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嵌入式系统概述

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嵌入式系统概述. 电信学院 嵌入式技术与应用专业 赵家华 2011 年 8 月 8 日. 一 . 什么是嵌入式系统. 根据 IEEE (国际电气和电子工程师协会)的定义: 嵌入式系统是 “用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”( 原文为 devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants )。 从上面的定义可以看出,嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机电等附属装置。. 简单的讲 : 就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。

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嵌入式系统概述

电信学院 嵌入式技术与应用专业

赵家华

2011年8月8日

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一. 什么是嵌入式系统

根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义:

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”(原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。

从上面的定义可以看出,嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机电等附属装置。

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简单的讲:

就是嵌入到对象体中的专用计算机系统。

三要素:嵌入、专用、计算机

嵌入式系统的特点:由三要素引出

嵌入性:嵌入到对象体系中,有对象环境要求

专用性:软、硬件按对象要求裁减

计算机:实现对象的智能化功能

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嵌入式技术的应用与发展现状

嵌入式技术无处不在

各种使用嵌入式技术的电子产品,如:MP3、PDA、手机、智能玩具,网络家电、智能家电、车载电子设备等。

在工业和服务领域中,大量嵌入式技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业,正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。

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嵌入式技术的应用与发展现状

嵌入式技术典型应用:

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嵌入式技术的应用与发展现状

嵌入式技术典型应用

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国内一般定义

“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”

从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义:

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。

可以这样理解上述三个方面的含义,即嵌入式系统是与应用紧密结合的,它具有很强的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。

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嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪,满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以,如果能建立相对通用的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统,是一个比较好的发展模式。嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件进行裁剪,满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以,如果能建立相对通用的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统,是一个比较好的发展模式。

目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核,需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。由于微内核的存在,使得这种扩展能够非常顺利地进行。

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嵌入式系统本身是一个外延极广的名词,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统,很难给它下一个准确的定义。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分,硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成,软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成,软件和硬件之间由所谓的中间层(BSP层,板级支持包)连接。嵌入式系统本身是一个外延极广的名词,凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统,很难给它下一个准确的定义。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分,硬件一般由高性能的微处理器和外围的接口电路组成,软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成,软件和硬件之间由所谓的中间层(BSP层,板级支持包)连接。
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嵌入式系统的几个重要特征

(1)系统内核小

由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。

比如ENEA公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核则要大得多。

我们用的sitsang平台,移植的linux2.4.19内核不包括文件系统851.3k。包括之后是39M。

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(2)专用性强

嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植。

即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。

同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。

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(3)系统精简

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。

(4)高实时性OS

这是嵌入式软件的基本要求,而且软件要求固化存储,以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。

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(5)嵌入式软件开发走向标准化,必须使用多任务操作系统(5)嵌入式软件开发走向标准化,必须使用多任务操作系统

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。

为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。

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(6)嵌入式系统开发需要开发工具和环境

由于其本身不具备自主开发能力,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,必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

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。

开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。

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5、典型嵌入式系统基本组成-硬件

外围电路

电源

模块

Flash

微处理器

RAM

时钟

MPU

复位

ROM

外设

Keyboard

USB

LCD

Other

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6、典型嵌入式系统基本组成-软件

应用程序

软件结构

操作系统

输入

输出

处理器

硬件结构

存储器

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嵌入式系统与智能化电子系统

嵌入式系统涉及的四个学科基础

电子技术 : 应用与技术推进

微电子技术 :集成电路基础

计算机技术 :计算机工程方法

对象学科 : 应用基础

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二. 为什么嵌入式系统重要?

Engineering reasons

– Why does a satellite need a Windows prompt ?

– Does the McDonald’s POS (point-of-sale) terminal need MacOS?

