嵌入式文件系统介绍
什么是嵌入式系统
什么是嵌入式系统
什幺是嵌入式系统
嵌入式系统是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。
与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。
由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。
嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。
嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。
国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM
中的嵌入式处理器控制板。
事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。
与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为固件。
嵌入式系统
课程作业成绩：前言嵌入式系统是基于单片机的一种升级版,它是以应用为中心、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。
我们可从几方面来理解嵌入式系统：1.嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。
因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。
2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。
例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。
3.嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。
所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。
目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。
目录第一章嵌入式系统的定义组成和体系结构1.1 嵌入式系统的定义 (1)1.2 嵌入式系统的体系结构 (2)1.3嵌入式系统的组成 (4)第二章嵌入式操作系统和嵌入式软件的编写2.1 嵌入式操作系统 (5)2.2嵌入式Linux的开发流程的步骤 (6)2.3 嵌入式系统的调试 (7)第三章总结 (9)第一章嵌入式系统的定义组成和硬件设计1.1 嵌入式系统的定义按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？
1. 什么是嵌入式系统？其特点有些什么？答:嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
特点：（1）通常是面向特定应用，低功耗、体积小、集成度高；（2）是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统；（3）软硬件必须高效率地设计，根据应用需求量体裁衣，去除冗余；（4）与具体应用有机结合，具有较长的生命周期；（5）为提高执行速度和系统可靠性，软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中；（6）本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
2. 嵌入式系统的BooTLoader的功能是什么？答： BooTLoader是系统加电后,操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序，即引导加载程序。
通过这段程序,为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。
3. 什么是嵌入式操作系统？为何要使用嵌入式操作系统？答：嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。
