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第一章ARM和嵌入式系统介绍1n嵌入式系统的应用可以说无处不在，渗透到了我们生活的每一个角落。只要我们是学习电类专业的，可以说离不开嵌入式系统。n与嵌入式系统相关的知识与内容非常广泛，可以通过多种渠道获取，本章仅仅起到画龙点睛、抛砖引玉的作用，引导初学者入门。本章导读2目录目录1.1 ARM微处理器概述微处理器概述1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4 作业作业31.1 ARM微处理器概述微处理器概述1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4 作业作业目录目录4n1.1.1 ARM简介简介1.1 ARM微处理器概述 ARM ARM是是A Advanced dvanced R RISC ISC MMachinesachines的缩写，它是一的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高家微处理器行业的知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的性能、廉价、耗能低的RISCRISC（Reduced Instruction Reduced Instruction Set ComputerSet Computer，精简指令集计算机）处理器。，精简指令集计算机）处理器。公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEMOEM厂商，并提供服务。厂商，并提供服务。ARMARM可以认为是公司名，也可以认为是一种技可以认为是公司名，也可以认为是一种技术，还可以认为是一类处理器芯片。术，还可以认为是一类处理器芯片。5将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片.目前，全世界有几十家大型半导体公司都使用目前，全世界有几十家大型半导体公司都使用ARMARM公司的公司的授权，因此既使得授权，因此既使得ARMARM技术获得更多的第三方工具、制造、软技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易被消费者件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易被消费者所接受，更具有竞争力。所接受，更具有竞争力。61.ARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域n工业：各种数控设备工业：各种数控设备n无线通信领域无线通信领域n网络应用网络应用n消费领域：手机、平板电脑、数码相机，智能消费领域：手机、平板电脑、数码相机，智能家电、等等家电、等等n此外：安防、车载、医疗器械、通信设备此外：安防、车载、医疗器械、通信设备n1.1.2 ARM微处理器的应用领域及特点微处理器的应用领域及特点72.ARM微处理器的特点微处理器的特点n体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；n支持支持Thumb（16位）位）/ARM（32位）双指令集，位）双指令集，能很好地兼容能很好地兼容8位位/16位器件；位器件；n大量使用寄存器，指令执行速度很快；大量使用寄存器，指令执行速度很快；n大多数数据操作都在寄存器中完成；大多数数据操作都在寄存器中完成；n寻址方式灵活简单，执行效率高；寻址方式灵活简单，执行效率高；n指令长度固定（指令长度固定（32位或位或16位）。位）。8n1.1.3 ARM微处理器系列微处理器系列 ARM ARM公司开发了很多系列的公司开发了很多系列的ARMARM处理器核，目前最处理器核，目前最新的系列是新的系列是CortexCortex，而，而ARM6ARM6核以及更早的系列已经很核以及更早的系列已经很罕见了。当前应用比较多的罕见了。当前应用比较多的ARMARM处理器核系列有：处理器核系列有：V4T版本V6版本V7、V8版本V5TE版本T变量代表支持变量代表支持16位位Thumb指令集；指令集；E变量代表增强型（变量代表增强型（Enhanced）DSP算法指令。算法指令。ARM7ARM9ARM10EStrongARMARM11CortexARM9EXscaleIntel9 ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，基于ARM V7、V8版本的ARM Cortex系列产品由A、R、M三个系列组成，具体分类延续了一直以来ARM面向具体应用设计CPU的思路。ARM CortexA应用处理器（Application Processor）系列 R实时控制处理（Real Time Control）系列M微控制器（Micro Controller）系列101.ARM7微处理器系列n该系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbeddedICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。nARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。112.ARM9微处理器系列n该系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。除了兼容ARM7系列，而且能够更加灵活的设计。nARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统和机顶盒等领域。123.ARM Cortex-A8处理器介绍n该处理器是ARM公司所开发的基于ARM v7架构的首款应用级处理器，其特色是运用了可增加代码密度和加强性能的技术、可支持多媒体以及信号处理能力的NEONTM技术、以及能够支持Java和其他文字代码语言的提前和即时编译的JazelleRTC技术。n众多先进的技术使其适用于家电以及电子行业等各种高端的应用领域。134.Cortex-M3n该处理器是首款基于ARMv7-M架构的处理器，采用了纯Thumb-2指令的执行方式（不支持ARM指令集），具有极高的运算能力和中断响应能力。nCortex-M3主要应用于汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域。目前最便宜的基于该内核的ARM单片机售价为1美元。n本课程介绍的Cortex-M3内核的STM32系列微控制器，价格低，性能高，价格230余元，为占领单片机市场而设计，内置高达112个GPIO、512KB FlashROM，64KB RAM、USB主机/从机、5个USART、SSP、IIC、SPI、CAN、3个12位A/D、D/A、8个16位定时器、PWM、RTC，3.3V电源，三级流水线，CPU速度高达72MHz。14 有两种处理器结构：CISC与RISC CISC：大多数PC机处理器（Intel、AMD），8051单片机，RISC：两大主流，MIPS公司的MIPS和ARM公司的ARM。