嵌入式系统与软件(3).ppt

1、嵌入式软件系统嵌入式软件系统1嵌入式软件系统概述嵌入式软件系统概述l嵌嵌入入式式软软件件和和通通用用计计算算机机的的软软件件一一样样，一一般般分分为为系系统软件、支撑软件和应用软件三大类。统软件、支撑软件和应用软件三大类。l系统软件：系统软件：控制、管理计算机系统的资源。控制、管理计算机系统的资源。l如如：嵌嵌入入式式操操作作系系统统、嵌嵌入入式式中中间间件件（CORBACORBA、JavaJava）等等l支撑软件：支撑软件：辅助软件开发的工具。辅助软件开发的工具。l如如：系系统统分分析析设设计计工工具具、仿仿真真开开发发工工具具、交交叉叉开开发发工工具、测试工具、配置管理工具、维护工具等。具

2、、测试工具、配置管理工具、维护工具等。l应用软件：应用软件：是面向应用领域。是面向应用领域。l如如：手手机机软软件件、路路由由器器软软件件、交交换换机机软软件件、飞飞控控软软件件等等2l从从运行平台运行平台来分，嵌入式软件可以分为来分，嵌入式软件可以分为l运运行行在在开开发发平平台台上上的的软软件件：设设计计、开开发发、测测试工具等试工具等l运运行行在在嵌嵌入入式式系系统统上上的的软软件件：嵌嵌入入式式操操作作系系统、应用程序、驱动程序。统、应用程序、驱动程序。嵌入式软件系统概述嵌入式软件系统概述3嵌入式系统的软件体系结构嵌入式系统的软件体系结构l按嵌入式系统软件复杂程度来分类按嵌入式系统软件

3、复杂程度来分类 循环轮询系统循环轮询系统有限状态机系统有限状态机系统前后台系统前后台系统单处理器多任务系统单处理器多任务系统多处理器多任务系统多处理器多任务系统4循环轮询系统循环轮询系统l最简单的软件结构：循环轮询；最简单的软件结构：循环轮询；l程序依次检查系统的每一个输入条件，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成绩就进行相应的处理；一旦条件成绩就进行相应的处理；l适合于慢速和非常快速的简单系统。适合于慢速和非常快速的简单系统。5查询点查询点1查询点查询点2查询点查询点3查询点查询点4查询点查询点5查询点查询点6处理段处理段1处理段处理段6处理段5处理段处理段4处理段处理段2处理段处理

4、段31单单回路顺序程序回路顺序程序结构简单易编写，结构简单易编写，单一处理响应快，单一处理响应快，复杂处理响应迟，复杂处理响应迟，适合单一处理者适合单一处理者6流程初始化处理1事件1处理2事件2NYYN7程序结构Initialize();While (TRUE)process();Initialize();While(TRUE)if(condition1)action_1();if(condition2)action_2();/*etc.*/8循环轮询系统循环轮询系统l循环轮询系统优点：循环轮询系统优点：对于简单的系统而言，便于编程和理解对于简单的系统而言，便于编程和理解没没有有中中断断机机制

5、制，程程序序运运行行良良好好，不不会会出出现现随机问题随机问题l循环轮询系统缺点：循环轮询系统缺点：有限的应用领域（由于不可确定性）有限的应用领域（由于不可确定性）对于大量的对于大量的I/OI/O服务的应用，不容易实现服务的应用，不容易实现大的程序不便于调试大的程序不便于调试l因此，它适合于慢速和非常快速的简单系统。因此，它适合于慢速和非常快速的简单系统。9有限状态机系统有限状态机系统 有限状态机是实时系统设计中一种重要的、有限状态机是实时系统设计中一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的为主的建模方法建模方法，它可以应用于从系统分

