《嵌入式系统及其实践教程》课件课程讲义8_嵌入式系统软件与操作系统.ppt

1、第8章 嵌入式系统软件与操作系统8.1 嵌入式系统软件8.3 常用的嵌入式操作系统8.2 嵌入式操作系统8.4 C/OS-II操作系统介绍8.1 嵌入式系统软件8.1.1 嵌入式软件特点u1、独特的实用性u2、较高的安全性u3、灵活的适用性u4、可靠的小巧性8.1.1 嵌入式软件特点8.1.1 嵌入式软件特点8.1.2 嵌入式软件设计方法8.1.2 嵌入式软件设计方法1、无嵌入式操作系统的软件设计方法2、有嵌入式操作系统的软件设计方法1、无嵌入式操作系统的软件设计方法1）前后台系统1）前后台系统1）前后台系统2）中断（事件）驱动系统1、无嵌入式操作系统的软件设计方法2）中断（事件）驱动系统3）

2、巡回服务系统1、无嵌入式操作系统的软件设计方法3）巡回服务系统4）基于定时器的巡回服务方式1、无嵌入式操作系统的软件设计方法4）基于定时器的巡回服务方式2、有嵌入式操作系统的软件设计方法2、有嵌入式操作系统的软件设计方法1）2、有嵌入式操作系统的软件设计方法2）实2）实时系统2）实时系统2）实时系统2）实时系统2、有嵌入式操作系统的软件设计方法3）有利于系统的扩展和移植1、BSP的概念1、BSP的概念2、板级支持包设计的基本内容2、板级支持包设计的基本内容2、板级支持包设计的基本内容8.1.3 嵌入式软件层次与功能8.1.3 嵌入式软件层次与功能8.1.3 嵌入式软件层次与功能BSP主要功能为

3、屏蔽硬件，提供操作系统及硬件驱动，一般也将BSP作为操作系统一部分，具体功能包括：u 1、单板硬件初始化，主要是CPU的初始化，为整个软件系统提供底层硬件支持u 2、为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序u 3、定制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境u 4、初始化操作系统，为操作系统的正常运行做好准备。8.1.3 嵌入式软件层次与功能操作系统需要包含核心的功能，操作系统和中间件之间的差别在同一个系统中通常可以区分。根据各个系统实现和复杂性的不同，某些功能既可以放在操作系统中实现，也可以放在中间件中实现。中间件是比较底层的软件，通常只提供功能的接口，不实现具体的逻辑。对

4、于比较复杂的功能中间件通常也包含若干个层次，对于一些比较简单的功能，可以不经过中间件直接通过调用操作系统的接口完成。应用层程序处理的是不同程序之间的逻辑，也是不同的系统中差别最大的一个部分。即使是一个系统中，哪些软件是中间件，哪些是应用层，也不具有完全的区分。8.1.3 嵌入式软件层次与功能应用层程序按照功能通常可分为以下方面：u 1、系统方面u 2、文件系统u 3、协议栈u 4、GUI(图形用户界面)系统在不同的系统中，上述功能软件所处的层次可能是不同的，例如，在Windows和WindowsCE等操作系统中，包含系统管理、文件系统、协议栈、GUI系统。Linux操作系统包含系统管理、文件系

5、统协议栈，而无GUI系统。对于C/OS等简单的操作系统.只包含任务调度的内核，其他方面都需要单独移植。8.2 嵌入式操作系统操作系统是计算机系统中的系统软件，它是这样一些程序模块的集合:它们能有效地组织和管理计算机系统中的软硬件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。操作系统内核（Operating System Kernel）是操作系统中的核心部分，在多任务系统中，任务调度与切换、中断服务是操作系统内核提供的最基本的服务。操作系统内核为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。8.

