嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

東莞理工學(xué)院城市學(xué)院

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

編寫人：李建輝

審核人：劉林泉、李建輝

教研室主任：龍?jiān)事?/p>

系主任：廉玉忠

城市學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系

二O一五年三月

第一章嵌入式系統(tǒng)

1.1嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器、微處理器、

存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求

實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控

制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

(1)對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而

使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

(2)具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為

了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利

于軟件診斷。

(3)可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處

理器。

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備

中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至NW級。

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)：

(1)嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU

大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，

能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于

小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。

(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用

相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新

的知識(shí)集成系統(tǒng)。

(3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣

的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力

(4)嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)

行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。

(5)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或

單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。

(6)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對其中

的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。

1.2嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式

處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占

有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，350共多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有

近100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理

器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB至IJ16MB,處理速度從0.1MIPS到2000

MIPS,常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類.

(1)嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)

的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。

為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣

的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相

比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須

包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較

差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如

STD-BUS,PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大

小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400,Power

PC、68000、MIPS、ARM系列等。

(2)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌

入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總

線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、

EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種

衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。

這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗

和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資

源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、

MCS-25KMCS-96/196/296,C166/167,MC68HC05/11/12/16,68300等。另外還有許多半通

用系列如:支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多

專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別值得注意的是近年

來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Aml86CC/CU/CU等嵌入式處理器稱之為

Microcontroller,MOTOROLA公司把以PowerPC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單

片機(jī)行列。TI公司亦將其TMS320c2XXX系列DSP做為MCU進(jìn)行推廣。

(3)嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)

隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)

一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是SystemOnChip(SOC)?各種通用處理器內(nèi)核將

作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)

的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲(chǔ)在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，

仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整

個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于

減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore,Motorola的

M-Core,某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一

般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart

XA,它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形

成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC,可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

1.3嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、

功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特

點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬

件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。

1.3.1嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展

作為嵌入式系統(tǒng)（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分的嵌入式操作系統(tǒng)，通常包

括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏

覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)

資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠

提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在

系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的

特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)伴隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)比較明顯的階段：

第一階段：無操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，

具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通

過匯編語言編程對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一，

處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小，幾乎沒有用戶接口。

第二階段：以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。CPU種類繁多，

通用性比較差；系統(tǒng)開銷小，效率高；一般配備系統(tǒng)仿真器，操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和

擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)，用戶界面不夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程

序運(yùn)行。

第三階段：通用的嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。

能運(yùn)行于各種類型的微處理器上，兼容性好；內(nèi)核精小、效率高，具有高度的模塊化和擴(kuò)展

性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；

具有大量的應(yīng)用程序接口（API）；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。

第四階段：以基于Intemet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Inlemet之外，但隨著Intemet的發(fā)展以及Intemet技術(shù)與信息

家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Intemet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的

真正未來。

1.3.2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐

大的應(yīng)用中顯得愈來愈重要。

（1）,嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。在控制系統(tǒng)中，出于安全方面的考慮，

要求系統(tǒng)起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的可靠性

和抗干擾性，而且也應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)方面提高系統(tǒng)的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可

靠的隱患。長期以來的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，使得運(yùn)行的程序產(chǎn)生異常、出

錯(cuò)、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。

而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過系

統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對其進(jìn)行修復(fù)。通常情況下，這個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程用來監(jiān)視各進(jìn)程運(yùn)行

狀況，遇到異常情況時(shí)采取一些利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的措施，如把有問題的任務(wù)清除掉。

（2）.提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個(gè)復(fù)雜

的應(yīng)用程序，通常可以按照軟件工程中的解耦原則將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任

務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。商業(yè)軟件一般都提供了良好的多任務(wù)調(diào)試環(huán)境。

(3).嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)潛力。32位CPU比8、16位CPU

快，另外它本來是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

32位CPU采用利于提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，使其更容易做到不崩潰。例如，CPU運(yùn)

行狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)。將系統(tǒng)堆棧和用戶堆棧分開，以及實(shí)時(shí)地給出CPU的運(yùn)行狀態(tài)

等，允許用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從硬件和軟件兩方面對實(shí)時(shí)內(nèi)核的運(yùn)行實(shí)施保護(hù)。如果還是采用