– Any device that needs to be controlled can be controlled by a microprocessor

•Market reasons

– The general-purpose computing market is in billions of US $ 5%

– The embedded systems market is also in billions of $ 95%

– In year 2000, about $2,700 of every car went to electronics

•Pedagogical reasons

– General-purpose system designers specialize

– HW vs. SW

•Embedded system designers are often

– jackofmanytrades

– Need to know hardware, software, and some combination of networking,

control theory and signal processing

– business models

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国际芯片市场

据统计每年只有10-20%的计算机芯片是为台式PC或膝上电脑而设计的。

嵌入式系统设计制造的CPU每年大概有10-20亿片。每年又有1万个新的嵌入式系统计划产生,而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。

如:手持设备市场。2000年的全球产销量为1290万部,而到今年时预计将为6340万部。

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中国信息家电市场

2001年达到500亿~ 700亿元,今年有望达到3500亿~ 5000亿元。国内现有8000万有线电视网用户、3亿多台彩色电视机和7000多万台VCD/DVD机。

业内分析,未来10年是国内机顶盒生产的黄金时期,10年总量可望达到1~1.5亿台,总产值在600~1500亿元人民币之间。仅此一项,嵌入式软件开发商每年获得的授权收入即可达到10~15亿元。

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消费电子

工业控制

军事国防

军事电子

信息家电

工控设备

智能玩具

嵌入式应用

智能仪表

通信设备

汽车电子

移动存贮

网络设备

电子商务

嵌入式系统应用领域:
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嵌入式技术的发展趋势

嵌入式技术将成为后PC时代的主宰

嵌入式技术成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支。

使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为了通用计算机和嵌入式系统之分。

嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域,以致一些学者断言嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。

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三. ARM嵌入式技术

ARM嵌入式技术

ARM(Advanced RISC Machines)是英国知识产权核(IP)设计公司,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可 。

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ARM嵌入式技术

ARM知识产权的应用

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ARM 微处理器的特点

ARM 微处理器的特点

  • 采用RISC体系结构
  • RISC体系结构具有如下特点:
  • 采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式简单;
  • 使用单周期指令,便于流水线操作执行;
  • 大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。
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大量的寄存器

ARM嵌入式技术

ARM 处理器共有37个寄存器,被分为若干个组,这些寄存器包括:

- 31个通用寄存器,包括程序计数器(PC 指针),均为32位的寄存器;

- 6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位。

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高效的指令系统

ARM嵌入式技术

ARM微处理器支持两种指令集:

ARM指令集和Thumb指令集

ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30%~40%以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。

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ARM嵌入式技术

ARM处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔

基于ARM技术的32位微处理器,市场的占有率目前已达到80%。

绝大多数IC制造商都推出了自己的ARM结构芯片。我国的中兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹,以及国外的一些公司如德州仪器、意法半导体、Philips、Intel、Samsung等都推出了自己设计的基于ARM核的处理器。

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ARM嵌入式技术的应用与需求

(ARM市场的需求)

应用一:工业控制

工业设备是机电产品中最大一类。

过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方面,大部分低端型设备主要采用是8位单片机。

随着技术发展,目前许多设备除了进行实时控制,还须将设备状态,传感器的信息等在显示屏上实时显示。

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信息家电

ARM嵌入式技术的应用与需求

应用二:

信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。

只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求。

具有用户界面,能远程控制,智能管理的电器是未来的发展趋势,如冰箱、空调等的网络化、智能化等。

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ARM嵌入式技术的应用与需求

应用三:消费类电子

智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。

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ARM嵌入式技术的应用与需求

应用四:交通管理、环境监测

  • 交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元
  • 水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。
  • 加油站、停车场管理
  • ……
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ARM嵌入式技术的应用与需求

应用五:智能玩具与机器人

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ARM嵌入式技术的应用与需求

应用六:嵌入式Internet应用

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四 嵌入式系统与PC之间的区别

嵌入式系统一般是专用系统,而PC是通用计算平台

嵌入式系统的资源比PC少得多

嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多

嵌入式系统一般采用实时操作系统

嵌入式系统大都有成本、功耗的要求

嵌入式系统得到多种微处理体系的支持

嵌入式系统需要专用的开发工具

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从工程角度看计算机:就要涉及内存及编译的性能从工程角度看计算机:就要涉及内存及编译的性能

• Measured by: Performance

- Compilers matter too...