6、2.1嵌入式操作系统的概念从技术角度上看，嵌入式系统是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。嵌入式操作系统是操作系统技术在嵌入式系统中的实现。它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。嵌入式操作系统嵌入在系统的目标代码中，系统复位并执行完BootLoader后执行，用户的其他应用程序都建立在操作系统之上。8.2.1嵌入式操作系统的概念u1、实时操作系统的基本概念u2、嵌入式实时

7、系统1、实时操作系统的基本概念实时系统(Real-Time System)是一种很特殊的系统，一般应用于嵌入式领域，与嵌入式系统有许多交集。但它与嵌入式系统有所区别。实时系统的核心特征是实时性。实时性的本质是任务处理所花费时间的可预测性，即任务需要在规定的时限内完成。在实时系统中的一个关键组成部分是实时操作系统(Real-Time Operating System，RTOS)。实时操作系统在实时系统中起着核心作用，整个实时系统是在实时操作系统的控制下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。1、实时操作系统的基本概念从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可以分为两种：u

8、 一般实时操作系统u 系统应用于实时处理系统的主机和实时在询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。u 嵌入式实时操作系统u 系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉编译开发环境来完成。1、实时操作系统的基本概念通常认为实时操作系统应具备以下几点。u 异步事件响应能力u 任务切换时间和中断延迟时间确定u 基于优先级的中断和抢占式调度u 内存锁定u 同步互斥实时操作系统也分为软实时操作系统和硬实时操作系统，不同的实时操作系统对于时限的要求是不一样的。从实践上说，软实时和硬实时之间的区别通常与系统的时间精度有关。2、嵌入式实时系统与一般的计算

9、机应用相比，嵌入式实时系统是具有高速处理、配置专一、结构紧凑和坚固可靠等特点的实时系统。实时性是嵌入式系统的一个重要特性。因此，嵌入式实时系统的相应软件系统也具有一定的特殊要求，内容如下所示。u 实时性u 有处理异步并发事件的能力u 快速启动并有出错处理和自动复位功能u 嵌入式实时软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序u 嵌入式实时软件的开发需要独立的开发平台8.2.2嵌入式操作系统特点与功能1、实时性实时性(timeliness)是嵌入式实时系统最基本的特点，也是RTOS必须保证的特性。RTOS的主要任务是对外部事件做出实时响应。虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件发生

10、时能够在严格的时限(称为“系统响应时间”，response time)内做出响应，即使在峰值负载下也应如此。系统响应时间超时可能就意味着致命的失败。1、实时性由于不同的实时系统对实时性的要求有所不同，实时性可以分为以下两类。u 1.硬实时(hard real-time)u系统对外部事件的响应略有延迟就会造成灾难性的后果，也就是说，系统响应时间必须严格小于规定的截止时间(deadline)。u 2.软实时(soft real-time)u系统对外部事件响应超时可能会导致系统产生一些错误，但不会造成灾难性后果，且大多数情况下不会影响系统的正常工作。对于RTOS而言，实时性主要由实时多任务内核的任务

11、调度机制和调度策略共同确保。不同的RTOS所提供的策略有所不同，有些支持硬实时性，有些只支持软实时性，但主流RTOS需要支持多种实时性。2、可确定性R T O S 的 一 个 重 要 特 点 是 具 有 可 确 定 性(deterministic)，即系统在运行过程中，系统调用的时间可以预测。虽然系统调用的执行时间不是一个固定值，但是其最大执行时间可以确定，从而能对系统运行的最好情况和最坏情况做出精确的估计。衡量操作系统确定性的一个重要指标是截止时间，它规定系统对外部事件的响应必须在给定时刻内完成。截止时间的长短随应用的不同而不同，可以从纳秒(ns)级、微秒(s)级直到分钟(min)级、小时级

