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嵌入式系統基礎知識
嵌入式系統是一種專(zhuān)用的計算機系統，作為裝置或設備的一部分。通常，嵌入式系統是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。下面是小編整理的關(guān)于嵌入式系統基礎知識，歡迎大家閱讀!
1、嵌入式系統的定義
(1)定義：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。
(2)嵌入式系統發(fā)展的4個(gè)階段：無(wú)操作系統階段、簡(jiǎn)單操作系統階段、實(shí)時(shí)操作系統階段、面向Internet階段。
(3)知識產(chǎn)權核(IP核)：具有知識產(chǎn)權的、功能具體、接口規范、可在多個(gè)集成電路設計中重復使用的功能模塊，是實(shí)現系統芯片(SOC)的基本構件。
(4)IP核模塊有行為、結構和物理3級不同程度的設計，對應描述功能行為的不同可以分為三類(lèi)：軟核、固核、硬核。
2、嵌入式系統的組成
包含:硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層
(1)硬件層：嵌入式微處理器、存儲器、通用設備接口和I/O接口。
嵌入式核心模塊=微處理器+電源電路+時(shí)鐘電路+存儲器
Cache：位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數據。它的主要目標是減小存儲器給微處理器內核造成的存儲器訪(fǎng)問(wèn)瓶頸，使處理速度更快。
(2)中間層(也稱(chēng)為硬件抽象層HAL或者板級支持包BSP).
它將系統上層軟件和底層硬件分離開(kāi)來(lái)，使系統上層軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)系底層硬件的具體情況，根據BSP層提供的接口開(kāi)發(fā)即可。
BSP有兩個(gè)特點(diǎn)：硬件相關(guān)性和操作系統相關(guān)性。
設計一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：
A、 嵌入式系統的硬件初始化和BSP功能。
片級初始化：純硬件的初始化過(guò)程，把嵌入式微處理器從上電的默認狀態(tài)逐步設置成系統所要求的工作狀態(tài)。
板級初始化：包含軟硬件兩部分在內的初始化過(guò)程，為隨后的系統初始化和應用程序建立硬件和軟件的運行環(huán)境。
系統級初始化：以軟件為主的初始化過(guò)程，進(jìn)行操作系統的初始化。
B、 設計硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)。
(3)系統軟件層：由RTOS、文件系統、GUI、網(wǎng)絡(luò )系統及通用組件模塊組成。
RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺。
(4)應用軟件：由基于實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)的應用程序組成。
3、實(shí)時(shí)系統
(1)定義：能在指定或確定的時(shí)間內完成系統功能和對外部或內部、同步或異步時(shí)間做出響應的系統。
(2)區別：通用系統一般追求的是系統的平均響應時(shí)間和用戶(hù)的使用方便;而實(shí)時(shí)系統主要考慮的是在最壞情況下的系統行為。
(3)特點(diǎn)：時(shí)間約束性、可預測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互性。
(4)硬實(shí)時(shí)(強實(shí)時(shí))：指應用的時(shí)間需求應能夠得到完全滿(mǎn)足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞，如：航天、軍事。
(5)軟實(shí)時(shí)(弱實(shí)時(shí))：指某些應用雖然提出了時(shí)間的要求，但實(shí)時(shí)任務(wù)偶爾違反這種需求對系統運行及環(huán)境不會(huì )造成嚴重影響，如：監控系統、實(shí)時(shí)信息采集系統。
(6)任務(wù)的約束包括：時(shí)間約束、資源約束、執行順序約束和性能約束。
4、實(shí)時(shí)系統的調度
(1)調度：給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執行的整個(gè)過(guò)程。
(2)搶占式調度：通常是優(yōu)先級驅動(dòng)的調度，如uCOS。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、反應快，調度算法相對簡(jiǎn)單，可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間約束;缺點(diǎn)是上下文切換多。
(3)非搶占式調度：通常是按時(shí)間片分配的調度，不允許任務(wù)在執行期間被中斷，任務(wù)一旦占用處理器就必須執行完畢或自愿放棄，如WinCE。優(yōu)點(diǎn)是上下文切換少;缺點(diǎn)是處理器有效資源利用率低，可調度性不好。
