嵌入式

自己总结的有关嵌入式操作系统课程的知识点。

嵌入式

• 嵌入式系统的特点：
  • 1、嵌入式系统通常是形式多样，面向特定应用的。
  • 2、嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持。
  • 3、嵌入式系统通常极其关注成本。
  • 4、嵌入式系统有实时性和可靠性的要求。
  • 5、嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统。
  • 6、嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法。
• 形式多样，面向特定应用
  • 1、一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。
  • 2、它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。
  • 3、嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。
• 众多的处理器及其体系结构类型
  • 1、通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。
  • 2、嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。
  • 3、在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。
  • 4、有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。
• 关注成本 （嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。）
• 嵌入式的系统成本包括：
  • 1、一次性的开发成本NRE（Non-Recurring Engineering）成本。
  • 2、产品成本：硬件BOM、外壳包装和软件版税等。
  • 3、批量产品的总体成本 = NRE成本 + 每个产品成本 * 产品总量
  • 4、每个产品的最后成本 = 总体成本 / 产品总量 = NRE成本 / 产品总量 + 每个产品成本
• 实时性和可靠性的要求
  • 1、一方面大多数实时系统都是嵌入式系统
  • 2、另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。
  • 3、嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。
  • 4、在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。
• 适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统
  • 1、由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。
  • 2、大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。
  • 3、嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。
  • 4、一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。
  • 5、高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离
• 开发需要专门工具和特殊方法
  • 1、多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义→软件与硬件的设计与实现→软件与硬件集成→产品测试与发布一维护与升级。
  • 2、由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。 （开发环境包括设计、编译、调试、测试等工具，通常采用交叉开发的方式进行。）
• 嵌入式系统的分类
  • 1、按处理器位数划分
    • 32位嵌入式系统：已成为主流发展趋势
    • 64位嵌入式系统：高度复杂的、高速的嵌入式系统已采用
  • 2、按应用划分
    • 通信类
    • 信息家电类
    • 移动终端类
    • 汽车电子类
    • 工业控制类
  • 3、按实时性划分
    • 硬实时系统：系统对系统响应时间有严格的要求，如果系统响应时间不能满足，就要引起系统崩溃或致命的错误。
    • 软实时系统：系统对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃
    • 非实时系统
  • 4、按软件结构划分
    • 循环轮询系统（适合于慢速和非常快速的简单系统）
      • 优点：
        • （1）对于简单的系统而言，便于编程和理解。
        • （2）没有中断的机制，程序运行良好，不会出现随机的问题。
      • 缺点：
        • （1）有限的应用领域。
        • （2）对于大量的/0服务的应用，不容易实现。
        • （3）大的程序不便于调试。
    • 有限状态机系统
    • 前后台系统（是中断驱动系统的一种，①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调（共享资源）问题。②系统的性能主要由中断延迟时间（Interrupt latency time），响应时间（response time）和恢复时间（recovery time）来刻画。）
      • （1）后台是一个循环轮询系统一直在运行。
      • （2）前台是由一些中断处理过程组成的。
      • （3）当有前台的外部事件发生时，引起中断，进行前台处理，处理完成后又回到后台（通常又称主程序）。
    • 单处理器多任务系统
      • 1、对于一个复杂的嵌入式实时系统来说，
        • （1）当前后台系统这种软件结构难以实时的、准确的、可靠的完成时.…
        • （2）存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中同时处理时.…
        • 需要采用实时多任务系统。
      • 2、基本结构：
        • （1）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。
        • （2）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需要操作系统的支持。
      • 3、基本流程
        • （1）多个顺序执行的程序并行运行。
        • （2）宏观上看，所有的程序同时运行，每个程序运行在自己独立的CPU上。
        • （3）实际上，不同的程序是共享同一个CPU和其它硬件。因此，需要RTOS来对这些共享的设备和数据进行管理。
        • （4）每个程序都被编制成无限循环的程序，等待特定的输入，执行相应的任务等。
        • （5）这种程序模型将系统分成相对简单的，相互合作的模块。
      • 4、优点
        • （1）将复杂的系统分解为相对独立的多个线程，达到“分而制之”的目的，从而降低系统的复杂性。
        • （2）保证系统的实时性。
        • （3）系统的模块化好，提高系统的可维护性。
      • 5、缺点
        • （1）需要采用一些新的软件设计方法。
        • （2）需要增加功能：线程间的协调，同步和通信功能。
        • （3）需要对每一个共享资源互斥。
        • （4）导致线程间的竞争。
        • （5）需要使用RTOS，RTOS要增加系统的开销。
    • 多处理器多任务系统
      • （1）多任务可运行在多个处理器上，由操作系统来统一调度和处理。
      • （2）宏观上看是并发的，微观上看也是并发的。
      • （3）嵌入式系统中常采用片上多处理器系统，即在单一芯片上集成多个处理器核心（Multi-Processor System-On-a-Chip，MPSoC）。从体系结构上来看，常见的有SMP（Symmetrical Multi-Processing）架构和AMP（Asymmetric Multi-Processing）架构。