Nucleus嵌入式实时操作系统设计.docx
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Nucleus嵌入式实时操作系统设计
一、MentorGraphicsESD公司简介
二、Nucleus操作系统的特点
三、源代码操作系统的优势
四、Nucleus操作系统开发环境的配置
五、Nucleus的网络浏览器（WebBrowse）介绍
六、Nucleus操作系统的应用领域及在国内外的用户
七、Nucleus操作系统的成功案例
1、Nucleus操作系统在通讯设备上的应用
●以Nucleus操作系统为核心的路由器方案
2、Nucleus操作系统在消费类电子产品上的应用
●Nucleus操作系统和MPC860平台开发机顶盒
●Nucleus操作系统与ARM7构成POS系统
●Nucleus操作系统与ARM7构成PDA
3、Nucleus操作系统在医疗仪器上的应用
4、Nucleus操作系统在电力系统上的应用
5、Nucleus操作系统在美国军方的应用举例
一、MentorGraphicsESD公司简介
●公司全称：
MentorGraphicsEmbeddedSoftwareDivision
●MentorGraphicsGroup成立于1981年，全球雇员超过4000人，为全球领先的EDA工具提供商；ESD是MentorGraphics公司内专注于嵌入式开发工具的部门，产品包括:
NucleusRTOS,CodeBenchIDE,InflexionUIDesignTools等，全球雇员超过200人；
●ESD总部美国Alabama州的Mobile
●在美国的加利佛尼亚，德克萨斯，马塞诸塞，佛罗里达以及田纳西等设有分支机构
●在英国、法国和德国设有分支机构
●在日本、韩国、澳大利亚、台湾、中国、意大利和俄罗斯等国设有代理商
●1990年推出Nucleus实时多任务操作系统
●1993年成为MOTOROLA推荐的四大RTOS厂商之一
●1994年推出全球唯一的MNT虚拟开发平台
●1994年推出全球唯一的VNET网络化虚拟平台
●1994年成功地推出Java和RTOS产品
●1995年成为全球第一大源代码RTOS厂商
●1996年选定旋极科技公司为其中国大陆及香港地区独家代理商
二、NucleusPLUS的特点：
NucleusPLUS是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核，其95％的代码是用ANSIC写成的，因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。
从实现角度来看，NucleusPLUS是一组C函数库，应用程序代码与核心函数库连接在一起，生成一个目标代码，下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。
在典型的目标环境中，NucleusPLUS核心代码区一般不超过20K字节大小。
NucleusPLUS采用了软件组件的方法。
每个组件具有单一而明确的目的，通常由几个C及汇编语言模块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是通过这些接口完成的。
除了少数一些特殊情况外，不允许从外部对组件内的全局进行访问。
由于采用了软件组件的方法，NucleusPLUS各个组件非常易于替换和复用。
NucleusPLUS的组件包括任务控制、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器及I/O驱动等。
Nucleus具有如下特点：
1、提供源代码
NucleusPLUS提供注释严格的C源级代码给每一个用户。
这样，用户能够深入地了解底层内核的运作方式，并可根据自己的特殊要求删减或改动系统软件，这对软件的规范化管理及系统软件的测试都有极大的帮助。
另外，由于提供了RTOS的源级代码，用户不但可以进行RTOS的学习和研究，而且产品在量产时也不必支付License，可以省去大量的费用。
对于军方来说，由于提供了源代码，用户完全可以控制内核而不必担心操作系统中可能会存在异常任务导致系统崩溃。
2、性价比高
NucleusPLUS由于采用了先进的微内核（Micro-kernel）技术，因而在优先级安排，任务调度，任务切换等各个方面都有相当大的优势。
另外，对C++语言的全面支持又使得NucleusPLUS的Kernel成为名副其实的面向对象的实时操作系统内核。
然而，其价格却比较合理。
所以，容易被广大的研发单位接受。
3、易学易用
