第1章嵌入式系统基础知识1.1嵌入式系统的定义和组成目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。1.1.2嵌入式系统发展趋势（2）简单操作系统阶段20世纪80年代，高可靠性、低功耗的嵌入式CPU（如PowerPC等在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。（3）实时操作系统阶段2）．嵌入式系统的发展趋势3）．IP核（IntellectualPropertyCore，知识产权核）IP软核以源代码的形式提供的，IP知识产权不易保护IP硬核易于实现IP保护，缺点是灵活性和可移植性差。1.1.3嵌入式系统的组成1．嵌入式计算机系统的硬件层嵌入式系统硬件层的核心。将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部。有利于系统设计小型化、高效率和高可靠性。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。②主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。主存储器包含有ROM和RAM，可以位于微处理器的内部或外部。常用的ROM类存储器有NORFlash、EPROM和PROM等，RAM类存储器有SRAM、DRAM和SDRAM等。（3）通用设备接口和I/O接口嵌入式系统与外界交互所需要的通用设备接口，如GPIO、A/D（模／数转换接口）、D/A（数／模转换接口）、RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。2．中间层（1）嵌入式系统硬件初始化按照自底向上、从硬件到软件的次序初始化分为3个主要环节。（2）硬件相关的设备驱动程序BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。3．系统软件层1）嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem，EOS）EOS负责嵌入式系统的软件、硬件的资源分配、任务调度，控制协调。2）文件系统嵌入式文件系统与通用操作系统的文件系统不完全相同，主要提供文件存储、检索和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统。嵌入式文件系统可以方便的挂接不同存储设备的驱动程序，支持多种存储设备。嵌入式文件系统以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。4．应用软件层1.1.4实时操作系统（RTOS）1．RTOS定义RTOS是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。RTOS的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。2．RTOS特点（1）约束性RTOS任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。RTOS的任务具有时间约束性。时间约束是任何RTOS都固有的约束。时间约束性可分为“硬实时”和“软实时”。硬实时是指在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，时间要求必须能够得到完全满足，否则将造成不可预计的结果。软实时通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，有时间约束要求，但偶尔违反不会造成严重影响。资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束。例如，在分布式端到端（end-to-end）实时系统中，同一任务的各子任务之间存在前驱／后继约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度性要求。性能约束是指必须满足如可靠性、可用性、可预测性、服务质量（QualityofService，QoS）等性能指标。（2）可预测性可预测性是指RTOS完成实时任务所需要的执行时