以前的前后臺(tái)方式，則無法發(fā)揮32位CPU的優(yōu)勢。從某種意義上說，沒有操作系統(tǒng)的計(jì)算

機(jī)(裸機(jī))是沒有用的。在嵌入式應(yīng)用中，只有把CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌

入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。

1.3.3嵌入式操作系統(tǒng)選型

當(dāng)我們在設(shè)計(jì)信息電器、數(shù)字醫(yī)療設(shè)備等嵌入式產(chǎn)品時(shí)，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇至關(guān)重

要。一般而言，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，可以遵循以下原則?？偟膩碚f，就是“做加法還

是做減法”的問題.

市場進(jìn)入時(shí)間制定產(chǎn)品時(shí)間表與選擇操作系統(tǒng)有關(guān)系，實(shí)際產(chǎn)品和一般演示是不同的。

目前是Windows程序員可能是人力資源最豐富的。現(xiàn)成資源最多的也就可能是WinCE。

使用WinCE能夠很快進(jìn)入市場。因?yàn)閃inCE+X86做產(chǎn)品實(shí)際上是在做減法，去掉你不的功

能，能很快出產(chǎn)品，但伴隨的可能是成本高，核心競爭力差。而某些高效的操作系統(tǒng)可能由

于編程人員缺乏，或由于這方面的技術(shù)積累不夠，影響開發(fā)進(jìn)度。

可移植性操作系統(tǒng)相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)時(shí)，可移植性是要重點(diǎn)考慮的問題。良好

的軟件移植性應(yīng)該比較好，可以在不同平臺(tái)、不同系統(tǒng)上運(yùn)行，跟操作系統(tǒng)無關(guān)。軟件的通

用性和軟件的性能通常是矛盾的。即通用以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為代價(jià)。很難設(shè)

想開發(fā)一個(gè)嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環(huán)境下應(yīng)用。

反過來說，當(dāng)產(chǎn)品與平臺(tái)和操作系統(tǒng)緊密結(jié)合時(shí)，往往你的產(chǎn)品的特色就蘊(yùn)含其中。

可利用資源產(chǎn)品開發(fā)不同于學(xué)術(shù)課題研究，它是以快速、低成本、高質(zhì)量的推出適合用戶需

求的產(chǎn)品為目的的。集中精力研發(fā)出產(chǎn)品的特色，其他功能盡量由操作系統(tǒng)附加或采用第三

方產(chǎn)品，此操作系統(tǒng)的可利用資源對于選型是一個(gè)重要參考條件。因Linux和WinCE都有

大量的資源可以利用，這是他們被看好的重要原因。其他有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由于比較封閉，