6、析到设，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。计的所有阶段。10有限状态机系统有限状态机系统l有限状态机组成有限状态机组成 一个有限的状态集合一个有限的状态集合Q Q 一个有限的输入集合一个有限的输入集合I I 一个变迁函数一个变迁函数集合集合：QIQ QIQ l有限状态机通常用有限状态机通常用“状态转移图状态转移图”和和“状态转移表状态转移表”的方式来表示的方式来表示11有限状态机系统有限状态机系统l状态转移图中的节点代表状态，状态转移图中的节点代表状态，l若在输入下状态由若在输入下状态由q1q1转变为状态转变为状态q2q2，则有一条标有输入的弧线从状态则有一条标有输入的弧线从状态q1q1

7、指指向向q2q2。l此时，其变迁函数此时，其变迁函数(q1,i)=q2(q1,i)=q2。q1q2i/12l有限状态机举例有限状态机举例state0state3state2state1a/f0b/f0b/f1a/f2b/f1b/f2a/f1有限状态机系统有限状态机系统13有限状态机系统有限状态机系统14l有限状态机优点：有限状态机优点：简单易用，状态间的关系能够直观看到，便于编程简单易用，状态间的关系能够直观看到，便于编程可以快速的执行可以快速的执行 只是通过改变输出功能来改变机器的响应只是通过改变输出功能来改变机器的响应l有限状态机缺点：有限状态机缺点：任任何何时时刻刻系系统统只只能能有有一

8、一个个状状态态，无无法法表表示示并并发发性性，不能描述异步并发的系统不能描述异步并发的系统 在在系系统统部部件件较较多多时时，状状态态数数随随之之增增加加，导导致致复复杂杂性性显著增长显著增长 对于大的应用系统，难于调试对于大的应用系统，难于调试有限状态机系统有限状态机系统15后台后台是一个一直在运行的系统。是一个一直在运行的系统。前台前台是由一些中断处理过程组成的。是由一些中断处理过程组成的。当当有有一一前前台台事事件件(外外部部事事件件)发发生生时时，引引起起中中断断,于于是是将将中中断断后后台台运运行行而而进进行行前前台台处处理理,处处理理完完成成后后又又回回到到后后台台(通通常常又又称

9、主程序称主程序)。前后台系统前后台系统16运行方式主程序中断1中断2中断1中断2中断117流程初始化初始化处理处理1 1事件事件1 1处理处理2 2事件事件2 2N NY YY YN NISR1ISR1ISR2ISR2前台处理后台处理ISR3ISR318l需要考虑的是中断的现场保护和恢复，需要考虑的是中断的现场保护和恢复，中断嵌套，中断处理过程与主程序的协中断嵌套，中断处理过程与主程序的协调调(共享资源共享资源)问题。问题。l系统的性能主要由中断延迟时间系统的性能主要由中断延迟时间(Interrupt latency time),(Interrupt latency time),响应时间响应时

10、间(response time)(response time)和恢复时间和恢复时间(recovery(recovery time)time)来刻画。来刻画。前后台系统前后台系统19对于一个复杂的嵌入式实时系统来说对于一个复杂的嵌入式实时系统来说,当当采采用用中中断断处处理理程程序序加加一一个个后后台台主主程程序序这这种种软软件件结结构构难难以以实实时时的的、准准确确的的、可可靠靠的的完完成成时时存存在在一一些些互互不不相相关关的的过过程程需需要要在在一一个个计计算算机机中同时处理时中同时处理时,就需要采用实时多任务系统。就需要采用实时多任务系统。单处理器多任务系统单处理器多任务系统20结构结构

11、由多个任务，多个中断处理过程，实时由多个任务，多个中断处理过程，实时操作系统组成的有机的整体。操作系统组成的有机的整体。每个任务是顺序执行的，并行性通过操每个任务是顺序执行的，并行性通过操作系统来完成，任务间的相互通信和同步也作系统来完成，任务间的相互通信和同步也需要操作系统的支持。需要操作系统的支持。21流程并发多任务：后台前台 ISRsTasks22l单处理器多任务系统主要特点：单处理器多任务系统主要特点：多个顺序执行的程序并行运行（任务）多个顺序执行的程序并行运行（任务）宏宏观观上上看看，所所有有任任务务同同时时运运行行，每每个个任任务务运运行行在在自自己独立的己独立的CPUCPU上上实