NucleusPLUS能够结合CCS，RVDS以及MENTORGRAPHICSESD自己的多任务调试器组成功能强大的集成开发环境，配合相应的编译器和动态联结库以及各类底层驱动软件，用户可以轻松地进行RTOS的开发和调试。
另外，由于这些集成开发环境（IDE）为所有的开发工程师所熟悉，因而，容易学习和使用。
4、功能模块丰富
NucleusPLUS除提供功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富的功能模块。
例如用于通讯系统的局域和广域网络模块，支持图形应用的实时化Windows模块，支持Internet网的WEB产品模块，工控机实时BIOS模块，图形化用户接口以及应用软件性能分析模块等。
用户可以根据自己的应用来选择不同的应用模块。
NucleusPLUS支持的CPU类型：
NucleusPLUS的RTOS内核可支持目前嵌入式市场上通用的处理器架构，包括ARM架构处理器，PPC系列处理器，ColdFire系列处理器，MIPS架构处理器等。
可以说NUCLEUS是嵌入式领域里支持CPU类型最丰富的实时多任务操作系统。
针对各种嵌入式应用，NucleusPLUS还提供相应的网络协议（如TCP/IP，SNMP等），以满足用户对通讯系统的开发要求。
另外，可重入的文件系统、可重入的C函数库以及图形化界面等也给开发者提供了方便。
针对不同的CPU类型，Nucleus还提供编译器、动态连接库、多任务调试器等相应的工具来配置用户的开发环境。
值得提出的是MENTORGRAPHICSESD公司最近兼并了CodeSourcery公司，推出了新的IDE工具CodeBench,提供给工程师们强大的开发手段。
三、源代码带来的优势
众所周知，Nucleus实时多任务操作系统提供给用户源代码。
这除商务上给用户带来巨大益处（免交Royalty）外，还在技术方面给用户极大的方便，即无需编写和调试BSP，从而达到易学易用的目的，加速产品上市。
对RTOS有一定知识的工程师一定清楚，使用RTOS最大的障碍在于编写和调试BSP。
大家知道，在调试目标系统的软件之前，必须将目标与主机连接起来并建立通讯。
为此，我们可以编写一段监控程序（Monitor）。
然而，如果要调试基于RTOS内核的程序，主机上的调试器（Debugger）除要与目标建立通讯外，更重要的是必须识别RTOS的任务，这样才能进行任务级调试（Task-awareDebugger）。
因此，只有Monitor是不够的。
如果我们选用的RTOS不提供源代码，那么，主机上的调试器（Debugger）就只有通过用户编写的BSP来了解Kernel在现有硬件平台上对各个任务进行调度的情况。
显然，编写BSP必须对CPU目标系统的硬件以及应用软件等有全面而深入的了解。
一般说来，对于一个有一定硬件开发经验的工程师来说，编写一个新的BSP要花的平均时间为两个月左右。
这对于一个新手来说可是比较困难的。
对于编写BSP的工程师来说，另外一个更大的挑战就是如何调试BSP，即如何验证所编写的BSP是否正确。
通常刚刚焊接安装好的PCB板中，硬件或软件的故障（Bugs）是比较多的。
甚至更常见的是CPU部分都没有运作正常。
有时时序错误和总线错误都还存在。
在您把写好的BSP烧入EPROM（或FLASH）中试图将目标与主机建立联系时，您几乎100%地会发现根本无法通讯，眼前一团漆黑，不知是软件有错误还是硬件不运转。
BSP在正常运行吗？
不得而知。
在焦急和摸索中您可能发现几个月已悄然而过。
对于早期的实时操作系统来说，BSP是必由之路。
然而，新一代的RTOS-NucleusPLUS则避免了BSP带来的痛苦过程。
因为Nucleus的调试是基于全新的动态连接库（DLL）。
用户只须通过监控程序（Monitor）或者BDM调试口（或者JTAG调试口）建立目标系统（Target）与主机（Host）之间的通讯，并给主机上的Debugger初始化特性中加入Nucleus的动态连接库（DLLs），这时，调试器就能够自动地去识别运行在目标系统中的Nucleus内核和各个应用任务，从而完成任务级调试。
上述的动态连接库（DLLs）是由RTOS厂商和Debugger厂商合作完成的，用户无须自行编写。
因此，Nucleus的用户只需要将精力放在基于Nucleus的编程工作中。
对于一个新手，往往经过一天到两天的学习和培训，就可以投入到应用程序编制工作中去，无需花大量的时间去研究CPU，特定的硬件等。
另外，由于有了源程序，用户在调试程序时可以清楚地通过STEPINTO命令，追踪到RTOS的内层中去，观看和学习Kernel对任务的管理和调度机制。
