嵌入式讲义操作系统概述
第十课 嵌入式操作系统概述
CPU与外设的数据传输方式通常有以下几种： CPU与外设的数据传输方式通常有以下几种： 与外设的数据传输方式通常有以下几种 查询方式： 查询方式：
CPU不断的查询外设状态，如果外设准备就绪就开始传输数据， CPU不断的查询外设状态，如果外设准备就绪就开始传输数据，如果外 不断的查询外设状态 设还没有准备好， 设还没有准备好，就进入循环等待
系统加电时 系统复位时 跳转到复位中断向量处(0x00000000) 跳转到复位中断向量处(0x00000000)
未定义指令(undefined instruction):当ARM处理器或者 未定义指令(undefined instruction):当ARM处理器或者 是系统中的协处理器认为当前指令未定义时， 是系统中的协处理器认为当前指令未定义时，产生未定义 的指令异常处理。 的指令异常处理。 软件中断(software interrupt):有用户定义的中断指令 有用户定义的中断指令， 软件中断(software interrupt):有用户定义的中断指令， 在实时操作系统中可以通过该机制实现系统功能的调用。 在实时操作系统中可以通过该机制实现系统功能的调用。
为什么要使用嵌入式操作系统
并不是所有的嵌入式系统上面都需要有一个嵌 入式操作系统。 入式操作系统。一些本身功能很简单的嵌入式 系统出于效率和成本的考虑， 系统出于效率和成本的考虑，常不使用嵌入式 操作系统。 操作系统。但当一个嵌入式系统的复杂程度达 到一定的水平， 到一定的水平，其硬件又具备充足的处理能力 的时候，就需要使用嵌入式操作系统。 的时候，就需要使用嵌入式操作系统。一般说 来当一个嵌入式系统有以下一些需求的时候就 要用到嵌入式操作系统。 要用到嵌入式操作系统。
4、转去执行中断处理程序
嵌入式操作系统讲解
嵌入式操作系统讲解嵌入式操作系统是一种特殊的操作系统，用于嵌入到各种嵌入式设备中，例如智能手机、电子器件、汽车以及工业控制系统等。
它的目标是提供稳定、高效、安全、可靠的操作环境，以满足嵌入式设备的特殊需求。
在本文中，我们将探讨嵌入式操作系统的基本概念、设计原则以及应用领域等方面内容。
嵌入式操作系统最重要的特点之一就是它的尺寸和资源占用要远远小于传统的桌面操作系统。
因为嵌入式设备通常具有有限的内存和处理能力，所以嵌入式操作系统必须经过精心设计，以满足资源限制的要求。
比如，有些嵌入式操作系统的内存占用只有几十KB，而运行在嵌入式设备上的应用程序只需几百KB的内存。
嵌入式操作系统还需要具备实时性能。
实时性能是指操作系统能够在给定的时间限制内响应外部事件或产生输出结果的能力。
与桌面操作系统不同的是，嵌入式设备常常面临各种实时任务，如控制、监视和通信等，所以嵌入式操作系统需要保证任务能够及时完成，并满足所设定的时间限制。
嵌入式操作系统的设计原则包括可定制性、模块化、可靠性和安全性等。
可定制性是指嵌入式操作系统能够根据具体需求进行定制，包括裁剪不需要的组件，配置系统参数，以及添加新的功能等。
模块化是指嵌入式操作系统由多个模块组成，每个模块具有独立的功能，并能够方便地进行修改和扩展。
可靠性是指嵌入式操作系统能够长时间稳定运行，不易崩溃或死机。
安全性是指嵌入式操作系统能够保护系统和数据的安全，防止非法访问和恶意攻击。
嵌入式操作系统的应用领域非常广泛。
其中最常见的应用之一就是智能手机。
智能手机通常需要运行多个应用程序，并提供各种功能，如通话、短信、上网、音乐、视频等。
由于智能手机的资源有限，所以嵌入式操作系统必须能够高效地管理系统资源，并保证多个应用程序之间的安全隔离。
同时，嵌入式操作系统还要支持多种无线通信技术，如GSM、CDMA、WCDMA、LTE等。
另一个应用领域是汽车电子系统。
现代汽车中有许多嵌入式控制单元，用于控制发动机、制动系统、车身稳定性控制、娱乐系统等。
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种特殊的操作系统，用于控制嵌入式设备的操作和功能。
它通常被设计成具有小巧、高效、快速响应和稳定性强等特点，以适应嵌入式设备的资源限制和实时性要求。
本文将介绍嵌入式操作系统的基本概念、分类、应用和发展趋势。
一、基本概念嵌入式操作系统是在嵌入式系统中运行的一种软件系统。
它负责管理和控制硬件资源，提供对应用程序的支持和调度，以实现各种功能需求。
在嵌入式系统中，它不仅仅是一个软件组件，更是整个系统的核心。
二、分类嵌入式操作系统可以根据其结构和特点进行分类。
1. 实时操作系统（RTOS）实时操作系统是一种关注任务响应时间的嵌入式操作系统。
它能够确保任务在预定的时间内完成，并满足实时性要求。
实时操作系统广泛应用于航空航天、汽车电子、工业控制等领域。
2. 嵌入式Linux嵌入式Linux是指将Linux操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它继承了Linux的开放性和稳定性，并且具有丰富的软件资源和开发工具。
嵌入式Linux在智能手机、平板电脑、智能电视等设备中得到广泛应用。
3. 嵌入式Windows嵌入式Windows是指将Windows操作系统移植到嵌入式设备上的一种操作系统。