開發(fā)時(shí)可以利用的資源比較少，因此多數(shù)功能需要臼己獨(dú)立開發(fā)。從而影響開發(fā)進(jìn)度。近來

的市場需求顯示，越來越多的嵌入式系統(tǒng)，均要求提供全功能的Web瀏覽器。而這要求有一

個(gè)高性能、高可靠的GUI的支持。

系統(tǒng)定制能力信息產(chǎn)品不同于傳統(tǒng)PC的Wintel結(jié)構(gòu)的單純性，用戶的需求是千差萬別

的，硬件平臺(tái)也都不一樣，所以對系統(tǒng)的定制能力提出了要求。要分析產(chǎn)品是否對系統(tǒng)底層

有改動(dòng)的需求，這種改動(dòng)是否伴隨著產(chǎn)品特色,Linux由于其源代碼開放的天生魅力，在定

制能力方面具有優(yōu)勢。隨著WinCE3.0原碼的開放，以及微軟在嵌入式領(lǐng)域力度的加強(qiáng)，其

定制能力會(huì)有所提升。成本成本是所有產(chǎn)品不得不考慮的問題。操作系統(tǒng)的選擇會(huì)對成本有

什么影響呢？

Linux免費(fèi)，WinCE等商業(yè)系統(tǒng)需要支付許可證使用費(fèi)，但這都不是問題的答案。成

本是需要綜合權(quán)衡以后進(jìn)行考慮的一一選擇某一系統(tǒng)可能會(huì)對其他一系列的因素產(chǎn)生影響，

如對硬件設(shè)備的選型、人員投入、以及公司管理和與其他合作伙伴的共同開發(fā)之間的溝通等

許多方面的影響。中文內(nèi)核支持國內(nèi)產(chǎn)品需要對中文的支持。由于操作系統(tǒng)多數(shù)是采用西文

方式，是否支持雙字節(jié)編碼方式，是否遵循GBK,GB18030等各種國家標(biāo)準(zhǔn)，是否支持中文

輸入與處理，是否提供第三方中文輸入接口是針對國內(nèi)用戶的嵌入式產(chǎn)品的必需考慮的重要

因素。

上面提到用WinCE+x86出產(chǎn)品是減法，這實(shí)際上就是所謂PC家電化；另外一種做法是

加法，利用家電行業(yè)的硬件解決方案(絕大部分是非x86的)加以改進(jìn)，加上嵌入式操作系

統(tǒng)，再加上應(yīng)用軟件。這是所謂家電PC化的做法，這種加法的優(yōu)勢是成本低，特色突出，

缺點(diǎn)是產(chǎn)品研發(fā)周期長，難度大(需要深入了解硬件和操作系統(tǒng))。如果選擇這種做法，Linux

是一個(gè)好選擇，它讓你能夠深入

到系統(tǒng)底層，如果你愿意并且有能力。

1.3.4幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)比較

(1)VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系

統(tǒng)(RT0S),是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的

內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地。

VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通訊；微秒級的中斷處理;

支持POSIX1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

等。然而其價(jià)格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價(jià)格一般都比較高，通

常需花費(fèi)10萬元人民幣以上才能建起一個(gè)可用的開發(fā)環(huán)境，對每一個(gè)應(yīng)用一般還要另外收

取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的

技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護(hù)，所以軟件的開發(fā)和維護(hù)成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限。

(2)WindowsCE

WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。

其中WinCE3.0是一種針對小容量、移動(dòng)式、智能化、32位、了解設(shè)備的模塊化實(shí)時(shí)嵌人式

操作系統(tǒng)。為建立針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操

作系統(tǒng)平臺(tái)，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對內(nèi)存占用空間具有

一定限制的設(shè)備。它是從整體上為有限資源的平臺(tái)設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操

作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定

制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM。由于嵌入式產(chǎn)品的體積、成本等方面有較

嚴(yán)格的要求，所以處理器部分占用空間應(yīng)盡可能的小。系統(tǒng)的可用內(nèi)存和外存數(shù)量也要受限

制，而嵌入式操作系統(tǒng)就運(yùn)行在有限的內(nèi)存(一般在ROM或快閃存儲(chǔ)器)中，因此就對操

作系統(tǒng)的規(guī)模、效率等提出了較高的要求。從技術(shù)角度上講，WindowsCE作為嵌入式操作

系統(tǒng)有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應(yīng)用開發(fā)人員很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗

方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過的系統(tǒng)內(nèi)存，運(yùn)用程序龐大；版權(quán)許可費(fèi)

也是廠商不得不考慮的因素。

(3)嵌入式Linux

這是嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)新成員，其最大的特點(diǎn)是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在

近一年多以來成為研究熱點(diǎn)，據(jù)IDG預(yù)測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額

的50雙由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用，并且查錯(cuò)也很容易。

遵從GPL,無須為每例應(yīng)用交納許可證費(fèi)。有大量的應(yīng)用軟件可用。其中大部分都遵從GPL,

是開放源代碼和免費(fèi)的?？梢陨约有薷暮髴?yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有大量的免費(fèi)的優(yōu)秀的開

發(fā)工具，且都遵從GPL,是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體。無需專門的人才，只要

懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的

開發(fā)和維護(hù)成本很低。優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，這在Internet時(shí)代尤其重要。

穩(wěn)定一一這是Linux本身具備的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)核精悍，運(yùn)行所需資源少，十分適合

嵌入式應(yīng)用。支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的

硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自

己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來很大方便。在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行Linux的一個(gè)缺點(diǎn)是Linux體系

提供實(shí)時(shí)性能需要添加實(shí)時(shí)軟件模塊。而這些模塊運(yùn)行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度策

略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實(shí)時(shí)軟件模塊是在內(nèi)核空間運(yùn)行的，因此代