最简化地看计算机:看CPU性能

• Measured by:

- Performance

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更进一步会涉及性能、价格及操作系统如何

• Measured by: Performance, Cost

Compilers & OS matters

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作为嵌入式系统看待时:具体使用什么(人机)接口。以及电源、工具、市场等方面的考虑。作为嵌入式系统看待时:具体使用什么(人机)接口。以及电源、工具、市场等方面的考虑。

• Measured by: Cost, I/O connections, Memory Size, Performance

Man-Machine Interface

a customer view
– Reduced Cost

– Increased Functionality

– Improved Performance

– Increased Overall Dependability

A Customer View
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需求分析

体系结构设计

硬件/软件设计

系统集成与测试

固化

嵌入式系统的开发流程
  • 需求分析。这个阶段的主要任务是:确定设计任务和设计目标,并提炼出设计规格说明书,作为正式指导设计和验收的标准。
  • 体系结构设计。需求分析完成后,根据提炼出的设计规格说明书,进行系统定义和体系结构的设计。
  • 硬件、软件设计与实现。构件设计包括对系统的硬件、软件进行详细的设计。
  • 系统集成与测试。对软件、硬件集成后的完整系统,进行调试。
  • 固化。固化是指软件的固化,嵌入式系统开发完后,需要将软件写入到Flash中固化。即将调试通过的程序编译成一可执行文件,利用烧写程序烧写到Flash中,这样就完成了整个的系统开发。
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嵌入式系统设计开发流程

需求分析

体系结构设计

硬件/软件设计

系统集成

固化

以自顶向下的角度来看,系统设计从系统需求分析开始;第二步是规格说明,在这一步我们对需设计的系统功能进行更细致地描述,这些描述并不涉及系统的组成;第三步是系统结构设计,在这一阶段以大的构件为单位设计系统内部详细构造,明确软、硬件功能的划分;第四步是构件设计,它包括系统程序模块设计、专用硬件芯片选择及硬件电路设计;第五步是系统集成,在完成了所有构件设计的基础上进行系统集成,构造出所需的完整系统。

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一、需求分析与规格说明

在设计之前,我们必须清楚要设计什么。在设计的最初阶段,我们应从客户那里收集系统功能的非形式描述,在此称其为需求;对需求进行提炼,以得到系统的规格说明,规格说明中应包含我们进行系统体系结构设计所需的足够信息。

在此把需求和规格说明区分开是必要的,因为嵌入式系统的用户不是专业人员,他们对系统的描述是建立在他们想象的、系统应具备的功能基础上,对系统可能有些不切实际的期望,表达要求时使用自己的话而不是专业术语。因而,必须将用户的描述转化为系统设计者的描述,从用户的需求中整理形成正式的规格说明。

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用户需求的格式

实际系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能,如输人/输出信号、工作方式、时序等;非功能需求包括系统性能、成本、功耗、尺寸和重量等因素,在这一步我们对需设计的系统功能、性能的描述,一般不涉及系统的组成。明确的客户需求,可降低这一部分所占开发周期比例。但在需求分析的同时要考虑客户潜在的后续应用,在设计系统硬件时尽可能留出余量。

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GPS移动地图系统:示例

GPS移动地图是一种手持设备,该设备为用户(如汽车驾驶员)显示他当前所处位置周围的地图;显示的地图内容应随用户以及该设备所处位置的改变而改变。该设备从GPS上得到其位置信息,移动地图的显示看起来应类似纸张上的地图。针对用户的初步要求,我们编写出如右表所示的系统需求表。