它兼容Windows的API和应用程序，为开发者提供了熟悉的开发环境和工具。
嵌入式Windows在工业自动化、医疗设备等领域被广泛采用。
三、应用嵌入式操作系统在各个领域都有广泛的应用。
1. 汽车电子嵌入式操作系统在汽车电子中起到了至关重要的作用。
它可以控制车身电子系统、信息娱乐系统、车载网络等，提高驾驶安全性和乘车舒适度。
2. 智能家居随着物联网技术的发展，越来越多的家庭设备开始智能化。
嵌入式操作系统可以用于控制家庭自动化设备，如智能门锁、智能灯光、智能家电等，实现远程控制和智能化管理。
3. 工业自动化工业自动化是嵌入式操作系统的一个重要应用领域。
它可以用于控制工业机器人、生产线设备、监控系统等，提高生产效率和质量稳定性。
嵌入式操作系统的组成
嵌入式操作系统的组成1. 嵌入式操作系统的概述嵌入式操作系统是指专为嵌入式系统设计的操作系统，通常运行在资源受限的设备上，如智能手机、家电、汽车电子等。
嵌入式操作系统是支撑嵌入式系统正常运行的核心软件，它不仅能够管理硬件资源，还提供了丰富的功能和服务。
嵌入式操作系统的组成是指构成整个操作系统的各个组成部分，包括内核、驱动程序、文件系统、操作系统服务等，它们相互协作，实现对嵌入式系统的管理和控制。
下面将详细介绍嵌入式操作系统的组成部分。
2. 嵌入式操作系统的组成部分2.1 内核内核是操作系统的核心部分，负责管理和控制硬件资源，提供各种系统服务和功能。
嵌入式操作系统的内核通常是精简的，只包含必要的功能和服务，以尽量减小内存占用和提高性能。
内核的主要功能包括任务调度、内存管理、设备驱动、中断处理等。
任务调度负责根据优先级和调度算法分配CPU时间片给不同的任务，实现多任务并发执行。
内存管理负责管理内存空间的分配和回收，避免内存泄漏和冲突。
设备驱动负责与外部设备进行通信和交互，包括读写数据、控制设备等。
中断处理负责处理各种中断事件，保证系统的稳定性和可靠性。
2.2 驱动程序驱动程序是嵌入式操作系统的重要组成部分，通过与硬件设备进行交互，实现对硬件资源的管理和控制。
驱动程序通常由内核提供的API和硬件接口组成，其主要功能是将各种硬件设备抽象为文件或设备对象，并提供相应的操作接口和函数。
不同的硬件设备需要不同的驱动程序，如串口驱动程序、网卡驱动程序、显示驱动程序等。
驱动程序的编写需要专门的硬件知识和编程技巧，以充分发挥硬件设备的功能和性能。
2.3 文件系统文件系统是嵌入式操作系统的存储管理部分，负责管理和操作文件和目录。
文件系统提供了对文件的读写和管理功能，使得应用程序可以方便地对文件进行操作。
文件系统包括目录结构、文件管理和文件权限等。
目录结构是指文件和目录之间的组织关系，可以通过树形结构进行表示。
文件管理包括文件的创建、删除、修改和查找等操作，以及文件的读写和访问控制。
七、嵌入式操作系统介绍
任务 一个任务，也称作一个线程，是一段程序，该程 序可以认为CPU完全只属该程序自己。 每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套 CPU寄存器和自己的栈空间。 典型情况下，每个任务都是一个无限的循环。 当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正 在运行任务的当前状态，这些内容保存在任务的 栈空间之中。入栈工作完成以后，就把下一个将 要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装 入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个 过程叫做任务切换。
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嵌入式实时操作系统
内核和调度
内核（Kernel） 多任务系统中，内核负责管理各个任务， 或者说为每个任务分配CPU时间，并且负 责任务之间的通讯。内核提供的基本服务 是任务切换。 调度（Scheduler） 这是内核的主要职责之一，就是要决定该 轮到哪个任务运行了。
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常见的嵌入式操作系统介绍
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嵌入式实时操作系统
基于优先级的多任务调度
对每个任务确定一个优先级，总是让优先级最高 的任务先使用处理器。对具有相同优先级的任务， 在采用先来先服务的次序分配处理器。系统常以 任务的紧迫性和系统效率等要素确定任务的优先 级。任务的优先级可以固定，也可随任务执行过 程动态变化。 一个高优先级的任务占用处理器后，系统处理该 任务时有两种方式，一种是“非抢占式”，另外 一种是“抢占式”。前者是此任务占用处理器后 移植运行到结束，除非本身主动让出处理器，后 者则严格保证任何时刻总是让优先级最高的任务 在处理器上运行。
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常见的嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统——WinCE
