嵌入式系统设计与实例开发.docx

1、嵌入式系统设计与实例开发基于 ARM 微处理器与 C/OS-实时操作系统王田苗 主编清 华 大 学 出 版 社(京) 新登字 158 号内 容 简 介本书以目前流行的基于 ARM 架 构 的 嵌 入 式 微 处 理 器 及 易 于 学 习 开 发 的 C/OS 嵌入式操作系统为核 心，结合作者的教学与科研工作，介绍了嵌入式系统的原理、设计方法及实例编程开发。本书共分 11 章，前 3 章 介 绍 了 嵌 入 式 系 统 的 基 本 概 念 及 嵌 入 式 系 统 设 计 的 一 般 方 法 。 第 4 章 介 绍 了 嵌 入 式 系 统 的 开 发 工 具 一 一 ARM 公司的仿真开发环境

2、SDT 的使用方法。第 59 章是本书的核心内容， 介 绍 了 如 何 在 C/OS-II实 时 内 核 基 础 上 扩 展 一 个 实 用 嵌 入 式 操 作 系 统 的 设 计 过 程 ， 包 括 C/OS-II在 ARM7 微处理器上移植、文件系统、外设驱动、Unicode 汉 字 库 、 图 形 用 户 接 口 CGUI)和 其 他 应 用 程 序 接 口 CAPI)的 设 计 ， 并 介 绍 了 在 扩 展 的 嵌 入 式 系 统 开 发 平 台 上 进 行 编 程 的 方 法 。 最 后 2 章介绍了二次开 发的实例一一嵌入式机器人控制器和嵌入式工程机械智能监控器的设计。本 书 可

3、 以 作 为 机 器 人 技 术 、 机 电 控 制 系 统 、 信 息 家 电 、 工 业 控 制 、 手 持 设 备 、 智 能 玩 具 、 医 疗 仪 器 等 方面嵌入式系统开发与应用的参考书，也可作为高等学校有关嵌入式系统教学的本科生或研究生的教材。版权所有，翻印必究。 本书封面贴有清华大学出版社激光防伪标签，无标签者不得销售。图 书 在 版 编 目 (CIP)数 据嵌入式系统设计与实例开发： 基于 ARM 微处 理器与C /OS-II实时操作系统/王田苗主编. 一北京： 清 华大学出版社，2002ISBN 7-302-05859-8I.嵌 . II.王 . I.微型计 算 机 -系统

4、设计 町 .TP36 中国版本图书馆 CIP 数据核字 C2002)第 068462 号出 版 者：清华大学出版社C北京清华大学学研大厦，邮编 100084) http:/印 刷 者：发 行 者：新华书店总店北京发行所开 本：7871092 1/16 印张：17 字数：391 千字 版 次：2002 年 9 月第 1 版 2002 年 9 月第 1 次印刷 书 号 ： ISBN 7-302-05859-8/TP3467印 数：00015000 定 价 ： 28.00 元读 者 意 见 反 馈 卡请您认真填写本卡并寄给我们。对于发现本书中技术问题的读者，我们另有答谢。1 您 对 本 书 的 总

5、体 感 觉 ：满意 一般 不满意2 您 认 为 本 书 的 层 次 结 构 ：很好 一般 不好3 您 认 为 本 书 的 语 言 文 字 水 平 ：很好 一般 不好4 您 认 为 本 书 的 版 式 编 排 ：很好 一般 不好5 您 认 为 本 书 中 所 涉 及 各 项 操 作 说 明 的 准 确 性 ：准确 较准确 不准确6 您 最 需 要 哪 方 面 的 图 书 ？ 7 您 是 从 哪 里 第 一 次 听 说 这 本 书 的 ？书店 广告 从朋友、同事等处听说 其他8 您 一 年 中 购 买 计 算 机 类 图 书 的 数 量 ：25 本 6 10 本 多于 10 本9 您 使 用 的

6、操 作 系 统 是 ： DOS Windows OS/2 Macintosh Unix Linux 其他10 您 感 兴 趣 的 计 算 机 类 新 书 为 ：操作系统类 办公软件类 程序设计语言类图形、图像设计类 排版软件类 网络技术类多媒体制作类 其他11 您 使 用 PC 机的地方：家庭 单位 学校 其他12 您 是 否 有 CD-ROM：有 无读者姓名： 单位名称： 联系电话：请填好本卡后寄给：清 华 大 学 校 内 金 地 公 司 (E-mail： )嵌入式系统设计与实例开发编辑部收邮 编 ： 100084联系电话： （ 010） 62791976 传真： （0 10）62 7889