4. 目前嵌入式操作系统有哪些？答：（1）Windows CE（2）VxWorks（3）pSOS（4）QNX（5）Palm OS（6）嵌入式Linux 5. 构造嵌入式开发环境有哪几种形式？答：（1）交叉开发环境（2）软件模拟环境（3)评估电路板6. 嵌入式系统开发的基本流程?答：（1）系统定义与需求分析（2）规格说明（3）系统结构设计（4）构件设计（5）系统集成7. 什么是可编程片上系统？答：用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,称作可编程片上系统PSOC.它是一种特殊的嵌入式系统，首先它是SOC，即由单个芯片实现整个系统的主要逻辑功能，具有一般SOC基本属性；其次，它又具备软硬件在系统可编程的功能，是可编程系统，具有可裁剪、可扩充、可升级等灵活的设计方式。
8. 有时要使用Thumb技术的原因?答：16位Thumb指令集是32位ARM指令集的子集，用16位代码密度的指令获得32位处理器的性能既节省存储空间及成本，又不降低处理性能，低功耗，小体积，低成本。
嵌入式系统中的Flash文件系统
据 所 以 ． 在 Ｆ ａ ｈ存储 器上 建 立 文 件 系统 具有 普 １ ｓ 遍 的意 义 。
Ｆ ａ ｈ存 储 器 的 扇 区 过 大 ， 是 实 现 文 件 系 统 的 ｌ ｓ 最 大 障 碍 ：而 小 扇 区 Ｆ ａ ｈ 可 更方 便 地 实 现 文 件 系 １ ｓ
内 存地 址 写 人 两 次 而 必 须 先 进 行 耗 时 的 擦 除 操
【 节 ｊ。这 就 是 为 什 么需 要 为 Ｆ ａ ｈ存 储 器 开 发 专 字 ｌ ｓ
怍 。 而 且 一次擦 除 一 个扇 区 ， 扇 区 大小 一般 为 ６ ４ ＫＢ
用 的 文 件 系 统 ， 而 不 能 使 用 已 有 的 文 件 系 统 的 原
让位 从 “ 变 为 “ ” ０ １ ，就 需 要再 进 行擦 除 操作 擦 除操 作 比较 耗 时 ． 一 般 需要 １ ２Ｓ 甚 至最 长要 １ 。 ￣ ， ０Ｓ 对 于 实 时 系 统 来 说 ， 肯 定 不 能 进 行 忙 等 待 擦 除 完 成 。在 Ｒ ＯＳ中 ， 可 用 延 时 系统 谓 用完 成 查 询 等待 。 Ｔ 另 外 需 要提 醒 一 点 。 在 Ｆ ａ ｈ存 储 器 进 行 擦 除 操 作 １ ｓ 时 ， 不 能 再 进 行 正 常 的 读 取 操 作 ， 需 要 启 动 擦 除 的 任 务 在 操 作 期 间 独 占 谖 设 备 ， 操 作 完 成 后 再 释 放 掉 ， 这 可 由信 号 量 （ｅ ｐ ｏ ｅ 来完 成 互 斥 独 占 。 Ｓ ｍａ ｈ ｒ ） 若 在 中断 中 也 有 访 问 Ｆ ａ ｈ的 代码 ， 还 须 屏 蔽 中断 ． ｌｓ
不用 在程 序 中硬 编码 Ｆ ａ ｈ的 Ｉ ；Ｊ ＤＥ ｌｓＤ Ｅ Ｃ用来 帮助
3、嵌入式操作系统介绍
——ARM与C/OS-Ⅱ
北京航空航天大学 智能嵌入式技术工作室
王田苗 魏洪兴
1
第四讲、嵌入式实时操作系统分析
一、操作系统概述 二、嵌入式实时操作系统C/OS 三、嵌入式Linux简介 四、WinCE
2
一、操作系统的发展
串行处理 简单批处理系统——IBMSYS 多通道程序批处理系统 分时操作系统 实时操作系统
33
任务控制块结构
Struct os_tcb {
OS_STK *OSTCBStkPtr;
struct os_tcb *OSTCBNext; struct os_tcb *OSTCBprev;
事件控制块的指针
OS_EVENT *OSTCBEventPtr;
void
*OSTCBMsg;
INT16U OSTCBDly; INT8U OSTCBStat;
21
µC/OS-II提供的系统服务
信号量 带互斥机制的信号量
减少优先级倒置的问题 事件标志 消息信箱 消息队列 内存管理 时钟管理 任务管理
22
µC/GUI and µC/FS
µC/GUI 嵌入式的用户界面 用ANSI C书写 支持任何8, 16, 32-bits CPU 彩色，灰、度，等级或黑白显示 代码尺寸小
3
批处理操作系统
工作方式： 用户将作业交给系统操作员 系统操作员将许多用户的作业组成一批作业 之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接
的连续的作业流 启动操作系统 系统自动、依次执行每个作业 最后由操作员将作业结果交给用户
4
分时操作系统
工作方式:
一台主机连接了若干个终端 每个终端有一个用户在使用 交互式的向系统提出命令请求 系统接受每个用户的命令 采用时间片轮转方式处理服务请求 并通过交互方式在终端上向用户显示结果 用户根据上步结果发出下道命令
嵌入式系统概述