碼錯(cuò)誤可能會(huì)破壞操作系統(tǒng)從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，這對于實(shí)時(shí)應(yīng)用將是一個(gè)非常嚴(yán)重

的弱點(diǎn)。

(4)uC/OS—II

PC/OS一II是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位,

16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。它是在原版本uC/OS的基礎(chǔ)上做了重大改

進(jìn)與升級，并有了近十年的使用實(shí)踐，有許多成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例。它的主要特點(diǎn)如

下：

①公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個(gè)不同的硬件平臺(tái)上。

②.可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上。

③可固化。

④可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少斗所需的存儲(chǔ)空間。

⑤占先式，完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。

⑥多任務(wù)，可管理64個(gè)任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。

⑦可確定性，函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有其可確定性，不依賴于任務(wù)的多少。

⑧實(shí)用性和可靠性，成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例，是其實(shí)用性和可靠性的最好證據(jù)。由于

uc/os-n僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，這就意味著它不像其他實(shí)時(shí)存在系統(tǒng)那樣提供給用戶的只

是一些API函數(shù)接口，還有很多工作需要用戶自己去完成。在嵌入式應(yīng)用中，使用實(shí)時(shí)操

作系統(tǒng)(RTOS)是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的一個(gè)特點(diǎn)，一種趨勢，也是單片機(jī)應(yīng)用從低水平向高水

平的一個(gè)進(jìn)步。在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)不同的要求和條件選擇合適的操作系統(tǒng)，使開發(fā)工作

更容易，設(shè)計(jì)出更完美的嵌入式系統(tǒng)。

第二章MDK開發(fā)環(huán)境的使用

2.1MDK開發(fā)環(huán)境介紹

Keil是業(yè)界最受歡迎的51單片機(jī)開發(fā)工具之一，它擁有流暢的用戶界面與強(qiáng)大的仿

真功能。RealViewMDKRealViewMicrocontro11erDevelopmentKit（簡稱為或者M(jìn)DK）。

將ARM開發(fā)工具RealViewDevelopmentSuite（簡稱為RVDS）的編譯器RVCT與Keil的工程

管理、調(diào)試仿真工具集成在一起，成為新的開發(fā)環(huán)境。RealViewMDK開發(fā)工具源自德國Keil公

司，被全球超過10萬的嵌入式開發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是ARM公司目前最新推出的針對各種

嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。RealViewMDK包括uVision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯

器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex713核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模

塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能。與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView

編譯器的最新版本可將性能改善超過20%。

2.1.1MDK的特點(diǎn)

MDK用于開發(fā)ARM7、ARM9和Cortex-M3的應(yīng)用程序其特點(diǎn)如下：功能強(qiáng)大的源代碼編

輯器；可根據(jù)開發(fā)工具配置的設(shè)備數(shù)據(jù)庫；用于創(chuàng)建和維護(hù)工程的工程管理器；集匯編、

編譯和鏈接過程于一體的編譯工具；用于設(shè)置開發(fā)工具配置的對話框；真正集成高速CPU

及片上外設(shè)模擬器的源碼級調(diào)試器；高級GDI接口，可用于目標(biāo)硬件的軟件調(diào)試和Keil

ULINK仿真器的連接；用于下載應(yīng)用程序到FlashROM中的Flash編程器；完善的開發(fā)工具

手冊、設(shè)備數(shù)據(jù)手冊和用戶向?qū)А?/p>

2.1.2MDK的目錄結(jié)構(gòu)與界面結(jié)構(gòu)

C:\KEIL\ARX\BIN11VlsgARNtX具嚷的可執(zhí)行文忤

C:\KfiL\AAM\INCK"C的電臺(tái)文件及“這的08片雷包臺(tái)X杵

C:\KfIl\ARM\AD5ARMADSMVEZI具般由儲(chǔ)程及.目坳文件

C:\Kfn\AftM\GNUGXV工且硬例評程及型文件

C：\K￡lLURM\FtastlKHVUNK2USBJTAG如yFbsMfi程箕法文忤

C:\Ktll\AftM\HLP舊AR\（工具I1及的在我銷骷義也

C:\Kni\ARM\_\Startw恃定&笛的啟動(dòng)又件

C:\KEIl\ARM\...XFumples普于MGGNUorAD5?-??g

C:\KHl\ARM\\BowdsS?KedC.GXUorADStf］評估收例程

圖2.1界面結(jié)構(gòu)