7、03 公 司 网 址 ： 如需本书可与本编辑部联系邮购，汇款请按以上地址填写，另加邮费 15%（ 挂 号 ）前 言嵌 入 式 系 统 是 继 IT 网 络 技 术 之 后 ， 又 一 个 新 的 技 术 发 展 方 向 。 由 于 嵌 入 式 系 统 具 有 体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广泛地应用 于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。在 以 往 先 进 机 器 人 研 究 与 实 际 机 电 控 制 系 统 应 用 过 程 中 ， 常 规 方 式 是 采 用 上 位 机 /下 位 机 的 控 制 方 式 ， 上 位 机 一 般 为 工

8、控 机 或 PC 机 ， 下 位 机 一 般 为 单 片 机 或 DSP 等 微 控 制 器 。 然 而 ， 近 年 来 随 着 微 电 子 与 嵌 入 式 软 件 技 术 的 发 展 ， 32/64 位 微 处 理 器 的 性 能 得 到 了 很 大 的 提 升 ， 我 们 发 现 这 种 常 规 的 上 位 机 /下 位 机 的 控 制 方 式 已 失 去 了 原 有 的 优 势 ， 特 别 是针对高性能、低功耗的实际现场应用，只需要采用基于微处理器的嵌入式系统就可以实 现所需要的功能，而且性能价格比高。因此，我们认为嵌入式技术是未来一个重要的技术 发展方向。中国是世界未来制造业及加工业的

9、重要基地之一，也可以说是机械与电子产品制造的 重 要 基 地 之 一 。 面 对 加 入 WTO 之 后 的 机 遇 与 挑 战 ， 我 们 隐 隐 约 约 感 觉 到 这 种 巨 大 的 变 革，将引起对嵌入式技术人才的大量迫切需求。为此，作者及其课题组成员很想通过承担 与参与国家 863 项 目 “机 群 智 能 化 工 程 机 械 ”嵌 入 式 智 能 监 控 器 的 研 制 、 “机 器 人 辅 助 微 创 外 科 手 术 ”控 制 系 统 与 遥 操 作 的 研 究 、 “智 能 仿 生 机 器 鱼 ”推 进 控 制 技 术 等 课 题 的 研 究，结合培养博士后、博士生和硕士生所取

10、得的有关科研成果，在分析研究美国科罗拉多 州立大学和华盛顿大学有关嵌入式系统教学课程体系结构的基础上，试图从嵌入式系统设 计、嵌入式系统编程及工程实践训练三个方面，编写一本嵌入式系统设计与实例开发的教 材，进行一种大胆有益的尝试。本 书 特 色 是 以 目 前 流 行 的 基 于 ARM 架 构 的 嵌 入 式 微 处 理 器 及 易 于 学 习 开 发 的 C/OS 嵌入式操作系统为核心，结合作者的教学与科研工作，介绍了嵌入式系统的原理、 设 计 方 法 及 实 例 编 程 开 发 。 对 本 书 研 究 开 发 的 基 于 ARM 的 嵌 入 式 硬 件 平 台 与 实 时 操 作 系 统

11、 的 扩 展 程 序 （ 包 括 文 件 系 统 、 存 储 器 系 统 、 各 种 接 口 程 序 、 GUI、 API、 Unicode 汉 字 库 、 LCD 和 键 盘 等 驱 动 程 序 等 ） 有 兴 趣 的 读 者 ， 可 以 与 北 京 航 空 航 天 大 学 逸 夫 科 学 馆 北 航 机 器 人 研 究 所 110 室 联 系 。 电 话 ： （ 010 ） 82318003/82313564 ， 传 真 ： （ 010 ）82313564。全 书 共 分 11 章 ， 参 与 本 书 编 写 的 有 刘 淼 、 陶 伟 、 王 晓 君 、 魏 洪 兴 、 胡 耀 光 、

