入式系统已大量采用嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统功能不断的扩大和丰富，由80年代 只有内核、发展为包括内核、网络、文件、图形接 口、嵌入式JAVA、嵌入式CORBA及分布式处理等 丰富功能的集合。 此外，嵌入式开发工具更加丰富，其集成度和易用 性不断提高，目前不同厂商已开发出不同类型的嵌 入式开发工具，可以覆盖嵌入式软件开发过程各个 阶段，提高嵌入式软件开发效率。 51 嵌入式系统的特点 嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应 用的 嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理 器体系结构的支持 嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多 种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、 可固化的嵌入式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 52 形式多样、面向特定应用 一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须 高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通 用计算机则是一个通用的计算平台。 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等 特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完 成的任务集成在芯片内部。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件 的一体化程序。 53 处理器和处理器体系结构类型多 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结 构，而且主要掌握在少数大公司手里。 嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理 器体系结构。 在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向 应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的 制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形 成多赢模式。 有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式 微处理器体系结构可以选择。 54 1980 1990 1996 1998 68000 Z80 8086 80x86 CPU32 680x0 i960 MIPS SPARC ColdFIRE Alpha SH 1/2/3 ARM SPARC i960 MIPS Pentium 80x86 PowerPC CPU32 680x0 100 - 500 Kips 2 µ 10 mHz 1 - 2 Mips 1.0 µ 25 mHz 10 - 25 Mips .5 - .8 µ 50 - 100 mHz 10 - 200 Mips .2 - .5 µ 100 - 300 mHz SH 4/5 SH-DSP SH 1/2/3 ARM SPARC i960 MIPS Pentium 80x86 PowerPC CPU32 680x0 SA1500 MAP1000 AltiVEC Merced MCORE SHARC 563xx Lucent 16000 C6x SI 20 TriCore 微处理器的演变
关注成本 实时性和可靠性的要求 通常要注意的成本是系统成 今一方面大多微实时系统是嵌入式系统 是量大的消费类数字化产品,其咸 竟争的关健因素之一。 方面嵌入式系统多景有实时性的要求 嵌入式的系统成本包括: 快速启动的功能,并对实时的疆度 一次性的开发成本N n-Recurring 求各不一样,可分为硬实时和软实时 今嵌入式系统一散要求具有出错处理和自动复 产品咸本硬件BOM、外亮包装和软件版犹等 位功能,特别是对 在极端环境下运行 量产晶的总休成本=NRE成本+每个产品成本 的嵌入式系统面言 拿性设计 产品总昼后路本二最货本广 能知变热衙定时款银掉的 护和重启动机制。 适应多种处理器、可剪裁、轻量型 口美国 Wind River公司最新推出,真正同时实亮了不厕 实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 断故障恢复”,“故障隔高和清除”,“动态岸加做 等关健性转性,为干线级讯设备,不同断核心控制 牌数入卖看养混也楚条要带 式微处理暴一 Foundation HA高可用使说使实时多任务内模以及 能提供了安 天数寶数冷操作系可同时支不同种炎的 传抗的RTOS内核具有效率高,响应速度快,结构筒 单等优点,但是不能同时满足“电信级系轨所要求的 多种高可用性要求。原来为高救率设计的内被特性 金落禁点“数小,原发有减数口走址过公理小 快类餐可念苦时肉接茶度算法一最杀用基于 HA结构。他充分继 VxWorks5.x快速内核的实时性和高救性,与 职 些操作系统还提供了HA( High Available) VxWorks5x瀑码级兼暮,可以充分保护用户投资 今入式操作杀鸵能与应用轼件一样圆化运行 VxWorks ae/Foundation hA 开发需要专门工具和特殊方法 开发需要专门工具和特殊方法 今多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并 令由于嵌入式系轨资瀑有限,一散不具备自主 行设计和开发,其开发过程一般分为几个阶 开发能力,产品发布后用户通常也不能对其 中的软件进行修改,必须有一套专门的开发 品定义 环境 软件与硬件设计与实现 今该开发环境包括 发工具(包括设 软件与硬件集成 江工具),采用交叉 产品测试与发布 发的方式进行 开发环境如图所示 维护与升级
10 55 关注成本 嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成 本，特别是量大的消费类数字化产品，其成 本是产品竞争的关键因素之一。 嵌入式的系统成本包括: 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本* 产品总量 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE 成本/产品总量+每个产品成本 56 实时性和可靠性的要求 一方面大多数实时系统都是嵌入式系统 另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求， 软件一般是固化运行或直接加载到内存中运 行，具有快速启动的功能。并对实时的强度 要求各不一样，可分为硬实时和软实时。 嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复 位功能，特别是对于一些在极端环境下运行 的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重 要。 在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一 些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的 内存保护和重启动机制。 57 适应多种处理器、可剪裁、轻量型、 实时可靠、可固化的嵌入式操作系统 由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一 样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。 大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的 嵌入式微处理器。 可根据应用的情况进行剪裁、配置。 嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规 模在几十KB。 一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于 优先级的可抢占的调度算法。 目前一些操作系统还提供了HA（High Available） 机制。 嵌入式操作系统能与应用软件一样固化运行。 58 美国Wind River公司最新推出，真正同时实现了“不间 断故障恢复”，“故障隔离和清除”，“动态库加/卸载” 等关键性特性。为干线级通讯设备，不间断核心控制 系统提供了安全高效的嵌入式实时多任务内核以及 Foundation HA高可用性设备管理/恢复组件。 传统的RTOS内核具有效率高，响应速度快，结构简 单等优点，但是不能同时满足“电信级”系统所要求的 多种高可用性要求。原来为高效率设计的内核特性， 在关键性系统中则可能成为致命的因素。 为开发者提供了建造高可用性关键系统所必需的内核 保护、隔离和故障恢复机制。与硬件结合，使用户第 一次能在RTOS上实现HA结构。他充分继承并发挥了 VxWorks 5.x快速内核的实时性和高效性，与 VxWorks 5.x源码级兼容，可以充分保护用户投资。 VxWorks VxWorks AE/Foundation HA 59 开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并 行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶 段： • 产品定义 • 软件与硬件设计与实现 • 软件与硬件集成 • 产品测试与发布 • 维护与升级 60 开发需要专门工具和特殊方法 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主 开发能力，产品发布后用户通常也不能对其 中的软件进行修改，必须有一套专门的开发 环境。 该开发环境包括专门的开发工具（包括设 计、编译、调试、测试等工具），采用交叉 开发的方式进行，交叉开发环境如图所示