2.1.3MDK的開發(fā)流程

使用MDK來開發(fā)ARM的程序，需要新建一個(gè)工程，從設(shè)備庫中選擇目標(biāo)芯片，配置工程編

譯器環(huán)境；用C或匯編編寫源文件；編譯目標(biāo)應(yīng)用程序；修改源程序中的錯(cuò)誤；測試鏈接應(yīng)

用程序。

(1)創(chuàng)建工程，利用uVision創(chuàng)建應(yīng)用程序，首先要選擇開發(fā)工具集。選擇Project—>Manage

—>Components,Environmentando

圖2.2配置界面

創(chuàng)建一個(gè)新的工程Project—>NewuVisionProject

1”rrajart

vVittad

圖2.3創(chuàng)建工程

保存工程名稱，例如：GEC2440_LED_ASM.

k/CEC2440LEDASIBiaionJ

Etl?(d>l力bJVCSg?lp

圖2.4保存工程

對啟動(dòng)代碼S3C2440.s進(jìn)行配置雙擊“S3C2440.s”文件，彈出窗口選擇

"ConfigurationWizard"通過圖形化的形式對生成的默認(rèn)啟動(dòng)代碼進(jìn)行個(gè)性化的配置，包

括：堆棧，時(shí)鐘管理，中斷向量表，看門狗時(shí)鐘，存儲(chǔ)器控制，I/O配置等。

圖2.5加載啟動(dòng)代碼

創(chuàng)建源文件File->New輸入源代碼后保存源文件LED.S,同理創(chuàng)建源文件DELAY.S,

點(diǎn)擊源文件組,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇AddFilesto"”添加LED.S和DELAY.S。

CEC2440.LED.ASI?isionJHt2]

RdiQ]fa?v￡^4?j*ct工001vSVCS

CEN

Ctrl+O

Q?ic

QCtrl*S

34輯

入SwM

FVO?

OS2.AU

D?nc?9?t?bts?

License|?ck*c?*?nt

F^intS*<up

2rmt—

PrintPr?Il?v

圖2.6創(chuàng)建、添加源文件

分散加載機(jī)制允許為鏈接器指定映像的存儲(chǔ)器映射信息，可實(shí)現(xiàn)對映像組件分組和布局

的全面控制。分散加載文件使用的場合，復(fù)雜存儲(chǔ)器映射必須放在多個(gè)不同存儲(chǔ)器區(qū)域的代

碼和數(shù)據(jù)需要關(guān)于將哪個(gè)節(jié)放在哪個(gè)存儲(chǔ)器空間的詳細(xì)指令。不同存儲(chǔ)器類型，包含閃存儲(chǔ)

器、ROM、SDRAM和快速SRAM。分散載入描述可以將代碼和數(shù)據(jù)放置在最適合的存儲(chǔ)器類型

中。例如，中斷代碼可能放在快速SRAM中，以改進(jìn)中斷響應(yīng)時(shí)間，而不頻繁使用的配置信

息可能放在較慢的閃速存儲(chǔ)器中。

存儲(chǔ)器映射I/O分散載入描述可以將數(shù)據(jù)節(jié)放在存儲(chǔ)器映射中的精確地址，便于訪問。

位于固定位置的函數(shù)可以將函數(shù)放在存儲(chǔ)器中的同一個(gè)位置，即使周圍的應(yīng)用程序已經(jīng)被修

改并重新編譯。

使用符號(hào)識(shí)別堆和棧可以為堆和棧的位置定義符號(hào)，鏈接應(yīng)用程序時(shí)可以指定該封閉模塊的

位置。

簡單的分散加載文件：

Startaddressfew

loadregton

Maximum沁。of

lo*dregion

Startfoe

execteuton

NatneofftrslLO*D_ROM0x00000x8000

execregion

Maximims<zeofmts

execre，on

?EXEC-R0M0x00000x8000

NatneofsecorMS*OR0)?Placeallcodeand

ex*cregionROdataF。the

execyon

.0x100000x6000.

rAaximumsizeof

Startofsecond?JRWiZI).thnenreregion

execregion

PlaceanRWandZidata

Intoir?sexec，egk>n

圖2.7簡單的分散加載文件

簡單的存儲(chǔ)器映射如下圖所示：

復(fù)雜分散加載文件:

Startaddressforfirstloadregion

LOAD_ROM_10x0000.