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二、体系结构设计

系统结构设计的目的是描述系统如何实现系统的功能,它是系统整体结构的一个计划。右图GPS移动地图的体系结构,图中展示了移动地图的主要操作和其间的的数据流,框图仍很抽象,还没有规定软件完成什么,专用硬件完成什么,等等。但该图还是清楚地描述了许多功能,如需搜索地形图数据库、需显示地图,需接收GPS信号等。

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系统硬件体系结构

GPS信号

接收器

显示器

显示控制器

(含显缓)

CPU

存储器

I/O接口

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系统软件体系结构

数据库查询

显示控制

输入/输出控制程序

定时器

GPS接口

程程序

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三、硬件、软件设计

体系结构设计中告诉我们需要什么样的构件,而构件设计中就是设计或选择符合体系结构和规格说明中所需求的构件。构件通常既包括硬件,如FPGA、电路板等,也包括软件模块

一些硬件构件是现成的。现成的硬件构件即有标准构件,也有专用构件,例如CPU芯片,存储器芯片等就是标准构件,而在移动地图中GPS接收器是专用构件。同样地,软件构件也可利用标准软件模块,如地图数据库及数据库标准访问例程及函数。

更多的情况下,我们需要自己设计一些构件,即使采用标准的集成电路,也必须设计连接它们的印刷电路板,同时要做大量的定制编程。当然,建立嵌入式软件模块时,必须确保系统实时性良好,并且在允许的范围内不占用更多的存储空间。在移动地图这个例子中,电能消耗特别重要,设计时应尽量减少存储器读/写,因为存储器访问是主要的功耗来源,存储器的访问必须精心安排,以避免多次读取相同的数据。

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四、模块、系统调试与集成

构件建立后,将它们合并得到一个可以运行的系统。当然在系统集成阶段并不是仅仅把所有的构件连接在一起就行,通常都会发现以前设计上的错误。在系统集成时按阶段构架系统,应每次只对一部分模块排错,相对独立地测试系统功能,这样,能够更容易地发现并定位错误。系统集成阶段要求准确定位出现的错误,充分利用设计者的专业知识和经验,直至满足总体设计的需求。

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嵌入式系统的调试

调试是任何项目开发过程中必不可少的一部分,特别是在软硬件结合非常紧密的嵌人式系统开发中。嵌入式系统的开发调试又和一般PC系统开发调试有较大差别。在一般PC机系统开发中,调试器和被调试程序是运行在相同的硬件和软件平台上的两个进程,调试器进程通过操作系统专门提供的调试接口控制和访问被调试进程。而在嵌入式系统中,调试器运行在PC操作系统上,被调试程序往往运行在嵌入式硬件平台上。一般来说,大多数的调试工作是在RAM中进行的,只有当程序完成并正确运行后才烧录到ROM上。

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嵌入式系统的调试
  • 在线仿真器(ICE)方式
  • 在线调试器(ICD)方式
  • 监控器方式:监控器调试主要用于调试运行在目标机操作系统上的应用程序,不适宜用来调试目标操作系统。要求目标机硬件设备稳定之后,才能进行应用软件的开发。有的微处理器在目标板工作正常的前提下,需要事先烧制监控程序。这种调试方式的硬件调试能力较差。
    • 主机和目标板通过某种接口(通常是串口)连接,主机上提供调试界面,用户可以通过该界面观察被调试程序在目标板上的运行状况,如ARM的AxD。
    • 以称为Angel的Debugger工具为例。Angel会在主机和目标板两侧各装有一个小程序。其一为监控程序(监控器),另一为调试器。
    • 监控器(目标机上)负责接收调试器(宿主机上)发出的命令,执行诸如设置断点、单步执行目标程序、读写和查看或修改寄存器及内存内容等操作,并监控目标机上被调试程序的运行情况,与另一端的调试器一起完成对应用程序的调试。监控器完成必要的硬件初始化并等待宿主机的命令。被调试程序通过监控程序下载到目标机,就可以开始进行调试。发现程序中有问题时,开发人员在调试器的帮助下定位错误,修改之后再重新编译链接并下载程序,开始新的调试,如此反复,直至程序能正确运行为止。监控器方式操作简单易行,不需要专门的调试硬件,适用面广,明显提高了调试的效率,缩短了产品的开发周期,有效降低了开发成本。因此,监控器方式是目前最为广泛的嵌入式软件调试方式之一,几乎所有交叉调试器都支持这种方式。
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嵌入式系统软件体系结构 (无操作系统的情形----之一 )
  • 循环轮询系统:(Polling Loop)
    • 最简单的软件结构,程序依次检查系统的每个输入条件,一旦条件成立就进行相应的处理。
      • Initialize();
      • while(1){
      • if(condition_1) action_1();
      • if(condition_2) action_2();
      • ……
      • if(condition_n) acition_n();
      • }
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嵌入式系统软件体系结构 (无操作系统的情形—之一 )
  • 循环轮询方式系统设计:

