计算机三级4.嵌入式系统软件组成

计算机三级4.嵌入式系统软件组成的思维导图，汇总了嵌入式系统软件的组成、嵌入式操作系统[E0S]、μC/OS嵌入式操作系统的知识。

嵌入式系统软件

• 3.μC/OS嵌入式操作系统
  • 微控制器操作系统【μC/OS】
    • 可移植、可固化、可裁剪的公开源码抢占式多任务RTOS内核
  • μC/OS-Ⅱ
    • （1） 实时多任务操作系统内核
    • （2） 执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点
    • （3） 主要特点
      • 公开源码的高质量实时内核
      • 可移植、可裁剪、可固化
      • 时间确定性、多任务
      • 抢占式内核、多种系统服务
    • （4） 组成
      • 任务调度、任务管理、时间管理
      • 任务间同步与通信以及内存管理、系统管理等
    • （5） 源代码组成
      • 系统核心
      • 任务管理、时钟管理、内存管理
      • 任务同步与任务间通信
      • 处理器相关代码
        • 一套专门的数据类型
    • （6） 任务
      • 构成
        • 程序代码(无返回值的C函数)、任务堆栈、任务控制块【TCB】
      • 任务状态
        • 休眠态、就绪态、运行态、等待态、被中断态
      • 任务调度
        • 0为最高优先级
        • 预定义了2个系统任务为应用程序服务
          • 空闲任务与统计任务
        • 采用基于优先级的调度算法
        • 支持任务级和中断级的任务调度
      • 中断处理
        • ……
    • （7） 系统服务
      • ……
    • （8） 应用程序设计
      • ……
• 1.嵌入式系统软件的组成
  • （1） 特点
    • 1||| 软硬件一体化，软件固化存储
    • 2||| 软件代码时空效率要求高，实时性要求高
    • 3||| 软件可裁剪，尽可能去除冗余
    • 4||| 软件应用环境复杂，安全性和可靠性要求高
    • 5||| 软件开发难度大
    • 6||| 软件面向用户、产品、应用，受限于功能和具体应用环境
    • 7||| 软件产业高度分散
    • 8||| 软件具有较长的生命周期
  • （2） 软件结构
    • 1||| 轮询轮训结构——最简单的软件结构
      • 无中断机制，结构简单
      • 适用于系统的任务数量小，任务处理简单且实时性要求不高
    • 2||| 带中断的轮训结构
      • 中断驱动程序/前后台结构
        • 后台：循环执行的轮询程序
        • 前台：若干中断服务程序组成
      • 提高了系统对紧急事件的响应度，并发处理不同的异步事件
    • 3||| 监控式操作系统+应用软件的结构
      • 特点
        • 多个任务在一个CPU上并行
        • 将复杂的系统分解成响度独立的多个任务
        • 降低开发复杂度，保证系统实时性和可维护性
      • 车载导航等
    • 4||| 通用嵌入式操作系统+应用软件的结构
      • 高端嵌入式系统（基于Android或iOS的智能手机系统等）
      • 选择嵌入式系统软件结构的一个基本原则
        • 可以满足响应时间需求的最简单的结构
  • （3） 硬件抽象层【HAL】与板级支持包【BSP】
    • HAL
      • 简述
        • 位于操作系统层与硬件之间的、与硬件相关的软件层次的统称
        • 操作系统层与硬件之间设置的独立的接口软件层
      • 特点：提高系统可移植性
    • BSP
      • 简述
        • 硬件抽象层在特定操作系统环境下的具体实现
        • 用户或硬件制造商专门编写的依赖于硬件的代码
      • 特点
        • 实现嵌入式操作系统的可移植性和跨平台性
        • 有硬件相关性和操作系统相关性
      • 在系统复位后负责软硬件环境的初始化
        • 硬件初始化(包括处理器芯片和电路板)
        • 为操作系统提供硬件相关的驱动程序支持
        • 引导加载操作系统
      • 开发和移植
        • 调试
          • （1） 最小系统的调试
          • （2） 外围设备驱动程序的调试
  • （4） 引导加载程序【bootloader】
    • 1||| 简述
      • 是底层软件的一部分
      • 系统电复位后首先运行引导加载程序，负责系统的上电自检、硬件初始化、建立存储空间映射、配置系统参数、建立上层软件的运行环境，并加载和启动操作程序
      • bootROM(引导只读存储器)
        • 非易失存储器
        • 存储bootloader程序，操作系统映像，应用程序代码等
    • 2||| 加载方式
      • （1） 在ROM中直接运行操作系统代码
      • （2） 在RAM中运行操作系统代码
      • （3） 从外存储器加载操作系统代码运行
      • 启动加载模式
      • （4） 从通信端口加载操作系统代码运行
        • 下载模式（调试或更新阶段使用的系统启动方式）
    • 3||| 支持两种工作模式的典型做法
      • 进入启动加载模式前延迟数秒并通过终端界面给出提示，按键切换到下载模式，否则继续正常的启动加载
    • 4||| 执行过程
      • 第一阶段(stage 1)
        • 目的：使系统正常运行，为之后操作系统内核的运行做好硬件准备