(Startaddressforfirstexecregion

EXEJR0M」0x0000-

{PlaceallcodeandROdatafrom

programi.o(+R0)-programl.ointothisexecregion

)

Startaddressforthisexecregion

DRAM0x18000*0x8000-

(Maximumsizeofthisexecregion

}programi.oC+RW,+ZI)

PlaceallRWandZIdatafrom

programi,ointothisexecregion

L0AD_R0M_20x4000,

{Startaddressforsecondloadregion

EXEJR0M_20x4000

(

}program2.o(+R0).PlaceallcodeandROdatafrom

program2.ointothisexecregion

SRAM0x80000x8000

(PlaceallRWandZIdatafrom

program2.o(+RW.+ZI)-program?.ointothisexecregion

)

)

圖2.9復(fù)雜分散加載文件

復(fù)雜存儲(chǔ)器映射:

圖2.10復(fù)雜存儲(chǔ)器隱射

2.1.4MDK的編譯器優(yōu)化級別

-00：最小優(yōu)化。編譯器執(zhí)行最簡單的優(yōu)化，調(diào)試視圖不會(huì)減弱。當(dāng)調(diào)試可用，該選項(xiàng)會(huì)

給出最好的調(diào)試視圖。

-01：受限制優(yōu)化。當(dāng)調(diào)試可用，該選項(xiàng)給出一個(gè)較好的調(diào)試視圖，并有很好的代碼密度。

-02：高度優(yōu)化。這是默認(rèn)的優(yōu)化級別。當(dāng)調(diào)試可用，該選項(xiàng)給出一個(gè)較差的調(diào)試視圖。

-03：最大優(yōu)化。這是最具挑戰(zhàn)性的優(yōu)化。它權(quán)衡選項(xiàng)-Ospace或-Otime。指定這個(gè)選項(xiàng)

將默認(rèn)使能雙匯編文件（命令行中指定）。當(dāng)調(diào)試可有，該選項(xiàng)給出一個(gè)調(diào)試視圖。

圖2.11MDK的編譯器優(yōu)化

生成hex文件：鼠標(biāo)點(diǎn)擊Project—>OptionsforTargetwtarget1"選中OUTPUT

標(biāo)簽選中

CreateHEXFile點(diǎn)擊"OK”。

U-'KU.)

EllatinIMII￡ii?<?If*】，

OptiMIforTarget'TargetI'

,T?rn<1Liitiof,Vv?e|C/C**|As*|LiiJnr|Utilitiet；

SatedfcUulugotI"M"ENCUIMK|(￡C2M

?M?E7*rXG￡QM7_LE0/5M

P廠

PBiotfteHanston

''^EQMD.LED>5MUI

圖2.12OUTPUT選項(xiàng)

鼠標(biāo)點(diǎn)擊Project—>OptionsforTarget"targetl”選中USER標(biāo)簽頁選中Runuser。

PragramsAfterBuild/Rebuild框中的Run#1加載文件D:\Keil\ARM\BIN40\fromelf.exe

在文件后面輸入命令：-bin-o./GEC2440_LED_ASM.bin./GEC2440_LED_ASM.axf

點(diǎn)擊“OK”，編譯后生成bin文件。

RunUserProgramsAfterBuild/Rebuild

BRunttl:RM\BIN40\fromelfex(-bin-o/GEC2440LEDASM.bin/GEC2440LEDASM.axPD0S16

rRunU2:rD0S16

3BeepWhenComplete「StartDebugging

生成庫文件*.lib

ADS為用戶提供下面的軟件，使用戶可以在軟件仿真的環(huán)境下或者在基于ARM的硬件環(huán)