12、、天级。2、可确定性在实时系统中，外部事件随机到达。但在规定的时序范围内，有多少外部事件可以到达却必须是可预测(可控)的。这是RTOS可确定性的第二种体现。可确定性的第三种体现是对系统资源占用的确定化。对大多数嵌入式系统，特别是硬实时系统而言，在系统开始运行前，每个任务需要哪些资源、哪种情况下(何时)占用资源都应是可预测的。在极端情况下，资源古用必须用静态资源分配表一列出。3、并发性4、高可信性不管外部条件如何恶劣，实时系统都必须能够在任意时刻、任意地方、任意环境下对外部事件做出准确响应。这就要求RTOS比通用操作系统更具可靠性(reliabiliy)、稳健性(robustness)和防危性(

13、safety)。这些特性统称为高可信性(high dependability)可靠性是指在=组特定条件下，系统在一一定时期内不发生故障的概率。它强调的是系统连续L作的能力，是一个“好”系统的必要指标。4、高可信性稳健性特别强调容错处理和出错自动恢复，确保系统不会因为软件错误而崩溃甚至出现灾难性后果。即使在最坏情况下，RTOS也应能够让系统性能平稳降级，最好能自动恢复正常运行状态。防危性研究系统是否会导致灾难发生，关心的是引起危险的软件故障。在实际应用中，它E要确保系统对外部设备的操作不出现异常，这一点在安全关键系统(如核电控制系统、航空航天系统)中尤为突出。5、安全性信息安全(security

14、)是目前Internet，上最热门的话题之一，其中很大一部分原因归结于基础网络设备(路由器、交换机等)的安全管理机制，其核心是保密。RTOS自然需婴从系统软件级就为嵌入式设备提供安全保障措施，关注外部环境对系统的恶意攻击，减少应用开发者的重复劳动。6、可嵌入性7、可剪裁性嵌入式系统对资源有严格限制，RTOS就不可能如桌面操作系统(Windows等)一样装载大量的功能模块，而必须对应用有极强的针对性。因此，RTOS必须具有可剪裁性(tailorability)，即组成RTOS的各模块(组件)能根据不同应用的要求合理剪裁，做到够用即可。8、可扩展性8.2.3嵌入式操作系统的体系结构RTOS所采用的

15、体系结构主要包括以下结构：u1、单块结构u2、层次结构u3、微内核结构u4、构件化结构u5、其他体系结构1、单块结构1、单块结构1、单块结构1、单块结构2、层次结构2、层次结构3、微内核结构3、微内核结构3、微内核结构3、微内核结构4、构件化结构4、构件化结构5、其他体系结构从实际使用情况看，嵌入式操作系统的体系结构还有其他一些形式，如多内核结构等。许多传统的操作系统(如Linux)在设计之初并没有专门考虑对实时性、安全性、可靠性等的支持。这些操作系统发展至今，已经使用了大量的前端技术，大大增强了操作系统的功能和性能。但在嵌入式环境中出现了一个明显的问题:如何使用这些操作系统解决方法有两种:一

16、种是改写操作系统内核，提供实时性、安全性、可靠性等所需要的支持:另一种就是采用多内核结构，通过这种方式，可以使实时任务和非实时任务都得到有效处理。5、其他体系结构多内核结构如下图所示。5、其他体系结构多内核结构是一种双核操作系统的概念结构。其中，原操作系统的基本功能作为非实时内核直接存在，它是实时内核上的一个独立任务，具有较低的优先级:而实时任务的处理完全交给新的实时内核，具有较高的优先级。这样，任务可以根据性质提交给不同的内核执行，既保证了系统的实时性，又不浪费操作系统本身具有的资源。双核结构的一个典型应用是嵌入式实时Linux操作系统RTLinux。8.3 常用的嵌入式操作系统8.3.1常用的嵌入式操作系统u 1、嵌入式Linuxu 2、VxWorksu 3、Windows CEu 4、Nucleus PLUSu 5、C/OS-IIu 6、Symbian OSu 7、QNX1、嵌入式Linux2、VxWorksVxWorks是一种嵌入式实时操作系统，由WindRiverSystem公司开发。VxWorks支持主流32位CPU包括x86、68k、ColdFire，PowerPC.MI