(4)靜態(tài)表驅動(dòng)策略：系統在運行前根據各任務(wù)的時(shí)間約束及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用某種搜索策略生成一張運行時(shí)刻表，指明各任務(wù)的起始運行時(shí)刻及運行時(shí)間。
(5)優(yōu)先級驅動(dòng)策略：按照任務(wù)優(yōu)先級的高低確定任務(wù)的執行順序。
(6)實(shí)時(shí)任務(wù)分類(lèi)：周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)、非周期任務(wù)。
(7)實(shí)時(shí)系統的通用結構模型：數據采集任務(wù)實(shí)現傳感器數據的采集，數據處理任務(wù)處理采集的數據、并將加工后的數據送到執行機構管理任務(wù)控制機構執行。
5、嵌入式微處理器體系結構
(1)馮諾依曼結構：程序和數據共用一個(gè)存儲空間，程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，采用單一的地址及數據總線(xiàn)，程序和數據的寬度相同。例如：8086、ARM7、MIPS…
(2)哈佛結構：程序和數據是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址、獨立訪(fǎng)問(wèn)，是一種將程序存儲和數據存儲分開(kāi)的存儲器結構。例如：AVR、ARM9、ARM10…
(3)CISC與RISC的特點(diǎn)比較。
計算機執行程序所需要的時(shí)間P可以用下面公式計算：
P=I×CPI×T
I：高級語(yǔ)言程序編譯后在機器上運行的指令數。
CPI：為執行每條指令所需要的平均周期數。
T：每個(gè)機器周期的時(shí)間。
(4)流水線(xiàn)的思想：在CPU中把一條指令的串行執行過(guò)程變?yōu)槿舾芍噶畹淖舆^(guò)程在CPU中重疊執行。
(5)流水線(xiàn)的指標：
吞吐率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里流水線(xiàn)處理機流出的結果數。如果流水線(xiàn)的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(cháng)，則吞吐率應為最長(cháng)子過(guò)程的倒數。
建立時(shí)間：流水線(xiàn)開(kāi)始工作到達最大吞吐率的時(shí)間。若m個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為t，則建立時(shí)間T=mt。
(6)信息存儲的字節順序
A、存儲器單位：字節(8位)
B、字長(cháng)決定了微處理器的尋址能力，即虛擬地址空間的大小。
C、32位微處理器的虛擬地址空間位232，即4GB。
D、小端字節順序：低字節在內存低地址處，高字節在內存高地址處。
E、大端字節順序：高字節在內存低地址處，低字節在內存高地址處。
F、網(wǎng)絡(luò )設備的存儲順序問(wèn)題取決于OSI模型底層中的數據鏈路層。
6、邏輯電路基礎
(1)根據電路是否具有存儲功能，將邏輯電路劃分為：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。
(2)組合邏輯電路：電路在任一時(shí)刻的輸出，僅取決于該時(shí)刻的輸入信號，而與輸入信號作用前電路的狀態(tài)無(wú)關(guān)。常用的邏輯電路有譯碼器和多路選擇器等。
(3)時(shí)序邏輯電路：電路任一時(shí)刻的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻電路的狀態(tài)有關(guān)。因此，時(shí)序電路中必須包含記憶元件。觸發(fā)器是構成時(shí)序邏輯電路的基礎。常用的時(shí)序邏輯電路有寄存器和計數器等。
(4)真值表、布爾代數、摩根定律、門(mén)電路的概念。
(5)NOR(或非)和NAND(與非)的門(mén)電路稱(chēng)為全能門(mén)電路，可以實(shí)現任何一種邏輯函數。
(6)譯碼器：多輸入多輸出的組合邏輯網(wǎng)絡(luò )。
每輸入一個(gè)n位的二進(jìn)制代碼，在m個(gè)輸出端中最多有一個(gè)有效。
當m=2n是，為全譯碼;當m<2n時(shí)，為部分譯碼。
(7)由于集成電路的高電平輸出電流小，而低電平輸出電流相對比較大，采用集成門(mén)電路直接驅動(dòng)LED時(shí)，較多采用低電平驅動(dòng)方式。液晶七段字符顯示器LCD利用液晶有外加電場(chǎng)和無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)不同的光學(xué)特性來(lái)顯示字符。
(8)時(shí)鐘信號是時(shí)序邏輯的基礎，它用于決定邏輯單元中的狀態(tài)合適更新。同步是時(shí)鐘控制系統中的主要制約條件。
(9)在選用觸發(fā)器的時(shí)候，觸發(fā)方式是必須考慮的因素。觸發(fā)方式有兩種：
電平觸發(fā)方式：具有結構簡(jiǎn)單的有點(diǎn)，常用來(lái)組成暫存器。