把系统的功能分解为若干个不同的程序功能模块,然后把它们包含在一个永不结束的循环语句当中,按照顺序逐一执行。当执行完一轮循环后,又回到循环体的开头重新执行。

  • 特点:

简单、直观、开销小、可预测。软件的开发就是一个典型的基于过程的程序设计问题,可以按照自顶向下、逐步求精的方式,将系统要完成的功能逐级划分成若干个小的功能模块(任务),像搭积木一样搭起来。由于整个系统只有一条执行流程和一个地址空间,不需要任务之间的调度和切换,因此系统的管理开销很少。

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嵌入式系统软件体系结构 (无操作系统的情形—之二)
  • 事件驱动系统:(Event-Driven system)
    • 事件驱动系统是能对外部事件直接响应的系统。
    • 应用程序是一个无限循环,循环中调用相应的函数完成相应操作,这部分可以看成后台行为(background)。中断服务程序处理异步事件,这部分可看成前台行为(foreground)。
    • 后台也可以叫做任务级,前台也叫中断级。
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后 台

前 台

ISR

ISR

ISR

图1.1-10 前后台系统

嵌入式系统软件体系结构 (无操作系统的情形--之二 )
  • 前后台系统 (后台循环,前台中断)

前后台系统就是在循环轮转方式的基础上,增加了中断处理功能。

  • 特点:
    • 中断服务程序(ISR)负责处理异步事件。对于时间相关性很强的关键操作需要靠中断服务来保证。
    • 后台程序一般是一个无限的循环,负责掌管整个嵌入式系统软硬件资源的分配、管理以及任务的调度,是一个系统管理调度程序

应用实例:微波炉、电话机。

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例如,很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计,如微波炉、电话机、玩具、走迷宫机器人大赛等。从省电的角度出发,平时微处理器处在停机状态,所有的事都靠中断服务来完成。例如,很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计,如微波炉、电话机、玩具、走迷宫机器人大赛等。从省电的角度出发,平时微处理器处在停机状态,所有的事都靠中断服务来完成。
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嵌入式系统软件体系结构 (有操作系统的情形 )
  • 在嵌入式系统中,程序员开发应用程序时,常常是不直接面对硬件设备,而是在操作系统的基础上编写,特别是在功能复杂的庞大应用中显得越来越重要。这样的嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成。
  • 此种开发方式主要有以下3个优点:①提高了系统的可靠性②提高了系统的开发效率 ③有利于系统的扩展和移植 。
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嵌入式系统软件体系结构 ( windows操作系统情形 )

电子邮件

WWW浏览器

MP3播放器

应用软件层

面向领域的中间件

嵌入式CORBA

嵌入式JAVA

嵌入式DCOM

中间件层

嵌入式GUI

TCP/IP网络系统

文件系统

内核

操作系统层

板级初始化

以太网驱动

串口驱动

LCD驱动

键盘驱动

设备驱动层

硬件

2014/11/21

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基于μC/OS-Ⅱ嵌入式系统的软件体系结构:含扩展内容。基于μC/OS-Ⅱ嵌入式系统的软件体系结构:含扩展内容。
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