• SOC可以分为通用和专用两类。通用系 列包括Siemens的TriCore，Motorola的MCore ， 某 些 ARM 系 列 器 件 ， Echelon 和 Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用 SOC一般专用于某个或某类系统中，不 为一般用户所知。一个有代表性的产品 是Philips的Smart XA。
• 系统软件(OS)的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不 相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，单纯通 过提高处理器速度是无法完成和没有效 率的这种任务调度只能由优化编写的系 统软件来完成，因此系统软件的高实时 性是基本要求。
嵌入式系统软件需要RTOS开 发平台
嵌入式片上系统(SOC)
• 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体 工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复 杂的系统的时代已来临，这就是 SOC。各种通用 处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等 语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其 整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给 半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器 件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块 或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁， 对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
• 新型的微控制器指令及SOC速度不断提高， 存储器空间也相应加大，已经达到甚至 超过了目前的通用计算机中的微处理器， 为嵌入式系统工程师采用过去一直不敢 问津的C++语言创造了条件。C++语言强 大的类、继承等功能更便于实现复杂的 程序功能。
• 但是C++语言为了支持复杂的语法，在代 码生成效率方面不免有所下降。为此， 1995年初在日本成立的Embedded C++技 术委员会经过几年的研究，针对嵌入式 应用制订了减小代码尺寸的EC++标准。
嵌入式操作系统全解课件
中断处理优化
总结词
在嵌入式操作系统中，中断处理是一个重要的功能，它可以实现系统的实时性和 可靠性。因此，中断处理优化也是嵌入式操作系统优化技术中的重要一环。
详细描述
中断处理优化包括对中断处理程序的优化和中断优先级的设置等操作。例如，可 以通过减少中断处理程序的执行时间和复杂度，提高系统的响应速度和实时性； 可以通过合理地设置中断优先级，确保重要任务能够优先得到执行。
I/O操作优化
总结词
在嵌入式操作系统中，I/O操作也是一个重要的功能，它可以实现系统与外部设备的通信和控制。因此，I/O操作 优化也是嵌入式操作系统优化技术中的重要方面。
详细描述
I/O操作优化包括对I/O设备的选择、驱动程序的优化等操作。例如，可以通过选择合适的I/O设备，减少系统的 复杂度和成本；可以通过优化驱动程序，提高I/O操作的效率和可靠性。
内存优化
总结词
内存优化是嵌入式操作系统优化技术中的另一个重要方面，它可以减少内存的占用和提高内存的使用 效率，从而提高整个系统的性能和可靠性。
详细描述
内存优化包括内存管理、内存分配、内存缓存等技术的优化。例如，可以通过合理地使用静态和动态 内存分配，减少内存碎片的产生；可以通过使用内存缓存技术，提高内存访问的速度和效率。
05
嵌入式操作系统的可靠性设 计
可靠性设计方法
01
硬件冗余设计：通过增加备份或冗余组件来提 高系统的可靠性，例如双电源设计、双CPU等。
03
容错技术
02
软件健壮性设计：在软件设计阶段，采用容错 技术、异常处理等手段，提高软件的健壮性和
可靠性。
04
故障诊断与恢复
容错技术
硬件容错
通过硬件冗余、表决等技术实现 容错，例如采用多重表决器、奇 偶校验等。
嵌入式实时操作系统简介
嵌入式实时操作系统简介嵌入式实时操作系统简介一：引言嵌入式实时操作系统（RTOS）是一类特殊的操作系统，用于控制和管理嵌入式系统中的实时任务。
本文将介绍嵌入式实时操作系统的基本概念、特点和应用领域。
二：嵌入式实时操作系统的定义1. 实时操作系统的概念实时操作系统是一种能够处理实时任务的操作系统。