Windows CE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在 Windows CE平台上可以使用Windows 95/98/2000上的编程 工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同样的函 数、使用同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简 单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使用 目前主要应用于PDA，跟微软一系列Windows系统一样， Windows CE也承袭了原有的缺点：耗系统资源、不稳定、 效率不佳..等等。后来将整个架构重新改写后推出 Windows CE 3.0 版，或称为 Pocket PC。
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。
嵌入式操作系统1-嵌入式系统概述
上配置交叉开发环境、安装仿真 器，编写程序，交叉编译，在仿真器上运行 测试并修改直到软件满足需求； 利用面包板开发和调试软、硬件 利用编程器将软件烧到开发好的系统中进行 现场运行测试
复杂嵌入式系统
应用程序
应用层
文件系统/图形用户接口 文件系统 图形用户接口 应用程序接口（ 应用程序接口（API） ）
电源 模块
外围电路 微处理器
Flash
时钟
RAM
MPU
复位 ROM
外设
USB LCD Keyboard Other
嵌入式系统组成-软件
应用程序 软件 结构 操作系统
输入 输出 处理器 硬件 结构
存储器
五、嵌入式系统硬件
从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处 理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部 分。
1、嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit，MCU） 、嵌入式微控制器（ ， ） 2、嵌入式微处理器（ Microprocessor Unit，MPU） 3、嵌入式DSP（ Digital Signal Processor ）处理器 4、嵌入式片上系统（ System on Chip，SoC）
基本模块
内存管 理调度 文件管理 进程调度
扩展模块 网络模 块调度 图形驱动
OS层 层
OS核 核 进程调度
数据 库模 块
驱动层
驱动程序、硬件抽象层、 驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware） ） RTOS系结构图 系结构图
复杂的嵌入式应用
嵌入式系统软件组成
初始化引导代码 嵌入式操作系统代码 驱动程序代码 文件系统 GUI(可选) 应用程序代码
嵌入式Linux开发流程
嵌入式操作系统概述
嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统与桌面操作系统和服务器操作系统不同，它们的主要目标是最小化系统资源占用，使系统能够高效、稳定地运行。
嵌入式操作系统经常运行在低功耗的硬件设备上，例如智能手机、智能家电、汽车、医疗设备等。
它们需要具备快速启动、低内存占用和高实时性等特性。
常见的嵌入式操作系统有几种类型，包括实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）、嵌入式Linux和Windows嵌入式等。
实时操作系统是最常见的嵌入式操作系统类型之一、实时操作系统一般分为硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统对任务的响应时间有严格的要求，必须在规定的时间范围内完成任务。
软实时系统则对任务的响应时间有相对宽松的要求，可以容忍一些延迟。
实时操作系统广泛应用于需要高度可靠性和实时性的场景，如航空航天、工业自动化、交通系统等。
另一种常见的嵌入式操作系统类型是嵌入式Linux。
嵌入式Linux基于开源Linux内核，并针对嵌入式系统做了定制化的优化。
相比实时操作系统，嵌入式Linux在功能和灵活性上更具优势。
它支持多线程、虚拟内存管理、网络协议栈等丰富的特性，同时也提供丰富的开发工具和开发环境。
嵌入式Linux适用于对实时性要求相对较低，但需要丰富功能和灵活性的嵌入式系统。
同时，Windows嵌入式也是一种常见的嵌入式操作系统。
它是微软针对嵌入式系统开发的一个特殊版本，以适应嵌入式系统的需求。
Windows 嵌入式提供了通用的Windows应用程序模型、开发工具和开发环境，使开发者可以使用熟悉的Windows开发技术进行应用程序的开发。
它适用于需要在嵌入式系统中运行Windows应用程序的场景，如智能手机、平板电脑等。
嵌入式操作系统的设计与传统操作系统相比，有一些独特的要求和挑战。
首先，嵌入式操作系统需要具备低功耗和节约资源的特性，以适应嵌入式设备的特殊需求。
其次，嵌入式操作系统需要具备高实时性，能够快速响应和处理来自外部设备的事件。