嵌入式实时操作系统 详细设计说明书

分 类：软件项目设计 使用者：E-fanciers 详细设计说明书 Version: 1.0 项 目 承 担 队伍：烟台大学 计算机学院 E-fanciers小组 撰 写 人（签名）： 孝瑞 完 成 日 期： 2009-7-20 本文档使用小组： E-fanciers小组 评审负责人（签名）： 孝瑞 评 审 日 期： 2009-7-23     目  录 摘要 Abstract            1    绪论    2 1.1    嵌入式系统简介    2 1.2    嵌入式处理器    2 1.3    嵌入式实时操作系统（RTOS）    3 1.4    MyRtos的介绍    4 2    硬件体系结构和软件平台    5 2.1    硬件体系结构    5 2.2    软件平台    5 3    MyRtos详细设计及编码实现    7 3.1    MyRtos内核结构概述    7 3.1.1    临界区    7 3.1.2    任务及其任务控制块    7 3.1.3    任务调度    8 3.1.4    空闲任务    9 3.2    任务管理    9 3.2.1    建立任务    10 3.2.2    任务堆栈    13 3.2.3    改变任务的优先级    14 3.2.4    挂起任务    15 3.2.5    恢复任务    17 3.2.6    任务休眠    19 3.3    互斥信号量    20 3.3.1    创建一个互斥信号量    20 3.3.2    等待一个互斥信号量    21 3.3.3    释放一个互斥信号量    22     25 致谢    26 参考文献    27 详细设计说明书 （Procedural Design Specification） 1  绪论 嵌入式系统简介 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。 举个简单例子：一个手持的mp3是否可以叫做是嵌入式系统呢？答案肯定是“是”。另外一个PC104的微型工业控制计算机你会认为它是嵌入式系统吗？当然，也是，工业控制是嵌入式系统技术的一个典型应用领域。然而比较两者，你也许会发现二者几乎完全不同，除了其中都嵌入有微处理器。那是否可以说嵌入着微处理器的设备就是嵌入式系统？那鼠标中也有单片机，能叫嵌入式系统嘛？ 那到底什么是嵌入式系统？莫非嵌入式系统只是一个难以定义的抽象概念？ （1）嵌入式系统定义 根据IEEE（国际电机师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，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。 （2）嵌入式系统的特点（与通用PC相比较） 专用性----这是与传统PC最大的区别。嵌入式系统是面向用户，面向产品，面向应用的。它只有和具体的应用相结合才能体现出自己的优势。 高实时性----这是嵌入式系统的基本条件。 嵌入性----嵌入式系统是与具体的环境相结合的，与被控对象紧密连接的。 智能性----操作使用人性化、仪化。一般很少有人直接参与。 （3）嵌入式系统组成 嵌入式系统主要有两部分组成：嵌入式微处理器等相关硬件和嵌入式操作系统等嵌入式软件。 嵌入式处理器 嵌入式处理器的体系架构可分为三种形式： （1）IP（Intellectual Property）级架构 也就是片上系统SoC（System on Chip）形式，即是依设备功能的需求，将不同的IP单元，集成在一块总片中，它包含有处理器功能，I/O接口功能及嵌入式软件功能。 （2）芯片级架构 依应用系统要求，选用相应的微处理器，如MCU、MPU、DSP、RISC等芯片，并将RAM、ROM（EPROM/EEPROM/Fash）及I/O接口芯片等组成相应的嵌入式系统，相应的系统软件、应用软件是以固件形式固化在ROM中，这是目前常用的嵌入式系统的架构方式。 MCU、MPU属于单片机系列，这是大家熟知的。DSP（Digita Signal Processor）数字信号处理器，它具有数字信号处理能力强，特别适合于声音、图像等多媒体信息系统，但是其常规处理能力不强、寻址范围有限、I/O功能弱及开发平台问题，较少单独作为嵌入式系统的处理器，而是与嵌入式处理器相结合，构成更强大的功能。 RISC（Reduced Instruction Set Computer）型处理器具有结构简单、处理速度快和处理功能强等优点，因此，新型的嵌入式系统大多数采用RISC处理器，主流架构由ARM架构处理器、Intel的8051处理器、Microchip的PIC处理器和ZiOG的Z80处理器。目前典型的代表是ARM架构处理器，世界上许多公司均基于ARM架构开发出相应的微处理器芯片，如： ATME公司：AT91系列MCU（采用ARM7TDMI内核）。 Intel公司：SA-1110微处理器MPU（采用Strong ARM核）。 