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嵌入式系统基础,第7章 裸机系统的软件开发 ,1,嵌入式软件开发内容,开发系统软件-通用性 操作系统 协议栈 GUI 库函数 软件组件与IP(知识产权内核) 开发应用软件-专用性 在嵌入式操作系统之上进行开发 在硬件层上进行开发,2,本章内容,软件的结构和组成 监控程序 裸机系统软件的设计方法 软件的移植问题 可移植应用软件的开发原则,3,本章目的,了解嵌入式系统的软件结构与组成 掌握裸机系统的软件结构及应用 前后台结构 中断驱动结构 巡回服务结构 基于定时器的巡回服务结构 了解可移植程序的设计原理，掌握可移植程序的设计方法,4,#include /普通程序 main() printf(“hello,worldn”); ,5,1 软件的结构和组成,#include /嵌入式软件主程序 main() while(1) action1(); action2(); ,6,嵌入式系统的软件开发问题,嵌入式操作系统。 操作系统与应用软件的集成。 软件的结构。 嵌入式系统的软件是没有出口的，程序不能“退出”，整个程序的结构应该是无限的循环。 嵌入式系统的软件设计需要考虑硬件的支持、操作系统的支持、程序的初始化和引导等诸多的方面。 嵌入式系统的软件可能没有操作系统，在裸机上直接开发。,7,1.1嵌入式系统的软件组成,初始化引导代码 板级支持包 操作系统 通信协议栈 图形用户界面 应用软件,8,嵌入式系统的软件结构,9,1.2、初始化引导代码,初始化引导代码是任务嵌入式系统上电复位后第一个执行的代码 复位向量 80186：FFFF0H MCS51:0 ARM:0 执行： 自检 引导操作系统 进入初始化（硬件、软件）,10,1.3 BSP板级支持包,PC平台的标准化 嵌入式系统平台的多样化 BSP的功能 裸机系统没有BSP 用户定制的系统各不相同 用户定制的系统主要部分相同 含有存储器、定时器、中断等操作系统运行所需的基本部件 嵌入式操作系统与用户定制硬件平台之间的接口,11,1.4嵌入式操作系统,复杂系统需要嵌入式操作系统的支持 简单系统可以不使用嵌入式操作系统 嵌入式操作系统可裁减 嵌入式操作系统的内核 处理机管理（任务、任务之间的通信和同步等） 存储器管理 完整的嵌入式操作系统 内核 文件系统 人机界面 设备驱动等,12,1.5网络协议栈,协议栈对于具有网络功能的嵌入式系统产品是必要的，目前嵌入式协议栈的提供有两种方式， 一种是独立的第三方协议栈产品， 一种是嵌入式操作系统的提供商提供协议栈产品。 协议栈的运行必须基于嵌入式操作系统的平台支持，但是并不意味着协议栈必须依赖于嵌入式操作系统的API。事实上，许多的嵌入式协议栈，如嵌入式TCP/IP协议栈做到了与操作系统的最大独立性，可以与大多数嵌入式操作系统集成运行。,13,1.6应用软件,嵌入式系统的应用软件一般需要自主开发，不同的嵌入式系统的应用软件各具特色和功能。 例如常用的应用软件用于PDA上，记事本、通讯录、计算器等。 应用于工业现场总线领域的应用软件如控制软件等。 应用软件的开发基于操作系统、网络通信协议栈、图形用户接口、文件系统等一系列的低层API。,14,1.7 GUI,对于大多数嵌入式系统，图形用户接口是必要的，特别是随身设备如PDA、手机等。 GUI运行在嵌入式操作系统之上。用户开发的与用户交互的应用软件通过调用GUI的功能调用(API)来实现。,15,2 监控程序-monitor,监控程序是运行在嵌入式系统中的一段代码，具有与用户进行交互，管理系统资源的功能，具有操作系统内核的一小部分功能。嵌入式系统正式运行时，通常不需要监控程序的干预。 目前开发嵌入式系统，监控程序的作为正在减少，只用在一些小的嵌入式系统中。 有的嵌入式控制器的制造商把监控程序驻留在ROM中提供给用户在开发时使用，提供的功能如程序下载、调试、固化等。 如motorola公司的某些8位嵌入式微控制器,16,3 裸机系统软件的设计方法,嵌入式系统软件设计 无操作系统的嵌入式软件设计 有操作系统的嵌入式软件设计 （下一章）,17,3.1无操作系统的嵌入式软件设计,前后台系统 中断（事件）驱动系统 巡回服务系统 基于定时器的巡回服务系统,18,3.1.1前后台系统,后台： 应用程序是一个无限循环，巡回地执行多个事件，完成相应的操作。这一部分软件称为后台。通常在主程序main()中被调用。 前台： 中断服务程序处理异步事件，这一部分可以看成是前台。 后台可以称为任务级，前台可以称为中断级。强实时性的关键操作一定要用中断来实现。