邊沿觸發(fā)方式：具有很強的抗數據端干擾能力，常用來(lái)組成寄存器、計數器等。
7、總線(xiàn)電路及信號驅動(dòng)
(1)總線(xiàn)是各種信號線(xiàn)的集合，是嵌入式系統中各部件之間傳送數據、地址和控制信息的公共通路。在同一時(shí)刻，每條通路線(xiàn)路上能夠傳輸一位二進(jìn)制信號。按照總線(xiàn)所傳送的信息類(lèi)型，可以分為：數據總線(xiàn)(DB)、地址總線(xiàn)(AB)和控制總線(xiàn)(CB)。
(2)總線(xiàn)的主要參數：
總線(xiàn)帶寬：一定時(shí)間內總線(xiàn)上可以傳送的數據量，一般用MByte/s表示。
總線(xiàn)寬度：總線(xiàn)能同時(shí)傳送的數據位數(bit)，即人們常說(shuō)的32位、64位等總線(xiàn)寬度的概念，也叫總線(xiàn)位寬�？偩�(xiàn)的位寬越寬，總線(xiàn)每秒數據傳輸率越大，也就是總線(xiàn)帶寬越寬。
總線(xiàn)頻率：工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高，則總線(xiàn)工作速度越快，也即總線(xiàn)帶寬越寬。
總線(xiàn)帶寬 = 總線(xiàn)位寬×總線(xiàn)頻率/8， 單位是MBps。
常用總線(xiàn)：ISA總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、IIC總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、PC104總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)等。
(3)只有具有三態(tài)輸出的設備才能夠連接到數據總線(xiàn)上，常用的三態(tài)門(mén)為輸出緩沖器。
(4)當總線(xiàn)上所接的負載超過(guò)總線(xiàn)的負載能力時(shí)，必須在總線(xiàn)和負載之間加接緩沖器或驅動(dòng)器，最常用的是三態(tài)緩沖器，其作用是驅動(dòng)和隔離。
(5)采用總線(xiàn)復用技術(shù)可以實(shí)現數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的共用。但會(huì )帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：
A、需要增加外部電路對總線(xiàn)信號進(jìn)行復用解耦，例如：地址鎖存器。
B、總線(xiàn)速度相對非復用總線(xiàn)系統低。
(6)兩類(lèi)總線(xiàn)通信協(xié)議：同步方式、異步方式。
(7)對總線(xiàn)仲裁問(wèn)題的解決是以?xún)?yōu)先級(優(yōu)先權)的概念為基礎。
8、電平轉換電路
(1)數字集成電路可以分為兩大類(lèi)：雙極型集成電路(TTL)、金屬氧化物半導體(MOS)。
(2)CMOS電路由于其靜態(tài)功耗極低，工作速度較高，抗干擾能力較強，被廣泛使用。
(3)解決TTL與CMOS電路接口困難的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電阻R，上拉電阻R的取值由TTL的高電平輸出漏電流IOH來(lái)決定，不同系列的TTL應選用不同的R值。
9、可編程邏輯器件基礎
這方面的內容，從總體上有個(gè)概念性的認識應該就可以了。
10、嵌入式系統中信息表示與運算基礎
(1)進(jìn)位計數制與轉換：這樣比較簡(jiǎn)單，也應該掌握怎么樣進(jìn)行換算，有出題的可能。
(2)計算機中數的表示：源碼、反碼與補碼。
正數的反碼與源碼相同，負數的反碼為該數的源碼除符號位外按位取反。
正數的補碼與源碼相同，負數的補碼為該數的反碼加一。
例如-98的源碼：111****10B
反碼：10011101B
補碼：10011110B
(3)定點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)的位置人為約定固定不變。
浮點(diǎn)表示法：數的小數點(diǎn)位置是浮動(dòng)的，它由尾數部分和階數部分組成。
任意一個(gè)二進(jìn)制N總可以寫(xiě)成：N=2P×S。S為尾數，P為階數。
(4)漢字表示法，搞清楚GB2318-80中國標碼和機內碼的變換。
(5)語(yǔ)音編碼中波形量化參數(可能會(huì )出簡(jiǎn)單的計算題目哦)
采樣頻率：一秒內采樣的次數，反映了采樣點(diǎn)之間的間隔大小。
人耳的聽(tīng)覺(jué)上限是20kHz，因此40kHz以上的采樣頻率足以使人滿(mǎn)意。
CD唱片采用的采樣頻率是44.1kHz。
測量精度：樣本的量化等級，目前標準采樣量級有8位和16位兩種。
聲道數：?jiǎn)温暤篮土Ⅲw聲雙道。立體聲需要兩倍的存儲空間。
11、差錯控制編碼
(1)根據碼組的功能，可以分為檢錯碼和糾錯碼兩類(lèi)。檢錯碼是指能自動(dòng)發(fā)現差錯的碼，例如奇偶檢驗碼;糾錯碼是指不僅能發(fā)現差錯而且能自動(dòng)糾正差錯的碼，例如循環(huán)冗余校驗碼。
(2)奇偶檢驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。