        • 使用汇编语言
      • 第二阶段(stage 2)
        • 使用C语言
    • 5||| U-Boot
      • ……
        • 公认的功能最强、最具弹性以及更新最快的开放源码BootLoader
  • （5） 设备驱动程序
    • 1||| 简述
      • 功能层次
        • 直接与硬件相互作用并控制硬件的软件
      • 驱动程序调用者
        • 对硬件操作的抽象，以实现高层软件对硬件的访问
    • 2||| 特性
      • 只能被高层软件调用而无法自行运行
      • 对上层软件屏蔽硬件细节，二巷层硬件直接操作
    • 3||| 功能
      • 设备的初始化、打开(激活)和关闭、读取和写入(数据收发、)、状态查询和控制操作等
    • 4||| 实现方式
      • 驱动程序位于软件最下层……
    • 5||| VxWorks的I/O系统
      • 驱动程序
        • 初始化部分
        • 函数功能部分
        • 中断服务程序
• 2.嵌入式操作系统【EOS】
  • 实时操作系统
    • 实时系统
      • 关键：处理事件的时间的可预见性和确定性
      • 最重要的指标:时限
        • 相对时限
          • 事件提出请求后，系统做出相应所允许的最大时间长度
        • 绝对时限
          • 不管请求何时提出，相应任务必须完成的截止时刻
      • 据时限对系统性能的影响程度分类
        • 硬实时系统
        • 软实时任务
        • 准实时任务
      • 关键特性
        • 时间约束性
        • 可预测性
        • 可靠性
        • 交互性
    • 实时操作系统
      • 关键：完成每次任务所需时间的一致性
      • 分类
        • 硬实时操作系统
          • 抖动比软实时小
            • 完成每次任务所需时间的偏差
        • 软实时操作系统
      • 时间确定性取决于
        • 响应中断的速度
        • 系统是否具有足够的处理能力在规定时限内完成所有的事件请求
      • 保障
        • 事件驱动、多级中断嵌套处理、细粒度的任务优先级控制、实时抢占式调度
      • 实时性指标：响应时间
        • 中断延迟时间
        • 任务切换时间
        • 任务抢占时间
  • 概述
    • （1） 特点
      • 代码固化存储，时空效率高
      • 可裁剪性
      • 实时性
      • 强稳定性，弱交互性
      • 硬件适应性
    • （2） 分类
      • 实时性
        • 硬实时操作系统
          • 通信、军事、航天、控制等
          • VxWorks、RTEMS、QNX、μC/OS-Ⅱ等
        • 软实时或非实时操作系统
          • 类PC手持设备、电器等消费类电子产品
          • WinCE、嵌入式Linux等
      • 开发方式
        • 专门为嵌入式环境开发的EOS
          • 通信、军事、航天、控制等
        • 从通用计算机操作系统移植而来的EOS
          • 类PC手持设备、电器等消费类电子产品
      • 商业模式
        • 免费的EOS
          • RTEMS、eCOS、FreeRTOS等
        • 商业EOS
          • μC/OS商用系列
    • （3） 内核结构
      • 简述
        • 操作系统中的一组核心模块
        • 作用:管理系统资源、支持多任务并发执行
      • 分类
        • 单内核(宏内核)结构
          • 分类
            • 整体结构
              • 耦合度高、结构不清晰、维护和升级难
            • 分层结构
              • 嵌入式Linux等Unix系统
              • 功能按模块化组织，使操作系统结构清晰，接口简单，系统的正确性容易得到保证，利于开发和维护
          • 优点：性能较好，系统的各组件之间可以相互调用，功能切换和通信开销小
          • 缺点：占用资源多，维护工作量大
        • 目前主要采用分层和模块化相结合的红内核结构，或微内核结构
          • 应用软件层、中间件层、操作系统层和硬件抽象层
        • 微内核结构
          • 简述
            • 仅将必备的基本功能放入内核，其他都在内核之外，是内核结构很小
          • 两部分
            • 运行在核心态的内核，完成很少的一些核心任务
            • 运行在用户态的若干进程，每个进程完成一组系统服务（服务进程）
          • 优点
            • 内核精巧，结构紧凑，占用内存少
            • 开发维护方便，动态更新服务模块，可靠性高
            • 接口一致，可扩展性与可配置性强，支持分布式系统
          • 缺点
            • 效率较低，性能相对较差，通信和上下文切换的开销大大增加
    • （4） Linux内核
      • 类Unix系统
        • 参照Minix开发
          • 采用单内核结构，模块化设计，支持内核线程
      • 自由软件