对于有志研究RTOS深层技术的工程师来说极为方便。
结论：
动态连接库（DLL）是在RTOS工具中新出现的应用趋势，通过这种方式，用户可以免去BSP带来的麻烦，灵活方便地进行开发和调试，大大加速开发进度。
Nucleus实时操作系统提供源代码，支持丰富的CPU种类，配合各类DLL动态连接库，为使用和研究RTOS技术的工程带来极大的利益。
四、Nucleus的环境配置
MENTORGRAPHICSESD公司（EmbeddedSoftwareDivision）推出的NucleusPLUS实时多任务操作系统以其微内核技术，原代码提供及广泛的CPU支持种类和易学易用等特点得到了国内众多用户的认可。
目前，NucleusPLUS实时多任务操作系统在国内的通讯，医疗，控制及数据处理等领域得到了大量的应用。
为了使广大的嵌入式应用工程师对NucleusRTOS的开发环境及其配置有一个更全面的了解，我们在此以应用较多的ARM系列CPU的开发环境为例，对NucleusRTOS作一个较全面的介绍。
NucleusPLUS对ARM系列CPU的开发环境：
五、Nucleus的动态下载功能
对于嵌入式领域的开发工程师来说，任何一种能够提供特殊功能的开发工具都将给自己的产品带来新的竞争优势。
具有动态下载功能的NucleusPLUS便是这样一种工具，它能够随时更改您所开发的正在运行的系统的功能。
Nucleus动态下载功能能够让开发者随时进行系统的升级而不影响系统目前的运作情况。
开发者只需通过串行I/O口将目标系统与主机连接起来，即可完成这一功能。
所谓动态下载功能是运行在NucleusPLUS实时多任务操作系统环境中的一个任务，它既可以作为一种命令解释器，又可以作为下载应用程序的管理器，用户通过这种功能可以将单个或者多个新的应用任务通过串行I/O口送入目标系统中，引导系统管理程序来使任何改动的系统配置生效。
由于系统管理程序本身就是一个任务，可以通过设定优先级来使它不至于抢占系统中其他时序悠关（Time-Critical）的任务。
当系统管理下载一个新的应用任务程序时，Nucleus所有的函数调用均被映射回内核（Kernel）。
Nucleus的这种给内核函数定位的能力使得其动态下载功能成为一种强有力的开发工具。
动态下载对环境的要求:
动态下载对运行环境有几个基本的要求。
首先是对于编译、定位工具。
它要求所用工具能够生成绝对地址代码。
出于对可移植性的考虑，所用工具最好也能生成与地址相关的代码。
这就是说，对于PowerPC860，某些寄存器必须用作代码段和数据段的偏移量寄存器。
因此，将Nucleus的内核生成为地址相关的代码模块是很有益处的。
另外，目标系统必须留出串口以便与主机进行通讯。
目前版本的动态下载功能利用了PowerPC860MBX板上的串行口。
当然，对于其他的接口，例如以太网口，只须作很小的改动。
通过串行I/O口的最大下载速度为57600。
许多常用的工具软件，例如Terminal，HyperTerminal和PCplus均可用来建立目标与主机的通讯。
结论：
利用Nucleus的动态下载功能，可以使基于NucleusPLUS的嵌入式系统具有很强的灵活性，您可以在不影响系统的运行状态下，执行、增加或者删除新的应用任务，从而大大缩短产品上市的时间。
另外，利用这种功能，您除能够随时保证您的系统处在最高性能之外，还可以随时对系统进行动态检测和维护。
NucleusWebBrowse的工作机制
NucleusWebBrowse是一种基于NucleusGRAFIX（MENTORGRAPHICSESD的艺术级图形化软件包）的自包含的网络化的显示浏览工具，它通过NucleusNET嵌入式TCP/IP通信协议包来处理通讯。
NucleusWebBrowse通过请求，利用HTTP传输协议联络用户和网络服务器。
当你提供一个URL地址给浏览器时，浏览器会向远端的网络服务器发出HTTP申请，请求URL页面。
该页面通常为一个HTML文件。
在收到这个HTML文件之后，NucleusWebBrowse便将它进行分解并显示在视屏上。
显示特征
当你得到NucleusWebBrowse的时候，你同时得到了其全部的源代码。
由于它是基于Nucleus的GRAFIX图形包，这样，你就可以随意地裁剪和编辑NucleusWebBrowse的视窗界面和风格。
NucleusWebBrowse包含了大量的特征来使信息显示简便易行。
其中的某些特征如行模式等，能够提供字符显示，LCD或PLASMA字符矩阵，彩色或灰阶显示，并支持任何基于像素的显示屏。