12、王 田 苗。全书由王田苗统稿。感谢北京航空航天大学机器人研究所智能机电技术与系统研究组全体教师及研究生的 大力帮助与支持，感谢清华大学出版社编辑人员，正是由于他们高效辛勤的工作，才使本嵌入式系统设计与实例开发5书能够在这么短的时间内与读者见面。 由于作者知识所限，书中不足之处在所难免，恳请各位专家和读者赐正。作 者 于北京航空航天大学逸夫科学馆2002.7.31目 录第 1 章 嵌 入 式 系 统 概 述 11.1 嵌 入 式 系 统 简 介 .11.1.1 什 么 是 嵌 入 式 系 统 11.1.2 嵌 入 式 系 统 的 特 点 51.1.3 嵌 入 式 系 统 的 分 类 51.2 嵌

13、 入 式 系 统 的 应 用 领 域 .81.3 嵌 入 式 系 统 在 机 电 产 品 方 面 的 应 用 .101.4 嵌 入 式 系 统 的 现 状 和 发 展 趋 势 .131.4.1 嵌 入 式 系 统 的 现 状 131.4.2 未 来 嵌 入 式 系 统 的 发 展 趋 势 .14第 2 章 嵌 入 式 系 统 的 基 本 知 识 .162.1 嵌 入 式 微 处 理 器 和 嵌 入 式 操 作 系 统 .162.1.1 嵌 入 式 微 处 理 器 162.1.2 嵌 入 式 操 作 系 统 212.2 嵌 入 式 系 统 的 选 型 原 则 .262.2.1 硬 件 平 台 的

14、 选 择 262.2.2 嵌 入 式 操 作 系 统 的 选 型 原 则 .272.3 嵌 入 式 系 统 中 的 一 些 重 要 概 念 .302.3.1 基 本 概 念 302.3.2 关 于 实 时 系 统 的 概 念 312.4 基 于 ARM 和 C/OS- 的 嵌 入 式 开 发 平 台 .322.4.1 为 什 么 选 择 ARM 和 C/OS- 332.4.2 UP-NetARM200 嵌 入 式 开 发 平 台 简 介 .332.4.3 UP-NetARM200 嵌 入 式 开 发 平 台 结 构 .34第 3 章 嵌 入 式 系 统 的 设 计 准 则 及 开 发 方 法

15、.373.1 嵌 入 式 系 统 设 计 的 一 般 方 法 .373.2 嵌 入 式 系 统 的 硬 件 /软 件 协 同 设 计 技 术 .393.3 嵌 入 式 系 统 的 测 试 技 术 .413.3.1 软 件 分 析 和 仿 真 技 术 413.3.2 软 件 测 试 技 术 41嵌入式系统设计与实例开发73.3.3 嵌 入 式 软 件 的 测 试 工 具 433.4 嵌 入 式 系 统 的 可 靠 性 6443.4.1 嵌 入 式 系 统 失 效 特 征 443.4.2 常 用 的 可 靠 性 参 数 45第 4 章 ARM SDT 仿 真 环 境 484.1 SDT 仿 真 环

16、 境 概 述 484.1.1 ARM 仿真器的流程简介 484.1.2 重 要 概 念 494.2 APM 开 发 工 具 .504.2.1 建 立 项 目 文 件 504.2.2 配 置 项 目 工 具 524.3 ADW 开发工具 554.3.1 环 境 简 介 554.3.2 工 具 配 置 和 调 试 57第 5 章 C/OS- 在 ARM 微 处 理 器 上 的 移 植 .605.1 移 植 将 C/OS- 移 植 到 自 己 的 硬 件 平 台 605.2 C/OS- 在 S3C44B0X 上的移植 61第 6 章 基 于 C/OS- 建 立 自 己 的 RTOS666.1 基 于

17、 C/OS- 扩 展 RTOS 的体系结构 .666.2 建 立 文 件 系 统 .686.2.1 文 件 系 统 简 介 686.2.2 文 件 系 统 的 实 现 过 程 696.2.3 文 件 系 统 相 关 的 API 函数功能详解 726.3 外 设 及 驱 动 程 序 .736.3.1 串 行 口 736.3.2 液 晶 显 示 驱 动 程 序 746.3.3 键 盘 驱 动 程 序 756.3.4 USB 接口 .766.3.5 网 络 相 关 组 件 776.4 图 形 用 户 接 口 （ GUI） 函 数 776.4.1 基于 Unicode 的 汉 字 字 库 776.4.