实时任务是指必须在严格的时间约束内完成的任务，例如航空航天、工业自动化和医疗设备等领域的应用。
2. 嵌入式实时操作系统的特点嵌入式实时操作系统相比于通用操作系统具有以下特点：- 实时性：能够满足严格的时间要求，保证实时任务的及时响应。
- 可靠性：具备高可用性和容错能力，能够保证系统的稳定运行。
- 精简性：占用资源少，适应嵌入式系统的有限硬件资源。
- 可定制性：能够根据具体应用需求进行定制和优化。
三：嵌入式实时操作系统的体系结构1. 内核嵌入式实时操作系统的核心部分，负责任务和资源管理、中断处理和调度算法等。
- 任务管理：包括任务的创建、删除、挂起和恢复等。
- 资源管理：包括内存、文件系统、网络资源等的管理。
- 中断处理：负责中断的响应和处理。
- 调度算法：根据任务的优先级和调度策略进行任务的调度。
2. 设备管理嵌入式实时操作系统需要与各种外设进行通信和交互，设备管理模块负责管理设备驱动、中断处理和设备的抽象接口等。
3. 系统服务提供一系列系统服务，例如时钟管理、内存管理和文件系统等，以支持应用程序的运行。
四：嵌入式实时操作系统的应用领域嵌入式实时操作系统广泛应用于以下领域：1. 工业自动化：用于控制和监控工业设备和生产过程。
2. 航空航天：用于飞行控制、导航和通信系统。
3. 交通运输：用于车辆控制和交通管理。
4. 医疗设备：用于医疗仪器和设备控制和数据处理。
附件：本文档附带示例代码和案例分析供参考。
注释：1. 实时任务：Real-Time Task，简称RTT。
2. 嵌入式系统：Embedded System，简称ES。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
NAND型
3.5MB/sec
0.65MB/sec 2ms 8-32KB 1,000,000 次
NOR型
15MB/sec
0.15MB/sec 1sec 64-128KB 100,000 次
与NOR型器件相比，NAND型器件的写入、擦除速度较快。
NOR闪存带有SRAM接口，可以实现随机写。 NAND器件使用I/O口串行存取数据，操作单元为512字节，可取代硬 盘或其他块设备，需要Memory Technology Devices(MTD)驱动。 NAND型具有更高的擦除上限，对于经常大容量数据存储的应用数据存储
16
NAND闪存管理中的问题 (1/4)
写前需先擦除，擦除单元（Block） > 读写单元（Page）：
NAND闪存
数据更新策略：
本地更新（in-place update）
非本地更新（non-in-place update）
垃圾回收问题
17
NAND闪存管理中的问题 (2/4)
嵌入式系统
An Introduction to Embedded System
第八课、嵌入式文件系统
1
课程大纲
嵌入式文件系统概述
闪速存储器硬件特性简介 闪速存储器文件系统简介 嵌入式Linux根文件系统简介
2
嵌入式文件系统介绍
嵌入式文件系统是在嵌入式系统中应用的文件系统，
是嵌入式系统的一个重要组成部分。
NAND型闪存的特点：
地址线、数据线共用，单元尺寸比NOR型器件小，具有更高的 价格容量比，可以达到高存储密度和大容量；
读、写操作单位采用512字节的页面；
NAND更适合作为高密度数据存储。
13
NOR vs NAND闪存比较（4/4）
性能参数
读操作的时间
写操作的时间 擦除操作的时间 擦除大小 擦除次数限制
芝等。
闪存类型主要分为：
NAND、NOR、DINOR、AND。
NOR闪存作为EEPROM的替代品而设计，NAND型 闪存专门为数据存储而设计。
10
NOR vs NAND闪存比较（1/4）
NOR闪存架构
NAND闪存架构
11
NOR vs NAND闪存比较（2/4）
NOR FLASH(XIP)
总容量：2片16M×16位flash并联 Block：128K byte
地址总线 A0-A24
PXA255
16MWords
数据总线 D0-D15 数据总线 D16-D31
16MWords
Flash连接图
Flash分布图
21
NOR闪存驱动分析 (2/5)
Bootloader中对闪存操作的相关指令：
NAND闪存驱动分析 (7/10)
Identifying Invalid Block(s)
The invalid block(s)
status is defined by the 6th byte in the spare area. The 1st block(00h block address) is fully guaranteed to be a valid block.