,19,程序框架-后台,main() /* 硬件初始化 */ while(1) /* 后台程序 */ action1(); action2(); actionn(); ,action_1() /* 执行动作1 */ action_n() /* 执行动作n */ ,20,程序框架-前台,Isr_1() /中断服务程序 1 /* 中断1的中断服务程序 */ /其它中断服务程序 Isr_n()/中断服务程序 n /* 中断2的中断服务程序 */ ,21,前后台系统的特点,实时性问题-不好 中断服务程序提供的数据（实时性数据）只有在后台轮询到的时候才能得到运行 应用 小系统： 微波炉 电话机 玩具等,22,3.1.2中断（事件）驱动系统,原理 整个嵌入式系统软件由中断服务程序构成 主程序完成系统的初始化工作 应用 低功耗系统设计 事件驱动系统 构成 主程序-完成系统的初始化 中断服务例程-完成事务处理,23,中断（事件）驱动系统-主程序,/*完成系统的硬件初始化和数据结构的初始化（如果必要的话）*/ main() /* to do: 系统的初始化 */ while(1) 其它代码或 enter_low_power(); /进入低功耗状态，如idle状态 ,24,中断（事件）驱动系统-中断服务程序,Isr_n() /* 其中的一个中断服务程序 */ /* to do: 处理中断事件 */ /* to do: 中断返回 */ ,25,3.1.3巡回服务系统,应用： 嵌入式处理器/控制器的中断源不多 解决方案 增加中断源-需要硬件，成本高 软件方案-软件巡回服务 main() /* to do: 系统初始化 */ while(1) action_1();/*巡回检测事件1并处理事件*/ action_2();/*巡回检测事件2并处理事件*/ action_n();/*巡回检测事件n并处理事件*/ ,26,3.1.4基于定时器的巡回服务系统,普通巡回服务系统的缺点 处理器全速运行，开销大-功耗高-电池供电系统 降低处理器的工作时间-基于定时器的巡回服务系统 构成 主程序 定时器中断服务程序,27,主程序,main() /* to do: 系统初始化 */ /* to do: 设置定时器,如自动重新加载方式 */ while(1) /其它代码或 enter_low_power(); ,28,定时器中断服务例程,Isr_timer() /* 定时器的中断服务程序 */ action_1(); /*执行事件1的处理*/ action_2(); /*执行事件2的处理*/ action_n(); /*执行事件n的处理*/ ,29,4 软件的移植,内容 考虑移植的必要性 裸机系统的软件移植 应用软件的移植 可移植应用软件的设计思路,30,4.1移植的必要性,基于嵌入式处理器的原因 处理器的更新方式 兼容机更新方式-量变，短时间 80x86系列 新的体系结构代替旧的体系结构-质变，长时间 dragon ball：EZ,VZ: 68000体系，ARM体系 基于嵌入式操作系统的原因 旧的操作系统淘汰，新的操作系统被开发出来 应用软件需要运行于不同的嵌入式操作系统平台上,31,例：,硬件： Z80，STD总线工业PC 软件： DOS的DCSwindows平台、Vxworks平台,32,5.2裸机系统的软件移植,裸机系统的特点 通常比较简单（如8位字宽） 使用汇编语言或C语言开发 不易移植的情况 汇编语言开发 跨平台 模块化差,33,基于硬件抽象层可移植软件结构,34,应用软件,输入/输出模块,处理器硬件,应用软件,硬件抽象层,处理器硬件,输入/输出模块,硬件相关,可移植性结构,硬件抽象层的特点,硬件抽象层具有与硬件密切相关性； 为上层应用软件的开发提供统一的接口 接口定义的功能应包含硬件或系统所需硬件支持的所有功能； 接口定义简单明了，太多接口函数会增加软件模拟的复杂性； 具有可测性的接口设计有利于系统的软硬件测试和集成。,35,应用软件,硬件抽象层,处理器硬件,输入/输出模块,硬件抽象层设计方法和原则,软件硬件并行、协同设计 分析接口的数据传输特性（双向/单向数据传输，字节型/数据帧型传输模式）； 分析接口配置属性； 定义接口所需的相关函数。,36,应用软件的开发原则,不直接操作硬件 调用硬件抽象层的接口函数 完成面向应用的软件开发,37,硬件抽象层例子,RS232串行通信接口 发送功能 接收功能 模式、参数设置功能 控制功能 对于MCS51，8251，16450/16550,etc设计同样的接口函数， uart_putc(uint8 ch, uint8 c); uart_getc(uint8 ch, uint8 *buf); uart_puts(uint8 ch, uint8 *pstr); uart_gets(uint8 ch, uint8 *pbuf); uart_init(uint8 ch, uint8 rate, uint8 data_len, uint8 check, uint8 start_bit, uint8 stop_bit);,38,应用程序中使用可移植的UART的功能,初始化uart uart_init() 发送一个字符 uart_putc() 接收一个字符 uart_getc(),39,5可移植应用软件的设计原则,嵌入式系统开发的初期考虑移植问题 设计原则 层次化 模块化 层次化与模块化的结合 可设计硬件抽象层 可设计操作系统抽象层,40,5.5.3层次化与模块化的结合,41,datatype.h /* 基本数据类型 */ typedef unsigned char BOOLEAN; typedef unsigned char UINT8; typedef signed char INT8; typedef unsigned short UINT16; typedef signed short INT16; typedef unsigned int UINT32; typedef signed in