18、2 Unicode 字 库 的 显 示 及 相 关 函 数 .836.5 基 本 绘 图 函 数 .836.5.1 相 关 绘 图 函 数 846.5.2 典 型 的 控 件 916.6 系 统 的 消 息 队 列 .95目 录6.6.1 系 统 消 息 956.6.2 消 息 相 关 函 数 956.7 其 他 实 用 的 应 用 程 序 接 口 （ API） 函 数 96第 7 章 ARM7 的硬件开发平台介绍 .1007.1 ARM7 微处理器简介 .1007.1.1 ARM 系列芯片简介 1007.1.2 ARM7TDMI 简介 1007.1.3 Samsung S3C44B0X 介绍

19、 .1017.2 基 于 S3C44B0X 微 处 理 器 的 嵌 入 式 系 统 1017.2.1 Samsung S3C44B0X 简介 .1017.2.2 基于 S3C44B0X 微处理器的嵌入式系统体系结构 1057.3 存 储 器 系 统 介 绍 .1067.4 接 口 介 绍 .1097.4.1 通 用 异 步 收 发 器 （ UART） 1097.4.2 USB 接口 .1167.4.3 JTAG 调试接口 .1237.5 人 机 交 互 接 口 .1237.5.1 LCD 显示模块 .1247.5.2 键 盘 模 块 126第 8 章 用 户 应 用 程 序 的 建 立 与 调

20、 试 1318.1 在 嵌 入 式 系 统 上 运 行 的 应 用 程 序 的 结 构 1318.2 建 立 应 用 程 序 .1368.2.1 系 统 的 消 息 循 环 1368.2.2 创 建 新 任 务 以 及 任 务 之 间 的 同 步 .1378.2.3 使 用 绘 图 函 数 1398.2.4 系 统 的 控 件 1418.3 用 户 应 用 程 序 综 合 举 例 .1428.3.1 配置 ARM SDT 2.5 开发环境 .1428.3.2 开 发 基 本 的 嵌 入 式 应 用 程 序 .148第 9 章 嵌 入 式 应 用 程 序 举 例 .1549.1 绘 图 API

21、函数 .1549.1.1 绘 图 的 API 函数应用举例 1549.1.2 绘 图 的 API 函数应用举例的源代码 1569.2 系 统 的 消 息 循 环 .1619.2.1 使 用 系 统 的 消 息 循 环 1619.2.2 系 统 的 消 息 循 环 使 用 的 源 代 码 .163嵌入式系统设计与实例开发99.3 USB 连 机 通 信 1689.3.1 USB 连机通信程序的实现过程 .1689.3.2 USB 连机通信程序实现的源代码 .1699.4 文 件 的 使 用 .1709.4.1 文 件 的 读 取 应 用 举 例 1709.4.1 文 件 的 读 取 实 现 的

22、源 代 码 .1729.5 列 表 框 控 件 的 使 用 .1739.5.1 列 表 框 控 件 的 使 用 举 例 .1739.5.2 列 表 框 控 件 举 例 的 源 代 码 .1749.6 文 本 框 控 件 的 使 用 .1769.6.1 文 本 框 控 件 的 使 用 举 例 .1769.6.2 文 本 框 控 件 的 举 例 源 代 码 .1789.7 系 统 的 多 任 务 和 系 统 时 钟 .1819.7.1 系 统 的 多 任 务 和 系 统 时 钟 应 用 举 例 .1819.7.2 系 统 的 多 任 务 和 系 统 时 钟 举 例 源 代 码 .1839.8 综

23、合 举 例 .1879.8.1 综 合 举 例 的 设 计 思 路 1879.8.2 综 合 举 例 的 源 代 码 190第 10 章 嵌 入 式 机 器 人 控 制 器 的 设 计 19610.1 基于 PC 的 机 器 人 控 制 系 统 19710.1.1 基于 DSP 的嵌入式网络直流伺服驱动器 .19710.1.2 PC 机与网络直流伺服驱动器的接口关系 19810.2 两 自 由 度 机 器 人 控 制 软 件 结 构 设 计 19910.2.1 G 代码编辑环境 20010.2.2 G 代码解析 20210.2.3 轨 迹 插 补 与 运 动 学 逆 解 .20310.3 机

24、器 人 控 制 .20310.3.1 两 自 由 度 机 器 人 控 制 软 件 的 实 现 .20410.3.2 运 动 轨 迹 仿 真 及 机 器 人 运 动 学 逆 解 的 实 现 .20510.3.3 机 器 人 控 制 的 实 现 20610.4 嵌 入 式 机 器 人 控 制 器 设 计 .20710.4.1 嵌 入 式 控 制 器 可 以 取 代 PC 机 吗 20710.4.2 嵌 入 式 机 器 人 控 制 器 的 结 构 .20810.4.3 嵌 入 式 机 器 人 控 制 器 应 用 程 序 设 计 .20810.4.4 菜 单 式 应 用 程 序 的 结 构 分 析 .