18
NAND闪存管理中的问题 (3/4)
位翻转(Bit Flipping)：所有闪速存储器都受到位翻转现象的
困扰，表现为一个bit位发生翻转。
位翻转的产生原因
Drifting Effects: A phenomena that slowly changes a cell's
voltage level from its initial value. Program-Disturb Errors: This is sometimes referred to as "over-program" effects. A programming operation on one page induces the flip of a bit on another, unrelated page. Read-Disturb Errors: This effect causes a page read
Block Replacement
课程大纲
嵌入式文件系统概述
闪速存储器硬件特性简介 闪速存储器文件系统简介 嵌入式Linux根文件系统简介
36
闪存文件系统分类
针对闪存设备的硬件特殊性，目前闪
存文件系统主要有两种实现思路：
硬盘模拟法（MTD/FTL/FLASH）： 将闪存设备模拟成具有每个扇区512 字节的标准块设备，在此基础上使用 成熟的磁盘文件系统进行管理。 直接实现法（MTD/FLASH）：直接 对闪存设备进行操作，建立日志文件 系统，避免模拟转化工作。
随着嵌入式系统的广泛应用，对数据存储和管理提出
了很高的要求，嵌入式文件系统的重要性不断突出。
嵌入式文件系统与桌面通用文件系统有较大差异：
文件系统占用资源应尽可能小； 满足可移动和便于携带的要求；
满足断电后的数据完整性保护；
满足抗辐射、单粒子翻转纠错； 满足存储节能管理与设计需求。
电压。 数据表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值 Vth来表示。
9
闪存发展及分类
1984年闪存概念由东芝公司的Fujio Masuoka提出。 Intel公司于1988年首先开发出NOR闪存产品并投
放市场；1989年东芝公司开发出NAND闪存结构。
目前主要的闪存供应商有：Intel、三星、日立、东
调节，电荷捕获技术是非常可靠的，基于浮栅MOS的存储器 可以经受1000000次重写操作，保存时间长达10年。
EEPROM可以一次性擦除和重写一个单元，闪存以块
（block）为单位进行擦除，闪存的擦除、读、写速度更快。
8
闪存硬件基本原理（2/2）
闪存数据存储原理
数据在闪存单元中以电荷方式存储。 存储电荷的多少，取决于外部门（external gate）所被施加的
内存文件系统
RAMFS
4
课程大纲
嵌入式文件系统概述
闪速存储器硬件特性简介 闪速存储器文件系统简介 嵌入式Linux根文件系统简介
5
闪速存储器（固态硬盘）概述(1/2)
闪存（Flash）是一种固态非易失性存储器，主要依靠储存电
荷保存数据，而不是移动电磁介质。
Flash没有移动部分并且相对稳定，具有抗机械震动、轻巧、
Destination of the pointer
Block Diagram of Pointer Operation
29
NAND闪存驱动分析 (5/10)
Samsung spare area assignment standard
30
NAND闪存驱动分析 (6/10)
Command sets
14
NAND闪存构成原理（1/2）
NAND闪存总体构成
控制器 存储芯片 缓存：DRAM 物理接口
15
NAND闪存构成原理（2/2）
NAND闪存的存储结构设计
SLC（Single Level Cell单层单元） MLC（Multi-Level Cell多层单元）：2003年 TLC（Trinary-Level Cell三层单元）：2009年
读状态
Flash
Erase
lock unlock
23
NOR闪存驱动分析 (4/5)
Block Erase处理流程：EraseFlashBlocks
24
NOR闪存驱动分析 (5/5)
Write to Buffer处
理流程： DoWriteToFlashBl ocks
25
NAND闪存驱动分析 (1/10)
紧凑、节能等良好特性。
随着闪存容量的增加，价格的下降，越来越多的嵌入式系统
采用闪存作为存储设备，如：电子盘（U盘）、手机、PDA、 MP3、数码相机等，并且主板BIOS也已采用闪存。
6
闪速存储器（固态硬盘）概述(2/2)
闪存产业正处于积极的扩张模式，2013年出货5700万，同比
增长82%。
flash [loader/kernel/root/ramdisk]
erase [loader/kernel/root/ramdisk] lock [kernel/root/ramdisk] unlock
22
NOR闪存驱动分析 (3/5)
Intel的StrataFlash中的指令集定义：
NAND FLASH(非XIP)
12
NOR vs NAND闪存比较（3/4）
NOR型闪存的特点：
具有独立的地址线、数据线，支持快速随机访问，容量较小；
具有芯片内执行（XIP，eXecute In Place）的功能，按照字节 为单位进行随机写；
NOR型闪存适合用来存储少量的可执行代码。
01h Command(Read) : Defines the starting address of the
2nd half of the register.
A8 is set to "Low" or "High" by the 00h or 01h Command.
28
NAND闪存驱动分析 (4/10)
SAMSUNG的NAND Flash (K9F5608X0B (X8)) 芯片参数
总容量：(32M×8) bit Block：16K byte
K9F5608X0B (X8) Array organization