Chapter 1 - 嵌入式系统导论

Created by : Mr Dk.

2019 / 11 / 04 14:50

Nanjing, Jiangsu, China

1.1 嵌入式系统的基本概念

嵌入式系统的 嵌入性 是它的根本特点：以嵌入为手段，以控制为目的的专用计算机。嵌入式计算机与通用计算机有着完全不同的技术要求、应用目标和技术发展方向：

  • 通用计算机系统
    • 高速、海量的计算
    • 总线速度无限提升
    • 存储容量无限扩大
    • 应用目标多样化
  • 嵌入式计算机系统
    • 应用系统的智能化控制
    • 可靠、可剪裁
    • 满足对体积、功耗的严格要求
    • 嵌入性、专用性、智能化、可靠性的提升

早期，嵌入式应用范围狭窄，由通用计算机进行改装后嵌入大型系统中。目前，嵌入式应用对计算机的功能、体积、功耗等指标的要求越来越苛刻，形成了现代计算机两大分支并行发展的时代——后 PC 时代。嵌入式系统走上了 单芯片化 的发展道路。

  • Σ 模式：将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪，直接芯片化
  • 创新模式：按照嵌入式应用的要求，以全新的方式设计体系结构、指令系统、总线方式、管理模式、外设等

历史证明，创新模式是嵌入式系统独立发展的正确道路。

嵌入式系统的特点：

  1. 系统内核小，实时高效：嵌入式系统多用于小型电子设备，系统资源有限
  2. 专用性强：产品个性化强
  3. 系统精简：软硬件高效设计，量体裁衣、去除冗余
  4. 软件固化：固化在存储器芯片中，不存储于磁盘等载体中

1.2 嵌入式系统的组成结构

为了便于 OS 在不同结构的硬件上移植，微软提出将 OS 底层与硬件相关的单独部分抽象出来，设计成单独的 硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL），向 OS 提供对硬件进行抽象后的服务。OS 不再直接面对具体的硬件环境，而是面向这个中间层代表的逻辑上的硬件环境。

HAL 可否理解为 VMM 的封装？这样不同的 OS 都可以像虚拟机一样运行，不用管物理硬件，管逻辑硬件即可。

目前，HAL 通常以 板级支持包（BSP, Board Support Package）的形式实现。因此嵌入式系统形成了四层结构，从上到下：

  • 应用层
  • OS 层
  • 中间层 (HAL)
  • 硬件层

1.2.1 硬件层

嵌入式处理器的特点：

  1. 对实时多任务有很强的支持能力
  2. 很强的存储区保护能力
  3. 可扩展的处理器结构
  4. 低功耗

嵌入式处理器的分类：

  1. 嵌入式微控制器 (MicroController Unit, MCU)：又称单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中，以微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM、RAM、总线等外设；一个系列有多种衍生产品，固定内核 + 定制外设，以满足不同场景的需求
  2. 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU)：基于通用计算机中的 CPU，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了增强
  3. 嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP)：对系统结构和指令进行了特殊设计，适合于执行 DSP 算法，编译效率高，执行速度高
  4. 嵌入式 SoC (System on Chip)：将处理器内核和外设作为标准库进行定制

1.2.2 硬件抽象层

多以 BSP 形式实现，完成系统上电后最初的硬件初始化，并对底层硬件进行封装，使 OS 不再面对裸硬件。关于 BSP 有几种理解：

  • BSP 是 OS 的驱动程序
  • 板级开发工具
  • ...

BSP 的主要功能：

  1. 片级初始化：将 CPU 从上电默认状态设置为系统要求的工作状态
  2. 板级初始化：对外设初始化，为随后 OS 的初始化建立运行条件
  3. OS 初始化：为软件系统提供实时多任务的运行环境；BSP 将 CPU 的控制权交给 OS，OS 初始化完成后，将控制权交给应用程序入口

OS 初始化不是 BSP 的主要工作，而是由 BSP 发起的。

我的理解，BSP 相当于 BIOS，在启动时把 CPU 和外设设置好，并把控制权转交 OS。由于嵌入式系统中，OS 不在硬盘上，而是固化在 ROM 里，因此省去了从硬盘里搬运 OS 启动代码的步骤。OS 可以直接进行初始化，建立多任务的运行环境。