Cirros公司：EP及CL-PS系列掌上型计算机产品的MPU（采用ARM720T核）。 inkup Systems公司：L720互联网处理器（采用ARM720T核）。 Sharp公司：H77790掌上型产品中的MPU（采用ARM 7TD内核）。 其它如Hyundai公司、OKI公司、Rohm公司、Samsung公司，Netsiicom公司等，其产品中均采用ARM内核。 另外一种新型的微架构处理器是Inte公司的Xscale，它是新一代为无线掌上型应用产品开发的嵌入式处理器，是PCA开发式平台架构中应用于子系统与通信子系统中的嵌入式处理器。 （3）X86处理器嵌入到应用系统中 这样可充分利用PC机的通用性和便利性，采用嵌入式操作系统，并且将操作系统和应用软件均固化在固态电子盘中，以缩小体积，增加可靠性。典型的产品有研祥公司的嵌入式CPU卡及威盛公司的C3 CPU卡。 嵌入式实时操作系统（RTOS） 嵌入式实时操作系统（Embedded Real Time OS，简称 RTOS）是嵌入式系统应用开发的核心软件，是嵌入式系统的灵魂，就像我们日常所用计算机桌面系统中，微软公司的 Windows 操作系统一样重要。市场上有很多著名的商业化嵌入式操作系统，如VxWorks、Pam OS、Windows CE、嵌入式 Linux和μC/OS-II等上千种RTOS。 风河VxWorks是非常出色的设备软件操作系统平台，适用于从手持电子设备到大型网络设施的各种设备。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求很高的领域中，如卫星通信、军事演习等。它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86，i960，StrongARM，ARM等。 Palm OS是由Palm公司自行开发，在掌上计算机和PDA市场上占有很大的市场份额。开放的操作系统应用程序接口（API）,开发商可以根据需要自行开发所需的应用程序。 Windows CE是微软开发的一个嵌入式操作系统，专门用于手持设备和信息家电，它的模块化设计允许他对从掌上计算机到专用的工业控制的用户电子设备进行定制。它的特点是发展掌上型Windows系统，有文件兼容性高、功能多样化的特点，可以看作是    Windows 95的简化版。 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。它以高效性和灵活性著称。但是，由于Linux是全球各地的成千上万的程序员设计和实现的，因此开发散乱也是它的一大弱点。 μC/OS-II是源代码公开的实时嵌入式操作系统，主要有以下特点： (1)可移植性（Portable）强，μC/OS-II绝大部分源码使用ANSI C编写的，而与微处理器硬件相关的那部分使用会编写的。 (2)可固化，可裁减,可确定性。 (3)μC/OS-II完全是占先式（Preemptive）的实时内核。 (4)实时多任务，不支持时间片轮转调度法。 (5)任务栈, μC/OS-II每个任务都有自己的任务栈 (6)系统服务，μC/OS-II提供了很多的系统服务，例如信号量、互斥信号量、消息邮箱、消息队列等 MyRtos的介绍 现在，市场上有那么多的嵌入式操作系统，从简单到复杂，应有尽有。比如μC/OS-II就是一个简单易学的RTOS，而且他又是开放源代码的，免费用于个人学习的。但是，他也还有一个最大的弱点，就是不支持时间片轮转调度算法，这样带来的另一个弱点就是任务的数量是有限。通过对μC/OS-II的研究，最终实现一个小型的嵌入式操作系统，取名为MyRtos。 MyRtos的主要特点： (1)可移植性强（Portable），MyRtos绝大部分使用ANSI  C编写，而而与微处理器硬件相关的那部分利用了μC/OS-II的函数层，所以MyRtos和μC/OS-II一样有很强的可移植性的 ⑵可固化，可裁减,可确定性。 ⑶MyRtos是占先式（Preemptive）和时间片轮转共存的实时内核。 ⑷实时多任务，支持时间片轮转调度法，任务数可以不确定 (5)任务栈, MyRtos每个任务都有自己的任务栈 (6)系统服务，MyRtos提供了系统服务，例如互斥信号量。 2  硬件体系结构和软件平台    硬件体系结构 硬件平台采用的是EasyARM2138开发板, 他是广州周立功公司设计的EasyARM系列开发套件之一，下面简单介绍一下EasyARM2138。 EasyARM2138采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S 核、单电源供电、QFP64封装的LPC2138，LPC2138具有32kB 的片内静态RAM 和512kB 的片内Fash 程序存储器，支持JTAG仿真调试、ISP编程等功能， EasyARM2138开发板上还提供了一些键盘、ED、蜂鸣器等常用功能部件，还具有RS232接口电路、I2C存储器电路。另外，灵活的跳线组合（开发板内使用的所有I/O均可断开连接），还有用户I/O接口，极大地方便了用户进行32位ARM嵌入式系统的开发实验。