嵌入式Linux编程与实践教程(第二版)

第1章 绪论 嵌入式系统的应用已涉及生产、工作、生活的各个方面。从家用电子电器产品中的冰箱、洗衣机、电视、微波炉到 MP3、DVD，从轿车控制到火车、飞机的安全防范，从手机到 PDA，从医院的 B超、CT到核磁共振器，从机械加工中心的各种器械到生产线上的机器人、机械手，从航天飞机、载人飞船到水下核潜艇，到处都有嵌入式系统和嵌入式技术的应用。嵌入式技术无处不在，嵌入式技术和设备在我国国民经济和国防建设的各个方面都有广泛的应用和巨大的市场。可以说它是信息技术的一个新的发展，是信息产业的一个新的亮点，也是当前较热门的技术之一。 1.1 嵌入式系统概述 1.1.1 嵌入式系统的定义与特点 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系统中的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 根据电气电子工程师学会( Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)的定义，嵌入式系统是控制、监视或者辅助机器和设备运行的装置( Devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants)。从中可以看出嵌入式系统是软硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 目前国内一个普遍被认同的嵌入式系统定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等具有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统( Embedded Operating System，EOS)以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 2．嵌入式系统的特点 从上面的定义可以看出，嵌入式系统具有以下几个重要的特征。 (1)系统内核小。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，因此其内核比传统的操作系统的内核要小得多。例如， ENEA公司的 OSE分布式系统，内核大小只有5KB，而 Windows的内核大小是 GB级别的，真是天壤之别。 (2)专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件系统的结合非常紧密，一般进行的针对硬件系统的移植即使在同一系列的产品中也需要根据硬件系统的变化不断进行修改，这种修改和通用软件的升级是完全不同的两个概念。 (3)系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其在功能设计及实现上过于复杂，这样既有利于控制系统成本，也有利于实现系统安全。 (4)高实时性的系统软件( OS)。嵌入式软件一般具有较高的实时性，并对软件代码的质量和可靠性有较高的要求。 (5)嵌入式系统的开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配 RTOS(Real Time Operating System)，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并缩短开发周期，保证软件质量。 (6)嵌入式系统的开发需要采用交叉编译的方式。由于宿主机和目标机的体系结构不同，在宿主机(如 x86平台)上可以运行的程序在目标机(如 ARM平台)上无法运行，因此嵌入式系统开发采用交叉编译方式，在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。编译的*主要的工作就是将程序代码转化成运行该程序的 CPU所能识别的机器代码。进行交叉编译的主机称为宿主机，也就是普通的通用计算机。宿主机系统资源丰富，方便使用各种集成开发环境(IDE)和调试工具等。程序实际运行的环境称为目标机(或目标板)，也就是嵌入式系统环境。 1.1.2 嵌入式系统应用领域 嵌入式系统无疑是当前比较热门且有发展前途的 IT应用之一。嵌入式系统用在一些特定的专用设备上，通常这些设备的硬件资源(如处理器、存储器等)非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式系统显得更重要。像我们平常见到的手机、 PDA、电子字典、可视电话、 VCD/DVD/MP3 Player、数字相机(DC)、数字摄像机( DV)、机顶盒( Set Top Box)、高清电视( HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、智能家居控制系统、医疗设备、航空航海设备等都是典型的嵌入式系统。 随着工业4.0、医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等行业的快速发展，嵌入式系统利用自身的技术特点，逐渐成为众多行业的标配产品。嵌入式系统以其可控制、可编程、成本低等优点，在未来的工业和生活中有广阔的应用前景。 1．工业控制 嵌入式系统的发展提高了工业控制(简称工控)的自动化程度。随着精密仪器、高精尖技术、生产工艺技术等方面的发展，系统中的工业控制任务可能越来越多且越来越复杂，信息处理往往要经过复杂的算法，因此对嵌入式系统的性能要求越来越高，要求嵌入式系统具有更高的处理能力和可靠性，以及更强的实时性。 2．消费电子 嵌入式系统正在越来越广泛地应用于消费电子领域，并为之带来了更高的附加值，如人们日常使用的智能手机、数字电视、便携多媒体播放器、数码相机、数码相框、可视电话等，嵌入式技术在人们的生活中占据着越来越重要的地位。在近几年的消费电子产业保持良好的增长势头中，创新成为该产业持续高速发展的原动力，是带动和促进消费电子产业升级和融合的增长引擎。3D打印、5G手机、可穿戴设备、曲面超高清电视等更是掀起了消费电子产品创新的热潮，而嵌入式技术成为了创新的主要手段。 3．网络通信设备 网络通信设备中，嵌入式系统发挥了重要的作用。路由器内部可以划分为控制平面和数据通道。数据通道的主要任务就是转发数据。对于软件转发式路由器来说，系统中的 CPU中一定要有一个操作系统来完成一定的工作才能实现软件转发功能。