由于没有内部的解晰度限制，NucleusWebBrowse能够利用其图形缩放算法来显示适应各种尺寸显示屏的HTML页面。
它还专为小屏幕显示进行了优化，提供多种特征来减轻处理小屏幕显示的痛苦，图象可以被压缩或按比例减小来适应此类情形。
用户界面
NucleusWebBrowse可移植到NucleusNET的TCP/IP协议栈，能够支持HTTP1.0版本。
基本的NucleusWebBrowse界面被装入到一个图形化的HTML视窗中。
其中包括水平滚动条和垂直滚动条以适应网络服务器提供的大幅面文件的显示。
目前能够兼容HTML3.2版本，具有网络配置和连接（DNS，PPP，SLIP等）的功能以及脱机的HTML加载功能；通过SMTP和POP3来支持电子邮件（email）的接入；通过FTP用户端模块来支持FTP文件的下载。
NucleusWebBrowse的应用层包括获取和显示外来信息的用户界面及机器界面的全部功能。
这些外来信息既可从本地的软驱获得，也可从外部的网站上获得。
NucleusWebBrowse能够接收用户从鼠标、键盘或触摸屏上输入的信息。
当它运行在基于NucleusGRAFIX环境的视窗中时，鼠标请求或其他视窗中的任务仍可以执行而不被阻断。
NucleusWebBrowse首先装载被申请的HTML页面，接着分解模块将该HTML页面解析成各种可翻译的目标码和页面特征（如尺寸、格式及颜色等）并将它们放置到一个显示序列中。
与此同时，翻译模块开始进行文本翻译，它将寻找到所有可翻译的目标码并令它们进入到NucleusWebBrowse的I/O模块中。
当所有这些目标码均被翻译和显示之后，NucleusWebBrowse的视窗上就会显示“DONE”的字样。
图像支持
NucleusWebBrowse可运行在彩色和黑白屏幕上，它能够支持彩色的GIF和JPEG图像。
其格式则包括NucleusGRAFIX提供的均衡格式和固定格式。
分解器首先将摘录HTML文件中的标记符并将它们与相关的目标进行比较。
无论这些文件是文本文件、连接文件还是图像文件，分解器均将这些信息填充在GUI的目标序列中。
接着，它又将这些目标序列交给翻译器，由翻译器来辨别目标码的类型。
如果目标为文本文件或连接文件，翻译器就将它们交给GUI。
当翻译器检查完序列全部内容并将其交由GUI显示出来之后，翻译器将会再次检查目标序列，这一次它将摘录出图像文件以及除文本和连接文件之外的其他文件。
之后它将向浏览器的I/O模块发出申请以重新获取HTML页面。
一旦申请获准，HTML页面将被发送到分解器以产生一个可显示的目标序列，该序列被送到GUI进行翻译显示。
以上过程将不断重复，直到页面中所有的目标均被显示。
内存/文件管理
NucleusWebBrowse是一个独立的程序，无须磁盘空间。
然而，如果你的目标系统中含有块存储器件，NucleusWebBrowse则能够利用它作为缓存Cache来存储目前访问的网页。
作为一个可选功能，NucleusWebBrowse能够支持嵌入式的文件系统与一个本地的磁盘文件系统共存。
外部文件系统模块（文件提取层）通过一个外部的文件系统来装载和显示网页及相关的脱机图形。
文件提取层将被写入到NucleusFile文件系统中。
但是，如果用户不想使用NucleusFile文件系统的话，本模块还能够提供一种链接，支持用户选用其他的外部文件系统。
这样一来，当浏览器的I/O模块辨认出将获取的网页是基于一个外部文件系统时，它将调用这个外部文件系统模块来下载文件。
接下来，这个外部文件系统模块又会调用HTML分解器来分解和翻译这个HTML码。
特征
●自包含的网络化显示机
●图形化的HTML视窗
●水平和垂直滚动条
●支持彩色GIF，生动的GIF和JPEG图像
●支持超链接的指示器/鼠标器
●兼容HTML3.2
●网络化界面
●通过NucleusNET支持HTTP1.0
●字符显示（行模式）
●LCD或PLASMA字符矩阵
●彩色和灰阶LCD显示
●支持基于像素的显示屏
●专为小屏幕显示而优化
●多格式、尺寸和类型
●对图像按比例缩小以支持小屏幕显示
●无须调整即可支持小屏幕显示
通过PDA、蜂窝电话以及因特网电视机顶盒等非桌面设备来接入因特网的要求已日益迫切。
NucleusWebBrowse作为一种嵌入式环境下工作的浏览器能够运行在支持NucleusNET的任何CPU平台上。
目前，支持HTML4.0和HTTP1.1以及SSL的NucleusWebBrowse已经在测试中。
七、Nucleus的应用领域和国内外用户
●Nucleus主要应用领域在：