境調(diào)試用戶應(yīng)用程序。

ARMulator這是一個(gè)ARM指令集仿真器，集成在ARM的調(diào)試器AXD中，它提供對ARM處

理器的指令集的仿真，為ARM和Thumb提供精確的模擬。用戶可以在硬件尚未做好的情況下，

開發(fā)程序代碼。

2.2調(diào)試工具J-link

J-Link是SEGGER公司為支持仿真ARM內(nèi)核芯片推出的JTAG仿真器。J-LinkARM具有以下

等主要特點(diǎn)：

(1)支持所有ARM7/ARM9內(nèi)核的芯片,以及cortexM3,包括Thumb模式

(2)支持ADS、IAR、KEIL、WINARM、RealView等幾乎所有的開發(fā)環(huán)境

(3)下載速度高達(dá)ARM7:600kB/s,ARM9:550kB/s,通過DCC最高可達(dá)800kB/s

(4)最高JTAG速度12MHz

(5)目標(biāo)板電壓范圍1.2V-3.3V,5V兼容

(6)使用USB電源(但不對目標(biāo)板供電)

(7)帶J-LinkTCP/IPserver,允許通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)使用J-Link

(8)J-Link支持ARM內(nèi)核：ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T、ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S、

ARM11、Cortex-M3點(diǎn)擊光盤目錄：GEC2440(beta版本)\windows開發(fā)工具\(yùn)JLINK驅(qū)動(dòng)的文

件Setup_JLinkARM_V4081.exe進(jìn)行安裝。

JJ

由inkQash

J-LinkARMJ-FlashABMKeil

V408kV408kuVision3

十

。

一

RA一L

2.2.1MDK的設(shè)置

(1)鼠標(biāo)點(diǎn)擊Project—〉OptionsforTarget"targetl

(2)選中DEBUG標(biāo)簽

(3)選擇RDIInterfaceDriver

(4)選擇initialitionFile加載Ext_RAM.ini

(5)點(diǎn)擊“OK

配置RDIInterfaceDriver

(1)鼠標(biāo)點(diǎn)擊settings,進(jìn)入RDIInterfaceDriverSetup串口

(2)加載\SEGGER\JLinkARM_V408k\JLinkRDI.dll文件,配置J-Link

(3)點(diǎn)擊“OK”

①選擇或快捷鍵Ctrl+F5或點(diǎn)擊;

②將程序下載到SDRAM中調(diào)試；

能圍?固研11?

查看通用寄存器中的內(nèi)容

1^1EileKditViProjectDebueFlashP

Address:10x56000050

0x56000050:00005500OOOOOOBF

ProyectWorkspace0x56000058:000000F000000000

0x56000060:0000000000007FFD

0x56000068:OOOOFCOO00000000

0x56000070:00000000000007FF

0x56000078:0000000000000000

0x56000080:0001033000000000

0x56000088:0000000000000000

0x56000090:0000000000000000

0x56000098:0000000000000000

0X560000A0:00000000OOFFFFFO

LL0X560000A8:000000000000000B

0X560000B0:3244000100000004

Hvqcnnnnpp?nnnnnnnnnnnnnnnn

on3[D:\GEC2440_LED_ASI\DELAY.S]

CFlishP?口ph.rtl"ToolsSVCSWindow

PortF(CPF)

Reset￡P(guān)U

GPF

70

GPFCON:IIIIIIII

?ClockandPower

GPFDAT:|OxOOOOOOBFRTTTFTPPPP

InterruptController

GPRJP:|OxOOOOOOFOK7^i7i7rrrr

衛(wèi)I/OtortiPort(GPA)

Portm)

D?bu$Settings..Port(GPC)

-wr

Port(GPD)

中07C1T4)r0z#0x0仲

08bneDELAYPort(GPE)

movpc,lr

直Port(GPP)

\lextEditor/ConfigurationWi2{Port(GPG)

Port(GPM)

俄Disassemblyg)DELAY.S

E^ttrntlInterrupts

Addross0x56000050MiscellaneousControl

0x56000050：00CGeneralStatus

0x56000058：oouuuuyxrpuuuuuou

Symbols

畫后，回"嗎國M毅pL￡ajeSensitive

69:

1^0x30000000EA00006BB0x30000104AddressT>P?

?0iHandlcrUndcf:handlertorVn4etin*dmodeGTC2440_LED_CApplication

■'0x30000004EAOOOO490x30000130

Runtm*Libr*ry

9X:HaixUvrSVI;handlertorSHIinterrupt

-0x3000086EA00004E