由于路由器的功能相对单一，主要工作就是转发数据，因此嵌入式系统*能适应其工作。在市场份额方面，路由器和交换机占了绝对的比例。2019年，全球电信级路由器和交换机市场创下了销售新纪录，总额达到443亿美元。 4．汽车电子 嵌入式系统在汽车电子中的应用可以分为三代：**代为底层的汽车 SCM(Single Chip Microcomputer)系统，主要用于任务相对简单、数据处理量小和实时性要求不高的控制场合，如雨刷、车灯系统、仪表盘及电动门窗等；第二代为汽车嵌入式系统，能够完成简单的实时任务，目前在汽车电控系统中得到了较广泛的应用，如 ABS系统、智能安全气囊、主动悬架及发动机管理系统等；第三代为汽车嵌入式 SoC系统，是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用，满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求，代表汽车电子技术的发展趋势，汽车嵌入式 SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。 5．军工电子 20世纪60年代，嵌入式系统开始应用在武器装备中，后来用于军事指挥控制和通信系统，所以军事国防历来就是嵌入式系统的一个重要应用领域。现在各种武器控制(如火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置)、坦克、舰艇、轰炸机等，陆海空的各种军用电子装备、雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战的各种专用设备等都可以看到嵌入式系统的影子。 6．智能家居 从技术方式上说，智能家居将数字技术和网络技术集成在电冰箱、洗衣机等传统家用电器上。世界各大厂商也正提出许多有关智能家居的解决方案，但业界还没有形成统一的标准，各国正在研究适合本国国情的智能家居系统。而现代嵌入式系统的发展，正好能以低成本、快速的方式满足这些需求。 7．医疗设备 近年来，越来越多的高科技手段开始运用到医疗设备的设计中。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器、超声波、 X射线成影设备、核磁共振仪器以及各式各样的物理治疗仪器都开始在各地医院广泛使用。从庞大的要占用一整间房的核磁共振成像扫描仪到便携式和手持仪器，再到心脏起搏器等植入式设备都是嵌入式系统的应用。 另外，医疗设备由于其行业的特殊性，还要求设备能够达到更高级别的环保要求。如何进一步地智能化、专业化、小型化，同时做到低功耗、零污染，将会是一个无止境的追求过程，这为嵌入式系统在医疗设备中的应用提供了更广阔的天地，并提出了更高的要求。 8．航空航海 在航空航海领域，嵌入式系统可以作为火箭发射的主控系统，卫星信号测控系统，飞机上的飞控系统，瞄准系统以及水下航行器的控制系统。例如，小型水下航行器嵌入式系统可用于探测海底地貌和资源、采集信息和处理数据等，而且还能对航行器的姿态、航速、航深及航行路线进行自动控制。 1.1.3 嵌入式系统发展历程与发展趋势 嵌入式系统的出现*初是基于单片机的。从20世纪70年代单片机的出现到如今各式各样的嵌入式微控制器( Embedded Microcontroller Unit， EMCU)、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)的大规模应用，嵌入式系统有近50年的历史。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段。 1．无操作系统阶段 嵌入式系统*初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制、智能家居、汽车电子和军工电子中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统直接进行控制。一些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 这个阶段的嵌入式系统的主要特点：系统结构和功能相对单一、处理效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统功能简单、价格低廉，因此在工业控制领域中得到了十分广泛的应用。 2．简单操作系统阶段 20世纪80年代，随着微电子工艺水平的不断提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、输入/输出( I/O)接口、串行接口(简称串口)以及 RAM、ROM等部件全部集成到一片超大规模集成电路中，制造出面向 I/O设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，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，这使得我们可以获得更短的开发周期、更低的开发资金和更高的开发效率，出现了真正意义上的嵌入式系统。确切地说，这时的操作系统是一个实时核，这个实时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、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。其中代表性的有 Ready System公司的 VRTX、Integrated System Incorporation(ISI)的 PSOS和 IMG的 VxWorks、QNX公司的 QNX等。这些嵌入式操作系统具有嵌入式的典型特点：均采用占先式调度，响应时间很短，任务执行时间可以确定，实时性较强；系统内核很小，可裁剪、扩充和移植，并且能够移植到各种不同体系架构的微处理器上；可靠性高，适合于嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，扩大了应用开发人员的开发范围，同时也促使嵌入式系统有了更为广阔的应用空间。 这个阶段的嵌入式系统的主要特点：出现了大量可靠性高、功耗低的嵌入式 CPU(如 Power PC等)，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。其相应的嵌入式操作系统虽然比较简单