网络、路由、桥接、Hubs、数据通讯、顶置盒、数字摄像机、ISDN、调制器、数字绘图仪、GSM、蜂窝电话、PDA、打印机、GPS、无线通讯、汽车、医疗仪器、RAID、适配卡、智能卡、安全保密、工业控制、扫描仪、煤气分析仪、游戏机、多媒体、手持产品、消费产品、局域网、广域网、导航设备、卫星通信、自动提款机、视频产品、条码机、过程控制等等
●Nucleus部分典型的用户名单：
AT&T/Lucemt,Blaupunkt,CompaqComputer,Canon,ChryslerTechnologies,DassaultSA,DOD,DraperLabs,EastmanKodak,FordMotorCompany,GeneralMotors,GeneralElectric,GEMedical,GoddardSpaceFlightSystems,Fujitsu,HarrisDigitalPhone,HewlettPackard,IBM,IGTInterfaceSystems,KenwoodCorporMentorGraphicsESDon,Lucent，MannesmannTallyCorp,M.I.T.,Motorola,NASA,NEC,NetworkPeripherals,NipponDenso,MSABaseline,OrbitelMobileComm,PsiPrinterGmbH,PhilipsSemiconductor,RockwellInternMentorGraphicsESDonal,SagemSA,SamsungElectronics,Siemens,SonyCorp,StorageTechnology,TexasInstruments,TakasagoCorp,Toyota,VideoLottery,VideoGuide,VLSI,Westinghouse,Xircom,Zitel
●国内部分用户：
航天部204所，邮电部数据所，北京卡斯特，航空部614所，中科院沈阳自动化所，北京千网数据公司，北京凌云公司，清华大学，长沙国防科技大学，复旦大学，华北电力大学，郑州信息工程学院，烟台东方电子集团，深圳桑达，上海博达，深圳迈瑞，深圳天地通讯，铁道部大连内燃机车研究所，总参机要局，南京南瑞总公司，航天第二设计院，西安仪表，郎讯（中国）有限公司，海军计算所，恒基伟业，广州金鹏集团，杭州东方集团，福州新大陆，深圳康佳，西安东强，北京华大集成电路设计中心，广东信利集团，香港IDT，香港讯研，太原中航仪表集团，新科电子，上海中兴，上海广电，石家庄54所，总参56所，武汉邮科院，上海德理，上海贝尔，斯高柏（C-Cube）、航天部503所等等
八、Nucleus操作系统的成功案例
1、Nucleus操作系统在通讯设备上的应用
●
以Nucleus操作系统为核心的路由器方案
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这是一个以MPC8260处理器为核心的中档路由器框图，支持高速以太网、1553MATM及用于远程连接的串行接口。
由于MPC8260具有多各网络接口和多种通信协议的能力，并且可以直接无缝连接SDRAM等多种存储器设备，因此，用它来构造路由器的硬件平台非常容易。
软件是路由器的关键技术，我们向客户推荐以NucleusPLUS操作系统为核心，配合Future协议软件包的软件方案。
Future软件包支持TCP/IP协议、RIP-II/OSPF-II/BGP-4路由协议、HTTPServer、基于WWW的网络管理和x.25、ISDN、帧中继及ATM等广域网协议
2、Nucleus操作系统在消费类电子产品上的应用
Microphone
上图所示的系统是Motorola公司提供的一个MPC860方案。
用户可以根据自己的需要对该平台进行裁剪，例如开发家用的机顶盒，就不需要LCD显示，可以适当地保留CRT接口；此外对PCMCIA、SmartCard、Ethernet等部分也可以进行裁剪；若要在产品中加入VCD/DVD功能，则要添加CDROM/DVDROM接口和相应的解码器。
Nucleus及其相关产品为家用机顶盒提供了完备的解决方案，包括NucleusPLUS内核、NET4.2网络模块、Graphix图形及窗口系统和WWW浏览器软件，开发系统可选用DIAB编译器和SDS调试器。
●由Nucleus操作系统与ARM7构成POS系统
ARM7是一颗高性能的CPU内核，经过Atmel、TI、Philips、Sharp等多家公司增加的外围功能构成了高集成度、低功耗的RISC芯片，非常适于开发智能信息产品。
下面以CirrusLogic的CL7500FE为例介绍一种基于ARM7的POS系统。
LCD
UART
CommunicMentorGra
升级会员 