小白日志（一）

嵌入式开发系统的简介

嵌入式系统是一种以硬件为载体，以计算机技术为基础，以应用程序为核心，满足特定功能、要求以及应用环境的专用计算机系统。所谓“嵌入式”，顾名思义，嵌入到某个物体中，使其一定程度上的智能化，自动化，由原来的不可控变为可控，由随机性趋于规律性。例如，在一套制冷制热系统上加上“嵌入式”就可以打造空调，在一个音响上加入“嵌入式”就拥有自己的“小i同学”。

嵌入式系统的主要特点

  1. 功耗限制
    在空间有限的开发板上，嵌入式系统的功耗问题是首要因素，或许开发板的能源提供只是几节电池而已。
  2. 低成本
    包含硬件成本和软件成本。硬件成本来源于微型处理器；软件成本一般难以预测，取决于设计方法。
  3. 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。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
  4. 多速率
    同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。
  5. 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。例如ENEA公司的OSE实时OS，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。
  6. 不可垄断性
  7. 产品稳定性

嵌入式系统的分类

类型 举例
系统级 各种类型的工控机、PC104模块
片级 各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品
板级 各种类型的带CPU的主板及OEM产品

嵌入式系统的软/硬件框架


简单解释一下图中一些名词：

  • D/A：数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，是把数字量转变成模拟量的器件。

  • A/D：模数转换器，又称A/D转换器，简称ADC，是把模拟量转变成数字量的器件。
    “看到这里，电子类自动类的同学有没有很亲切，没错，数电模电就是搞这个东西。”

  • I/O：输入/输出（Input/Output）分为IO设备和IO接口两个部分。在一些POSIX兼容的系统上，如Linux系统，I/O的操作可有多种方式。

  • ROM：只读存储器（Read-Only Memory），一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。

  • SDRAM：同步动态随机存取内存，也就是我们现在常说的“内存”，如今已经发展出多代，其中DDR便是SDRAM中的一种，是我们今天普遍使用的内存条。

  • BSP/HAL（板级支持包/硬件抽象层）:研究这部分的都是些“大牛”，你可以就理解为操作系统和硬件对接的一个“润滑层”，没有这个“润滑层”，用户不能很流畅的操作硬件。

实时操作系统（RTOS）

实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，他是嵌入式系统的“大脑”，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中， 每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

实时操作系统特点

IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点：

  • 异步的事件响应
  • 切换时间和中断延迟时间确定
  • 优先级中断和调度
  • 抢占式调度
  • 内存锁定
  • 连续文件
  • 同步

总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性, 与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用, 由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。

嵌入式操作系统的优缺点

  • 优点

1.使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率
2.充分发挥32位CPU多任务的潜力，实现多任务设计，能够充分利用硬件资源和实现资源共享。
3.实时性和健壮性能够得到更好的保证。

  • 缺点
    嵌入式操作系统会增加ROM/RAM等额外开销，以及5～10％的CPU额外负荷。

有关嵌入式操作系统的一些零散概念——

前后台系统

任务

一个任务，也称作一个进程，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。

  • 任务切换
    当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态，即保存CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区，也就是任务自已的栈区之中。入栈工作完成以后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从任务的栈中重新装入CPU的寄予存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。这个过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。
  • 任务优先级
    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。
内核

多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。内核需要消耗一定的系统资源，比如2％～5％的CPU运行时间、RAM和ROM等。内核提供必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。

  • 非占先式内核
    非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU 的所有权。非占先式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

  • 占先式内核
    当系统响应时间很重要时，要使用占先式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。

中断

中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文，即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序（ISR）。中断服务子程序做事件处理，处理完成后，程序回到：

  1. 在前后台系统中，程序回到后台程序；
  2. 对非占先式内核而言，程序回到被中断了的任务；
  3. 对占先式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。

  • 时钟节拍
    时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间。其作用：时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。
资源

程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。资源可以是输入输出设备，例如打印机、键盘、显示器。资源也可以是一个变量、一个结构或一个数组等。

  • 共享资源
    可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据被破坏，每个任务在与共享资源打交道时，必须独占该资源，这叫做互斥。

嵌入式系统的应用

“第一次写东西，欢迎各路大神指点，希望做出补充和提出建议”

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