12、实际际上上，不不同同的的任任务务是是共共享享同同一一个个CPUCPU和和其其它它硬硬件件。因因此此，需需要要RTOSRTOS来来对对这这些些共共享享的的设设备备和和数数据据进进行行管管理理每每个个程程序序都都被被编编制制成成无无限限循循环环的的程程序序，等等待待特特定定的的输入，执行相应的任务输入，执行相应的任务这这种种程程序序模模型型将将系系统统分分成成相相对对简简单单的的，相相互互合合作作的的模块模块单处理器多任务系统单处理器多任务系统23l单处理器多任务系统主要优点：单处理器多任务系统主要优点：将将复复杂杂的的系系统统分分解解为为相相对对独独立立的的多多个个线线程程，达达到到“分分而而制

13、制之之”的的目目的的，从从而而降降低低系系统统的的复杂性复杂性保证系统的实时性保证系统的实时性系统的模块化好，提高系统的可维护性系统的模块化好，提高系统的可维护性单处理器多任务系统单处理器多任务系统24l单处理器多任务系统缺点：单处理器多任务系统缺点：需要采用一些新的软件设计方法需要采用一些新的软件设计方法需要增加功能：线程间的协调，同步和通信需要增加功能：线程间的协调，同步和通信功能功能需要对每一个共享资源互斥需要对每一个共享资源互斥导致线程间的竞争导致线程间的竞争需要使用需要使用RTOSRTOS，RTOSRTOS要增加系统的开销要增加系统的开销单处理器多任务系统单处理器多任务系统25l实时

14、多任务系统的实现必须有实时多任务实时多任务系统的实现必须有实时多任务操作系统的支持，操作系统主要完成：操作系统的支持，操作系统主要完成：任务切换任务切换任务调度任务调度任务间通信、同步、互斥任务间通信、同步、互斥实时时钟管理实时时钟管理中断管理中断管理单处理器多任务系统单处理器多任务系统26多多任任务务可可运运行行在在多多个个处处理理器器上上，由由操操作作系系统统一调度和处理。统统一调度和处理。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。多处理器系统还不成熟。多处理器系统还不成熟。多处理器系统多处理器系统27多处理器多处理器系统系统l紧偶合系统紧偶合系统l多个微

15、处理器通过高速总线互连，共享存储器多个微处理器通过高速总线互连，共享存储器和和I/O设备，并要求主存划分为若干个能独立访设备，并要求主存划分为若干个能独立访问的存储模块；问的存储模块；l松偶合系统松偶合系统l通过通道或通信线实现计算机之间的互连，每通过通道或通信线实现计算机之间的互连，每个计算机有自己的存储器和个计算机有自己的存储器和I/O设备，并配置了设备，并配置了OS来管理本地资源和本地运行的进程；来管理本地资源和本地运行的进程；l协处理器系统协处理器系统l由两个或多个由两个或多个CPU并发执行某一指令流。并发执行某一指令流。2829多处理器系统的网络拓扑多处理器系统的网络拓扑30多处理器

16、系统的网络拓扑多处理器系统的网络拓扑31嵌入式操作系统嵌入式操作系统l嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的嵌入式操作系统可以统称为应用在嵌入式系统的操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具操作系统，它具有一般操作系统的功能，同时具有嵌入式软件的特点，主要有：有嵌入式软件的特点，主要有：及时性及时性可确定性可确定性并发性并发性高可信性高可信性可固化可固化 可配置、可剪裁可配置、可剪裁 可扩展性可扩展性 不同的不同的CPUCPU有不同的版本有不同的版本 32嵌入式操作系统嵌入式操作系统l近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展l从支持从支持8 8位微处理器到位微处理器到1616位、位、3232位甚至位甚至6464位微处理器；位微处理器；l从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片；芯片；l从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件从只有内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，系统，TCP/IPTCP/IP网络系统，窗口图形系统等网络系统，窗口图形系统等l随着嵌入式系统应用领域