12、嵌入式系統的度量項目
(1)性能指標：分為部件性能指標和綜合性能指標，主要包括：吞吐率、實(shí)時(shí)性和各種利用率。
(2)可靠性與安全性
可靠性是嵌入式系統最重要、最突出的基本要求，是一個(gè)嵌入式系統能正常工作的保證，一般用平均故障間隔時(shí)間MTBF來(lái)度量。
(3)可維護性：一般用平均修復時(shí)間MTTR表示。
(4)可用性
(5)功耗
(6)環(huán)境適應性
(7)通用性
(8)安全性
(9)保密性
(10)可擴展性
性?xún)r(jià)比中的價(jià)格，除了直接購買(mǎi)嵌入式系統的價(jià)格外，還應包含安裝費用、若干年的運行維修費用和軟件租用費。
13、嵌入式系統的評價(jià)方法：測量法和模型法
(1)測量法是最直接最基本的方法，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：
A、根據研究的目的，確定要測量的系統參數。
B、選擇測量的工具和方式。
(2)測量的方式有兩種：采樣方式和事件跟蹤方式。
(3)模型法分為分析模型法和模擬模型法。分析模型法是用一些數學(xué)方程去刻畫(huà)系統的模型，而模擬模型法是用模擬程序的運行去動(dòng)態(tài)表達嵌入式系統的狀態(tài)，而進(jìn)行系統統計分析，得出性能指標。
(4)分析模型法中使用最多的是排隊模型，它包括三個(gè)部分：輸入流、排隊規則和服務(wù)機構。
(5)使用模型對系統進(jìn)行評價(jià)需要解決3個(gè)問(wèn)題：設計模型、解模型、校準和證實(shí)模型。
接口技術(shù)
1. Flash存儲器
(1)Flash存儲器是一種非易失性存儲器，根據結構的不同可以將其分為NOR Flash和NAND Flash兩種。
(2)Flash存儲器的特點(diǎn)：
A、區塊結構：在物理上分成若干個(gè)區塊，區塊之間相互獨立。
B、先擦后寫(xiě)：Flash的寫(xiě)操作只能將數據位從1寫(xiě)成0，不能從0寫(xiě)成1，所以在對存儲器進(jìn)行寫(xiě)入之前必須先執行擦除操作，將預寫(xiě)入的數據位初始化為1。擦除操作的最小單位是一個(gè)區塊，而不是單個(gè)字節。
C、操作指令：執行寫(xiě)操作，它必須輸入一串特殊指令(NOR Flash)或者完成一段時(shí)序(NAND Flash)才能將數據寫(xiě)入。
D、位反轉：由于Flash的固有特性，在讀寫(xiě)過(guò)程中偶爾會(huì )產(chǎn)生一位或幾位的數據錯誤。位反轉無(wú)法避免，只能通過(guò)其他手段對結果進(jìn)行事后處理。
E、壞塊：區塊一旦損壞，將無(wú)法進(jìn)行修復。對已損壞的區塊操作其結果不可預測。
(3)NOR Flash的特點(diǎn)：
應用程序可以直接在閃存內運行，不需要再把代碼讀到系統RAM中運行。NOR Flash的傳輸效率很高，在1MB~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度**影響了它的性能。
(4)NAND Flash的特點(diǎn)
能夠提高極高的密度單元，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的U盤(pán)都使用NAND Flash作為存儲介質(zhì)的原因。應用NAND Flash的困難在于閃存需要特殊的系統接口。
(5)NOR Flash與NAND Flash的區別：
A、NOR Flash的讀速度比NAND Flash稍快一些。
B、NAND Flash的擦除和寫(xiě)入速度比NOR Flash快很多
C、NAND Flash的隨機讀取能力差，適合大量數據的連續讀取。
D、NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引進(jìn)來(lái)尋址，可以很容易地存取其內部的每一個(gè)字節。NAND Flash的地址、數據和命令共用8位總線(xiàn)(有寫(xiě)公司的產(chǎn)品使用16位)，每次讀寫(xiě)都要使用復雜的I/O接口串行地存取數據。
E、NOR Flash的容量一般較小，通常在1MB~8MB之間;NAND Flash只用在8MB以上的產(chǎn)品中。因此，NOR Flash只要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND Flash適用于資料存儲。
F、NAND Flash中每個(gè)塊的最大擦寫(xiě)次數是一百萬(wàn)次，而NOR Flash是十萬(wàn)次。
G、NOR Flash可以像其他內存那樣連接，非常直接地使用，并可以在上面直接運行代碼;NAND Flash需要特殊的I/O接口，在使用的時(shí)候，必須先寫(xiě)入驅動(dòng)程序，才能繼續執行其他操作。因為設計師絕不能向壞塊寫(xiě)入，這就意味著(zhù)在NAND Flash上自始至終必須進(jìn)行虛擬映像。
H、NOR Flash用于對數據可靠性要求較高的代碼存儲、通信產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò )處理等領(lǐng)域，被成為代碼閃存;NAND Flash則用于對存儲容量要求較高的MP3、存儲卡、U盤(pán)等領(lǐng)域，被成為數據閃存。
