嵌入式系统与软件3.ppt
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1、1,嵌入式软件系统,2,嵌入式软件系统概述,嵌入式软件和通用计算机的软件一样,一般分为系统软件、支撑软件和应用软件三大类。 系统软件:控制、管理计算机系统的资源。 如:嵌入式操作系统、嵌入式中间件(CORBA、Java)等 支撑软件:辅助软件开发的工具。 如:系统分析设计工具、仿真开发工具、交叉开发工具、测试工具、配置管理工具、维护工具等。 应用软件:是面向应用领域。 如:手机软件、路由器软件、交换机软件、飞控软件等,3,从运行平台来分,嵌入式软件可以分为 运行在开发平台上的软件:设计、开发、测试工具等 运行在嵌入式系统上的软件:嵌入式操作系统、应用程序、驱动程序。,嵌入式软件系统概述,4,嵌
2、入式系统的软件体系结构,按嵌入式系统软件复杂程度来分类 循环轮询系统 有限状态机系统 前后台系统 单处理器多任务系统 多处理器多任务系统,5,循环轮询系统,最简单的软件结构:循环轮询; 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; 适合于慢速和非常快速的简单系统。,6,查询点1,查询点2,查询点3,查询点4,查询点5,查询点6,处理段1,处理段6,处理段5,处理段4,处理段2,处理段31,单回路顺序程序结构简单易编写,单一处理响应快,复杂处理响应迟,适合单一处理者,7,流程,8,程序结构,Initialize( ); While (TRUE) process ( ); ,I
3、nitialize( ); While ( TRUE) if (condition1) action_1( ); if (condition2) action_2( ); /* etc. */ ,9,循环轮询系统,循环轮询系统优点: 对于简单的系统而言,便于编程和理解 没有中断机制,程序运行良好,不会出现随机问题 循环轮询系统缺点: 有限的应用领域(由于不可确定性) 对于大量的I/O服务的应用,不容易实现 大的程序不便于调试 因此,它适合于慢速和非常快速的简单系统。,10,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、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的建模方法,它可以应用
4、于从系统分析到设计的所有阶段。,11,有限状态机系统,有限状态机组成 一个有限的状态集合Q 一个有限的输入集合I 一个变迁函数集合:QIQ 有限状态机通常用“状态转移图”和“状态转移表”的方式来表示,12,有限状态机系统,状态转移图中的节点代表状态, 若在输入下状态由q1转变为状态q2,则有一条标有输入的弧线从状态q1指向q2。 此时,其变迁函数(q1,i)=q2。,13,有限状态机举例,有限状态机系统,14,有限状态机系统,15,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 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 有限状态机缺点: 任何时刻系统只能有一个状态,
5、无法表示并发性,不能描述异步并发的系统 在系统部件较多时,状态数随之增加,导致复杂性显著增长 对于大的应用系统,难于调试,有限状态机系统,16,后台是一个一直在运行的系统。 前台是由一些中断处理过程组成的。 当有一前台事件(外部事件)发生时,引起中断, 于是将中断后台运行而进行前台处理, 处理完成后又回到后台(通常又称主程序)。,前后台系统,17,运行方式,18,流程,19,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。 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(r
6、ecovery time)来刻画。,前后台系统,20,对于一个复杂的嵌入式实时系统来说, 当采用中断处理程序加一个后台主程序这种软件结构难以实时的、准确的、可靠的完成时 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, 就需要采用实时多任务系统。,单处理器多任务系统,21,结构,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。,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。,22,流程,23,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) 宏观上看,所有任务同时运行,每个任务运行在自己独立的CPU上 实际上,不同的
7、任务是共享同一个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 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 这种程序模型将系统分成相对简单的,相互合作的模块,单处理器多任务系统,24,单处理器多任务系统主要优点: 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 保证系统的实时性 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,25,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 需要增加功能:线程间的协调,同步和通信功能 需要对每一个共享资源互斥 导致线程间的竞争 需要使用RTOS,RTOS要增加
8、系统的开销,单处理器多任务系统,26,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: 任务切换 任务调度 任务间通信、同步、互斥 实时时钟管理 中断管理,单处理器多任务系统,27,多任务可运行在多个处理器上,由操作系统统一调度和处理。 宏观上看是并发的,微观上看也是并发的。 多处理器系统还不成熟。,多处理器系统,28,多处理器系统,紧偶合系统 多个微处理器通过高速总线互连,共享存储器和I/O设备,并要求主存划分为若干个能独立访问的存储模块; 松偶合系统 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I/O设备,并配置了OS来管理本地资源和本地运行的进程
9、; 协处理器系统 由两个或多个CPU并发执行某一指令流。,29,30,多处理器系统的网络拓扑,31,多处理器系统的网络拓扑,32,嵌入式操作系统,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,同时具有嵌入式软件的特点,主要有: 及时性 可确定性 并发性 高可信性 可固化 可配置、可剪裁 可扩展性 不同的CPU有不同的版本 ,33,嵌入式操作系统,近十年来,嵌入式操作系统得到飞速的发展 从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位微处理器; 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; 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,TCP/IP网
10、络系统,窗口图形系统等 随着嵌入式系统应用领域的扩展,目前嵌入式操作系统的市场在不断细分,出现了针对不同领域的产品,这些产品按领域的要求和标准提供特定的功能。,34,嵌入式操作系统分类,从应用领域来分: 面向信息家电的嵌入式操作系统 面向智能手机嵌入式操作系统,如SymbianOS、PalmOS、Smartphone2003、Embedded Linux等 面向汽车电子的嵌入式操作系统 面向工业控制的嵌入式操作系统 .,35,嵌入式操作系统分类,从实时性的角度来看,嵌入式操作系统可分为 嵌入式实时操作系统:具有强实时特点,如VxWorks、QNX、Nuclear、OSE、DeltaOS、各种I
11、tronOS等。 非实时嵌入式操作系统:一般只具有弱实时特点,如WinCE、版本众多的嵌入式Linux、PalmOS等。,36,IEEE的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点: 1.异步的事件响应 实时系统为能在系统要求的时间内响应异步的外部事件,要求有异步I/O和中断处理能力。 2.任务切换时间和中断延迟时间确定 3.优先级调度 允许用户定义被调度任务优先级。,实时操作系统,37,4.抢占式调度 为保证响应时间,实时系统必须允许高优先级任务一旦准备好运行,就马上抢占低优先级任务的执行。 5.内存锁定 内存锁定是一种保证某进程驻留在内存而不需换页的方法。在实时环境中,系统应保证将
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