25、20910.4.4 用 嵌 入 式 控 制 器 实 现 机 器 人 控 制 .21110.4.5 嵌 入 式 控 制 与 网 络 直 流 伺 服 驱 动 器 的 通 信 接 口 .214目 录第 11 章 嵌 入 式 工 程 机 械 智 能 监 控 器 21711.1 工 程 机 械 简 介 .21711.1.1 中 国 的 工 程 机 械 21711.1.2 工 程 机 械 的 监 控 器 21811.2 基于 ARM 的 工 程 机 械 监 控 器 的 设 计 22011.2.1 监 控 器 的 硬 件 结 构 22011.2.2 监 控 器 的 功 能 及 相 关 函 数 .222附录

26、1 基 于 C/OS- 和 C/OS 的一些产品 .244附录 2 国 外 高 校 嵌 入 式 系 统 课 程 的 体 系 结 构 256参考文献 261嵌入式系统设计与实例开发6第 1 章 嵌入式系统概述随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于 我们每个人来说，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控 制的计算机“机器”。任何一个普通人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子 产品，小到 MP3、 PDA 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备等。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算

27、机。在工业 和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐 渐改变着传统的工业生产和服务方式。嵌入式系统 （Em bedded System） 是当 今最热门的概念之一， 然而到底什么是嵌入式系 统呢？什么样的技术可以称之为嵌入式系统技术呢？通过本章的学习，不仅可以回答以上 问题，同时还能够对嵌入式系统及其技术和应用有一个全面的了解。通过本章的学习，读者将了解以下内容： 什么是嵌入式系统 嵌入式系统的特点及分类 嵌入式系统的主要应用领域 嵌入式系统的发展趋势1.1 嵌 入 式 系 统 简 介1.1.1 什么是嵌入式系统在讨论嵌入式系统定义之前，先来看一看图 1-

28、1 所示的几个嵌入式系统的典型应用。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活中 的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大，使得难以给出 “嵌入式系统”一个明确的定义。举个简单例子： 一个手持的 MP3 是否 可以称为嵌入式系统呢？答案是肯定的。 那么一 个 PC104 的 微 型 工 业 控 制 计 算 机 是 嵌 入 式 系 统 吗 ？ 当 然 也 是 ， 工 业 控 制 是 嵌 入 式 系 统 技 术 的一个典型应用领域。然而比较两者，会发现除了其中都嵌入有微处理器，二者几乎完全 不同。那是否可以说嵌入有微处理器的设备就是嵌入式系统呢？

29、嵌入式系统设计与实例开发2机顶盒 火星车 PDA可视电话 机器人 SONY 机器狗图 1-1 使用嵌入式技术的各种设备那么到底什么是嵌入式系统呢？1 嵌 入 式 系 统 的 历 史 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从 2 0 世 纪70 年 代 单 片 机 的 出 现 到 今 天 各 式 各 样 的 嵌 入 式 微 处 理 器 、 微 控 制 器 的 大 规 模 应 用 ， 嵌 入 式系统已经有了近 30 年 的 发 展 历 史 。 作为一个系统， 往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机

30、的。20 世 纪 70 年 代 单 片 机 的 出 现 ， 使 得 汽 车 、 家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用 性能，更容易使用，更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这 时的应用只是使用 8 位 的 芯 片 ， 执 行 一 些 单 线 程 的 程 序 ， 还 谈 不 上 “系 统 ”的 概 念 。提示：最早的 8 位 单 片 机 是 Intel 公 司 的 8048， 它 出 现 在 1976 年 。 Motorola 同 时 推 出 了68HC05， Zilog 公 司 推 出 了 Z80 系 列 ， 这 些 早 期 的

31、单 片 机 均 含 有 256 字 节 的 RAM、4KB 的 ROM、 4 个 8 位 并 口 、 1 个 全 双 工 串 行 口 、 两 个 16 位 定 时 器 。 之 后 在 80 年代初， Intel 又进一步完 善了 8048， 在它的基础上研制成功了 8051， 这 在单片机的 历 史 上 是 值 得 纪 念 的 一 页 ， 迄 今 为 止 ， 51 系 列 的 单 片 机 仍 然 是 最 为 成 功 的 单 片 机 芯 片，在各种产品中有着非常广泛的应用。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