2、RAM存儲器
(1)SRAM的特點(diǎn)：
SRAM表示靜態(tài)隨機存取存儲器，只要供電它就會(huì )保持一個(gè)值，它沒(méi)有刷新周期，由觸發(fā)器構成基本單元，集成度低，每個(gè)SRAM存儲單元由6個(gè)晶體管組成，因此其成本較高。它具有較高速率，常用于高速緩沖存儲器。
通常SRAM有4種引腳：
CE：片選信號，低電平有效。
R/W：讀寫(xiě)控制信號。
ADDRESS：一組地址線(xiàn)。
DATA：用于數據傳輸的一組雙向信號線(xiàn)。
(2)DRAM的特點(diǎn)：
DRAM表示動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器。這是一種以電荷形式進(jìn)行存儲的半導體存儲器。它的每個(gè)存儲單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，數據存儲在電容器中。電容器會(huì )由于漏電而導致電荷丟失，因而DRAM器件是不穩定的。它必須有規律地進(jìn)行刷新，從而將數據保存在存儲器中。
DRAM的接口比較復雜，通常有一下引腳：
CE：片選信號，低電平有效。
R/W：讀寫(xiě)控制信號。
RAS：行地址選通信號，通常接地址的高位部分。
CAS：列地址選通信號，通常接地址的低位部分。
ADDRESS：一組地址線(xiàn)。
DATA：用于數據傳輸的一組雙向信號線(xiàn)。
(3)SDRAM的特點(diǎn)：
SDRAM表示同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器。同步是指內存工作需要同步時(shí)鐘，內部的命令發(fā)送與數據的傳輸都以它為基準;動(dòng)態(tài)是指存儲器陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數據不丟失。它通常只能工作在133MHz的主頻。
(4)DDRAM的特點(diǎn)
DDRAM表示雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器，也稱(chēng)DDR。DDRAM是基于SDRAM技術(shù)的，SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內只傳輸一次數據，它是在時(shí)鐘的。
嵌入式操作系統的種類(lèi)
一般情況下，嵌入式操作系統可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是面向控制、通信等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統，如 WindRiver 公司的 VxWorks 、 ISI 的 pSOS 、 QNX 系統軟件公司的 QNX 、 ATI 的 Nucleus 等；另一類(lèi)是面向消費電子產(chǎn)品的非實(shí)時(shí)操作系統，這類(lèi)產(chǎn)品包括個(gè)人數字助理 (PDA) 、移動(dòng)電話(huà)、機頂盒、電子書(shū)、 WebPhone 等。
a. 非實(shí)時(shí)操作系統
早期的嵌入式系統中沒(méi)有操作系統的概念，程序員編寫(xiě)嵌入式程序通常直接面對裸機及裸設備。在這種情況下，通常把嵌入式程序分成兩部分，即前臺程序和后臺程序。前臺程序通過(guò)中段來(lái)處理事件，其結構一般為無(wú)限循環(huán)；后臺程序則掌管整個(gè)嵌入式系統軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調度，是一個(gè)系統管理調度程序。這就是通常所說(shuō)的前后臺系統。一般情況下，后臺程序也叫任務(wù)級程序，前臺程序也叫事件處理級程序。在程序運行時(shí)，后臺程序檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運行條件，通過(guò)一定的調度算法來(lái)完成相應的操作。對于實(shí)時(shí)性要求特別嚴格的操作通常由中斷來(lái)完成，僅在中斷服務(wù)程序中標記事件的發(fā)生，不再做任何工作就退出中斷，經(jīng)過(guò)后臺程序的調度，轉由前臺程序完成事件的處理，這樣就不會(huì )造成在中斷服務(wù)程序中處理費時(shí)的事件而影響后續和其他中斷。
實(shí)際上，前后臺系統的實(shí)時(shí)性比預計的要差。這是因為前后臺系統認為所有的任務(wù)具有相同的優(yōu)先級別，即是平等的，而且任務(wù)的執行又是通過(guò) FIFO 隊列排隊，因而對那些實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)不可能立刻得到處理。另外，由于前臺程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的結構，一旦在這個(gè)循環(huán)體中正在處理的任務(wù)崩潰，使得整個(gè)任務(wù)隊列中的其他任務(wù)得不到機會(huì )被處理，從而造成整個(gè)系統的崩潰。由于這類(lèi)系統結構簡(jiǎn)單，幾乎不需要 RAM/ROM 的額外開(kāi)銷(xiāo)，因而在簡(jiǎn)單的嵌入式應用被廣泛使用。