ARM微控制器，MSP430单片机，AVR单片机，MIPS处理器，传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机)随着计算机技术的发展，不断引入新的指令，为支持这些指令，计算机的结构越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令使用率达到80%，而其他80%指令却很少使用，显然，这种结构不合理。基于以上不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念，RISC并非简单的减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。n1.1.4 ARM微处理器结构微处理器结构1.RISC体系结构15 RISC（Reduced Instruction Set Computer）是精简指令集计算机的缩写，其目标是设计出在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。ARM内核采用RISC体系结构，因此具有RISC的结构特点：采用固定长度的指令格式，指令规整、简单，基本寻址方式有23种；使用单周期指令，便于流水线操作执行；具有大量的通用存储器，数据处理指令只对寄存器操作，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；装载/保存指令对数据的批量传输，实现最大数据吞吐量;每条数据处理指令可同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，实现ALU和移位器的最大利用；使用地址自增和自减的寻址方式优化程序循环；大多数指令的条件执行，实现最快速的代码执行。16指标RISCCISC指令集指令数量通常少于100；较少的寻址方式；指令长度固定，一般为4字节；一个周期执行一条指令；通过简单指令的组合实现复杂操作指令数量多；较多的寻址方式；指令长度不固定，一般为115字节；有的指令需要多个周期；有专用的指令来完成特殊的功能寄存器更多通用寄存器用于特定目的的专用寄存器操作独立的Load和Store指令完成数据在寄存器和存储器之间的传输，只能对寄存器进行算术和逻辑操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作编译采用优化编译技术，可以生成高效的目标代码程序难以用优化编译器生成高效的目标代码程序RISC与与CISC之间主要的区别之间主要的区别172.ARM微处理器的寄存器结构n传统的ARM处理器共37个寄存器，被分为若干个组（bank），包括：31个通用寄存器：R0R156个状态寄存器：1个CPSR和5个SPSRnCortex-M3有22个寄存器，仅SP分组，更简单。18寄存器寄存器类别类别寄存器在汇寄存器在汇编中的名称编中的名称各模式下实际访问的寄存器各模式下实际访问的寄存器用户用户系统系统管理管理中止中止未定义未定义中断中断快中断快中断通通用用寄寄存存器器和和程程序序计计数数器器R0(a1)R0R1(a2)R1R2(a3)R2R3(a4)R3R4(v1)R4R5(v2)R5R6(v3)R6R7(v4)R7R8(v5)R8R8_fiqR9(SB,v6)R9R9_fiqR10(SL,v7)R10R10_fiqR11(FP,v8)R11R11_fiqR12(IP)R12R12_fiqR13(SP)R13R13_scvR13_abtR13_undR13_irqR13_fiqR14(LR)R14R14_svcR14_abtR14_undR13_irqR14_fiqR15(PC)R15状态状态寄存器寄存器CPSRCPSRSPSRSPSR_svcSPSR_abtSPSR_undSPSR_irqSPSR_fiq传统传统ARM处理器处理器37个寄存器及其分组情况（课本图个寄存器及其分组情况（课本图2.1）19Cortex-M3处理器的寄存器及其分组情况处理器的寄存器及其分组情况20nARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中ARM指令为32位长度，Thumb指令为16位长度，是ARM指令集的压缩子集；nARM v7架构的Cortex系列支持高性能紧凑型Thumb-2指令集，Thumb-2是Thumb指令集的扩充；nCortex-A系列和Cortex-R系列支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集；nCortex-M系列只支持Thumb-2指令集，不支持ARM指令，兼容Thumb指令，Cortex-M3（ARM v7-M架构）支持Thumb-2的子集，不支持所有的Thumb-2指令。3.ARM微处理器的指令结构21ARM、Thumb-2、Thumb指令集性能和代码大小对比：指令集性能和代码大小对比：100806040200100806040200ARMThumb-2Thumb性能比较性能比较代码大小比较代码大小比较ARM性能高，但代码密度低；性能高，但代码密度低；Thumb代码密度高，是压缩形式的代码密度高，是压缩形式的ARM的子集，性能低；的子集，性能低；Thumb-2性能接近性能接近ARM，比，比Thumb快快25%，代码密度接近，代码密度接近Thumb，比，比ARM小小26%。22n1.1.5 ARM微处理器的应用选型微处理器的应用选型自学231.1 ARM微处理器概述微处理器概述1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4 作业作业目录目录241.2 嵌入式系统的概念n1.2.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语反映了这些嵌入式系统通常是更大系统中的一个完整部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。汽车控制系统如下页图所示。25n嵌入式系统示例汽车控制系统26马达控制器车灯尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统n嵌入式系统示例汽车控制系统271.嵌入式微处理器（单板计算机）嵌入式微处理器（单板计算机）CPUROMRAM外设1外设2单板计算机 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。n1.2.2 嵌入式系统发展过程嵌入式系统发展过程28 嵌入式微控制器又称单片机单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。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，因此称微控制器微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。2.嵌入式微控制器（单片机）嵌入式微控制器（单片机）MCU复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核29 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。