1.2.3 应用层

没啥东西

1.3 嵌入式系统设计的基本方法

1.4 嵌入式操作系统的基本概念

实时系统：在限定时间内，能够提供所需要的服务水平的系统

  • 软实时：任务运行的逻辑正确，且越快越好，不严格限定任务运行时间的底线；时序得不到满足，只会引起性能严重下降，不产生严重后果
  • 硬实时：逻辑准确无误且要求做到 及时；如果特定时序得不到满足，将会引起灾难性后果

在实时系统中，系统正确性不仅取决于计算结果的正确性，还取决于正确结果产生的时间。为了满足实时性，系统行为就必须是可预测和可确定的。这是实时系统的本质特征。大多数嵌入式系统都是实时系统，且多是硬实时多任务系统。这就要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统。OS 行为的可确定性是实时 OS 的本质特征——只有每个行为执行的时间都能预测，才能使实时得到保证。

其实一直没想明白，行为执行的时间咋预测啊...... 😥

嵌入式 OS 提高了系统的可靠性，系统至少不会崩溃，且要有一定自愈能力。通常，任务之间的通信和控制都由内核实现。系统受干扰后，一般只会导致一个任务受到破坏，有专门的系统监控任务对其进行修复（比如删除）。使用嵌入式实时 OS 的确定是增加了额外的 ROM/RAM 开销，以及 2%-5% 的 CPU 负荷。

嵌入式 OS 的特点：

  1. 结构紧凑，尺寸微小：嵌入式系统不具备大容量的存储介质，OS 只能运行在优先的空间中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制
  2. 实时性强：大多数嵌入式 OS 工作在实时性要求很高的场合
  3. 可剪裁：开放自身，使开发者可以根据硬件环境对 OS 进行灵活的剪裁可配置，只使用需要的功能即可，即插即用
  4. 可靠性高：一旦开始运行就不需要人的过多干预，组成越简单，性能越可靠
  5. 特殊的开发调试环境

嵌入式 OS 与通用 OS 的区别：

  1. 设计目标不同
    • 通用 OS 追求最大的吞吐率，强调系统整体性能最佳
    • 丧失了系统行为的可确定性和可预测性
    • 嵌入式 OS 始终保证系统行为的可预测性
    • 在任何情况下，嵌入式 OS 都能为多个实时任务合理分配资源，满足实时性
  2. 调度原则不同
    • 通用 OS 为了达到最佳整体性能，采用公平的调度法则
    • 嵌入式 OS 为了保证实时性，多采用基于优先级的可剥夺调度策略
  3. 内存管理机制不同：嵌入式 OS 没有硬盘，内存资源有限，很少采用虚拟内存
  4. 稳定性与交互性不同
  5. 实时性不同

1.5 初始 μC/OS-II 操作系统

于 1992 年由美国人 Jean Labrosse 编写，专为单片机嵌入式系统应用设计，主体代码由 ANSI C 编程，十分易于移植。

特点：

  1. 开源，注解详尽，内核结构清晰，代码漂亮
  2. 可移植：绝大部分源码由 ANSI C 编写，有很强的移植性，与硬件相关的代码由汇编编写，已经被压到了最低限度，移植只需改写很少的代码；移植条件：
    • CPU 必须有堆栈指针
    • 有内部寄存器的入栈和出栈指令
    • C 编译器必须支持内嵌汇编 或 C 语言可链接汇编模块 (使 C 语言中能实现开关中断)
  3. 可固化
  4. 可剪裁：提供条件编译配置常量
  5. 可剥夺：可剥夺的实时内核，准备就绪的高优先级任务总是可以剥夺正在运行的低优先级任务
  6. 多任务：可以管理 64 个任务，其中最好预留给 OS 8 个，每个任务必须赋予不同的优先级
  7. 可确定性：绝大部分函数的执行时间具有确定性，大部分系统服务的执行时间不依赖于应用程序数目的多少
  8. 任务栈：允许每个任务有自己的栈，每个栈的大小可以根据实际需要定义，以便节省 RAM 需求
  9. 系统服务：信号量、时间管理、消息队列等
  10. 中断管理：中断嵌套层数可达 255 层，高优先级任务可以在中断嵌套全部退出后立即执行
  11. 稳定性和可靠性：得到了 美国联邦航空管理局 的认证，能用于性命攸关、安全条件极为苛刻的系统中

μC/OS-II 总共 16 个文件：

  • 11 个与 CPU 无关，移植后无需修改
  • 3 个文件与 CPU 类型相关，移植时需要根据 CPU 类型进行修改
  • 2 个文件与具体应用相关，可根据需要条件编译

Summary

That's it.

希望会比 Linux 好读一些