b. 實(shí)時(shí)操作系統
實(shí)時(shí)系統是指能在確定的時(shí)間內執行其功能并對外部的異步事件做出響應的計算機系統。其操作的正確性不僅依賴(lài)于邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進(jìn)行的時(shí)間有關(guān)�！霸诖_定的時(shí)間內”是該定義的核心。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)系統是對響應時(shí)間有嚴格要求的。
實(shí)時(shí)系統對邏輯和時(shí)序的要求非常嚴格，如果邏輯和時(shí)序出現偏差將會(huì )引起嚴重后果。實(shí)時(shí)系統有兩種類(lèi)型：軟實(shí)時(shí)系統和硬實(shí)時(shí)系統。軟實(shí)時(shí)系統僅要求事件響應是實(shí)時(shí)的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(cháng)時(shí)間內完成；而在硬實(shí)時(shí)系統中，不僅要求任務(wù)響應要實(shí)時(shí)，而且要求在規定的時(shí)間內完成事件的處理。通常，大多數實(shí)時(shí)系統是兩者的結合。實(shí)時(shí)應用軟件的設計一般比非實(shí)時(shí)應用軟件的設計困難。實(shí)時(shí)系統的技術(shù)關(guān)鍵是如何保證系統的實(shí)時(shí)性。
實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統是指具有實(shí)時(shí)性、能支持實(shí)時(shí)控制系統工作的操作系統。其首要任務(wù)是調度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才著(zhù)眼于提高計算機系統的使用效率，重要特點(diǎn)是要滿(mǎn)足對時(shí)間的限制和要求。實(shí)時(shí)操作系統具有如下功能：任務(wù)管理 ( 多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調度 ) 、任務(wù)間同步和通信 ( 信號量和郵箱等 ) 、存儲器優(yōu)化管理 ( 含 ROM 的管理 ) 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)、中斷管理服務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統具有如下特點(diǎn)：規模小，中斷被屏蔽的時(shí)間很短，中斷處理時(shí)間短，任務(wù)切換很快。
實(shí)時(shí)操作系統可分為可搶占型和不可搶占型兩類(lèi)。對于基于優(yōu)先級的系統而言，可搶占型實(shí)時(shí)操作系統是指內核可以搶占正在運行任務(wù)的 CPU 使用權并將使用權交給進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級更高的任務(wù)，是內核搶了 CPU 讓別的任務(wù)運行。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統使用某種算法并決定讓某個(gè)任務(wù)運行后，就把 CPU 的控制權完全交給了該任務(wù)，直到它主動(dòng)將 CPU 控制權還回來(lái)。中斷由中斷服務(wù)程序來(lái)處理，可以激活一個(gè)休眠態(tài)的任務(wù)，使之進(jìn)入就緒態(tài)；而這個(gè)進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)還不能運行，一直要等到當前運行的任務(wù)主動(dòng)交出 CPU 的控制權。使用這種實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)時(shí)性比不使用實(shí)時(shí)操作系統的系統性能好，其實(shí)時(shí)性取決于最長(cháng)任務(wù)的執行時(shí)間。不可搶占型實(shí)時(shí)操作系統的缺點(diǎn)也恰恰是這一點(diǎn)，如果最長(cháng)任務(wù)的執行時(shí)間不能確定，系統的實(shí)時(shí)性就不能確定。
可搶占型實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)時(shí)性好，優(yōu)先級高的任務(wù)只要具備了運行的條件，或者說(shuō)進(jìn)入了就緒態(tài)，就可以立即運行。也就是說(shuō)，除了優(yōu)先級最高的任務(wù)，其他任務(wù)在運行過(guò)程中都可能隨時(shí)被比它優(yōu)先級高的任務(wù)中斷，讓后者運行。通過(guò)這種方式的任務(wù)調度保證了系統的實(shí)時(shí)性，但是，如果任務(wù)之間搶占 CPU 控制權處理不好，會(huì )產(chǎn)生系統崩潰、死機等嚴重后果。
嵌入式操作系統的發(fā)展
嵌入式操作系統伴隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展經(jīng)歷了 4 個(gè)比較明顯的階段。