        • 开源软件【OSS】
      • Linux操作系统是指Linux的发版权
      • GNU/Linux操作系统以Linux为GNU操作系统内核
      • IBM巨型机Blue Gene，天河一号巨型机操作系统内核采用Linux
    • （5） 嵌入式Linux操作系统
      • 结构
        • 上层
          • 运行在用户空间
            • 应用程序及工具软件，以及GNU C运行库GLIBC
        • 下层
          • 运行在内核空间
            • Linux内核
      • Linux的内核空间
        • 最上层
          • 系统调用接口
        • 中间层
          • 内核核心，是Linux所支持的所有处理器和特定的硬件平台
        • 最下层
          • BSP，这部分代码用于支持特定体系结构的处理器和硬件平台
      • Linux采用宏内核结构组成
        • 1||| 初始化组件
        • 2||| 进程调度器
          • 核心功能
        • 3||| 内存管理器
          • 负责多个进程安全地共享主存空间
          • 支持虚拟存储器
        • 4||| 虚拟文件系统【VFS】
          • “一切皆是文件”
        • 5||| 网络接口
        • 6||| 进程间通信【IPC】
        • 7||| 可加载模块
        • 8||| 设备驱动器
      • Linux的实时化技术
        • 内核补丁方式
          • 著名实例:MontaVista linux
            • 在通用内核上增加低延迟补丁和可抢占内核补丁
        • 双内核方式
          • 著名实例:RTLinux
      • 构建
        • 基于通用Linux内核构建嵌入式Linux
        • 基于嵌入式Linux发行版构建嵌入式Linux
          • μCLinux,ontaVista Linux,RTLinux,中科院红旗,中软实时嵌入式Linux等
    • （6） Android操作系统
      • 特点
        • 核心是以Linux为基础的开源操作系统
        • 对第三方软件完全开放的平台
      • 组成
        • 堆层式软件构架(低到高)
          • Linux内核
            • 内存管理、进程管理、网络协议栈、安全机制、驱动程序模型
            • 增加：硬件时钟、匿名共享内存、低内存管理等
          • 系统运行库
            • Android 运行环境
              • Dalvik虚拟机（Java）
              • 核心库
                • 提供了Java编程语言核心库的大多数函数
            • 组件库
              • C/C++组件库
              • 功能组件：系统C库、媒体框架、SGL库等
          • 应用程序框架
            • Java语言开发
              • 是核心应用所使用的API框架
              • 包括
                • 活动管理器、窗口管理器、通告管理器、包管理器
                • 电话管理器、资源管理器、位置管理器
                • 内容提供器、视图系统
                • XMPP服务
          • 应用程序
            • 用户交互层次
              • 通过Android SDK开发的软件
        • 硬件抽象层
          • 最底层的Linux内核及驱动程序操作
          • 一般Linux内核层用C语言，HAL和运行库层用C/C++实现
      • 开发步骤
        • 配置开发环境、创建Android应用的开发工程、运行应用程序
    • （7） iOS操作系统
      • 概述
        • 类Unix的Darwin开源操作系统为基础
          • 类Unix商业操作系统
        • 许多开发工具和技术源由MacOS X操作系统开发
      • 系统架构
        • 1||| 触控界面层
          • 高级特性
            • 多任务，数据保护
            • 苹果推送通知服务，本地通知
            • 手势识别器，文件共享支持
            • 点对点服务，标准系统视图控制器
            • 外部设备支持
        • 2||| 媒体层
          • 图形技术
          • 音频技术
        • 3||| 核心服务层
          • 为所有应用程序基础服务系统
          • 组件
            • 地址簿框架、基础框架、CFNetwork框架、核心位置框架、安全框架
            • SQLite、XML支持
        • 4||| 核心操作系统层
          • 最底层，用FreeBSD和Mach所改写的Darwin
          • 包含硬件驱动、内存管理、进程管理等
          • 可直接与硬件设备进行交互
      • 应用开发
        • 集成开发环境Xcode用于开发MacOS X和iOS应用程序
        • 开发时可能使用高层框架