TMS320系列处理器包括用于控制的 C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。3.嵌入式处理器嵌入式处理器DSP处理器处理器304.嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SoC）（）（System on Chip）（）（ARM也属于也属于SoC系统）系统）随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System on Chip(SoC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SoC，可用于公众互联网如Internet安全方面。311.1 ARM微处理器概述微处理器概述1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4 作业作业目录目录32n1.3.1 概述概述计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。1.3 嵌入式操作系统33监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中342024/3/6 周三35监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点36操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。硬件硬件驱动操作系统用户程序n1.3.2 操作系统操作系统37 实时操作系统（RTOS，Real-Time Operating System），是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，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。n1.3.3 实时操作系统（实时操作系统（RTOS）“实时”指系统必须在严格的时限内对随机事件作出正确的响应，即使在尖峰负荷下，也应如此，响应的超时即意味着致命的失败。38n目前国际较知名的实时操作系统有：WindRiver的“VxWorks”、QNX的“NeutrinoRTOS”、Accelereted Technology的“Nucleus Plus”、Radisys的“OS/9”、Mentor Graphic的“VRTX”、Lynux Works的“LynuxOS”，以及Embedded Linux厂商所提供的Embedded Linux版本，如Lynux Works的“BlueCat RT”等。n主要应用于航空航天、国防、医疗、工业控制等领域，这些领域的设备需要高度精确的实时操作系统，以确保系统任务的执行不会发生难以弥补的意外。391.实时操作系统的特点实时操作系统的特点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40n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。n从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一一般实时操作系统般实时操作系统和嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统。n n一般实时操作系统一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查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。n n嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作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开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K几十K 内)、可固化、实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。412.使用实时操作系统的必要性使用实时操作系统的必要性嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。使用实时操作系统主要有以下几个因素：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性；提高了开发效率，缩短了开发周期；嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。423.实时操作系统的优缺点实时操作系统的优缺点优点优点：在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。缺点缺点：但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，25%的CPU额外负荷，以及内核的费用。43n通用型操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作系统，相当没有那么严格。n目前较知名的有Microsoft的“Windows CE”、Palm source的“Palm OS”、Symbian的“Symbian OS”，以及Embedded Linux厂商所提供的Embedded Linux版本，如Metrowerks的“Embedix”、TimeSys的“TimeSys Linux/GPL”、LynuxWorks的“BlueCat Linux、PalmPalm的“Tynux”等。n主要应用于手持式设备、各式联网家电、网络设备等领域。n1.3.4 通用型操作系统通用型操作系统44n1.3.5 嵌入式操作系统常见的几个基本概念嵌入式操作系统常见的几个基本概念对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。在另外一些基于微处理器应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。1.前、后台系统前、后台系统45中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务程序来保证的。循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为，后台也可以叫做任务级。这种系统在处理的及时性上比实际可以做到的要差。ISRISRISRISR后台前台中断服务程序时间前、后台系统任务1任务2任务4任务346代码的临界区也称为临界区，指处理时不可分割的代码，运行这些代码不允许被打断。一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入（这不是绝对的，如果中断不调用任何包含临界区的代码，也不访问任何临界区使用的共享资源，这个中断可能可以执行）。