嵌入式系统在多点温度控制中的应用(一)(3)
2016-01-31 01:05
导读：统的发展和应用是现代信息社会的一个重要特征，已经被用于各行各业，也深入地影响到人们的生活和工作，本章较为全面地介绍和研究了嵌入式系统的基
统的发展和应用是现代信息社会的一个重要特征，已经被用于各行各业，也深入地影响到人们的生活和工作，本章较为全面地介绍和研究了嵌入式系统的基本概念和原理，并对嵌入式系统的发展方向和趋势作一定的论述，对于了解嵌入式系统及其开发和研究将起到一定的作用。
2.1 嵌入式系统的基本概念
2.1.1 嵌入式系统的历史
虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的， 但从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有近30年的发展历史。作为一个系统，往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。
嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。20世纪70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更容易使用，更快、更便宜。这些装置已经初步具备嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。
从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。1981年，Ready System 开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32）。这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理、时钟管理等功能。如Integrated System Incorporation (ISI)(现已被风河公司收购)的pSOS和WindRiver(风河)的VxWorks、QNX公司的QNX等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：系统内核很小，具有可裁减性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员从小范围的开发中解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。
90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS、Windows CE、嵌入式Linux、Lynx、Nucleus以及国内的Hopen、Delta OS 等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，嵌入式操作系统软越来越多。
现在RTOS已经在全球形成了1个产业，更具美国EMF(电子市场分析)报告，1999年全球RTOS市场产值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿美元。
2.1.2 何为嵌入式系统
随着嵌入式技术的发展和应用，出现了不同的嵌入式系统的定义，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，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的计算机系统。
可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义：
嵌入式系统式面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体的应用相结合才会具有生命力、才具有优势。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。
嵌入是系统式将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及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，介入嵌入式系统的行业，必须有一个正确的定位。例如Palm OS 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（WindRiver）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。
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3. 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁减，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，是一个比较好的开发模式。目前，国内外有很多微内核大小不等的嵌入式操作系统，可以根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，从而加速嵌入式系统的开发。
现在当讲到嵌入式系统时，一般是指近年来比较热的具有操作系统的嵌入式系统。其基本结构如图1所示。
2.1.3 嵌入式实时操作系统
实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）是根据操作系统的工作特性而言的，是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。它的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，提高可靠性，其次才着眼于提高系统的使用效率，要满足对时间的限制和要求。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它应具有如下的功能：
1)．任务管理（多任务和基于优先级的任务调度）；
2)．任务间的同步和通信（信号量、邮箱和消息队列）；
3). 存储器优化管理（含ROM 的管理）
4). 实时时钟服务
5). 中断管理服务
实时操作系统中的任务（Task）等同于分实操作系统中的进程（Process）的概念。系统中的任务有四种状态：运行（Executing）、就绪（Ready）、挂起（Suspended）、睡眠（Dormant）。
运行：获得CPU控制权；
就绪：进入任务等待队列，通过调度转为运行状态；
挂起：任务发生阻塞，从任务等待队列中移出，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为就绪或运行状态；
睡眠：任务完成或者错误等原因被删除的任务。
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在任意时刻，只有一个任务处于运行状态。
RTOS是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多任务OS如Unix、Windows等有共同的一面，也有不同的一面。对商用多任务OS，其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率；而RTOS追求的是调度的实时性、时间响应时间的可确定性、系统的高度可靠性。评价一个实时操作系统一般可以从任务调度、内存管理、任务通讯、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量。因此，RTOS要解决的几个主要问题如下：
⑴ 任务调度机制：
RTOS的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度方式上来讲，分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片上来看，分固定与可变时间片轮转。单纯从基于优先级的抢占式调度方式而言，又存在多种优先级计算方法。
在大多数商用的实时系统中，为了让操作系统能够在有突发事件时，迅速取得系统控制权以便对时间作出反应，所以大都提供了“抢占式任务调度”的功能，也就是操作系统有权终止应用程序