32、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） 。 这 个 实 时 内 核 包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支 持 、 内 存 管 理 等 功 能 。 此 后 一 些 公 司 也 纷 纷 推 出 了 自 己 的 嵌 入 式 操 作 系 统 ， 如 Integrated第 1 章 嵌入式系统概述 3System Incorporation （ ISI） 的 pSOS 和 WindRiver 的 VxWorks、 QNX 公司的 QNX 等

33、。 这 些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点： 它们均采用占先式的调度， 响应的时间很短， 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。这些嵌入式实时多任务操 作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也促使嵌入式有了更 为广阔的应用空间。90 年 代 以 后 ， 随 着 对 实 时 性 要 求 的 提 高 ， 软 件 规 模 不 断 上 升 ， 实 时 内 核 逐 渐 发 展 为 实 时 多 任 务 操 作 系 统 （ RTOS） ， 并 作 为 一 种 软 件 平 台 逐 步 成

34、 为 目 前 国 际 嵌 入 式 系 统 的 主 流 。 这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系 统。 除了上面的几家老牌公司以外， 还出现了 Palm OS、 Windows CE、 嵌入 式 Linux、 Lynx、 Nucleus 以及 国内的 Hopen、 Delta OS 等嵌入式操作系统。 随着嵌入式技术的发展前景日益 广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。图 1-2 给出了比较有代表性的嵌入式操 作系统。风河的 Tornado/VxWorks Palm 公司的 Palm OS微软的 Windows CE（ 引 自 ）图 1-2 各种嵌

35、入式操作系统今天 RTOS 已经在全球形成了 1 个 产 业 ， 根 据 美 国 EMF（ 电 子 市 场 分 析 ） 报 告 ， 1999 年全球 RTOS 市场产值达 3.6 亿 美 元 ， 而 相 关 的 整 个 嵌 入 式 开 发 工 具 （ 包 括 仿 真 器 、 逻 辑 分析仪、软件编译器和调试器）则高达 9 亿 美 元 。2 嵌 入 式 系 统 的 定 义根据 IEEE（ 国 际 电 气 和 电 子 工 程 师 协 会 ） 的 定 义 ， 嵌 入 式 系 统 是 “控 制 、 监 视 或 者 辅 助设备、机器和车间运行的装置”（原文为 devices used to contro

36、l, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。 这 主 要 是 从 应 用 上 加 以 定 义 的 ， 从 中 可 以 看 出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。嵌入式系统设计与实例开发4不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定 义是：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。可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：令 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向

37、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。令 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以及各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确 的定位。例如 Palm OS 之所以在 PDA 领域占有 70 以 上 的 市 场 ， 就 是 因 为 其 立 足于个人电子消费品， 着重发展图形界面和多任务管理； 而风河的 VxWorks

38、之所 以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。令 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，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，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进行。同时还应该看到，嵌入式系统本身还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， 而且有时很难给它下一个准确的定义。 现在人们讲嵌入式系

39、统时， 某种程度上是指近些年来比较热的具有操作系统的嵌入式系统， 本文在进行分析和展望时，也沿用这一观点。一 般 而 言 ， 嵌 入 式 系 统 的 构 架 可 以 分 成 四 个 部 分 （ 如 图 1-3 所 示 ） ： 处 理 器 、 存 储 器 、 输入/ 输出 （I /O） 和软件 （由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的， 在 这里对其不加区分，这也是嵌入式系统和 Windows 系统的最大区别）。软件输 入 处 理 器 输出存 储 器图 1-3 嵌入式系统的组成第 1 章 嵌入式系统概述 51.1.2 嵌入式系统的特点从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的

40、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 ， 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 5KB， 而 Windows 的内核则要大得多。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

41、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。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 高实时性的操作系统软件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。5 嵌入式软件开发要想走向标准化， 就必须使用多任务的操作系统。 嵌入式系统的应 用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用系统资 源、 系统函数以及专家库函数接口， 用户必须自行选配 RTOS（Real-T im

42、e 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。6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。 由于嵌入式系统本身不具备自主开发 能力，即使设计完成以后用户通常也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。1.1.3 嵌入式系统的分类由 于 嵌 入 式 系 统 由 硬 件 和 软 件 两 大 部 分 组 成 ， 所