第一階段是無(wú)操作系統的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統，同時(shí)具有與監測、伺服、指示設備相配合的功能。這種系統大部分應用于一些專(zhuān)業(yè)性極強的工業(yè)控制系統中，一般沒(méi)有操作系統的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對系統進(jìn)行直接控制，運行結束后清除內存。這一階段系統的主要特點(diǎn)是：系統結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒(méi)有用戶(hù)接口。由于這種嵌入式系統使用簡(jiǎn)便、價(jià)格很低，以前在國內工業(yè)領(lǐng)域應用較為普遍，但是已經(jīng)遠遠不能適應高效的、需要大容量存儲介質(zhì)的現代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。
第二階段是以嵌入式 CPU 為基礎、以簡(jiǎn)單操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點(diǎn)是： CPU 種類(lèi)繁多，通用性比較差；系統開(kāi)銷(xiāo)小， 效率高；一般配備系統仿真器，操作系統具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件較專(zhuān)業(yè)，用戶(hù)界面不夠友好；系統主要用來(lái)控制系統負載以及監控應用程序運行。
第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統階段，是以嵌入式操作系統為核心的嵌入式系統。這一階段系統的主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統能運行于各種不同類(lèi)型的微處理器上，兼容性好；操作系統內核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )支持、圖形窗口以及用戶(hù)界面等功能；具有大量的應用程序接口 (API) ，開(kāi)發(fā)應用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應用軟件豐富。
第四階段是以基于 Internet 為標志的嵌入式系統，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于 Internet 之外，但隨著(zhù) Internet 的發(fā)展以及 Internet 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結合日益密切，嵌入式設備與 Internet 的結合將代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。
使用實(shí)時(shí)操作系統的必要性
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在目前的嵌入式應用中用得越來(lái)越廣泛，尤其在功能復雜、系統龐大的應用中顯得愈來(lái)愈重要。
首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統提高了系統的可靠性。在控制系統中，出于安全方面的考慮，要求系統起碼不能崩潰，而且還要有自愈能力。不僅要求在硬件設計方面提高系統的可靠性和抗干擾性，而且也應在軟件設計方面提高系統的抗干擾性，盡可能地減少安全漏洞和不可靠的隱患。長(cháng)期以來(lái)的前后臺系統軟件設計在遇到強干擾時(shí)，使得運行的程序產(chǎn)生異常、出錯、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統管理的系統，這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過(guò)系統運行的系統監控進(jìn)程對其進(jìn)行修復。通常情況下，這個(gè)系統監視進(jìn)程用來(lái)監視各進(jìn)程運行狀況，遇到異常情況時(shí)采取一些利于系統穩定可靠的措施，如把有問(wèn)題的任務(wù)清除掉。從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有操作系統的計算機 ( 裸機 ) 是沒(méi)有用的。在嵌入式應用中，只有把 CPU 嵌入到系統中，同時(shí)又把操作系統嵌入進(jìn)去，才是真正的計算機嵌入式應用。
實(shí)時(shí)操作系統的優(yōu)缺點(diǎn)
在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，使應用程序的設計過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)有效的系統服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統使得系統資源得到更好的利用。
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