为确保临界区代码的执行，在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完成以后要立即开中断。2.代码的临界区（代码的临界区（critical section）47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。3.资源资源48任务A共享资源任务B任务C信号量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（mutualexclusion）。4.共享资源共享资源访问共享资源之前申请信号量其它任务访问受阻而不能使用共享资源得到允许后，才能使用共享资源49一个任务，也称作一个线程，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。5.任务任务(task)50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。6.任务切换（任务切换（Context-Switching）51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25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。7.内核（内核（kernel）52调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非占先式的还是占先式的内核。8.调度（调度（scheduler/dispatcher）53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。9.非占先式内核非占先式内核54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。10.占先式内核（占先式内核（preemptive）55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。11.任务优先级（任务优先级（priority）56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。12.中断中断57前后台系统ISR任务ISR非占先操作系统任务A任务B任务CISR占先操作系统任务A任务B任务C不同系统的中断过程不同系统的中断过程58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。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。13.时钟节拍（时钟节拍（clock tick）59Clinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码。uClinux从Linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)的处理器，例如ARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。它保留了Linux的大部分优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的APIAPI等等。注意：LINUX2.6版本已可以在没有MMU的处理器上运行。n1.3.6 常见的嵌入式操作系统1.嵌入式嵌入式Linux 2009年10月28日正式发布的基于Linux开放性内核的操作系统 Android，2011年初数据显示，Android已经超越称霸十年的塞班系统，使之跃居全球最受欢迎的智能手机平台。60WindowsCEWindowsCE是微软开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，它是精简的Windows95。WindowsCE的图形用户界面相当出色。WinCE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口以及与处理器无关等特点。WinCE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在WinCE平台上可以使用Windows95/98上的编程工具（如VisualBasic、VisualC+等）、使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在以在WindowsCEWindowsCE平台上继续使用。平台上继续使用。2.Win CE61C/OS-II是一个源码公开、可移植（portable）、可固化（ROMable）、可裁剪（scalable）、占先式（preemptive）的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。C/OS-II通过了联邦航空局（FAA）商用航行器认证。自1992年问世以来，C/OS-II已经被应用到数以百计的产品中。C/OS-II占用很少的系统资源，并且在高校教学使用是不需要申请许可证。3.C/OS-II624.VxWorksVxWorks操作系统是美国公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。63neCos是RedHat公司开发的源代码开放的嵌入式RTOS产品，是一个可配置、可移植的嵌入式实时操作系统，设计的运行环境为RedHat的GNUPro和GNU开发环境。eCos的所有部分都开放源代码，可以按照需要自由修改和添加。eCos的关键技术是操作系统可配置性，允许用户组合自己的实时组件和函数以及实现方式，特别允许eCos的开发定制自己的面向应用的操作系统，使eCos能有更广泛的应用范围。5.eCos64nTRON是指“实时操作系内核（The Real-time Operating system Nucleus）”，它是在1984年由东京大学的Sakamura博士提出的，目的是为了建立一个理想的计算机体系结构。通过工业界和大学院校的合作，TRON方案正被逐步用到全新概念的计算机体系结构中。nuITRON是TRON的一个子方案，它具有标准的实时内核，适用于任何小规模的嵌入式系统，日本国内现有很多基于该内核的产品，其中消费电器较多。目前已成为日本事实上的工业标准。nTRON明确的设计目标使其甚至比Linux更适合做嵌入式应用，内核小，启动速度快，即时性能好，也很适合汉字系统的开发。另外TRON的成功还来源于如下两个重要的条件：（1）它是免费的；（2）它已经建立了开放的标准，形成了较完善的软、硬件配套开发环境，较好地形成了产业化。6.uITRON651.1 ARM微处理器概述微处理器概述1.2 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.4 作业作业目录目录66作业n1.什么是嵌入式系统？嵌入式系统有哪些应用？n2.什么是嵌入式处理器？嵌入式处理器分为哪几类？n3.说明使用实时操作系统的必要性。672024/3/6 周三68