43、 以 其 分 类 也 可 以 从 硬 件 和 软 件 进 行 划分。1 嵌 入 式 系 统 的 硬 件 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。目前， 世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过 1000 种， 流行体系结构包括 MCU、 MPU 等 30 多个系 列。 鉴于嵌入式系统广阔的发展前景， 很多半导体制造商都开始大规模生产嵌 入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单 片 机 、 DSP 到 FPGA， 品 种 越 来 越 多 ， 速 度 越 来 越 快 ， 性 能 越 来 越 强 ， 价 格 也 越 来 越 低 。

44、 目前嵌入式处理器的寻址空间可以从 64KB 到 16MB， 处 理 速 度 最 快 可 以 达 到 2000 MIPS， 封装从几个引脚到几百个引脚不等。嵌入式系统设计与实例开发6根 据 其 现 状 ， 嵌 入 式 处 理 器 可 以 分 成 下 面 几 类 1（ 如 图 1-4 所 示 ） ：图 1-4 嵌入式系统分类 嵌 入 式 微 控 制 器 （ MicroController Unit， MCU）嵌入式微控制器（如图 1-5 所示）的典型代表是单片机。从 20 世纪 70 年 代 末 单 片 机出现到今天， 虽然已经经过了 20 多年 的历史， 但这种位的电子器件目前在嵌入式设备中

45、仍 然 有 着 极 其 广 泛 的 应 用 。 单 片 机 芯 片 内 部 集 成ROM/EPROM、 RAM、 总 线 、 总 线 逻 辑 、 定 时 /计 数 器 、 看门狗、 I/O、 串行口、 脉宽调制输出、 A/D、 D/A、 Flash、EEPROM 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器 相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从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统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 图 1-5 MCU由于 MCU 低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的 包括

46、 8051、 MCS-251、 MCS-96/196/296、 P51XA、 C166/167、 68K 系 列以及 MCU 8XC930/931、C540、 C541， 并且有支持 I2C、 CAN-BUS、 LCD 及众多专用 MCU 和兼容 系列。 目前 MCU 占嵌入式系统约 70 的 市 场 份 额 。 近 来 Atmel 推出的 AVR 单片机由于集成了 FPGA 等器 件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 嵌入式 DSP 处 理 器 （ Digital Signal Processor， DSP） DSP 处理 器 （如图 1-6 所 示） 是专门用于信号处

47、理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计， 具 有 很 高 的 编 译 效 率 和 指 令 执 行 速 度 。 在 数 字 滤 波 、 FFT、 频谱分析等各种仪器上 DSP 获得了大规模的应用。DSP 的理 论 算法在 20 世 纪 70 年代就 已经出现， 但是由 于专门的 DSP 处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过 MPU 等由分立元件实现。 MPU 较低的处理速度无法满足 DSP 的算 法 要求 ， 其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技图 1-6 DSP领域。 随着 大规模集成电路技术的发展， 1982 年世界上诞生了首枚 DSP 芯片。 其运算速度第 1 章 嵌

48、入式系统概述 7比 MPU 快 了 几 十 倍 ， 在 语 音 合 成 和 编 码 解 码 器 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 至 80 年 代 中 期 ， 随 着 CMOS 技术的进步与发展，第二代基于 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生，其存储容量和 运算速度都得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到 80 年 代 后 期 ， DSP 的 运 算 速 度 进 一 步 提 高 ， 应 用 领 域 也 从 上 述 范 围 扩 大 到 了 通 信 和 计 算 机 方 面 。 90 年代后 ， DSP 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。目前最为广泛应用的是

49、 TI 的 TMS320C2000/C5000 系 列 ， 另 外 如 Intel 的 MCS-296 和Siemens 的 TriCore 也 有 各 自 的 应 用 范 围 。 嵌入式微处理器（MicroProcessor U nit， MPU） 嵌 入 式 微 处 理 器 （ 如 图 1-7 所 示 ） 是 由 通 用 计算机中的 CPU 演变而来的。 它的特征是具有 32 位 以上的处理器， 具有较高的性能， 当然其价格也相 应较高。 但与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入 式应用中， 只 保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬 件， 去除其他的冗余功能部分， 这样就以最低的功 耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 和工业控 制 计算机相比， 嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、 成本低、 可靠性高的优点。 目前主要的嵌入式处理器类型有 Am186/88、 386EX、 S